基于硬件在環(huán)信息化平臺的裝備教學改革研究

劉廣生 熊超 段緯然 俞文文 韓超

摘 ?要 針對當前大型復雜裝備教學資源有限、教學效率普遍不高的問題，結(jié)合多年裝備教學經(jīng)驗，提出一種基于硬件在環(huán)信息化平臺的裝備教學模式改革思路。首先對主要相關(guān)概念進行釋義，接著分析面臨的主要矛盾和困難，最后給出具體的方法對策。

關(guān)鍵詞 大型復雜裝備;硬件在環(huán)信息化平臺;教學改革;仿真訓練

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）21-0102-03

1 前言

隨著信息時代的到來，“中國制造”向“中國創(chuàng)造”大步邁進。在此過程中，我國自主研制的新型裝備（設備）層出不窮，其中很多大型裝備的組成結(jié)構(gòu)越來越復雜、科技含量越來越高、價格越來越昂貴。對于這些大型復雜裝備的使用單位或者教學培訓單位來講，如何在不同階段圍繞這些裝備（設備）開展高效的操作使用和維修保障的教學和訓練，不斷適應國家經(jīng)濟建設和國防建設的使用保障要求，已經(jīng)成為一個亟待解決的重要課題。

2 基本概念

大型復雜裝備 ?工科是與人類生活密切相關(guān)的學科之一。涉及工科的高等院校或工程單位，基本都擁有其相應專業(yè)的裝備或設備：運輸設備，如機車、飛機、輪船等;機加設備，如數(shù)控機床等;軍事裝備，如自行火炮、坦克、導彈等;工程設備，如礦山挖掘機、道路攤鋪機等。各個行業(yè)對于大型復雜裝備（設備）的操作和維修有明確規(guī)定，如檢驗檢測機構(gòu)要求：操作技術(shù)復雜的大型儀器設備，應由專門具有授權(quán)的操作人員操作，操作者應經(jīng)過培訓考核且持證上崗[1]。大型復雜裝備通常包括電氣、機械、液壓、氣動、姿態(tài)、定位、控制等多個設備單元，具有體積龐大、結(jié)構(gòu)復雜、技術(shù)融合、信息化程度高、操作空間小或相對封閉、關(guān)重件有壽命指標、價格昂貴等特點，使其操作使用和維修保障的教學培訓存在客觀的限制和現(xiàn)實的難度。

硬件在環(huán) ?硬件在環(huán)（Hardware-in-the-Loop）是計算機專業(yè)術(shù)語，即硬件在回路。硬件在環(huán)仿真是一種實時條件的混合仿真，通過計算機把一些真實部分實體連接到計算機模擬軟件之中，軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)統(tǒng)一運作，收集實時動態(tài)模擬仿真數(shù)據(jù)進行分析實驗[2]。

硬件在環(huán)信息化平臺 ?本文所指的硬件在環(huán)信息化平臺屬于教學培訓的輔助設施設備，是培訓單位針對某一特定大型復雜裝備或其分系統(tǒng)而專門自行研制的具有基本一致表象功能的虛實結(jié)合的半實物設備，即以一個真實的控制器來控制一個虛擬的硬件負載，硬件負載包括被控對象和運行環(huán)境，被控對象可以是飛機、機車或自行火炮等大型復雜裝備。硬件在環(huán)信息化平臺也可以是訓練模擬器或仿真訓練平臺的信息化改造升級。其主要用于教學培訓時教師演示和學生訓練，非常適用、實用、管用，既能降低設備使用成本，又能拓展演示訓練空間，同時提高教學培訓的效率、效益。

3 面臨的主要矛盾和困難

過去，筆者所在單位面對的大多裝備（設備）屬于傳統(tǒng)機械類，采用傳統(tǒng)的“拆、裝、修”的教學訓練方法，培養(yǎng)了大量使用人員和維修人員，發(fā)揮了非常重要的作用。但是，這種傳統(tǒng)方法已經(jīng)不能適用于現(xiàn)在的大型復雜裝備，問題體現(xiàn)在多個方面，應重視和認真思考。

