“維修性虛擬仿真與評價”課程的建設與思考

周 棟，郭子玥

（北京航空航天大學 可靠性與系統工程學院，北京 100083）

隨著計算機技術的飛速發展，虛擬仿真技術已經成為人類認識自然世界、開發先進技術的重要手段[1]。基于虛擬仿真技術的實驗教學，能以直觀、形象的方式再現科學原理，使學生主動參與仿真過程，并進行開放式探索實驗，可以有效提升學生對所學知識的掌握，培養學生分析問題并解決問題的能力[2-3]，也符合信息時代高等教育的教學要求[4]，目前已經在眾多學科的教學中廣泛應用[5-6]。總體而言，基于虛擬仿真的教學方式有兩種：①基于計算機的虛擬仿真教學。以計算機顯示屏為交互界面，學生通過操作鼠標鍵盤來完成虛擬仿真教學內容，這種方式在目前的虛擬仿真教學中較為普遍。②利用虛擬現實技術等先進手段，學生通過頭戴式顯示器、大型多通道立體顯示系統、手柄設備與虛擬仿真環境進行交互。這種教學方式能夠讓學生在感官上獲得更強的沉浸感，提升學生對實驗內容的學習興趣和認同感。目前，這種教學方式在國內外已經得到了一定的研究和應用[7-9]。

1 虛擬維修仿真課程的必要性分析

航空航天類專業屬于高新技術領域，其課程覆蓋面廣，內容專業性強，對于本科生和研究生培養提出了較高的要求[10]。“維修性設計與分析”作為航空航天專業的一門專業課程，也存在著同樣的特點。維修性是飛行器質量的一個重要特性，其含義為產品在規定的條件下和規定的時間內，按規定的程序和方法進行維修時，保持或恢復其規定狀態的能力[11]。作為航空航天類專業的一個知識組成部分，傳統的“維修性設計與分析”課程的教學中，往往存在著如下幾個問題：

（1）工程應用性強，學生難于深入理解。維修性工程學科有很強的工程應用背景，本科生和研究生由于沒有接觸實際工程項目的經驗，對于維修性理論課堂上講授的內容，只能了解其基本概念與內涵，而很難學以致用。

（2）實際航空航天產品的維修現場難以接近，且成本較高、存在一定的危險性。對于航空航天產品來說，由于其敏感性和特殊性，日常的使用、維護、貯存都有著嚴格的程序規定，在校學生很難接觸到。此外，航空航天產品多屬于復雜的機、電、液產品，其拆卸維護成本較高，且維護過程存在著一定危險性。因此，對于本科生及研究生教學來說，進行實物教學存在著諸多不便。

（3）缺乏有效教學手段，提升學生理解程度。維修性是產品的固有屬性，它對產品的影響要在維修的過程中才能體現。維修是一個人機交互過程，且航空航天產品結構復雜，僅依靠教師進行理論授課，難以提升學生的理解。因此，需要一種直觀形象的手段去提升課堂教學質量。

虛擬仿真技術的快速發展為上述維修性課程教學問題帶來了有效的解決途徑。目前，很多工業流程仿真軟件都能夠對生產、制造、維護的各個環節進行較高準確度的仿真。這些軟件能夠通過三維化的圖形界面，再現工業過程，例如裝配、維護等，用戶可以直觀形象地觀察到整個過程的運行狀況，并且利用仿真軟件提供的分析工具對維護過程進行初步分析，發現存在的設計問題。對于維修性設計與分析的實驗教學來講，充分利用虛擬仿真技術可以讓學生在教師的指導下，通過虛擬仿真平臺軟件，選取合適的案例，進行維修方案設計、維修過程實現、維修性評價等一系列仿真活動，進一步增進學生對維修性相關理論的理解，并培養學生解決實際工程問題的能力。

