专业教学仿真模拟器应用

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一、序言

随着计算机技术的普及和多媒体技术的蓬勃发展，计算机多媒体的应用已深入到了教育领域的各个方面。但在大多数理工科院校中，由于专业的分割，长期以来，已形成了由学科专业人员提供脚本，教育技术中心人员制作教学录像片或各自独立编制教学多媒体课件的模式。随着教育技术的发展，多媒体技术的广泛应用和网络技术的兴起，这种方式已不能完全适应教学的要求。在新形势下，教育技术工作者应与专业教师进一步配合，充分发挥人员及设备的优势，与专业教师共同研制开发与教学相配套的软、硬件设施，引导专业教师在教学中合理地运用现代教育技术手段，提高授课质量。

在现代教育教学中，多媒体教学是一项重要的应用。多媒体有广义多媒体和计算机多媒体两个概念。广义多媒体是指为了教学和传递信息，将两种或两种以上的媒体形式结和起来用于教学。而计算机多媒体是一门以计算机硬件为基础的高新技术，是一个技术概念。概括地说，多媒体技术是指用计算机交互地综合处理文本、图形、图像、动画、音频及视频等多种信息并使这些信息建立逻辑连接。在电子对抗设备教学中，由于设备种类多，变化快，相应的教学设备不能配齐，同时，学生对现有设备进行操作时，受电子技术特点的限制，只能看到操作方法、步骤和结果，而中间过程看不见、摸不着。这给老师讲解，学生学习理解和实习带来了很大的困难。因此，提出了制作机载电子对抗设备教学仿真模拟器的设想。

二、总体构想与实现

机载电子对抗设备教学仿真模拟器将多媒体技术与仿真技术相结合，在虚拟现实技术的基础上配以演示软件和多媒体操作，是一套数字软件加物理硬件组成的半实物综合仿真系统。操作在实物模拟器上进行，操作指示、演示和结果通过计算机显示，学生可以通过视、听、触觉感知并学习。该仿真模拟器既能够进行电子对抗设备的学习训练，又可对学习结果进行考核和评估。

操作控制台按1∶1仿制设备的操作系统，其操作控制信号通过数据通讯模块变换成计算机可以接受的信号输入计算机处理并进行必要的显示。该仿真模拟器的制作分为两大部分，硬件制造和软件编制。软件主要完成要求的工作方式和工作状态的控制及数据处理，实现电子对抗系统功能模拟。

运行在多媒体计算机上的软件部分是一个交互性较强的多媒体软件。交互是指人与计算机可以随心所欲地交换信息和操作，这是多媒体软件区别与其他信息处理技术的关键特性。

1.软件的设计采用结构化分析原则。

结构化分析是指应用系统分析的方法，将事物按组成要素逐次分解，直至所有要素都能够被清晰地理解和表现为止。

软件的内容由学科专业人员确定，而结构的设计由教育技术中心人员与学科专业人员共同制定。通过结构化分析，使教学内容层次更加清晰。

软件的内容包括原理叙述、操作步骤讲解和演示、设备结构剖析和工作过程模拟演示，从系统宏观到局部细节都有详尽的介绍。其中，原理叙述、操作步骤讲解演示和工作过程模拟演示以文字和动画制作为主，结构剖析以实物录像为主。因工作过程无法真实再现，所以采用模拟演示，模拟是在控制状态下对“真实过程”的重现，动态直观地表现其工作过程。

2.研制人员通过对多媒体软件进行结构化分析以后，采用模块化设计。所谓模块化设计就是根据结构化分析的框架，把相同或相近的部分设计成模块，使其相对独立，将单一功能组成的结构，用模块图表示出来，由此确定软件系统及与之相应的功能结构。模块化设计的好处在于各模块相对独立，制作时可化整为零，分别由不同工作人员进行，且易于修改，易于增加新功能。

软件开始运行以后进入主控画面，操作者在这里选择操作模块。主要部分由三大模块组成：原理阐述模块、设备结构模块和操作模块。三个模块可任意进入，也可以按顺序连续播放，并可随时退出。

模块化设计为结构化编程打下了基础。为软件的制作提供了程序化的依据。

(1)原理阐述模块由文字叙述、图表和原理演示画面构成。电子对抗的工作原理涉及到空间电磁波的传输及其相互作用，其过程人眼无法看到，概念非常抽象。同时，电磁波在空间的变化和相互作用结果复杂多变，文字难以描述清楚，不具有丰富工作经验和深厚电磁学理论功底的学生是不可能完全、正确理解的。因此，在这一部分增加了原理演示过程。它利用多媒体技术将抽象的原理以动态的图像和动画演示出来，表达清楚，形象逼真，易于理解。

