基于硬件在环信息化平台的装备教学改革研究
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作者:刘广生 熊超 段纬然 俞文文 韩超
摘 要 针对当前大型复杂装备教学资源有限、教学效率普遍不高的问题，结合多年装备教学经验，提出一种基于硬件在环信息化平台的装备教学模式改革思路。首先对主要相关概念进行释义，接着分析面临的主要矛盾和困难，最后给出具体的方法对策。
关键词 大型复杂装备;硬件在环信息化平台;教学改革;仿真训练
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2019）21-0102-03
1 前言
随着信息时代的到来，“中国制造”向“中国创造”大步迈进。在此过程中，我国自主研制的新型装备（设备）层出不穷，其中很多大型装备的组成结构越来越复杂、科技含量越来越高、价格越来越昂贵。对于这些大型复杂装备的使用单位或者教学培训单位来讲，如何在不同阶段围绕这些装备（设备）开展高效的操作使用和维修保障的教学和训练，不断适应国家经济建设和国防建设的使用保障要求，已经成为一个亟待解决的重要课题。
2 基本概念
大型复杂装备 工科是与人类生活密切相关的学科之一。涉及工科的高等院校或工程单位，基本都拥有其相应专业的装备或设备：运输设备，如机车、飞机、轮船等;机加设备，如数控机床等;军事装备，如自行火炮、坦克、导弹等;工程设备，如矿山挖掘机、道路摊铺机等。各个行业对于大型复杂装备（设备）的操作和维修有明确规定，如检验检测机构要求：操作技术复杂的大型仪器设备，应由专门具有授权的操作人员操作，操作者应经过培训考核且持证上岗[1]。大型复杂装备通常包括电气、机械、液压、气动、姿态、定位、控制等多个设备单元，具有体积庞大、结构复杂、技术融合、信息化程度高、操作空间小或相对封闭、关重件有寿命指标、价格昂贵等特点，使其操作使用和维修保障的教学培训存在客观的限制和现实的难度。
硬件在环 硬件在环（Hardware-in-the-Loop）是计算机专业术语，即硬件在回路。硬件在环仿真是一种实时条件的混合仿真，通过计算机把一些真实部分实体连接到计算机模拟软件之中，软件系统和硬件系统统一运作，收集实时动态模拟仿真数据进行分析实验[2]。
硬件在环信息化平台 本文所指的硬件在环信息化平台属于教学培训的辅助设施设备，是培训单位针对某一特定大型复杂装备或其分系统而专门自行研制的具有基本一致表象功能的虚实结合的半实物设备，即以一个真实的控制器来控制一个虚拟的硬件负载，硬件负载包括被控对象和运行环境，被控对象可以是飞机、机车或自行火炮等大型复杂装备。硬件在环信息化平台也可以是训练模拟器或仿真训练平台的信息化改造升级。其主要用于教学培训时教师演示和学生训练，非常适用、实用、管用，既能降低设备使用成本，又能拓展演示训练空间，同时提高教学培训的效率、效益。
3 面临的主要矛盾和困难
过去，笔者所在单位面对的大多装备（设备）属于传统机械类，采用传统的“拆、装、修”的教学训练方法，培养了大量使用人员和维修人员，发挥了非常重要的作用。但是，这种传统方法已经不能适用于现在的大型复杂装备，问题体现在多个方面，应重视和认真思考。
大型复杂装备教学资源有限 对于大多数教学培训单位来讲，大型复杂装备的数量和教学场馆是有限的，导致同批受训的人员数量和操作时间难以保证，教学训练效率不高甚至较低。很多教学培训机构或使用单位不可能购买数量很多的大型复杂装备用于培训训练，往往是单台设备唱“独角戏”;教学培训时经常是一个班次几十名学生，围着一两部装备转，形成“僧多粥少”的局面，后排学生看到的是前排学生的后脑和后背，大多数学生很难进行充分的上机操作训练;训练体验既不深也不透，加之培训学时相对固定等因素，效率难以提升，效果难以保证。
大型复杂装备不便直接展示 大型复杂装备的结构一般较为复杂紧凑，可操作空间密闭且狭小，不便于完整地展现装备内部结构、运转过程、工作原理和操作要领，很多工况处于一种看不见、摸不着的状态，形成客观的“黑匣子”;不能充分发挥人的眼睛、皮肤和手脚等感官的感知作用，缺少可视性和直观感，致使一些学生处于猜想和联想的模糊状态;限制了知识信息和工程操作技能的有效传递和有效接收，教学效果难以令人满意。
大型复杂装备故障预设困难 以前相当长的一段时间，传统的维修训练教学主要依托真实装备开展，因装备处于完好工作状态，很多故障难以预先设定，无论是静态的还是动态的故障现象，很少真正在课堂教学训练时出现;致使故障检测的演示只能依靠教师或师傅的口头描述或屏幕演示，與装备（设备）的真实故障状态存在一定甚至是较大的差距;似是而非，流于形式，不利于学生的深刻理解和全面掌握。这其实是教学环节的断链和缺失，严重影响学生故障检测维修技能的形成和提升。
大型复杂装备教学成本较高 由于装备的价格昂贵，如果装备教学时频繁拆装或者操作不当，则有可能发生故障甚至损毁，无谓地大幅增加维修费用，造成一定的经济损失，进而提高装备教学的经济成本;而且这种经济成本是持续不断提高的，对于任何一个单位来讲都要想方设法避免。