2 虛擬維修仿真實驗課程的建設

2.1 建設思路

維修性是產品的一種固有屬性，它在產品的設計階段所決定，在產品的使用維護階段所體現。在維修性理論課堂的教學中，學生會對維修性的基本概念知識進行了解和掌握。然而，考慮到維修性側重應用的特點，學生往往對維修性如何影響產品的使用維護缺乏深刻的理解，無法利用所學的維修性知識解決工程實際問題。虛擬仿真技術可以逼真形象地再現產品的維修過程，通過讓學生使用仿真平臺模擬產品的維修過程，分析評估維修性方面存在的問題，教師可以培養學生的工程視野與自主探索的能力。

然而，虛擬仿真技術雖提供了一種非常有效的教學手段與工具，但如何利用好這一工具進行教學，需要授課教師對仿真實驗課的教學方案進行認真思考與設計。利用虛擬仿真來為維修性相關課程服務，不單單是為了讓學生能夠完成對產品維修過程的模擬，增強對相關知識的理解，更在于培養學生的專業興趣以及自主解決工程問題的能力。這就需要授課教師精心設計仿真實驗課程的具體內容，達到理論與實際相結合，操作與分析相結合，根據學科的知識特點及學生的認知特點，設計合理的仿真實驗方案以及考核方式，以最大化提升虛擬維修仿真實驗課的教學效果。

最后，考慮到基于虛擬仿真的維修性設計屬于多學科交叉領域，涉及飛行器設計、計算機仿真技術、人機工程學等方面知識，存在著學科覆蓋面廣、專業性強的特點，因此對于本科學生的教學，除了仿真實驗課的正式內容外，可以充分利用各種資源，如視頻、多媒體課件、講座等，提前為學生介紹相關知識，拓寬學生的視野，激發學生的自主學習興趣。

2.2 教學目的

“維修性虛擬仿真與評價”課程的教學目的為：通過“維修性虛擬仿真與評價”實驗課的學習，學生進一步掌握維修性工程的相關知識，可以對特定的維修任務自行設計維修方案，實現維修過程的仿真，利用相關分析工具對可視性、可達性、維修人素等維修性要素進行分析，從而提升解決工程實際問題的能力。

2.3 教學內容

本課程主要的教學內容為：

（1）虛擬維修技術在維修性設計分析中的應用。本部分主要內容為由教師講述虛擬維修的概念和技術方法，以及在維修性設計與分析中應用的案例。

（2）虛擬維修仿真軟件的使用。本課程采用法國達索公司的數字化企業互動制造應用軟件 DELMIA作為仿真平臺。由教師講授該仿真平臺與維修仿真相關的基本介紹與操作。

（3）虛擬維修仿真案例講解。對維修仿真的產品對象的維修過程進行必要的講解，使學生熟悉仿真內容。

（4）開放式實驗部分。在給定維修場景和維修任務后，學生自行設計維修方案，實現維修過程仿真，并發現分析維修性設計存在的問題。

2.4 實驗基本原理

本實驗在DELMIA平臺下的human task simulation模塊中進行。在該模塊下，學生可以通過關鍵幀的編輯來驅動虛擬維修場景中的虛擬人進行一系列的維修操作，并最終完成所有的維修動作。圖1為虛擬維修仿真的原理圖。具體來講，對于給定的維修任務，在具體的虛擬維修場景下（維修場景包括維修環境、維修對象、維修工具、輔助工裝等），教師要求學生通過對維修任務的分析，將其分解成若干個子任務，并將這些子任務最終分解成具體可執行的維修操作。完成對維修任務的分析后，學生便可以制作維修過程仿真動畫。在維修仿真過程完成后，學生可以利用DELMIA提供的一系列分析工具對維修過程中的可視性、可達性、維修姿態、維修時間等作出分析和評價。

