張曉瑜 唐黎偉 陳玖圣

摘 要：為了適應民航快速發(fā)展對專業(yè)人才的培養(yǎng)需求，文章提出以虛擬仿真技術構建專業(yè)教學素材庫系統(tǒng)，采用模塊化設計實驗教學內(nèi)容，滿足不同專業(yè)課程的教學需求，采用多層次的體系設計，適應課堂教學、實踐教學、開放平臺等不同環(huán)節(jié)的教學活動。該系統(tǒng)融合了多學科、多專業(yè)知識，支持學生應用能力、創(chuàng)新能力、團隊合作能力的培養(yǎng)，通過專業(yè)教學過程中的使用調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該虛擬仿真專業(yè)教學素材系統(tǒng)，實現(xiàn)了課堂教學與實踐教學的有效鏈接，滿足了多專業(yè)的培養(yǎng)需求，并具有占用場地小、使用靈活、維護費用低等特點。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗教學;素材庫;多層次;模塊化

中圖分類號：TP391.9;V241.07 ? 文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：1673-8454（2021）08-0051-05

一、引言

隨著信息技術的深入應用與發(fā)展，世界教育領域不斷加快推進教育信息化步伐，教育信息化成為高校內(nèi)涵發(fā)展[1]的重要組成部分，也是實現(xiàn)實踐教學的重要手段。而虛擬仿真教學是實現(xiàn)教育信息化的重要途徑[2]。虛擬仿真實驗教學通過構建虛擬實驗環(huán)境以及實驗對象，能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗教學的教學任務。同時，虛擬仿真實驗教學具有維修費用低、實驗靈活等特點，受到高校實驗系統(tǒng)開發(fā)的高度重視。

1.國家關于虛擬仿真實驗教學的政策需求分析

2010年，《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出：信息技術對教育發(fā)展具有革命性的影響，必須予以高度重視[3]。2012年，教育部發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中指出，大力推進普通高校數(shù)字校園建設[4]，普及建設高速校園網(wǎng)絡及各種數(shù)字化教學裝備，建設職業(yè)教育虛擬仿真實訓基地等。2012年3月，《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》明確提出，建設優(yōu)質教育資源共享體系，推進高等職業(yè)教育共享型專業(yè)教學資源庫建設，與行業(yè)企業(yè)聯(lián)合建設專業(yè)教學資源庫[5]。2015年10月，教育部印發(fā)的《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2015—2018年）》中提出，應用信息技術改造傳統(tǒng)教學，促進泛在、移動、個性化學習方式的形成。在現(xiàn)場實習安排困難或危險性高的專業(yè)領域，開發(fā)替代性虛擬仿真實訓系統(tǒng);針對教學中難以理解的復雜結構、復雜運動等，開發(fā)仿真教學軟件[6]。

根據(jù)國家關于教育信息化的相關政策要求，教育部于2014、2015年相繼開展了國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作，逐步推進高校實驗教學信息化建設與實驗教學改革與發(fā)展，建立了國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺，推進實踐資源的“共建共享”。各地區(qū)根據(jù)區(qū)域教育資源建設建立共享平臺，例如：江蘇省建立了虛擬仿真資源共享平臺[7]，支撐各學科門類開發(fā)虛擬仿真實驗項目并在線發(fā)布，促進虛擬仿真教學資源在線開放共享和高校集約應用。

2.民航行業(yè)對虛擬仿真實驗教學的需求分析

民航以“安全第一”為生產(chǎn)目標，具有“高風險、高投入、高技術”的特征，其中安全是對民航運營的核心要求。在飛行、機務、空管、機場、運控等特色專業(yè)人才的培養(yǎng)上，專業(yè)技能的培養(yǎng)與訓練很大程度上是在真實飛機或運營場所進行的。其中，機務人員的基本技能培訓與在崗培訓都是在機務維修現(xiàn)場或真實飛機上進行，這種培訓模式存在明顯問題：訓練用飛機或耗材費用巨大，訓練場所固定，實訓場地容納培訓人數(shù)有限等。

