现代坦克火控技术教学平台设计与实践

王伟达，杨 超，王钦钊，闫清东

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2. 装甲兵学院电气工程系，北京 100072)

1 引言

为适应新时代创新经济高速发展、科学技术日新月异的新形势，各高校都在探索革新性的教育教学方法，以使培养的学生适应快速变化的社会需求。基于教学平台与虚拟仿真技术的教学方法得到普遍的认同和应用。文献[1]认为培养创新型人才是一项系统工程，离不开实验室的开放实践，采取多种途径全面推进实验室开放，引导学生进入实验室动手实践，能够极大地提高实验室和设备的利用率，实现实验教学资源共享，提高学生的创新科研能力。文献[2]研究了国外高校虚拟仿真教学现状与发展，介绍了支撑虚拟仿真教学的主要信息技术，归纳总结了国外高校虚拟仿真教学的类别、形式、特点以及实践案例。文献[3]提出了建设高校室管理专业性学生组织，打造青年学生参与室管理的实践平台，既具有重要的现实和理论意义，也具有较强的可操作性，不但可以为青年学生成才、成长提供服务，而且增强了实验室管理力量、提升实验室管理水平。文献[4]针对现代工业发展对工程师的工程综合实践能力要求越来越高的问题，结合工程训练中心的实践教学条件，提出了改革教学方法等措施与建议。文献[5]构建了虚实结合、理-实一体化的舰载导弹火控模拟训练体系，搭建了导弹火控模拟训练教学平台，扎实推进教学改革实践，有效增强了学员对复杂武器装备学习的兴趣和训练效果，提高了人才培养质量。我校装甲车辆工程专业在基于教学平台与虚拟仿真教学方面做了很多工作，如在坦克构造与设计课程中运用视景仿真进行虚拟实验教学，开发了多种军用车辆总体或关键零部件模拟仿真平台等[6～8]。

将建构主义理论用于教学尤其是实践教学中也是当前的热点问题。文献[9]针对工程教育特点，在建构主义理论指导下，探索了研究性教学实践，完善了知识、条件、文化等方面的研究性教学环境。文献[10]提出建构主义教学重在对学生学习环境的设计，学生在合适的学习环境中能充当知识的主动建构者，教师的作用是通过恰当的教学模式设计为学生创造学习环境，建构主义教学能提高学生的学习主动性和自我发展能力。文献[11] 设计了建构主义理论指导下的研究生教学模式GIFPM及其课堂教学策略，并给出了基于建构主义的研究生教学模式中教学策略选择的基本原则。

在我校装甲车辆工程专业《现代坦克火控技术》课程教学实践中，针对遇到的现实问题，为学生提供直接接触火控系统并产生切身体验的模拟教学平台，整合基础数学物理知识、直观感受、教学条件等资源，在建构主义教学法指导下，通过基于情境的坦克火控技术教学平台设计、教学过程设计，构建火控技术知识体系，加深学生对课程知识内核的理解，提升学生的自主实践能力、主动学习能力和创新思维能力。

2 基于情境再现的坦克火控系统教学平台设计

教育学者们在一般认识论的基础上，通过对学习过程的规律进行研究，逐渐形成了认知学习理论，其中影响最大的是建构主义学习理论[12]。通过创设符合教学内容要求的情景和提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生建构当前所学知识的意义[13～14]。在传统的课堂讲授中，由于不能提供实际情境所具有的生动性、丰富性，因而将使学习者对知识的意义建构发生困难。因此，针对《现代坦克火控技术》教学，针对平时难以接触到坦克火控系统实物及真实使用场景的问题，设计了坦克火控系统演示与操作教学平台，并通过足够的硬件配置与丰富的软件模拟功能，再现了火控系统的操作要领与过程以及坦克装甲车辆战场战斗场景，为学生提供教学情境。

2.1 火控教学平台总体架构

教学平台由模拟炮塔和控制台2部分组成。模拟炮塔参考现代新型坦克设计，整体外廓尺寸宽×高×长=2.7m×2.5m×2.0m。为便于教学，炮塔做成敞开式舱式结构。左侧安装炮长座椅，右侧安装车长座椅；炮塔内安装现代坦克、半实物仿真的车炮长射击所涉及的观瞄系统和火控部件，以及一定的环境部件，包括火控计算机、炮长操作面板、电源、火控系统自动传感器等。为减少故障和简化操作，与射击操作无直接关系的部件只作外形仿真，仅起到了解火控系统概貌的作用。平台主要组成部分如图1和图2。

图1 教学平台模拟炮塔

教学平台的射击操作内容，以坦克火控系统为主线，通过软件涵盖96式坦克、96A坦克、04式步兵战车、100轮式突击炮等我国主要装甲装备火控系统的射击性能。坦克火控系统观瞄界面软件模拟如图3，作战环境软件模拟界面如图4。

