虛實結合構建新型教學體系

文/吳金棟 任光輝 劉劍文

隨著民航事業快速發展，民航運行的系統性和復雜度日益增強，作為民航運行系統核心要素的從業人員能力水平直接關系著民航這一高技術、高風險、高投入的復雜大系統的運行安全和效率。其中，對專業人才實踐能力的要求，已經由簡單的專業技術能力轉變為系統思維能力、工程實踐能力、團結協作能力和工作適應能力相一致的綜合能力水平，這對人才培養中的實踐教學模式改革提出了新要求。民航運行的安全標準要求高，可供學生實踐能力培養的資源條件極為有限，應用虛擬仿真技術構建虛實結合的實踐教學體系，成為提升人才培養質量的必然途徑。為實現虛擬仿真技術與現有實踐條件深度融合，需要從人才培養實踐體系、資源開發利用機制和實踐教學管理平臺等多方面入手，綜合施策，方能有效提升實踐教學培養能力。

面臨的主要問題

原有實踐教學方式難以滿足行業新技術快速發展對人才的需求

隨著信息技術與航空技術的不斷融合，民航機務維修、空管等領域的專業工作正在更多地轉為依托面向大系統虛擬仿真環境下進行分析、測試、檢驗。原有的以解決單一問題、單一環境、單一對象的實踐能力培養目標需要轉變為解決系統問題、復雜環境、多對象多任務狀態下系統分析及解決問題的綜合實踐能力。為此，需要建立符合實際運行環境對人才要求的實踐教學體系，改進實踐教學方式。

圖1 成果研究路徑

既有實踐教學資源難以滿足專業人才培養規模的要求

民航實際崗位工作復雜度高、安全標準嚴，民航專業實踐設備、耗材資源有限、價值較高，都難以滿足大規模學生實驗實踐的需求。因此，建設高仿真度實踐條件能夠有效解決辦學資源、辦學成本與人才培養要求之間的矛盾。

實踐教學效率難以滿足互聯網一代學生對自主學習的需求

互聯網一代學生對學習時間、學習過程的需求更為靈活，對線上學習的方式易于接受和掌握?，F有實物條件的實驗環境，受空間和時間所限，為學生提供的認知資源不足、認知效率不高。因此，通過合理配比線上和線下實驗學習時間，可以實現學生學習過程重組，有效提升實踐學習效率。

研究的思路

圍繞實踐教學方式、資源、效率等問題，學校在對民航人才培養需求進行深入調研分析的基礎上，按照推進實驗教學與信息技術深度融合的理念，結合虛擬仿真技術的發展，通過構建虛實結合的實踐教學體系，在此基礎上配套建立仿真資源開發應用機制、建設實踐教學管理平臺，積極推進虛擬仿真實踐教學資源和裝備條件的建設，從而有效提升學生工程實踐能力。如圖1所示。

建設的主要內容

合理規劃布局，構建虛實結合的實踐教學新體系

依照“虛實結合、相互補充、能實不虛”的原則，按照不同學習階段對實踐條件和環境的需求，科學定位虛擬仿真實驗在人才培養中的位置和作用，系統規劃布局，形成覆蓋專業認知、基礎實驗、專業實驗、實習實訓、創新實踐在內的虛實結合實踐教學體系。如圖2所示。

1.以虛代實，建設面向崗位實習實訓的虛擬仿真資源。面對民航機務、空管等安全運行標準嚴、專業技術能力要求高的崗位，將原有崗位實踐環節拓展為“模擬實習+崗位實習”的實踐培養模式。針對該環節學生實習實踐學時多、學生實踐重復率高的現實需求，應用虛擬仿真技術，規劃建設了多功能機務維護模擬系統、空中交通管理雷達管制模擬系統、360度視景塔臺管制模擬系統等一系列大場景、一體化的綜合實踐系統，為學生提供高仿真度實習環境，較大程度上代替了真實崗位的實習實訓。

2.以虛補實，建設面向專業綜合實驗的系統級仿真實驗。針對大量應用真實航材的實驗項目所面臨的實驗條件成本高、消耗大、更新慢，且部分實驗由于航材本身為國外原裝封閉組件而導致的無法在真實環境中進行分析檢測等問題，建設了大批面向專業綜合實驗的航空器系統級虛擬仿真實驗條件，將原有“單系統、單環節”專業實驗拓展為“多系統、聯動式”的綜合性實驗，有效提升了實驗教學效果

3.以虛驗實，建設面向基礎類實驗的虛擬實驗教學資源。針對基礎實驗量大面廣、開放資源有限的問題，開展基礎實驗項目虛擬資源建設，開發自主實驗學習平臺，將原有實物實驗為主拓展為“虛擬實驗庫+實物實驗”方式，使學生能夠在虛擬平臺上自主設計完成實驗，為學生自主學習提供便利。

4.以虛展實，建設面向專業認知的立體化體驗教學資源。面向新進入專業學習學生，建設民航立體化教學中心，利用虛擬仿真技術，動態真實展現民航專業領域工作場景和工作流程，通過虛擬現實技術，使學生能夠動手感知運行狀態和環境。從而通過“認知+體驗”學習方式，促進學生對行業整體了解和專業認知，提升行業和專業認同感。

圖2 虛實結合的實踐教學體系

圖3 虛擬仿真資源開發利用全生命周期激勵機制

5.以虛測實，建設面向大學生創新實踐的虛擬驗證條件。面向大學生創新創業項目等學生自主創新實踐需求，建設了“OpenCockpit”綜合驗證平臺、空管聯動運行驗證平臺等開放式實驗開發驗證平臺，為學生創新創業項目提供實踐檢驗環境和條件，推動學生在大學生創新創業項目中形成“自主創新+驗證”的研究式學習方式，提升學生面向工程實踐的創新能力。