电子对抗分为电子侦察和电子干扰两大部分。电子侦察是被动接受敌对方的电磁信号，通过处理和分析提取有用信息，用于获取战略、战术电磁情报和战斗情报，是实施电子对抗的基础和前提。这里所模拟的设备是电子侦察雷达告警系统，它采用电子侦察接收机接收空间存在的各种雷达信号，通过告警设备内部的信号处理机，识别其中是否存在与威胁相关联的雷达信号，如果有的话，就实时发出告警信号，并立即采取各种对抗措施规避威胁。其原理和工作过程相对比较简单，主要涉及到信号的分选原则和威胁信号的特征显示，用平面动画制作就可以表示明白。

雷达告警机仿真系统。其输入信号采用模拟的雷达信号。雷达数据库用于告警机判断输入雷达类型及威胁等级使用，性能评估模块评价告警机侦察的准确性。该雷达告警机仿真系统可用于教学和研究平台研究告警机的战术使用方法及告警机信号处理新算法新技术。

雷达告警机仿真模型所示。系统由计算机系统和软件模块构成：输入信号按一定时间间隔到达系统输入端，输入脉冲流和时间间隔是随机的，且分布未知，他们由专门的雷达信号源和脉冲信号产生器提供。处理器1的处理时间是定长的，信号到达处理器时，如其为“闲”状态，表示处理器中无信号，到达信号进入信号分析处理模块处理，处理器1状态由“闲”→“忙”；如果处理器1在某一信号到达时为“忙”状态，到达信号等待一个脉冲宽度时间后离开，即该信号丢失。处理器1中出来的信号根据所仿真的对象不同，或送入缓冲器中存储，并按顺序送入预处理器；或直接送入预处理器中根据所选方法和算法对信号参数进行分析，分析结果或先送到存储器存储再送出，或直接送入信号分类与威胁等级判断模块。在这里，根据信号参数、雷达数据库存储的信息，按一定原则进行信号识别、分类和威胁等级分类。

仿真系统中的信号分选、处理等模块由软件实现，并可根据需要重新编制或更换，从而实现对告警机系统新算法、新技术的理论研究。

电子干扰是用电子设备产生电子干扰信号扰乱或阻断敌方电子设备的工作，它牵涉到敌对双方电磁波在空间的相互作用和作用效果，情况复杂。这里采用了三维动画技术和多色彩对比的手段，描绘了电子干扰的工作原理、干扰信号产生的方法、干扰信号的样式、电磁波在空间的相互作用过程和作用效果以及干扰效果。同时注意将多种媒体信息集成，在播放动画的同时播放声音和相应的文字，这些声音和文字都可有或无各种信息做到了同步或非同步交互显示，也就是注意到了软件的实时性。，

(2)专业教学离不开设备，在专业教学中遇到的最大问题：一是设备不齐全；二是设备的分解拆卸不能经常进行，学生大部分时间只能看到和接触设备外部结构，其内部结构仅依靠平面结构图来理解比较困难。为此，设计了设备结构模块。该模块以拍摄的实物录像为主，即以视频为主，辅助以一定的图片和动画，省时省力且效果逼真。教育技术中心人员在学科专业人员配合下，首先拍摄了设备外观外形和内部结构，重点是外貌特征和各分机各组件结构特点及连接方式，拍摄时注意突出重点，强调了与今后操作有关的细节。然后进行后期制作，插入了标示、注释，利用图片和动画制作补齐了不可见部分，为学习者提供了极大的便利。

(3)操作模块利用典型的人机交互式界面，分为学习模式、操作模式和考核模式，操作在实物模拟器上进行，提示和操作结果在计算机上显示。

进入学习模式后，首先描述了操作原理、操作步骤和注意事项。操作者根据提示内容开始操作。操作正常时，操作过程顺利进行；如果操作有误，系统就暂时中断并给出提示，操作者根据提示内容改正后继续进行。操作过程中，学生可随时寻求系统帮助。在操作模式下，操作过程不会中断但可以向系统寻求帮助，操作结束后指出错误。

而在考核模式中，操作者无权请求帮助，操作中也无任何提示，操作后根据结果对操作者进行评分并指出错误所在，对操作者进行总结性评价，评定操作者是否达到了学习目标。