王 娟，樊智勇，段照斌，曾佩佩

（中國民航大學，天津 300300）

基于虛擬仿真的飛機系統(tǒng)教學資源建設方法探索*

王 娟，樊智勇，段照斌，曾佩佩

（中國民航大學，天津 300300）

本文明確了基于虛擬仿真的飛機系統(tǒng)教學資源建設的需求和目標，提出了從教學構思、腳本設計、仿真操作到后期技術處理全階段的資源建設流程和實施方案，并通過一個飛機電子系統(tǒng)的教學實例詳細探討了基于虛擬仿真的飛機系統(tǒng)教學資源的建設方法。目前，基于虛擬仿真的教學資源在行業(yè)認知課程和飛機電子系統(tǒng)實習課程中已成功應用，取得了良好的教學效果，為建立面向網(wǎng)絡的機務維修工程虛擬仿真中心在線課程資源打下了堅實的基礎。

飛機系統(tǒng)；虛擬仿真；開放共享；教學資源

一、建設需求

1.教育信息化及學習方式的變革

信息化社會的到來，推動了教育信息化的發(fā)展，帶來了教育方式和學習方式的變革。推進網(wǎng)絡教學資源的建設與利用，改革傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式，既是現(xiàn)代計算機科學技術發(fā)展和信息技術發(fā)展的需要，也是高等教育大眾化條件下，高校為轉變教育理念，改革教學內容、方法與手段，提高人才培養(yǎng)質量的必然選擇。隨著大規(guī)模開放網(wǎng)絡課程（MOOC）等的興起，以興趣為導向、充滿個性化、基于互聯(lián)網(wǎng)且具有交互功能的開放式在線學習，顛覆性地變革了以往的“教”與“學”方式。國內高校紛紛開展網(wǎng)絡教學資源的建設與利用工作[1][2]。

2.國家級虛擬仿真中心建設需求

民航是復雜、動態(tài)、大場景的思維、遠距離運輸系統(tǒng)，真實運行環(huán)境下的學習和研究是很難實現(xiàn)的。為此，我校成了機務維修仿真教學中心，并被教育部批準為首批國家級虛擬仿真教學中心。2013年，教育部《關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作的通知》[3]中要求：實現(xiàn)校內外、本地區(qū)及更廣范圍內的實驗教學資源共享，滿足多地區(qū)、多學校和多學科專業(yè)的虛擬仿真實驗教學的需求。傳統(tǒng)的飛機維修實踐課程由于受到場地、飛機、工具耗材和成本限制，很難達到開放共享的目標。對比國家級虛擬仿真中心建設的“開放共享和充分使用”的目標，機務維修工程仿真教學中心還有很大的提升空間[4][5]。

因此，以在線課程形式，通過3D飛機仿真操作、動態(tài)原理圖制作、課程互動環(huán)節(jié)設計、視屏錄制與處理、中英雙語字幕制作等信息化手段，完成一系列交互式、立體化在線課程資源的建設[6][7]，是教育信息化的需求，也是國家級虛擬仿真中心建設需求。教學資源可直接應用于機務專業(yè)飛機系統(tǒng)維修實踐課程中，還可作為民航行業(yè)認知的特色教學資源面向全校和社會開放。

二、資源的建設流程

基于虛擬仿真的飛機系統(tǒng)教學資源的建設，符合工程產品實現(xiàn)的通用流程，同樣也包含了構思、設計、實施、運行完整的CDIO工程階段，具體而言，可將資源的建設流程分為教學構思、腳本設計、仿真操作和技術處理、教學應用和反饋四個階段[8][9]。

1.教學構思

（1）明確教學目標

首先，要明確制作課程的教學目標，應包含加深學生對相關專業(yè)理論原理的理解，掌握系統(tǒng)工作過程，培養(yǎng)學生的機務作風和綜合分析解決問題的能力，實現(xiàn)對學生航空維修專業(yè)技能和工程素質的培養(yǎng)。