圖1 虛擬維修仿真原理圖

2.5 課堂教學過程

“維修性虛擬仿真與評價”實驗課針對北京航空航天大學可靠性與系統工程學院系統工程、安全工程等方向的研究生設置，每年參加課程的人數為 30左右，采用2人一組的上機方式進行教學，計劃20學時完成學習。該課程首先由授課教師對虛擬維修技術、實驗課內容及注意事項進行必要的講解，然后學生按照實驗指導教程的指導，完成規定的虛擬維修仿真以及維修性評價的實驗任務，并由助教對學生所提出的疑問進行解答。在學生通過上述流程熟練掌握虛擬維修技術之后，授課教師將會為學生設置開放式教學環節。在該環節中，學生需要對給定的維修任務自行進行分析，實現維修仿真過程，并在仿真完成后發現維修性設計存在的問題，完成實驗報告。為了使課程更加具有工程意義，本課程利用實際工程中的產品案例作為實驗教學素材。

本文作者通過歷年來對實驗課堂的觀察發現，在實驗課的初始階段，學生往往對仿真平臺的操作、維修任務的理解有較多的問題；但當實驗課進行到開放式實驗內容階段后，學生的問題往往較少，軟件操作、維修方案設計、維修仿真實現上的大部分問題都能夠通過小組內或小組間的討論得到解決。這說明學生自主發現問題、解決問題的能力得到了提高。

2.6 學生評價與體會

“維修性虛擬仿真與評價”實驗課程自開設以來，得到了大量來自學生的意見反饋。大多數學生認為通過對“維修性虛擬仿真與評價”實驗課的學習，達到了他們的學習目標，使他們能夠通過一個完整的、由自己制作的產品維修過程仿真與維修性評價案例，進一步強化對維修性的相關知識的掌握，更加深入理解維修性對產品效能的影響。開放式實驗的學習培養了學生處理實際工程問題的能力。另外，學生對實驗課教學質量的進一步提升也提出了不少非常寶貴的建議。例如，有些同學提出，仿真平臺的一些性能能否進一步優化，以提高仿真過程的生成效率；實驗指導書中對某些操作的描述可否以更加易于理解的方式呈現，以方便同學自行學習；可否用虛擬現實等先進技術，以更加自然、人性化的方式進行維修仿真，以增加實驗趣味、提高仿真的逼真度。這些建議對提升仿真實驗課的質量有非常大的啟發和幫助。

3 虛擬維修仿真課程的思考

總體上講，為相關專業學生開設的“維修性虛擬仿真與評價”實驗課程達到了預期的教學目的，起到了如下作用：

（1）增強了學生對維修性相關知識的理解掌握。相比于學生在理論課上單方面通過教師講授而被動接受知識，學生利用虛擬仿真平臺對維修性工程的相關維修活動進行了模擬，通過三維動畫再現了對產品的維修過程，形象直觀地感受了維修性工程的相關活動，從而增強了對維修性設計與分析相關知識的理解。

（2）降低了維修性實驗課的教學成本，提高了授課的安全性。虛擬仿真平臺為學生提供維修性設計與分析方面的實驗課程，大大降低了實物教學所需經濟成本及人力成本，并且有效減少了復雜機、電、液產品可能對學生造成的傷害。

（3）提高了學生自主解決實際問題的能力。“維修性設計與分析”是一門解決實際產品設計中維修性問題的課程，因此在教學過程中教師應該重視培養學生自主解決實際問題的能力。虛擬維修仿真實驗課通過讓學生利用仿真平臺對特定的維修任務自行設計維修方案、實現維修過程并進行分析評價的教學形式，可以激發學生的自主創新能力與解決實際問題的能力。有多位參與實驗課的學生在實驗報告中寫道：“實驗過程中，不能對指導書上的內容過于死板地運用。”實驗課上不同組別的相互探討，以及主動思考問題并獲得解決方案，往往可以培養學生的專業興趣和自主解決問題的能力，使仿真實驗課取得更好的教學效果。