大型復雜裝備教學資源有限 ?對于大多數(shù)教學培訓單位來講，大型復雜裝備的數(shù)量和教學場館是有限的，導致同批受訓的人員數(shù)量和操作時間難以保證，教學訓練效率不高甚至較低。很多教學培訓機構(gòu)或使用單位不可能購買數(shù)量很多的大型復雜裝備用于培訓訓練，往往是單臺設備唱“獨角戲”;教學培訓時經(jīng)常是一個班次幾十名學生，圍著一兩部裝備轉(zhuǎn)，形成“僧多粥少”的局面，后排學生看到的是前排學生的后腦和后背，大多數(shù)學生很難進行充分的上機操作訓練;訓練體驗既不深也不透，加之培訓學時相對固定等因素，效率難以提升，效果難以保證。

大型復雜裝備不便直接展示 ?大型復雜裝備的結(jié)構(gòu)一般較為復雜緊湊，可操作空間密閉且狹小，不便于完整地展現(xiàn)裝備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運轉(zhuǎn)過程、工作原理和操作要領，很多工況處于一種看不見、摸不著的狀態(tài)，形成客觀的“黑匣子”;不能充分發(fā)揮人的眼睛、皮膚和手腳等感官的感知作用，缺少可視性和直觀感，致使一些學生處于猜想和聯(lián)想的模糊狀態(tài);限制了知識信息和工程操作技能的有效傳遞和有效接收，教學效果難以令人滿意。

大型復雜裝備故障預設困難 ?以前相當長的一段時間，傳統(tǒng)的維修訓練教學主要依托真實裝備開展，因裝備處于完好工作狀態(tài)，很多故障難以預先設定，無論是靜態(tài)的還是動態(tài)的故障現(xiàn)象，很少真正在課堂教學訓練時出現(xiàn);致使故障檢測的演示只能依靠教師或師傅的口頭描述或屏幕演示，與裝備（設備）的真實故障狀態(tài)存在一定甚至是較大的差距;似是而非，流于形式，不利于學生的深刻理解和全面掌握。這其實是教學環(huán)節(jié)的斷鏈和缺失，嚴重影響學生故障檢測維修技能的形成和提升。

大型復雜裝備教學成本較高 ?由于裝備的價格昂貴，如果裝備教學時頻繁拆裝或者操作不當，則有可能發(fā)生故障甚至損毀，無謂地大幅增加維修費用，造成一定的經(jīng)濟損失，進而提高裝備教學的經(jīng)濟成本;而且這種經(jīng)濟成本是持續(xù)不斷提高的，對于任何一個單位來講都要想方設法避免。

4 方法與對策

近年來，計算機仿真、控制和測試等技術(shù)迅猛發(fā)展，為基于硬件在環(huán)的設備平臺建設提供了技術(shù)支撐和現(xiàn)實基礎。可以依托這些信息化技術(shù)手段深入開展基于硬件在環(huán)的教學平臺的研發(fā)和制作，開發(fā)出符合教學訓練需要的基于訓練模擬器、仿真訓練平臺的教學訓練設施設備，作為大型復雜裝備操作使用和維修保障教學訓練的重要手段。同時，依托新的教學手段，創(chuàng)新教師的教學模式和學生的學習模式，不斷深化教學改革，從而提高教學培訓的效率與效益。筆者結(jié)合多年來的一線教學實踐經(jīng)驗，提出以下幾點建議。

對硬件教學平臺進行信息化改造升級 ?硬件在環(huán)的信息化教學平臺是教師組織開展教學活動的物質(zhì)基礎之一，是實施大型復雜裝備教學改革的前提。大型復雜裝備作為機電一體化的高科技設備，與機械式傳統(tǒng)裝備相比，有了質(zhì)的飛躍，原來的拆裝訓練和操作使用所依托的實際裝備和部組件等硬件教學模型已經(jīng)不再適用，需要新的更加科學的替代品。

首先，需要對原有教學模型的分系統(tǒng)、部組件等進行集機、電、控制等技術(shù)于一體的信息化功能改造升級，使其與新型裝備保持匹配或基本同步，提高教學的針對性和一致性;其次，這些裝備的駕駛艙（操作室）內(nèi)部空間狹小，視野受限，教學難以大范圍展開，廣大教師和學生期盼開放式、全景式的信息化訓練平臺，拓展課堂裝備教學的大空間，提高受眾的通視性。