近年來，民航特色專業(yè)人才需求保持持續(xù)增長，民航直屬院校預計培養(yǎng)機務維修類專業(yè)人才3萬人、飛行專業(yè)技術人才1.3萬人，因此培訓設施以及場地需求變得尤為緊張。目前，我校的機務類專業(yè)涉及的五個專業(yè)、九門課程都要求有實踐教學，實踐教學實驗室資源十分緊張。

隨著虛擬仿真技術的發(fā)展，以人員培訓為中心的虛擬維修仿真技術、以虛擬現(xiàn)實技術營造逼真的訓練環(huán)境[8]，尤其適用于高危行業(yè)、航空航天等復雜裝備和價格高昂的設備維修人員的培訓。在高校人才培養(yǎng)中，通過大規(guī)模在線開放實驗（MOOE）教學，以虛擬仿真實驗教學模式替代傳統(tǒng)現(xiàn)場實踐實習的方式[9]，既能降低培訓過程中存在的風險，還能降低培訓設備維護成本以及耗材成本，同時具有靈活、擴展性高等特點。

二、多層次虛擬仿真專業(yè)教學素材體系

在虛擬仿真教學改革思路的引導下，構建多層次的虛擬仿真專業(yè)教學素材庫，能夠在有限資源環(huán)境條件下充分實現(xiàn)個性化教學，滿足多專業(yè)、多層次的實踐教學要求[10]。該專業(yè)教學素材庫體系共分為3個層次：課堂演示教學、課程實踐教學、開放式創(chuàng)新開發(fā)平臺，如圖1所示。

1.課堂演示教學

在我校本科培養(yǎng)方案中，7個專業(yè)中包含22門與飛機機載系統(tǒng)相關的專業(yè)課程，這些專業(yè)課程的教學內(nèi)容中都包含機載系統(tǒng)案例。傳統(tǒng)教學方式中，主要以多媒體的形式講解實際機載系統(tǒng)，通過圖片和教師講解使學生了解實際機載系統(tǒng)組成、工作原理及顯示等，因此授課教師需要大量搜集實際機載系統(tǒng)的教學素材，而且多媒體演示過程中素材較零散，缺乏系統(tǒng)整體性概念，以致通過課堂教學講授機載系統(tǒng)相關知識的識記效果不理想。

虛擬仿真的教學素材庫系統(tǒng)利用3D建模、虛擬現(xiàn)實等技術復現(xiàn)機載系統(tǒng)的真實運行狀態(tài)。系統(tǒng)將多種機型的機載系統(tǒng)拆分至組件或單元級別，通過簡單的界面操作可將各組件組成獨立系統(tǒng)，實現(xiàn)某機載系統(tǒng)的操作與顯示。教學素材庫系統(tǒng)可獨立運行于臺式機或筆記本電腦，因此能夠比較方便地引入課堂教學過程中。教師根據(jù)專業(yè)課程的教學目標，從教學素材庫系統(tǒng)選取不同系統(tǒng)的組件，并連接為所需的機載系統(tǒng)，能夠在課堂上演示該系統(tǒng)的組成、正常運行和顯示等。該教學素材庫系統(tǒng)能夠根據(jù)不同需求獲取所需內(nèi)容，解決了傳統(tǒng)教學過程中大量搜索教學素材的難題，同時能夠靈活地引入課堂，引導學生理解掌握實際機載系統(tǒng)相關知識，實現(xiàn)了實際機載系統(tǒng)真實運行狀態(tài)的復現(xiàn)。

