面向行業需求的導航系統實習課程改革與實踐

劉貴行，趙世偉

（中國民航大學 工程技術訓練中心，天津 300300）

實踐教學作為工程教育的重要組成部分，可以使學生通過實踐對理論知識進行更深層次的理解，能夠培養學生的創新意識與綜合能力[1]。在以往的機載導航系統實習教學實踐中，由于教學設備和教學環境不能夠適應行業最新技術與理念的發展趨勢，教學模式、教學內容、教學效果都具有一定的局限性。為了進一步提高機務電子專業學生的實習效果與實習質量，課程組面向機務專業人才需要和工程教育人才培養標準，不斷優化和創新實踐教學環境與教學模式，依據我校教學大綱，參考《民用航空器維修人員執照考試大綱》（AC-66）和《民用航空器維修/部件修理培訓大綱》（AC-147）等民航法規文件，開展對機載導航系統實習課程的改革與探索，不斷提高航空電子系統維修領域的工程教育水平。

1 行業需求與實習現狀分析

機務工程師是保障飛行安全，控制由于機械、航電設備等原因導致的飛行事故萬時率在 0.1以下，始終保持飛機完好率在80%以上的，維修質量高、保障能力強的安全技術人員。機務工程師是一項對技術性要求比較高的工作，從業人員需要依據《民用航空器維修人員執照管理規則》獲取維修證書來評定從業資格。機務工作根據工作性質、維修范圍的不同大致可分為幾個組成部分，如圖1所示。

圖1 機務分工

圖2為我國民航機務持照人數發展趨勢圖，圖3為部件修理執照持有人數占我國民航全部持照人數比例（含同時持有部件制造與基礎執照人員）[2]。

由圖2和圖3可以看出，我國民航業基礎執照和部件執照持照人數近5年均保持上升態勢，其中部件修理持照人數占所有持照人數比例在20%左右波動。隨著新技術在民航飛機中的大量使用，目前主流民航機型所裝備電子系統大多具有機上自測試能力和中央維護系統，維護信息的快速傳遞等新技術的引入改變了以往的維修理念和維修流程[3-4]。一個比較典型的例子就是系統的集成度更高，簡化了外場維護工作的同時對于部附件修理的人員需求增大。部件修理門檻較高，對于維修人員技術、經驗等方面的要求更為嚴格，要求維修人員能夠跟蹤行業最新技術發展，掌握最新維修測試方法和維修技術，同時更新維修理念。另外一份數據表明，本科和研究生等高學歷機務人員占比逐年提高，從另外的角度反映了民航業需要更多的高水平維修工程師。

圖2 我國機務持照人數概況

圖3 部件修理執照占比

中國民航大學作為我國民航領域的最高學府，承擔著為我國民航事業培養各類高水平應用型人才的重任，工程技術訓練中心面向全校開展以機、電為主的機務實習教學[5]。機載導航系統實習作為電子信息工程專業的必修實踐環節，課程以維修實際工作流程為背景，使學生掌握無線電導航系統的工作原理、組成、功能、操作方法，掌握飛機無線電導航系統的測試程序，結合典型故障案例，掌握系統故障診斷和故障排除的基本技術和手段。課程流程如圖4所示。

圖4 導航實習課程內容

但是，由于課程歷史以及其他因素，機載導航系統實習課程已經不能夠滿足教學需求，主要體現在以下幾個方面。

（1）實習環節只能在機坪現有飛機上開展，例如B737-200、運七、B707等。所涉及飛機均屬航空公司或其他部門贈送，已退役多年，其系統組成與操作方式與目前民航主流機型差異過大，另外由于多次拆裝造成設備磨損且市場上無備件可以替換，導致系統功能缺失。

（2）實習設備數量不足，例如 ILS（儀表著陸系統）與DME（測距機）功能測試只能在運七飛機上進行，運七駕駛艙單次最多容納4名學生，而正常實習每組學生為12～15人，導致實習效率偏低。

（3）現有實習內容以外場維護實習為主，很少涉及內場維護項目，不符合我國民航業對高水平內場維護人員的需求。

2 開發教學設備，豐富教學手段

航空電子系統測試與排故教學設備具有專業性強、適航維修設備和航材件價格昂貴、教學要求特殊等特點，因此大部分教學設備需要自行設計開發。在認真討論調研的基礎上利用先進信息與數字化技術，創造性地開發了具有自主知識產權的教學設備，建立了國內外先進技術水平的工程實踐教學環境，為提高實踐教學質量和效果提供了物理平臺。

課程使用到的教學設備如表1所示。

表1 實習室設備清單

一系列教學設備的投入使用，給教學手段和實習項目的開發奠定了基礎。VOR/ILS/DME教學系統將內場維護加入到教學過程中，實現了從外場到內場、從簡單拆裝到深度分析、從演示到操作、從機坪到教室的轉變；模擬件測試的引入，在控制成本的前提下增加了設備的數量，實現了多個小組同時實習。圖 5為教學環境的前后對比。以甚高頻全向信標（VOR）和儀表著陸系統（ILS）為例闡述教學測試系統功能與創新。

圖5 教學環境前后對比

2.1 系統硬件模型

傳統意義上的機載甚高頻導航系統包括甚高頻全向信標（VOR）、儀表著陸系統（ILS）。二者具有相同的工作頻率，通過對二者部件維護手冊（CMM）中給定的測試模型和測試程序進行分析，VOR測試和ILS測試共用硬件資源，通過切換測試動態鏈接庫的方式擴展設備功能。

