基于建模仿真的可视化教学模式研究

姜高扬,王 超

(中国民航大学 空中交通管理学院,天津 300300)

基于建模仿真的可视化教学模式研究

姜高扬,王 超

(中国民航大学 空中交通管理学院,天津 300300)

如何使课堂教学内容更加生动形象，一直是教育工作者所关注的问题。为了使抽象的课程内容更加容易理解，提出了基于建模仿真的可视化教学模式。首先分析了课程的内容、特点和当前教学中存在的问题，接着分别从概念、原理和数据三方面着手，通过建立动画模型使认知困难的概念可视化，利用Matlab仿真使抽象的原理和枯燥的数据可视化。最后将这些形象的素材引入课堂，并分析了可视化教学模式下的教学效果。实践表明，与单纯的知识讲授相比，可视化的教学模式可以极大地提高学生的学习兴趣，加深对所学知识的理解，促进教学质量的提高。

教学方法； 教学实践； 建模仿真； 可视化； Matlab

0 引 言

“空管设备与系统”是从空中交通管制员和航空公司签派员的实际应用角度出发开设的一门专业基础课，主要介绍支撑空中交通安全高效运行所需的通信、监视和自动化信息系统及其基本工作原理。目前我国的空管设备保障主要倚重国外设备，由于国内外的空中交通管理情况不同，从国外引进的空管系统与国内民航空中交通管理的实际情况并不完全契合[1]。与此同时，高速发展的民航业对空管设备与系统的保障提出了更高的要求，空管设备与系统的国产化势在必行[2-4]。在这种情况下，学院在交通运输专业卓越班和普通班开设“空管设备与系统”课程。通过学习该课程，使学生掌握空管运行保障中常用的通信、监视和自动化信息系统及其基本工作原理，了解本专业技术的发展现状和趋势，提高学生对空管设备与系统的理解能力，为我国空管信息系统的技术创新奠定基础。

1 课程内容和特点

空管设备与系统课程主要包括空管无线电通信系统、空管监视系统和空管自动化信息系统3大部分，内容涵盖了空中交通管制员和航空公司签派员所必须具备的基本理论知识，课程体系架构如图1所示。与本专业其他课程相比，本课程并没有强调设备系统的运用和行业技能的培养，而是重点讲授“台前幕后的故事”。所谓“台前”指的是这些空管设备和系统本身的功能，而“幕后”指的是设备系统背后的技术和原理，比如雷达基本参数的计算、A/C模式雷达的编码和解码、雷达航迹数据的计算等等。通过学习本课程，学生对于空管设备与系统的认识不再停留于表面，而是知其然并且知其所以然。该课程具有专业性强，涵盖内容广，概念抽象，不易理解等特点，同时这也是本门课程教学的难点。

图1 课程体系架构

2 课程教学现状分析

空中交通管理是国际化水平较高的行业，从业人员需要操作国际化的设备，进行国际化交流。在空中交通管制专业课程改革方案研究当中，已有学者明确指出了空管的国际化特色，并提出“学习借鉴国外空管人才培养的先进模式和经验”“引进、运用国外先进的教学大纲、教材资料等”[5-6]。鉴于此，课程组将中国民航大学和法国国立民航大学联合开发的英文版讲义引入课堂，希望借此提高学生阅读专业英文材料的能力，为以后走向工作岗位奠定基础。经过一段时间的教学实践，发现当前教学过程中存在以下问题：① 相关概念和原理比较抽象，不易理解;② 相关计算比较枯燥，学生不感兴趣;③ 实际的空管设备与系统造价昂贵，无法让学生直接接触，同时由于行业性质，不便组织学生集体参观，更不允许让学生操作，因而学生不能深入理解其中的工作原理。目前单靠课堂讲述，不能有效调动学生听课的积极性。