2.課程實踐教學

為了培養(yǎng)學生的實驗實踐能力，實驗實踐教學成為目前本科生培養(yǎng)的重要組成部分，以電子信息工程專業(yè)為例，9門專業(yè)課程中8門課程安排有實踐教學環(huán)節(jié)，目前專業(yè)課程實踐教學的環(huán)境多為A320飛機，學生可以在已搭建完成的實驗平臺上進行相應課程的實驗。但是學校能夠安排專業(yè)課程實驗的實驗室僅有3個，安排8門課程的實踐環(huán)節(jié)比較緊張。同時，實驗系統(tǒng)已搭建完成，實驗僅需要完成操作，缺少設計環(huán)節(jié)。

虛擬仿真教學素材庫系統(tǒng)利用獨立計算機即可完成實驗系統(tǒng)搭建，可以利用自帶筆記本電腦或實驗機房、現(xiàn)有實驗室等場所搭建所需實驗系統(tǒng)，能夠解決實驗場所緊張的問題。同時，在實驗過程中，學生需要根據(jù)相應專業(yè)課程的需求，在教學素材庫系統(tǒng)中自行搭建相應機載系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)設計環(huán)節(jié)，使學生能夠理解掌握系統(tǒng)組成、信號鉸鏈關系，并在實驗過程中能夠記錄所搭建機載系統(tǒng)正常運行與故障運行的現(xiàn)象，達到實驗實踐教學目標。

3.開放式創(chuàng)新開發(fā)平臺

為提高學生的應用能力和創(chuàng)新能力，民航特色專業(yè)的實驗教學需要不斷拓展實驗教學內(nèi)涵，從知識驗證向開放式實驗轉變[11]，課堂教學與課外科技活動相結合、實驗實踐教學與科研工作相結合。虛擬仿真教學素材庫系統(tǒng)將不同機型、不同系統(tǒng)集成到一個平臺，在教師指導下，學生可自主完成實驗設計、研究與開發(fā)。

（1）開放實驗

教學素材庫系統(tǒng)以靈活的實驗方式，可以實現(xiàn)開放平臺實驗，實驗內(nèi)容與方案可根據(jù)學生興趣與需求自行設計，充分發(fā)揮學生的學習主動性與創(chuàng)新能力。

（2）科技創(chuàng)新平臺

教學素材庫系統(tǒng)可以融合多種機型于一個系統(tǒng)，虛擬仿真系統(tǒng)的基礎平臺已完成，學生可以在該平臺上進行機載系統(tǒng)仿真功能的開發(fā)，支持其參加科技創(chuàng)新活動，為專業(yè)方向發(fā)展提供技術保障。同時，對于復雜的機載系統(tǒng)需要多學科、多專業(yè)知識。在科技創(chuàng)新活動中，學生可根據(jù)創(chuàng)新項目自主組建跨學科、跨專業(yè)的項目團隊，培養(yǎng)其團隊合作與創(chuàng)新能力。

（3）科研項目

虛擬仿真的專業(yè)教學素材庫系統(tǒng)能夠支撐跨專業(yè)的科技立項。針對復雜機載系統(tǒng)，例如：飛行控制系統(tǒng)將機械、電子、電氣等專業(yè)相互融合，通過多學科、多專業(yè)的合作開發(fā)，能夠培養(yǎng)教師與學生的綜合分析能力、系統(tǒng)應用能力，將學生從“被動學習”轉變?yōu)椤爸鲃訉W習”，在實踐中不斷培養(yǎng)創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力[12]。

三、模塊化虛擬仿真教學內(nèi)容與系統(tǒng)結構

1.模塊化虛擬仿真教學內(nèi)容

在不同專業(yè)、不同課程的教學過程中，教學內(nèi)容與教學目標各異，部分課程之間存在交叉、滲透，因此虛擬仿真教學素材庫需要建立統(tǒng)一的標準，以適應不同課程的教學需求。民航作為國際性運營行業(yè)，從機載設備的設計到機載設備的報廢，整個生命周期都必須滿足國際通用標準，作為機載設備使用和維護者的培養(yǎng)也不例外。ATA-100規(guī)范建立針對飛機、發(fā)動機、附件制造業(yè)產(chǎn)品呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)的標準，這些標準可以并入制造業(yè)與使用者購買合約內(nèi)，成為強制執(zhí)行的文件。