CMM手冊[6-7]中給出的測試模型，如圖6所示。

圖6 系統測試模型

教學測試系統采用服務器（教師機）+客戶機（學生機）的網絡拓撲結構。

系統網絡拓撲結構如圖7所示。

圖7 系統網絡拓撲圖

其中服務器采用圖6所示的全功能測試方案，可以實現對 VOR-700航材件進行全自動/手動測試，還能夠根據教學需求對客戶機進行故障信號設置和測試管理。客戶機考慮到成本限制和教學需求，采用了模擬件測試的理念，通過計算機軟件及模擬件內部電路來模擬航材件在測試過程中輸出的各類信號，并且能夠在服務器的指令下改變輸出信號參數，模擬不同情況下接收機故障。其實現過程如下：

（1）通過程控直流電源及開關來模擬 VOR二次電源輸出；

（2）通過交流電源及功率電阻模擬消耗電流；

（3）通過單刀單擲開關模擬離散量的輸入以及SDI模式的轉換，測量離散量輸出狀態；

（4）通過 ARINC429總線板卡模擬被測件的ARINC429總線輸入輸出；

（5）通過模擬件內部信號發生板模擬音頻信號輸出；

（6）通過模擬件內部的 C8051板控制模擬VOR-700自檢信號的模擬及MB燈的變化。

圖8為VOR-700模擬件。

圖8 VOR-700模擬件

2.2 系統軟件模型

甚高頻導航教學測試系統的軟件由“LabNetManager v1.0”“RATS v1.0”和“RMTS v1.0”組成，其中LabNetManager和RATS被部署在服務器上，RMTS被部署在客戶機上。

LabNetManager是一款為我校實踐教學而專門設計的網絡管理軟件，具有簡單易用，實時性強及界面友好等特點。LabNetManager根據教學需求，設置有下述功能模塊：

（1）系統設置。用于對系統網絡進行設置，包括本機IP地址、端口號、刷新速率等參數。

（2）測試使能。當客戶機與服務器正常連接以后，其對應的連接圖標將會點亮，此時點擊“使能”按鈕將開啟該客戶機的測試權限。

（3）測試監控與即時通信。假如客戶機1已與服務器建立正常連接，并且服務器端已發送使能信號至該客戶機端，則客戶機便能夠進行正常測試，測試過程中的測試信息將被實時顯示在客戶機1的選項卡內的文本框里。

（4）故障設置。故障設置是為客戶機指定測試故障而設計的，目前為客戶機設置的故障為10個。單擊“故障設置”選項卡，則所有的故障屬性被顯示在一個屬性表里。雙擊要更改的故障量單元格即可對該單元格的故障量值進行更改。

（5）信息提交，打印與存儲。當客戶機完成指定的測試任務以后，其測試信息也已完整地顯示于“實驗室網絡管理工具”的指定信息監控文本框內。客戶機端可以將自己測試過程中的排故過程寫成文本文件，通過“發送文件”的方式發送給服務器端，以完成排故信息提交。

3 完善教學內容，創新教學手段

實踐教學和理論教學最大的不同在于在實踐教學活動中，學生應起到主導作用，但是在傳統教育的熏陶下，學生習慣于作為知識的被動接受者[8]。機載導航課程采用任務驅動教學法激發學生自主學習能力。任務驅動法是指在實踐教學活動中，學生在教師的引導下，緊緊圍繞一個共同的任務活動中心，在強烈的問題動機的驅動下，通過對學習資源的積極主動應用，進行自主探索和互動協作的學習，并在完成既定任務的同時，引導學生產生一種學習實踐活動[9-11]。任務驅動教學模式以學生小組為單位、以“任務準備→任務描述→任務確定→任務分析→任務方案制定→任務方案實施→任務方案驗證→任務評價與總結”為教學流程。同時，選取學生能夠看到結果價值又能預期到成功可能性的工程訓練為工程任務，提升實踐教學效率與質量。任務驅動教學法教學流程如圖9所示。

圖9 任務驅動法教學流程

同時建立了“雙閉環反饋”教學方法。將“任務確定→任務分析→任務方案制訂→小組討論→任務確定”設置為第一教學反饋環，學生小組闡述對故障分析和故障定位的獨立觀點，教師對來自學生的反饋持開放的態度，提供啟發式指導并通過相互討論[12-13]。只有學生小組真正理解和掌握了任務內涵，才能進入第二教學反饋環。將“任務描述→任務方案驗證”之間的全部流程設置為第二教學反饋環，學生小組結束任務后需要對結果進行驗證，如果驗證通過，則通過任務完成情況、任務執行過程和測試數據等多個維度進行綜合評估給出最后成績，如果驗證不通過，則需要返回任務描述環節，重新修正任務方案，直至驗證通過。

4 結語

通過對行業需求發展與機載導航系統實習課程現狀的分析，從教學環境、教學內容、教學模式等多方面對課程進行改革和創新，建立了從外場到內場的一整套機載導航系統實習體系。課程已經應用于我校本科機務專業實踐教學環節中，并且推廣至行業培訓課程。實踐證明，改革成果能夠有效提升實踐教學的效率，激發學生自主學習能力，培養學生的綜合素質。