针对以上存在的问题，课程组进行了认真的思考和研讨。通过学习本专业其他课程组的教学方法[7-10]，参考通信、导航等相关课程的教学措施[11-13]，课程组提出了“强调内容体系，理顺知识脉络，丰富教学素材，开发演示程序”的改革思路，并重点针对内容抽象不易理解的问题，开展了较长时间的探索，从国内外相关网站上搜集了丰富的教学材料，并自己开发程序来演示相关原理。经过一个学期的实践探索，空管设备与系统课程组逐渐摸索出一套可视化的教学方法，与文献[14-16]中的可视化教学方法不同，这里的可视化教学是以建模仿真为基础，重点实现概念可视化、原理可视化和数据可视化。实践表明，可视化教学不仅能够引起学生的兴趣，而且能让学生对知识的理解更加全面和深刻。

3 概念可视化教学

课程中涉及到许多通信和监视的相关概念，相比之下，通信的相关概念比较容易理解，而雷达的相关概念则显得有些抽象，比如雷达天线的角度分辨率和距离分辨率，这两个参数用来描述雷达天线在角度和距离方面对目标的识别能力，而如果进一步解释为什么会存在一定的识别能力，则要从雷达脉冲的角度去讲，此时用简单的语言去解释抽象的概念就显得有些困难，为此课程组根据雷达工作原理，制作了简单明了的动画模型，用于展示雷达距离分辨率的概念，见图2。

(a) 飞机间距100 m时的雷达回波

(b) 飞机间距200 m时的雷达回波

结合以上动画模型，抽象的概念讲解就变得形象而具体。假设雷达发射脉冲宽度，对应的电磁波长度为300 m，当前后两架飞机相距100 m时，两架飞机的回波信号相互重叠在一起，此时雷达将无法分辨开两架飞机。而当前后飞机的距离增大到200 m时，回波信号并未重叠，此时雷达可将两架飞机分辨开。通过这组动画模型，学生对雷达距离分辨率的概念有了直观认识，进一步便可引导学生思考：雷达距离分辨率与脉冲宽度有什么样的关系？经过分析不难得出公式：

sr=cτ/2

其中：c为光速；τ为雷达发射脉冲的宽度。

以上动画模型不仅加深了学生对雷达距离分辨率的理解，而且对后续章节中提到的雷达信号同步窜扰问题的理解也有极大的帮助。

4 原理可视化教学

“空管设备与系统”的教学任务之一就是向学生讲授空管无线电通信系统、监视系统和自动化信息系统的基本技术和原理。对于交通运输专业的大二学生而言，由于缺乏通信原理的基础知识，对无线电通信的基本原理无法深刻理解，尤其是调幅、调频的特点，学生普遍感觉难以理解。调幅、调频是空管无线电通信中常用的两种信号调制方式，也是本课程要求学生掌握的基本原理。目前的教学方式是老师在黑板上绘制信号波形，同时结合调幅、调频的数学表达式进行讲解。根据授课情况来看，教学效果并不理想。为此，课程组利用Matlab开发了调幅和调频的演示程序，将信号调制的相关概念、关键参数、信号波形融入其中，演示程序界面如图3所示。

(a) 调幅演示程序界面

(b) 调频演示程序界面

在教学中可以首先利用以上程序进行演示，以调幅为例，连续点击滑键，学生可以看到随着调制信号振幅的变化，调幅信号是如何动态变化的。通过演示，学生对信号调制有了直观的认识，同时学生会产生强烈的求知欲：这些信号波形是如何产生的？此时再引入信号调制的数学表达式，不仅可以消除学生的疑惑，而且可以加深学生对数学公式的理解。最后综合信号波形和数学公式，引导学生自己总结调幅和调频的特点。这样一来，原本抽象的原理就变得鲜活起来，而且增加了课堂互动，教学效果非常理想。