虛擬仿真教學素材庫以ATA-100規(guī)范為依據(jù)，根據(jù)信息相關性[13]將素材進行歸類，覆蓋不同專業(yè)、不同課程的教學內(nèi)容，遵循目前飛機維修專業(yè)的分類，將機載系統(tǒng)劃分為機械與電子兩個大方向，按照ATA-100規(guī)范將各子系統(tǒng)進行細分，如圖2所示。

模塊化的實驗教學內(nèi)容能夠有機融合若干課程實驗、實踐教學于一體[14]，能夠使不同課程根據(jù)需要提取不同模塊，同時促進多模塊、多層次之間的交互，有助于實現(xiàn)綜合實驗教學。對于復雜系統(tǒng)的實驗設計，涉及多模塊的交叉。例如，自動飛行系統(tǒng)融合了飛行控制、儀表、液壓等模塊，采用模塊化的系統(tǒng)設計能夠實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的靈活組構，完成機載系統(tǒng)的仿真。

2.模塊化虛擬仿真系統(tǒng)結構

借鑒模塊化教學系統(tǒng)設計理念，通過分析機載各系統(tǒng)的組成、工作原理、操作邏輯等內(nèi)容，總結出機載系統(tǒng)可分為：電源模塊、計算機模塊、輸入/輸出模塊，如圖3所示。

輸入模塊實現(xiàn)離散、數(shù)字、模擬等信號的輸入與輸出，包括來自操作機構的數(shù)字式或離散式信號（操縱桿、起落架手柄、油門桿等）、來自控制面板的數(shù)字或離散信號（無線電管理面板、近地警告控制面板等）、來自天線的模擬信號等內(nèi)容。該模塊的外觀采用幾何建模的方式，利用3ds Max、AC3D、Creator等三維建模軟件構建機載系統(tǒng)組件的立體模型，然后采用OpenSceneGraph系統(tǒng)實現(xiàn)模型渲染，仿真真實機載系統(tǒng)組件的效果，使視覺感官效果達到與實際機載系統(tǒng)基本一致，提高仿真度。

輸出模塊以可視化的形式展示機載系統(tǒng)輸出的效果，包括儀表顯示（飛機姿態(tài)、發(fā)動機參數(shù)、導航信息以及故障信息顯示等）、音頻（近地警告系統(tǒng)的音響警告以及某機載系統(tǒng)出現(xiàn)故障時聲音提示等）、燈光（主警告燈或者控制面板上的燈光提示等）以及執(zhí)行機構（液壓系統(tǒng)與操縱舵面等）。該模塊中，儀表顯示、燈光顯示的飛機參數(shù)或燈光顯示圖片為不同變量，采用計算機圖形技術[15]實現(xiàn)駕駛艙效應的仿真。通過3ds Max、AC3D、Creator等三維建模軟件建立執(zhí)行機構中機械結構立體模型，通過圖形渲染技術仿真執(zhí)行機構的效果，從而達到對執(zhí)行機構中機械結構的圖形化仿真。

電源模塊實現(xiàn)仿真組件通電邏輯，實現(xiàn)電源通斷、故障等情況的處理。該模塊通過軟件建模的方式，在系統(tǒng)內(nèi)采用程序語言實現(xiàn)電源模塊的正常與異常操作。

計算機模塊實現(xiàn)機載各計算機的功能模擬，包括正常信號處理、故障分析以及自檢等內(nèi)容。該模塊通過3ds Max、AC3D、Creator等三維建模軟件構建計算機的立體模型，采用數(shù)值方法根據(jù)計算機的功能建立模型，模擬計算機的信號處理、計算過程，實現(xiàn)真實飛機不同機載系統(tǒng)的正常操作、異常處理以及自檢等過程。