加強教師信息化教學能力提升方法和途徑的研究 ?近年來，隨著我國各類工程建設的深入推進，大批復雜設備研制成功并投入使用，有效提升了工程建設能力。這些設備或裝備集機、電、微機、控制、信息等高新技術(shù)于一體，專業(yè)多樣化，結(jié)構(gòu)復雜化，不但給使用單位帶來前所未有的挑戰(zhàn)，也使教學單位和保障單位對設備操作使用和技術(shù)保障的教學培訓面臨嚴峻的考驗。因此，無論新教師還是老教師，均需要進行信息化知識技能和裝備操控學習。

首先，教師要加強信息化基礎知識的學習，主動學習計算機、自動控制、虛擬仿真等信息化知識，提高信息化基本技能，注意解決好工作、學習和生活等之間的矛盾，保證學到的知識切實有用;其次，教師要加強對指定教學裝備（設備）的信息化專業(yè)知識的學習更新，不止于“一碗水”，更應具備“一桶水”，成為真正的專家教授和行家里手，進而掌控課堂、把控學生，同時能夠駕馭大型復雜裝備的信息化教學，實現(xiàn)裝備教學的得心應手。

人機結(jié)合信息化教學模式探索 ?教師的主要職責在于教授學生。教師在時間有限、裝備教學空間狹小、發(fā)動機壽命有限的不利情況下，選擇借助硬件在環(huán)信息化教學平臺進行設備教學示范，使學生掌握裝備的操作使用和技術(shù)保障的知識和技能。為此，教師需要在熟練操作使用該平臺的基礎上，充分發(fā)揮平臺開放式、全景式的外在形式優(yōu)勢，施以各種技巧，達到“人機合一”，盡量客觀全面地展現(xiàn)裝備的構(gòu)造與原理、檢測與維修、聯(lián)調(diào)聯(lián)試和技術(shù)保障等裝備教學的真實狀況。

首先，需要開展教師對信息化裝備和信息化教學平臺教學示范的定性研究甚至是定量研究，包括示范時機、環(huán)境條件、裝備（平臺）狀態(tài)、姿態(tài)語言、受眾數(shù)量等;其次，開展演示期間教師、裝備和平臺三者的一致性研究，包括教師宏觀控制、要素權(quán)重分析、演示時間配比等，進而逐步實現(xiàn)“教師教得到位，學生學得解渴”。

基于信息化平臺的學生裝備技能訓練模式研究 ?針對工程類使用維修人員培養(yǎng)的要求和特點，培訓單位必須深入研究人才培養(yǎng)的訓練新模式，按照“高標準、高質(zhì)量、高速度、高效益”的建設要求，著力培養(yǎng)“能操作、懂技術(shù)、會管理”的復合型工程人才。需要重點開展課上體驗訓練、課下強化訓練和實景化訓練的研究，包括訓練組織、時機、時長、分組、安全、輔導，以及實景化環(huán)境創(chuàng)設、方案制訂、組織實施、效果評估等要素。目前，很多教師對于課堂體驗訓練、課下強化訓練相對熟悉，對實景化訓練相對生疏，需要到工程機械使用單位現(xiàn)場調(diào)研并跟產(chǎn)跟訓，進一步掌握實景化訓練的特點和規(guī)律，不斷優(yōu)化學生的訓練模式，促進教學質(zhì)量的提升。

5 結(jié)語

針對大型復雜裝備的教學培訓工作，筆者在長期一線裝備教學的基礎上，開展了一些有益的嘗試和實踐，收到較好的教學效果，同時收獲了一些感悟：基于硬件在環(huán)信息化教學平臺的研究和運用，既是對傳統(tǒng)教學模式的繼承，更是對傳統(tǒng)教學模式的改革和拓展。筆者借助硬件在環(huán)信息化教學平臺仿真訓練的靈活性、及時性、經(jīng)濟性、超前性等特點和優(yōu)勢，創(chuàng)新運用硬件在環(huán)信息化教學模式、學習模式，充分發(fā)揮虛實結(jié)合模式在高新設備教學訓練中不可替代的作用，為教學改革提供參考，對于改善大型復雜裝備的使用維修教學現(xiàn)狀具有一定的現(xiàn)實意義，對于改進訓練效果、提高培訓質(zhì)量甚至是科研水平具有較好的促進作用。

參考文獻

[1]康玲.檢驗檢測機構(gòu)的質(zhì)量控制[J].中外企業(yè)家，2016（3）：174.

[2]王韻超.基于硬件在環(huán)系統(tǒng)的AFS控制策略的研究[D].上海：上海工程技術(shù)大學，2016.