專業教學仿真模擬器應用

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一、序言

隨著計算機技術的普及和多媒體技術的蓬勃發展，計算機多媒體的應用已深入到了教育領域的各個方面。但在大多數理工科院校中，由于專業的分割，長期以來，已形成了由學科專業人員提供腳本，教育技術中心人員制作教學錄像片或各自獨立編制教學多媒體課件的模式。隨著教育技術的發展，多媒體技術的廣泛應用和網絡技術的興起，這種方式已不能完全適應教學的要求。在新形勢下，教育技術工作者應與專業教師進一步配合，充分發揮人員及設備的優勢，與專業教師共同研制開發與教學相配套的軟、硬件設施，引導專業教師在教學中合理地運用現代教育技術手段，提高授課質量。

在現代教育教學中，多媒體教學是一項重要的應用。多媒體有廣義多媒體和計算機多媒體兩個概念。廣義多媒體是指為了教學和傳遞信息，將兩種或兩種以上的媒體形式結和起來用于教學。而計算機多媒體是一門以計算機硬件為基礎的高新技術，是一個技術概念。概括地說，多媒體技術是指用計算機交互地綜合處理文本、圖形、圖像、動畫、音頻及視頻等多種信息并使這些信息建立邏輯連接。在電子對抗設備教學中，由于設備種類多，變化快，相應的教學設備不能配齊，同時，學生對現有設備進行操作時，受電子技術特點的限制，只能看到操作方法、步驟和結果，而中間過程看不見、摸不著。這給老師講解，學生學習理解和實習帶來了很大的困難。因此，提出了制作機載電子對抗設備教學仿真模擬器的設想。

二、總體構想與實現

機載電子對抗設備教學仿真模擬器將多媒體技術與仿真技術相結合，在虛擬現實技術的基礎上配以演示軟件和多媒體操作，是一套數字軟件加物理硬件組成的半實物綜合仿真系統。操作在實物模擬器上進行，操作指示、演示和結果通過計算機顯示，學生可以通過視、聽、觸覺感知并學習。該仿真模擬器既能夠進行電子對抗設備的學習訓練，又可對學習結果進行考核和評估。

操作控制臺按1∶1仿制設備的操作系統，其操作控制信號通過數據通訊模塊變換成計算機可以接受的信號輸入計算機處理并進行必要的顯示。該仿真模擬器的制作分為兩大部分，硬件制造和軟件編制。軟件主要完成要求的工作方式和工作狀態的控制及數據處理，實現電子對抗系統功能模擬。

運行在多媒體計算機上的軟件部分是一個交互性較強的多媒體軟件。交互是指人與計算機可以隨心所欲地交換信息和操作，這是多媒體軟件區別與其他信息處理技術的關鍵特性。

1.軟件的設計采用結構化分析原則。

結構化分析是指應用系統分析的方法，將事物按組成要素逐次分解，直至所有要素都能夠被清晰地理解和表現為止。

軟件的內容由學科專業人員確定，而結構的設計由教育技術中心人員與學科專業人員共同制定。通過結構化分析，使教學內容層次更加清晰。

軟件的內容包括原理敘述、操作步驟講解和演示、設備結構剖析和工作過程模擬演示，從系統宏觀到局部細節都有詳盡的介紹。其中，原理敘述、操作步驟講解演示和工作過程模擬演示以文字和動畫制作為主，結構剖析以實物錄像為主。因工作過程無法真實再現，所以采用模擬演示，模擬是在控制狀態下對“真實過程”的重現，動態直觀地表現其工作過程。

2.研制人員通過對多媒體軟件進行結構化分析以后，采用模塊化設計。所謂模塊化設計就是根據結構化分析的框架，把相同或相近的部分設計成模塊，使其相對獨立，將單一功能組成的結構，用模塊圖表示出來，由此確定軟件系統及與之相應的功能結構。模塊化設計的好處在于各模塊相對獨立，制作時可化整為零，分別由不同工作人員進行，且易于修改，易于增加新功能。

軟件開始運行以后進入主控畫面，操作者在這里選擇操作模塊。主要部分由三大模塊組成：原理闡述模塊、設備結構模塊和操作模塊。三個模塊可任意進入，也可以按順序連續播放，并可隨時退出。

模塊化設計為結構化編程打下了基礎。為軟件的制作提供了程序化的依據。

(1)原理闡述模塊由文字敘述、圖表和原理演示畫面構成。電子對抗的工作原理涉及到空間電磁波的傳輸及其相互作用，其過程人眼無法看到，概念非常抽象。同時，電磁波在空間的變化和相互作用結果復雜多變，文字難以描述清楚，不具有豐富工作經驗和深厚電磁學理論功底的學生是不可能完全、正確理解的。因此，在這一部分增加了原理演示過程。它利用多媒體技術將抽象的原理以動態的圖像和動畫演示出來，表達清楚，形象逼真，易于理解。