图3 坦克火控系统观瞄界面软件模拟

图4 作战环境软件模拟界面

2.2 教学平台仿真系统构成

该教学平台依据现代火控系统具有的“稳像”(指挥仪式)、“装表”(扰动式)、“应急”、“自动跟踪”、“炮射导弹”、“对空”射击，车长超越调炮和超越射击等功能，以及原地、行进、倾斜等不同的射击方式，建立起相应的仿真数学模型，模拟出武器系统的作战性能；同时，依据炮长和车长间的物理关系，模拟出相互间的运动学关系。该系统采用三维数字地形，能实现炮长和车长在不同位置、从不同视向和不同放大倍率瞄准镜观察同一战场的效果，能对地形内任意距离目标和地物测距，以及对多种战场视景进行仿真。具体包括：

1)炮长操作平台：能模拟炮长在“稳像”、“装表”、“应急”、“自动跟踪”和发射“炮射导弹”等工况下实施射击的功能，如图5。

图5 炮长操作平台

2)车长操作平台：能模拟车长通过周视镜进行观察、监视炮长、超越调炮和实施超越射击等功能，如图6。

图6 车长操作平台

3)模拟目标：包括正面坦克靶、运动坦克靶、M1坦克、T72坦克、步兵战车、导弹车、直升机、战斗机、步兵和火箭筒靶等。

4)视景仿真：射击练习有草地、沙漠、黄土地、沼泽地等4种靶场视景；“稳像”、“装表”练习有靶场微光视景；乘员协同作战时有6×6km2作战地域视景；稳定器操作练习时有原地和行进间射击视景。

5)烟雾音响效果：包括射击时炮口烟、目标燃烧、火炮和机枪射击弹道以及击中地面等爆炸效果。音响包括各种射击口令、战场噪声、坦克行进噪声、火控系统工作噪声、枪炮射击声和爆炸声等，约30余种。

2.3 教学平台中的仿真技术与模型

教学平台采用网络化通讯协议将炮长、车长及控制台所属的多台计算机联网。在计算机营造的虚拟战场环境中，通过对作战地域地形的数字化显示、对战场环境的逼真模拟，以及各参战武器实体的显示，使人员有一种身临其境的感觉，同时可以像在实车内一样进行各种射击操作。

在典型稳像式火控系统的数学仿真模型中，模拟火控系统瞄准和调炮过程，根据目标瞄准信号值，通过炮控系统的角度传感器、放大器、极化继电器、电机放大机、炮塔电动机和炮塔等部件的闭环控制，将火控操纵调整到位。火控操纵系统仿真模型结构框图如图7。

图7 火控操纵系统仿真模型结构框图

车辆行驶动力学对于火控的瞄准精度以及教学平台的动态展示效果具有关键作用，所以建立了精细的车辆动力学仿真模型，模型框图如图8。

图8 履带车辆行驶动力学模型

3 借鉴建构主义理论的情境教学实践

3.1 经验背景知识的重现与概念建构

建构主义强调，学习者并不是空着脑袋进入学习情境中的。在日常生活和以往各种形式的学习中，他们已经形成了有关的知识经验，他们对任何事情都有自己的看法[15]。即使是有些问题他们从来没有接触过，没有现成的经验可以借鉴，但是当问题呈现在他们面前时，他们还是会基于以往的经验，依靠他们的认知能力。所以，在教学过程不能无视学习者的已有知识经验，简单强硬的从外部对学习者实施知识的“填灌”，而是应当把学习者原有的知识经验作为新知识的生长点，引导学习者从原有的知识经验中，生长新的知识经验。教学不单是知识的传递，而是知识的处理和转换。

坦克火控系统作为一种武器系统虽然日常生活几乎无法接触到，但火炮的射击原理、射击过程、影响射击精度的要素和枪械具有相通之处。而大部分学生通过影视资料、一般物理学和光学常识、专门的射击游戏软件等对于枪炮的射击过程都有所了解。因此，在《现代坦克火控技术》教学过程中，首先由浅入深的将射击观瞄的原理，从一般射击工况出发进行经验知识的建构，从而引申出坦克火控系统的工作原理。

从生活常识和基本物理规律出发，通过一般枪械的射击原理，介绍瞄准的原理及影响射击精度的基本因素。从武器的瞄准角度，给出装表的定义和射击精度的影响因素。瞄准线与火炮轴线必须要有一定的夹角(瞄准角)，才能使炮弹命中目标。而使火炮与瞄准线产生夹角的过程就是装表。而在垂直方向决定瞄准角的基本因素就是目标距离。目标距离决定了弹道轨迹及命中点。通过物理学常识，这些概念都是显而易见的。

