火炮构造原理教学资源建设与集成

2024-03-04杨清文房施东吴攀刘闯

高教学刊 2024年6期

关键词：课程建设教学资源教学模式

杨清文房施东吴攀刘闯

基金项目：首批精品课程立项培育项目“火炮与自动武器技术”

第一作者简介：杨清文（1966－），男，汉族，安徽长丰人，工学博士，教授。研究方向为武器系统技术与工程。

*通信作者：房施东（1980－），男，汉族，山东安丘人，工学博士，讲师。研究方向为武器系统仿真与效能分析。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.06.027

摘要：针对火炮构造原理教学内容特点和教学训练要求，提出了教学内容分类方法及其教学资源建设需求，并综合运用三维仿真技术、网络技术等，开发了各类教学资源。为更好地发挥教学资源效果，基于B/S（浏览器/服务器）体系结构开发了教学资源集成平台，集成了各类教学资源，实现了线上与线下相结合、课内与课外相结合的教学模式。教学实践表明，该教学资源的建设和集成应用，有效提高了教学质量。

关键词：课程建设；火炮构造原理；教学资源；集成平台；教学模式

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）06-0115-04

Abstract： According to the teaching content characteristics and teaching training requirements of gun construction and principle， the teaching content classification method and teaching resources construction requirements are put forward. Based on the three-dimensional simulation technology and network technology， the various teaching resources are developed. In order to play the effect of teaching resources better， based on B/S （Browser/Server） architecture， a teaching resource integration platform is developed， which integrates all kinds of teaching resources. Based on the teaching resource integration platform， the teaching mode of combining online and offline， in-class and after-class has been realized. The teaching practice shows that the teaching quality is effectively improved with the construction and integrated application of the teaching resources.

Keywords： curriculum construction; gun construction and principle; teaching resources; integration platform; teaching model

火炮構造原理课程是一门以装备为物质载体，研究炮兵身管武器火力系统、火控系统和运行系统技术和结构原理的课程，是人才培养方案中重要的专业背景课程。该课程教学目的是使学员掌握炮兵身管武器结构组成与工作原理，具备常见故障诊断与维修等装备运用能力，培塑学员爱装用装的情感和工作作风。通过近几年教学实践发现，该课程在教与学过程中还存在以下问题：一是课程教学内容多且知识跨度大，不仅涉及火力系统、火控系统、运行系统等，还涉及机、电、液等多学科知识，带来教学过程实施难，教学内容组织难等问题；二是技术与结构层次复杂且原理抽象，内部关系难展现，技术原理和工作过程难复现，存在传统教学手段难以满足认知需求等问题；三是教学过程重讲授轻实践，训练装备和实验手段缺少，造成了学员感知难等问题。随着信息技术的发展，构造多样化的教学资源和网络化的教学平台[1-3]，营造随时学习、随处学习的氛围，可以有效解决教学手段少、学员感知难等教学难题。

一需求分析

（一）教学资源

该课程教学内容既要讲授装备总体，也要传授分系统组成；既有抽象的原理，也有复杂的构造；既有技术的结构实现，也有结构的工作关系。不同的教学内容具有不同的教学要求与教学目的，构建适应不同内容特点和教学目的要求的教学手段，是提高教学效果的重要方法[4]。

随着计算机技术、虚拟仿真技术等的发展，开发多样化、立体化的教学资源，把抽象的、难展现的教学内容变得具体、直观成为可能[5]。为此根据教学大纲梳理其教学内容，划分为概述类、结构组成类、工作原理类、综合应用类4种类型，并区分不同教学内容开发了多样化教学资源。针对不同的教学目的和教学要求，设计了不同教学内容的资源表现形式和教学模式，具体见表1。

（二）教学平台

教学资源的建设不仅要满足教与学的相关要求，更重要的是要突出学员的主体地位，并解决该课程教学内容多、教学模式单一、教学时空矛盾突出、组织实施难等难题。为此，构建了基于教学资源的该课程教学集成平台[6]。

根据课程特点，该平台在内容上需集成图文、视频、动画、幻灯、软件和三维仿真文件等各类教学资源，满足概述类、结构组成类、工作原理类、综合应用类4种类型教学资源要求；在功能上要实现远程登录、学习训练、交流讨论、数据管理等功能[7-8]。