（2）遴選教學資源

其次，評估當前資源、能力以及與課程目標的匹配程度，按需填寫表1。

表1 資源能力匹配表

表1中，每項資源都有其對應的能力，而能力則對應教學目標是否能夠實現(xiàn)或是否能夠更好地實現(xiàn)，以高度匹配、基本匹配和不匹配三級標注。對于飛機系統(tǒng)的虛擬仿真而言，目前的資源包括：多功能飛機維護訓練平臺、飛機維護手冊、飛機維護CBT軟件、課程PTT、參考視頻資源和其他相關資源。

（3）突出課程要點，明晰授課脈絡

對于以工作任務為導向的飛機系統(tǒng)項目，可以根據(jù)WHY、HOW、WHAT的問題框架，提取課程要點，銜接邏輯關系，依次回答“為什么做？”、“如何做？”和“做什么”，形成明晰的授課脈絡。

表2 課程要點

2.腳本設計

完成教學構思后，形成初步腳本。根據(jù)初步腳本，由主講教師和技術團隊針對假設場景進行充分地討論，根據(jù)不同的教學階段，確定場景構圖、仿真操作節(jié)點、教學對白、后期預計特效等元素，完成分鏡頭詳細設計，形成詳細的操作腳本，必要時加入示意插圖。

3.仿真操作和技術處理

根據(jù)詳細的操作腳本，由技術團隊配合主講教師完成仿真操作和視頻錄制。仿真操作包括場景操作和系統(tǒng)操作，場景操作如虛擬駕駛艙和虛擬飛機的切換、同屏對比處理、全向視角漫游、放大/縮小、平移旋轉、突出顯示等，系統(tǒng)操作如點擊操作開關、檢查系統(tǒng)顯示、設置故障、同步動態(tài)原理圖等。視頻錄制可以采用市面上任意一種支持Windows系統(tǒng)屏幕錄制的軟件。初步形成的教學資源需要通過精心的后期處理，包括視頻素材剪輯、字幕處理、特效處理等操作，才能形成用于發(fā)布的最終作品[10]。

圖1 駕駛艙內操作與飛機外部舵面動作的同屏對比處理

圖2 動態(tài)原理圖

三、教學實例分析

下面以飛機電子系統(tǒng)實習課程中慣性基準系統(tǒng)校準項目[11][12]為例，介紹基于虛擬仿真的飛機系統(tǒng)教學資源的具體實施過程。

1.教學構思

首先，明確教學目標：加深學生對慣性基準系統(tǒng)專業(yè)理論原理的理解，掌握慣性基準系統(tǒng)的校準過程，特別是解決工作過程中遇到的問題，培養(yǎng)學生按手冊工作的機務作風和綜合分析解決問題的能力，實現(xiàn)對學生航空維修專業(yè)技能和工程素質的培養(yǎng)。

其次，評估當前資源、能力以及與課程目標的匹配程度，填寫表3。

表3 資源能力匹配表

由表4可以發(fā)現(xiàn)，多功能飛機維護訓練平臺可在虛擬現(xiàn)實場景中完成課程所需的慣導校準虛擬仿真和基本故障模擬功能，實現(xiàn)效果優(yōu)于維護CBT軟件的2D操作效果和課程PTT的文字描述效果。因此，選擇課程PPT、多功能飛機維護訓練平臺、飛機維護手冊（AMM）三項組合來滿足課程對教學目標的需求。

根據(jù)WHY、HOW、WHAT的問題框架，提取課程要點，銜接邏輯關系，依次回答“為什么做？”、“如何做？”和“做什么”，形成明晰的授課脈絡。

表4 課程要點

（1）慣性基準系統(tǒng)工作前為什么要進行校準？

回答這個問題，需要先帶學生簡單回顧慣性導航的基本工作原理。根據(jù)原理推出慣性導航采用的是積分計算，在進行計算前，系統(tǒng)必須知道飛機的初始狀態(tài)，即校準時要輸入飛機的初始位置。

（2）慣性基準系統(tǒng)如何進行校準？

首先需要查詢飛機維護手冊AMM，可知通過FMC CDU或者ISDU兩種輸入位置的方法完成校準。

其次，校準工作之前有三點注意事項要引起學生重視：a.當飛機處于不同的緯度時，校準時間不同；b.校準時，飛機位置不能發(fā)生移動；c.校準時，必需輸入飛機當前的緯度和經度信息。