5 数据可视化教学

雷达数据处理系统是本门课程重点讲述的内容之一，其中涉及到雷达点迹数据的处理。最初课程组仅仅是从原理上讲述雷达数据处理系统和飞行计划数据处理系统之间的数据关联、雷达点迹数据的处理、雷达标牌数据的含义等内容。但是雷达点迹数据究竟包含哪些内容，这些数据是通过什么算法进行处理的，课堂上并没有详细讲解。后来课程组引入了雷达点迹数据处理的理论算法模型。但是从实际教学情况来看，并没有引起学生足够的重视。

在进行数据可视化的教学研究中，课程组搜集到了某机场的雷达综合航迹数据，利用Matlab对数据进行解析、提取，得到本课程教学所需的雷达点迹数据，并进一步在二维和三维空间中生成雷达航迹及各时刻的速度矢量线图像，如图4所示。在教学过程中首先向学生展示数据处理的结果，然后再进一步讲解如何根据雷达点迹数据计算飞机的航向、地速、垂直速度以及速度矢量线。实践表明，学生对该方式的教学很感兴趣，因为枯燥的数学公式在这里变成了形象的图片，这种新鲜感促使他们进一步去学习和研究。

图4 雷达点迹数据处理结果

6 教学效果分析

通过将动画模型和Matlab仿真引入课堂之后，学生的学习热情高涨起来，课间休息时主动提问的学生明显增多，教学效果显著提升。通过进行随堂测试发现，对于某些概念和原理的理解，上学期只有不到50%的学生回答正确，而本学期将近80%的学生都能正确回答；对于雷达点迹数据处理算法，上学期约有30%的学生能够掌握，而本学期超过50%的学生都能掌握。可见，可视化教学模式对学生的学习积极性和教学质量均有明显提高。然而，通过进一步分析发现学生在学习过程中仍然存在一定的问题，比如在数学公式正确掌握的情况下仍有一部分学生计算有误，其原因在于对公式中各个参数的物理含义理解不够透彻。可见，可视化的教学模式仍需与传统的课堂讲练紧密结合，才能产生更加理想的教学效果。

7 结 语

“空管设备与系统”课程涉及通信、监视和空管自动化系统，内容广泛、信息量大，尤其是一些概念、原理和数据计算比较抽象、枯燥。通过构建动画模型、开发Matlab仿真程序，逐渐形成了可视化的教学模式，极大地调动了学生的学习兴趣，提高了学生的学习效率和教师的教学效果。目前，基于建模仿真的可视化教学模式仍在探索当中，该方法对教师的个人能力和备课精力都提出了较高的要求，因此如何协同分工开发出更多优质的教学资源，如何与其他教学模式进行有机结合产生更加理想的教学效果，都是需要进一步思考和研究的问题。

[1] 刘 伟.中国民航空中交通管理问题研究[J].科技创新与应用,2015(16): 56.

[2] 李芳芳,孙 炎.中国制造助力民航强国梦[N].中国民航报,2015-05-14.

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Research on Visualization Teaching Mode Based on Modeling and Simulation

JIANGGaoyang,WANGChao

(College of Air Traffic Management,Civil Aviation University of China,Tianjin 300300,China)

How to make the knowledge more vivid has been an issue of concern to educators.Since the contents of “ATC Equipment and System” were difficult to understand,a visualization teaching mode based on modeling and simulation was proposed.Firstly,the contents,characteristics and problems in current teaching were analyzed.Then visualization teaching mode was introduced in three aspects: concept,principle and data analysis.To be specific,animation models were created to make the difficult concepts easy to be understood,and demonstration programs were developed using Matlab to visualize the abstract principles and boring data.Finally,teaching effect was evaluated under visualization teaching mode.It was showed that visualization teaching mode can greatly stimulate students’ interest in learning,promote their understanding of knowledge as well as the quality of teaching.

teaching methods; teaching practice; modeling and simulation; visualization; Matlab

2016-10-28

姜高扬(1986-)，男，河南新密人，硕士，研究实习员，研究方向：空管系统建模与仿真。

Tel.：022-24092433; E-mail：jiang_gaoyang@126.com

TP 391.6; G 424.1

：A

1006-7167(2017)07-0192-04