由于射击原理及精度影响因素，可以导引现代火控系统需要解决的问题，如准确的测量距离、装定表尺等，从而建构现代火控系统的基本配置和工作原理等概念。现代坦克火控系统既包含了火炮射击过程的基本观瞄、装表、调炮等操作，又将基本操作电气化和自动化。其工作原理对于从自动装表式火控到高级的稳像式火控系统原理意义构建具有指导性作用。

在实际教学过程中，从射击基本概念、典型火控工作原理、火控基本组成、观瞄原理、火控系统关键技术等知识的讲述过程中，都渗透了建构主义概念。另外，教学实验平台辅助课堂教学在运用建构主义教学法过程中起了重要基础性作用。

3.2 基于教学平台的情景再现与知识强化

建构主义认为，学习者与周围环境的交互作用，对于学习内容的理解(即对知识意义的建构)起着关键性的作用。教师通过创设符合教学内容要求的情景和提示新旧知识之间联系的线索，帮助学生建构当前所学知识的意义。

基于设计的坦克火控系统演示与操作教学平台，可将各种类型的坦克火控系统进行模拟，并可在教学平台上进行实际操作模拟。在操作过程体现不同火控系统的观瞄人机界面与工作原理，从而完成课程目标概念的意义构建过程。典型自动装表式火控系统和稳像式火控系统在教学平台中的观瞄界面分别如图9和图10。

图9 自动装表式火控系统观瞄界面

图10 稳像式火控系统观瞄界面

射击工况选择界面如图11。

图11 射击工况选择操作界面

通过火控系统教学平台，首先重现了系统的基本硬件组成，在平台中看到一些典型的火控系统零部件，从而与课堂上的知识讲解、部件介绍联系起来，完成基本概念建构。然后通过多种工况的射击操作模拟，展示了不同原理火控系统的工作过程及操作要领(基本步骤)。操作要领体现了工作原理，如装表工况需要二次手动瞄准(稳像工况不需要)、瞄准标记和物像有分离过程(稳像式没有)、激发按钮操作不同(装表式按下按钮立即激发，稳像式长按按钮等待判断逻辑自动激发)等。从而通过具体的实物、成像和动作，体现火控系统原理与技术的异同，帮助学生直观的理解所学知识，从而完成知识点的意义建构，还激发了学生的学习兴趣。

3.3 课堂教学与探究型作业构建知识体系

建构主义教学理论指出，教师要成为学生建构知识的积极帮助者和引导者，应当激发学生的学习兴趣，引发和保持学生的学习动机。为使学生的意义建构更为有效，教师应尽可能组织协作学习，展开讨论和交流，并对协作学习过程进行引导，使之朝有利于意义建构的方向发展。

在《现代坦克火控技术》教学实践中，在课堂上，教师通过运用多媒体教学手段，通过丰富的图片、动画、视频演示结合知识讲解，通过结合学生的旧有经验和已有知识，构建火控技术的基本概念；组织了针对关键知识点的课前背景知识准备与课堂讨论，结合教材讨论火控系统用观瞄技术的原理与最新研究进展、火控系统的控制理论模型与控制算法设计、火控系统产品的电子设计与软件设计等核心内容；通过基于教学平台的实践教学，形象了展示了火控系统实物和实际工作过程，完成了基于建构情境的知识强化；课堂之外，通过分组完成探究性作业或研究课题的形式，教师组织和引导学生一起讨论和交流，从而建立起学习群体，通过协作学习，群体共同完成对所学知识的意义，完成课程知识体系的建立，以及对知识的深入掌握和理解。探究性作业包括火控系统观瞄器件，如测距传感器(包括现代的自动化激光测距仪、传统的合像式测距仪、密位公式测距等)，原理研究与仿真计算、炮控过程动力学建模与仿真、典型信号处理电路分析、典型控制环节理论计算分析与控制算法设计仿真等。

4 结论

我校在本科生专业课程《现代坦克火控技术》教学实践中，整合了专业实验室的设备资源，通过由浅入深的基本经验再现、建设现代坦克火控系统演示与操作教学平台进行坦克火控系统界面与使用的情境再现、沉浸式的教学操作体验等方式，激发学生的学习兴趣，系统性的建构基础知识、基本概念以及各种类型火控系统的系统架构、工作界面与工作原理，达到该课程的核心学习目标。

通过基于课堂教学结合背景知识重现的知识构建、课堂讨论形式的启发式教学、基于情境教学的知识强化以及课后探究性群体协作学习的深化理解，课程组较好了完成了现代坦克控制技术的课程教学工作，初步使用建构主义教学理论指导了教学设计与课程实践。

建构主义学习理论是当前流行的学习理论，其内涵与外延非常丰富，其知识学习与意义建构过程更是包括多种方法、方式。在当前教学实践过程中只是进行了初步探索，基于建构主义思想全面的设计研究型课程，进一步提升该课程的教学效果。