4 方法与对策
近年来，计算机仿真、控制和测试等技术迅猛发展，为基于硬件在环的设备平台建设提供了技术支撑和现实基础。可以依托这些信息化技术手段深入开展基于硬件在环的教学平台的研发和制作，开发出符合教学训练需要的基于训练模拟器、仿真训练平台的教学训练设施设备，作为大型复杂装备操作使用和维修保障教学训练的重要手段。同时，依托新的教学手段，创新教师的教学模式和学生的学习模式，不断深化教学改革，从而提高教学培训的效率与效益。笔者结合多年来的一线教学实践经验，提出以下几点建议。
对硬件教学平台进行信息化改造升级 硬件在环的信息化教学平台是教师组织开展教学活动的物质基础之一，是实施大型复杂装备教学改革的前提。大型复杂装备作为机电一体化的高科技设备，与机械式传统装备相比，有了质的飞跃，原来的拆装训练和操作使用所依托的实际装备和部组件等硬件教学模型已经不再适用，需要新的更加科学的替代品。 首先，需要对原有教学模型的分系统、部组件等进行集机、电、控制等技术于一体的信息化功能改造升级，使其与新型装备保持匹配或基本同步，提高教学的针对性和一致性;其次，这些装备的驾驶舱（操作室）内部空间狭小，视野受限，教学难以大范围展开，广大教师和学生期盼开放式、全景式的信息化训练平台，拓展课堂装备教学的大空间，提高受众的通视性。
加强教师信息化教学能力提升方法和途径的研究 近年来，随着我国各类工程建设的深入推进，大批复杂设备研制成功并投入使用，有效提升了工程建设能力。这些设备或装备集机、电、微机、控制、信息等高新技术于一体，专业多样化，结构复杂化，不但给使用单位带来前所未有的挑战，也使教学单位和保障单位对设备操作使用和技术保障的教学培训面临严峻的考验。因此，无论新教师还是老教师，均需要进行信息化知识技能和装备操控学习。
首先，教师要加强信息化基础知识的学习，主动学习计算机、自动控制、虚拟仿真等信息化知识，提高信息化基本技能，注意解决好工作、学习和生活等之间的矛盾，保证学到的知识切实有用;其次，教师要加强对指定教学装备（设备）的信息化专业知识的学习更新，不止于“一碗水”，更应具备“一桶水”，成为真正的专家教授和行家里手，进而掌控课堂、把控学生，同时能够驾驭大型复杂装备的信息化教学，实现装备教学的得心应手。
人机结合信息化教学模式探索 教师的主要职责在于教授学生。教师在时间有限、装备教学空间狭小、发动机寿命有限的不利情况下，选择借助硬件在环信息化教学平台进行设备教学示范，使学生掌握装备的操作使用和技术保障的知识和技能。为此，教师需要在熟练操作使用该平台的基础上，充分发挥平台开放式、全景式的外在形式优势，施以各种技巧，达到“人机合一”，尽量客观全面地展现装备的构造与原理、检测与维修、联调联试和技术保障等装备教学的真实状况。
首先，需要开展教师对信息化装备和信息化教学平台教学示范的定性研究甚至是定量研究，包括示范时机、环境条件、装备（平台）状态、姿态语言、受众数量等;其次，开展演示期间教师、装备和平台三者的一致性研究，包括教师宏观控制、要素权重分析、演示时间配比等，进而逐步实现“教师教得到位，学生学得解渴”。
基于信息化平台的学生装备技能训练模式研究 针对工程类使用维修人员培养的要求和特点，培训单位必须深入研究人才培养的训练新模式，按照“高标准、高质量、高速度、高效益”的建设要求，着力培养“能操作、懂技术、会管理”的复合型工程人才。需要重点开展课上体验训练、课下强化训练和实景化训练的研究，包括训练组织、时机、时长、分组、安全、辅导，以及实景化环境创设、方案制订、组织实施、效果评估等要素。目前，很多教师对于课堂体验训练、课下强化训练相对熟悉，对实景化训练相对生疏，需要到工程机械使用单位现场调研并跟产跟训，进一步掌握实景化训练的特点和规律，不断优化学生的训练模式，促进教学质量的提升。
5 結语
针对大型复杂装备的教学培训工作，笔者在长期一线装备教学的基础上，开展了一些有益的尝试和实践，收到较好的教学效果，同时收获了一些感悟：基于硬件在环信息化教学平台的研究和运用，既是对传统教学模式的继承，更是对传统教学模式的改革和拓展。笔者借助硬件在环信息化教学平台仿真训练的灵活性、及时性、经济性、超前性等特点和优势，创新运用硬件在环信息化教学模式、学习模式，充分发挥虚实结合模式在高新设备教学训练中不可替代的作用，为教学改革提供参考，对于改善大型复杂装备的使用维修教学现状具有一定的现实意义，对于改进训练效果、提高培训质量甚至是科研水平具有较好的促进作用。
参考文献
[1]康玲.检验检测机构的质量控制[J].中外企业家，2016（3）：174.
[2]王韵超.基于硬件在环系统的AFS控制策略的研究[D].上海：上海工程技术大学，2016.
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