然后根據(jù)手冊執(zhí)行標準的校準程序：確認供電正常、啟動校準開關、輸入初始位置、監(jiān)控校準指示直至確認校準結果。輸入初始位置有幾種方法，都要給出講解和演示。最后采用GPS實時數(shù)據(jù)作慣性基準系統(tǒng)的輸入初始位置。注意校準過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，能識別正常和不正常系統(tǒng)狀態(tài)。

（3）校準工作中有哪些常見問題及解決方法？

這一部分根據(jù)教學經驗和實際機務一線中常出現(xiàn)的情況，需要給出兩個有關慣性基準系統(tǒng)校準的問題和分析解決方法。

a.既然ADIRU能夠自主計算出當前所處的緯度，為什么還需要輸入初始緯度呢？

b.校準過程中出現(xiàn)下列現(xiàn)象：ALIIGN燈將閃亮，CDU上重新出現(xiàn)SET IRS POSTION信息，ISDU上校準時間顯示為0，狀態(tài)代碼消失。此時如果仍然輸入相同的緯度值，我們會發(fā)現(xiàn)MSU上的FAULT故障燈點亮。這種異常狀態(tài)的原因是什么？機務維護實踐中又該如何處理？

2.腳本設計

根據(jù)教學構思的結果，形成初步的腳本，如表5所示。

據(jù)初步腳本，經過充分討論，根據(jù)不同的教學階段，完成分鏡頭詳細設計，形成詳細的操作腳本，一個具體的詳細操作腳本示例如表6所示。

3.仿真操作和技術處理

根據(jù)詳細的操作腳本，由技術團隊配合主講教師完成仿真操作和視頻錄制，仿真操作中的突出顯示效果如圖3所示。初步形成的教學資源通過視頻素材剪輯、字幕處理、特效處理等操作，最終形成用于發(fā)布的作品。

首先，與傳統(tǒng)的理論課程不同，基于虛擬仿真的實踐課程需要在多種教學資源之間切換，采用多樣化的場景和方式展現(xiàn)同一個教學要點，這就使得一次性完成一個完美的仿真教學視頻是非常耗時的，而采用視頻剪輯處理則可大大提高制作的效率。其次，視頻的剪輯處理也是一個數(shù)字化資源重新組合編碼的過程，不僅可以調節(jié)視頻的碼率，以平衡網(wǎng)絡傳輸和清晰度之間的需求，還可以根據(jù)教學要點設置視頻的關鍵時間節(jié)點，用于后續(xù)網(wǎng)絡人機交互課程開發(fā)中關鍵知識點的定位。

表5 初步腳本

表6 詳細的操作腳本示例

圖3 在3D虛擬駕駛艙中突出顯示PFD和ND畫面

為提高學生在課程中的注意力，教學資源必須同步提供中文字幕，并對專業(yè)術語提供英文對照。實踐表明，添加視頻字幕，對提高學生在課程中的接收程度具有非常明顯的促進效果。簡單的字幕可以采用文本格式的SRT文件，而對于較高的應用要求，則可采用ASS文件格式，可以方便的加入字體變色、突出顯示等特殊效果。

為了提高學生的學習效率，視頻制作時注重與學習者的互動與交流，穿插測試以檢驗學生的掌握程度。在視頻中設置若干個節(jié)點，學生需要回答完問題或操作完成后才能繼續(xù)，可在一定程度上避免學生只放視頻卻不能有效學習的情況。

4.教學應用和反饋

慣性基準系統(tǒng)的校準教學資源應用于航電集成化實訓項目中的學生自主學習部分，根據(jù)學生的學習效果，從教師和學生兩方面收集反饋意見，由技術處理、仿真操作、腳本設計到教學構思，逐級回溯，形成了目前比較穩(wěn)定的資源版本，正在不斷改進中。