二资源研发

根据不同资源类型的要求，采用不同的开发方式。实物模型主要采用各种材料按照一定比例进行机加工制造；视频、图片、文字等文件主要采用Photoshop、Word等常用软件进行处理；二维仿真软件与动画主要采用MATLAB、Flash等进行开发；三维仿真资源文件主要采用Virtools Dev 4.0仿真开发技术进行开发[9]。下面主要区分结构组成、工作原理和综合应用3类三维仿真资源分别进行开发。

（一）结构组成类资源开发

根据课程教学要求，学员既要掌握装备整体布局与大部组成及联接关系，也要熟悉各部组件组成与内部结构。为了满足上述教学要求，结构组成类资源文件设计了漫游和结构展示两种模式，漫游模式主要演示装备大部组成及位置关系，结构展示模式主要展示部组件组成与内部关系。

1 三维模型创建

由于炮兵兵器结构复杂，三维模型数据量大，因而会造成系统运行效率低或者达不到训练要求。为此，根据资源的教学目的的不同，将模型划分为概略模型和精细模型，并分别采用不同的建模软件进行分类建模。采用Multigen Creator软件创建概略模型，包括装备大部构件、工具和仪器表盘等；采用CAXA软件创建零部件的精细模型。

2 仿真实现

1）漫游模式的实现。漫游模式包括自动漫游和自主漫游两种方式。自动漫游的主要目的在于让受训者按照预先设定好的漫游路线从整体上对装备及其部组件组成进行学习。在Virtools仿真平台中，通过控制“摄像机”对象（Cameras Objector）按照预先设定好的运动轨迹运动，从而实现自动漫游的功能[10]。自主漫游是受训者利用键盘或者鼠标与仿真界面进行人机交互，自主选择“摄像机”（Cameras）行进的路线或观察视角，其中，键盘控制采用BB“Switch On Key”模块实现，鼠标控制运用BB“Mouse Camera Orbit”模块实现。在漫游的同时还采用声音播放BB模块播放音频文件进行语言讲解。

2）结构展示模式实现。结构展示模式主要用于学员不必拆卸实装就能够对装备及其部组件的内部结构有直观的认识。设计了透视、隐藏、打开外壳等方式观察设备内部结构，实现结构学习时“进得去，看得见”[11]。对于复杂零件，还设计了拆分、剖视、鼠标拖动等方式展现内部结构。以鼠标拖动控制为例，实现过程如下：采用BB“Mouse Waiter”获取鼠标操作信息，运用BB“2D Picking”、“Keep Active”和“Place Entity Under Mouse”实现按下鼠标左键选取并移动零件、弹起左键零件确定新位置的零部件拖动控制功能。

结构展示模式实现效果如图1所示。其中，图1（a）是透视效果；图1（b）是剖视效果。

（a）透视效果（b）剖视效果

图1 结构组成类资源效果

（二）工作原理类资源开发

根据课程教学内容，火炮的工作原理涉及机械类分系统和电气类分系统。根据分系统类型的不同，分别选用不同的开发工具进行资源开发[12]。运用Virtools开发三维仿真资源，用以演示机械类分系统工作原理；运用MATLAB、Flash等开发二维仿真软件或二维仿真动画，用以演示电气类分系统工作原理。其中基于Virtools开发三维仿真动画时，首先建立机构合适的“父子”关系（即约束关系）和运动参考点，然后根据运动模型和零件“父子”关系设定各控制BB的参数关系，最后根据时间节点进行“并行”仿真，即合成为多级的复杂运动等。另外通过添加文字提示、语音讲解等实现辅助功能，运用透视、隐藏或打开装备外壳等方式展现机构内部工作过程。其中，三维仿真效果如图2（a）所示；二维演示效果如图2（b）所示。

（a）三維动画效果（b）二维动画效果

图2 工作原理类资源仿真效果

（三）综合应用类资源开发

该课程教学的主要目的是在装备结构与工作原理教学的基础上，使学员掌握常见故障诊断与维修的方法。为此，基于Virtools开发用于常见故障诊断与维修训练的综合应用类资源。

该资源包括故障设置与生成功能、故障现象演示功能、故障判断与维修功能、故障复检功能等[13]。其中故障判断与维修过程最为复杂，为此其分解为：训练层、任务层、作业层和基本作业层，层内以流程图形式表达先后次序。其描述模型具体如图3所示。