電子對抗分為電子偵察和電子干擾兩大部分。電子偵察是被動接受敵對方的電磁信號，通過處理和分析提取有用信息，用于獲取戰略、戰術電磁情報和戰斗情報，是實施電子對抗的基礎和前提。這里所模擬的設備是電子偵察雷達告警系統，它采用電子偵察接收機接收空間存在的各種雷達信號，通過告警設備內部的信號處理機，識別其中是否存在與威脅相關聯的雷達信號，如果有的話，就實時發出告警信號，并立即采取各種對抗措施規避威脅。其原理和工作過程相對比較簡單，主要涉及到信號的分選原則和威脅信號的特征顯示，用平面動畫制作就可以表示明白。

雷達告警機仿真系統。其輸入信號采用模擬的雷達信號。雷達數據庫用于告警機判斷輸入雷達類型及威脅等級使用，性能評估模塊評價告警機偵察的準確性。該雷達告警機仿真系統可用于教學和研究平臺研究告警機的戰術使用方法及告警機信號處理新算法新技術。

雷達告警機仿真模型所示。系統由計算機系統和軟件模塊構成：輸入信號按一定時間間隔到達系統輸入端，輸入脈沖流和時間間隔是隨機的，且分布未知，他們由專門的雷達信號源和脈沖信號產生器提供。處理器1的處理時間是定長的，信號到達處理器時，如其為“閑”狀態，表示處理器中無信號，到達信號進入信號分析處理模塊處理，處理器1狀態由“閑”→“忙”；如果處理器1在某一信號到達時為“忙”狀態，到達信號等待一個脈沖寬度時間后離開，即該信號丟失。處理器1中出來的信號根據所仿真的對象不同，或送入緩沖器中存儲，并按順序送入預處理器；或直接送入預處理器中根據所選方法和算法對信號參數進行分析，分析結果或先送到存儲器存儲再送出，或直接送入信號分類與威脅等級判斷模塊。在這里，根據信號參數、雷達數據庫存儲的信息，按一定原則進行信號識別、分類和威脅等級分類。

仿真系統中的信號分選、處理等模塊由軟件實現，并可根據需要重新編制或更換，從而實現對告警機系統新算法、新技術的理論研究。

電子干擾是用電子設備產生電子干擾信號擾亂或阻斷敵方電子設備的工作，它牽涉到敵對雙方電磁波在空間的相互作用和作用效果，情況復雜。這里采用了三維動畫技術和多色彩對比的手段，描繪了電子干擾的工作原理、干擾信號產生的方法、干擾信號的樣式、電磁波在空間的相互作用過程和作用效果以及干擾效果。同時注意將多種媒體信息集成，在播放動畫的同時播放聲音和相應的文字，這些聲音和文字都可有或無各種信息做到了同步或非同步交互顯示，也就是注意到了軟件的實時性。，

(2)專業教學離不開設備，在專業教學中遇到的最大問題：一是設備不齊全；二是設備的分解拆卸不能經常進行，學生大部分時間只能看到和接觸設備外部結構，其內部結構僅依靠平面結構圖來理解比較困難。為此，設計了設備結構模塊。該模塊以拍攝的實物錄像為主，即以視頻為主，輔助以一定的圖片和動畫，省時省力且效果逼真。教育技術中心人員在學科專業人員配合下，首先拍攝了設備外觀外形和內部結構，重點是外貌特征和各分機各組件結構特點及連接方式，拍攝時注意突出重點，強調了與今后操作有關的細節。然后進行后期制作，插入了標示、注釋，利用圖片和動畫制作補齊了不可見部分，為學習者提供了極大的便利。

(3)操作模塊利用典型的人機交互式界面，分為學習模式、操作模式和考核模式，操作在實物模擬器上進行，提示和操作結果在計算機上顯示。

進入學習模式后，首先描述了操作原理、操作步驟和注意事項。操作者根據提示內容開始操作。操作正常時，操作過程順利進行；如果操作有誤，系統就暫時中斷并給出提示，操作者根據提示內容改正后繼續進行。操作過程中，學生可隨時尋求系統幫助。在操作模式下，操作過程不會中斷但可以向系統尋求幫助，操作結束后指出錯誤。

而在考核模式中，操作者無權請求幫助，操作中也無任何提示，操作后根據結果對操作者進行評分并指出錯誤所在，對操作者進行總結性評價，評定操作者是否達到了學習目標。