突出激勵支持，建立仿真資源開發應用新機制

虛擬教學資源的開發工作量大，研發周期長，需要系統的政策引導和支持，規劃好、開發好、使用好、轉化好虛擬教學資源是實現虛擬仿真教學持續發展的基礎，為此學校建立了基于虛擬仿真教學資源開發利用全生命周期的激勵機制。具體如圖3所示。

1.建立虛擬仿真資源開發的支持機制。學校設立實驗技術創新基金，支持各級虛擬仿真中心通過兩級項目管理體系，以“中心預研、校級認定、重點項目投入、產業開發扶持”的逐級提升方式，持續投入資源開發工作。出臺團隊激勵政策，按照“專業教學能力+技術開發能力+創新實踐能力”的要求，借助國家級、省部級虛擬仿真實驗教學中心平臺，推動跨學科組建團隊，建立團聘團考機制，鼓勵團隊內部合理分工，專注從事實驗教學、實驗室建設、虛擬仿真資源開發、產品轉化推廣等工作，協同創新，多出成果。

2.建立虛擬仿真資源利用的轉化機制。通過加強“校企合作”、“校研合作”，支持專業教師與校外虛擬仿真技術研究機構、軟件開發企業合作，提高開發效率，提升開發質量，以滿足大規模學生在實驗實習實訓中的學習需要。同時，積極推動與其他專業院校、航空企業在技術推廣上的合作，推進開發裝備轉化應用，發揮更大社會效益。目前，與學校在機務、空管、機場、航空安全等領域建立長期合作關系的技術開發機構和應用企業達68家。

3.建設虛擬仿真資源共享的促進機制。構建了資源開發共享平臺，共享技術開發工具、虛擬實驗開發資源、虛擬仿真實驗項目等，教師可根據實驗庫或數字資源的相關標準，開展各類資源開發建設、更新及擴充。學?，F已投入建設的用于虛擬仿真資源開發的技術平臺，包括圖像處理、模型構建、數據分析和系統測試等工具平臺121個。

4.建設虛擬仿真資源效能的評價機制。虛擬仿真教學資源的使用有效度和學生基于虛擬仿真資源開展教學的實際效果是衡量資源開發質量的重要標準，為此將對虛擬資源開發團隊的考核納入人事分配制度考核體系中，將學生對虛擬仿真資源的使用效果評價納入課程質量評價中，將資源開發投入與評價結果相掛鉤。

融合線上線下，建設實踐教學管理新平臺

虛擬仿真技術的應用，拓展了學生學習時空，豐富了教學資源，實現線上線下學習協同管理。通過開發虛擬實驗管理平臺，將原有“教師演示—學生操作”的實驗模式轉變為“虛擬實驗—網上輔導—現場指導”的新實驗教學模式。學生在平臺上自主學習安全須知，預習實驗理論，自主從虛擬儀器設備庫選取設備、設計實驗、虛擬操作，并通過線上自動評測后，方可進入實物實驗階段，期間教師進行線上輔導。在現場實物實驗中學生的實驗過程轉為注重觀察現象，總結分析提高。在結束課內實物實驗后，學生還可根據自身掌握情況，進行線上復習或答疑。目前建成的虛擬實驗教學系統，涵蓋了實驗預習、實驗庫、實驗安排、實驗報告、考試考查、數據統計、學習論壇等多個模塊，有效提升了實驗組織和管理效率。具體如圖4所示。

圖4 虛實結合的實驗教學模式

應用效果

1.實踐教學質量顯著提升

通過系統化構建虛實結合實踐教學體系，充分發揮虛擬實驗在實驗組織、實驗實施、實驗評價中靈活度高、重復性強、成本較低的優勢，讓虛擬實驗作為進入實物實驗的先導、作為崗位實習的部分替代，充分發揮其“橋接”功能，有效提升實踐教學針對性和學生的學習興趣，學生在實踐中參與度顯著提高，實踐質量獲得較大提升。

2.形成一批虛擬仿真教學團隊

學校現已在虛擬仿真實驗教學中心和其他實驗中心建設過程中，形成了多支虛擬仿真教學團隊，并培養了一批青年教師。該批教師已開發虛擬仿真實驗教學資源成果近百項，自行開發的虛擬仿真儀器裝備已推廣至部分航空公司培訓中心、部分空管單位培訓中心、境內航空類院校及臺灣地區航空院校。通過虛擬仿真教學團隊的建設，推進教師將教學工作和科研工作有機融合，為支持教師全面發展探索了一條新的有效路徑。

3.資源成果有效轉化

在實踐教學體系建設和資源開發過程中，通過知識產權認證等方式形成了一批知識產權成果。開發的大批實驗裝備獲得廣泛的推廣應用，并在相關院校和航空企業的人才培養和專業技術人員復訓中產生良好效果，質量和水平獲得了廣泛認可。項目成果輻射作用顯著，學校各類虛擬仿真中心每年接待參觀來訪達2100余人次，在行業辦學院校中產生了廣泛影響。

隨著虛擬現實技術的不斷發展，推進實踐教學與信息技術的深度融合成為改革實踐教學模式的新的路徑，學校通過積極推動面向民航專業技術領域，應用虛擬仿真技術開展實踐教學資源建設，有效解決了人才培養中特別是實踐教學中許多在原有實踐條件下不可實現、不可重復的教學難點，為學生提供了更為自主、更為直觀、更具創新性的實踐環境，有效提升了學生的學習興趣、學習針對性，從而顯著提高了人才培養質量，同時也提高了實踐教師的專業教學能力和研究開發能力。