图3 综合应用类资源的过程描述模型

首先，根据故障判断与维修训练过程描述成所有基本作业仿真，包括基本检测作业仿真、基本维修作业仿真和基本校验作业仿真。其中基本维修作业仿真是开发的难点。维修作业过程必须严格遵守操作规程，包含详细、完整的人、工具、装备的运动和动作信息、人机交互信息[14]。为了增强人的自主参与，提出了基于交互行为模型的基本维修作业模型，包括拆卸作业模型和安装作业模型[13]。以某零件维修为例，其基本拆卸作业模型如图4所示，其安装过程为拆卸过程的逆过程。然后，基于过程描述模型，通过人机交互机制启动基本作业仿真程序脚本。最后，所有基本作业仿真按维修过程描述中基本维修作业顺序启动，则可完成整个故障判断与维修训练过程仿真。

图4 综合应用类资源的作业仿真流程（拆卸）

三资源集成平台开发

为适应智慧校园教学系统，采用B/S（浏览器/服务器）体系结构开发资源集成平台[15]。平台体系采用数据层、访问层和交互层的三层体系结构，如图5所示[16]。

图5 资源集成平台体系结构

数据层主要用于存储平台底层数据，包括数据列表和文本、图片、动画、仿真资源等。其中数据列表主要运用Microsoft Access数据库技术进行创建，包含管理员信息表、用户信息表、模型信息表、系统资源信息表和题库信息表等。

访问层主要采用VBScript、SQL语句结合ASP编写脚本程序，实现页面与数据库的动态连接和访问，查询与修改等。对于数据表、文本、图片等资源，由于数据量较小，可以直接存储到资源数据库中，用户直接通过ASP读取数据库文件即可；对于三维仿真、二维动画和视频等资源文件，由于数据量大，如果直接将文件内容存储到数据库中，将导致网络运行效率低，系统交互性差等问题，因此通过ASP读取数据库中的资源文件存储在地址，进而根据地址调用相应文件，将大大提高系统运行效率。

交互层是基于HTML静态网页和JavaScript脚本编程、HTML语言搭建平台的人机交互页面。根据功能需求和用户操作习惯，将页面区分为装备结构目录区、功能菜单区、系统管理区和学习训练区四部分。装备结构目录区采用目录树的形式展示炮兵主要装备型号及其结构目录。功能菜单区是将相关训练内容以菜单栏的形式呈现给用户，包括概述类、结构组成类、工作原理类、综合实践类及在线考核等。系统管理区主要用于管理各类维修训练资源和相关信息，只有管理员才能进入系统管理区，包括：用户管理、模型管理、资源管理和题库管理；学习训练区用于用户学习训练，是用户与各学习训练资源进行交互的区域。

发布后，平台运行效果如图6所示。

图6 教学资源集成平台运行效果

四结束语

该课程教学资源的建设与集成，不仅构建了立体化的教学资源，而且还实现了线上与线下相结合的混合教学模式，有效解决了该课程教学中存在的教学手段缺乏、时空矛盾突出等问题。问卷调整表明，学员对该课程的满意度大幅提高。相关研究成果也可以为类似技术基础课程建设提供参考。

参考文献：

[1] 宁全利，房施东，邓海飞，等.于支架式教学理念的火炮构造原理虚拟仿真教学系统设计[J].高教学刊，2022（19）：74-77，81.

[2] 孙田琳子，石福新，王子权，等.教育资源的建设、应用与反思[J].中国电化教育，2020（6）：130-146.

[3] 成秀丽.职业教育数字化教学资源研究——基于2005年—2015年文献统计分析[J].中国电化教育，2016（8）：120-124.

[4] 程志君，龚时雨，郭波.装备保障管理课程体系建设[J].高等教育研究学报，2013，36（3）：69-72.

[5] 费景洲，路勇，高峰，等.船舶动力技术虚拟仿真实验教学资源的建设与实践[J].实验室研究与探索，2017，36（1）：147-151.

[6] 武峥.云计算技术在教育资源公共服务平台的应用研究[J].中国电化教育，2018（2）：107-111.

[7] 陈晨.职业院校网络教学平台的设计与实现[D].长春：吉林大学，2015.