四、下一步規(guī)劃

1.資源擴展

目前，課程組已完成了飛行操縱、自動飛行、慣導校準等多個飛機電子系統(tǒng)的虛擬仿真教學資源的建設，教學效果顯著，針對國家級虛擬仿真中心“開放共享和充分使用”的建設目標，需要積極向機械、發(fā)動機和電氣系統(tǒng)方向拓展，在多功能飛機維護訓練平臺基礎上，按照教學需求，通過3D飛機仿真操作、動態(tài)原理圖制作、課程互動環(huán)節(jié)設計、視屏錄制與處理、中英雙語字幕制作等信息化手段，完成一系列涵蓋飛行操縱、自動飛行、飛行管理、綜合顯示、GPWS、TCAS、空調、電源、防火、燈光、燃油、液壓、防冰、起落架、引氣、APU、發(fā)動機系統(tǒng)的交互式、立體化在線課程資源的建設。

系統(tǒng)級教學資源規(guī)劃及進度如表7所示，合計27個專題，約540分鐘。

表7 系統(tǒng)級教學資源規(guī)劃

2.團隊協(xié)作

組織一支面向全校師生的開放型的虛擬仿真教學資源開發(fā)和應用團隊，廣泛吸收青年教師、研究生、校內模擬飛行愛好者、網(wǎng)絡公開課字幕組成員，探討協(xié)同工作和長效激勵機制，形成中國民航大學品牌的虛擬仿真教學資源。

3.共享研究

在資源建設基礎上，還需要研究開放式在線虛擬仿真教學平臺的需求和架構，探討包括自主學習模式、管理與評價機制等方面機務維修虛擬仿真實驗教學模式，最終形成面向網(wǎng)絡的機務維修虛擬仿真教學資源的共享機制和實驗教學建設方案，并應用于教學實踐。

五、結束語

建設基于虛擬仿真的飛機系統(tǒng)教學資源是教育信息化在民航領域發(fā)展的趨勢之一。機務維修工程仿真教學中心的建設不僅要加大對信息化基礎條件建設的投入，更應當切實注重信息技術與課程的有效整合，實現(xiàn)信息技術與教學的深度融合。本文提出了從教學構思、腳本設計、仿真操作到后期技術處理全階段的資源建設流程和實施方案，以飛機電子系統(tǒng)的教學實例詳細探討了基于虛擬仿真的飛機系統(tǒng)教學資源的建設方法，并從資源擴展、團隊協(xié)作和共享研究三方面闡述了進一步規(guī)劃。實踐表明，基于虛擬仿真的教學資源在行業(yè)認知課程和飛機電子系統(tǒng)實習課程中應用效果良好，為建立面向網(wǎng)絡的機務維修工程虛擬仿真中心在線課程資源打下了堅實的基礎。

[1]康淑敏.信息化背景下的教學方式變革研究[J].教育研究,2015(6):96-102.

[2]張月娟,周芳亮.教育信息化背景下高校教育模式的探討[J].中國教育信息化,2016(19):14-16.

[3]教育部.關于開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作通知[Z].教高司函[2013]94號.

[4]李平,毛昌杰,徐進.開展國家級虛擬仿真實驗教學中心建設提高高校實驗教學信息化水平[J].實驗室研究與探索,2013(11):5-8.

[5]胡今鴻,李鴻飛,黃濤.高校虛擬仿真實驗教學資源開放共享機制探究[J].實驗室研究與探索,2015(2):140-144.

[6]劉志鵬.從戰(zhàn)略高度謀劃教材和教學資源建設[J].中國高等教育,2004(10):7-9.

[7]劉懷金,聶勁松,吳易雄.高校數(shù)字化教學資源建設:思路、戰(zhàn)略與路徑——基于教育信息化的視角[J].現(xiàn)代教育管理,2015(9):89-94.

[8]高茹.技術思想和方法及其教學策略研究[D].南京示范大學,2005.

[9]陽麗娜.課堂教學設計的主要成分及其一致性研[D].浙江師范大學,2012.

[10]慈冉冉.視頻教學資源在網(wǎng)絡課程中的設計與應[D].山東師范大學,2010.

[11]BOEING COMMERCIAL AIRPLANES GROUP.737 Aircraft Maintenance Manual[S].Boeing Company,2002.

[12]樊智勇,王娟,申利平.基于CDIO模式的航電系統(tǒng)集成化實訓項目[J].實驗室研究與探索,2014(8):224-228.

（編輯：王曉明）

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1673-8454（2017）13-0054-05

中國民航大學教學改革研究項目（CAUC-ETRN-2015-01）；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項項目（3122015S002）。