（4）培養學生系統工程的思維邏輯。系統工程是解決復雜系統問題的重要工具，而維修性設計與分析是在航空航天領域中系統工程思想的一種具體體現，是未來從事航空航天設計、管理工作應具備的一種重要思維方式。因此，在日常教學中必須要重視學生系統工程思想的培養。虛擬維修仿真實驗課通過為學生展示實際的工程案例，針對一個維修性任務，讓學生從頂層到底層進行分解，從整體到局部、從宏觀到微觀、從理論到實踐，在使學生打下維修性理論基礎的同時，培養他們利用系統工程改造客觀世界的思維邏輯。

同時，為了進一步提高虛擬維修仿真實驗課的教學效果，應當考慮從下述幾個方面進一步改進：

（1）不斷優化實驗指導教程，豐富教學資源。對于虛擬仿真類實驗課來說，除了實驗指導教師的講解之外，實驗指導教程是學生開展仿真實驗課程學習的重要材料。指導教程就是一部教材，要讓學生充分理解掌握實驗所需的知識與操作技能，就要力求教程的編寫盡量簡潔明了，覆蓋學生所需的知識要點。在多年來的授課過程中，每年都會有學生提出針對實驗指導教程的修改建議，這些建議對完善指導教程、提高學生的接受程度有非常重要的作用。此外，增加除實驗指導教程以外的教學資源，如視頻、多媒體課件等可以有效提升學生的學習效率，提高學生主動學習的興趣和能力。

（2）不斷完善仿真平臺。虛擬仿真技術作為計算機技術的重要分支，近來年飛速發展，新老技術的交替日益加快。對于虛擬維修實驗的教學來說，教師應該及時關注最新技術動向，適時對教學所使用的仿真平臺進行升級，提高學生實驗的效率，以保證學生在有限的時間內，學習到盡可能多的知識。例如，在學生進行虛擬維修動畫制作時，經常會出現虛擬人體在運動中穿透其他與之接觸物體的現象，這會降低仿真動畫的效果與準確性。學生為了消除這種穿透情況，在仿真軟件中的調整過程往往需要花費大量時間，而這種時間花費實則是沒有意義的，影響了虛擬仿真實驗課的效率。

（3）革新實驗手段，提高學生的認知程度。最新研究表明，對于教學、培訓來說，如果受訓人員主觀上越覺得培訓演示系統是可信賴的，那么培訓演示系統所產生的教育培訓效果就越被人所接受認可[12]。目前，虛擬維修仿真課采取學生操作計算機的方式進行實驗，這種方式雖然大大提高了形象、直觀的程度，但是仍然不能夠讓學生有身臨其境地參與到維修過程中的沉浸式體驗感。隨著虛擬現實技術的發展，未來的虛擬仿真實驗課程可以使用虛擬現實技術，為學生提供穿戴式設備，讓學生親自與沉浸式虛擬維修環境進行交互，來完成維修過程。虛擬現實技術所帶來的感官上的高度沉浸體驗感，可以大大加深學生對維修性工程的相關知識、維修活動的認知程度。

（4）培養學生自主探索能力，設置自主探索性實驗內容。以往虛擬仿真類實驗課的開設，學生只要按照實驗指導教程的步驟操作，就能夠得到預想的實驗結果。這種教學模式雖然能夠強化學生對相關知識的理解，但是不利于對學生主動思考問題、解決問題能力的培養。這種實驗課方式只會讓學生變成熟練的“操作工”，而不是面對問題能提出解決方案的“工程師”。這違背了實驗課培養學生動手能力以及解決實際問題能力的初衷。因此，在虛擬仿真實驗課的開設過程中，應當不斷探索開放式實驗的教學方法，在學生熟練掌握虛擬仿真技能后，設置開放式實驗任務，讓學生自主探索，從而培養學生的工程師素養。

4 結束語

航空航天專業作為最先進、最高端的工程技術類專業之一，關乎國家安全和工業現代化水平。在“中國制造2025”的大背景下，國家對航空航天類人才的培養提出了更高的要求。虛擬仿真實驗課是航空航天專業的重要教學形式之一，要重視其在新形勢新背景下的教學探索與改革。本文在這一背景下，分析了“維修性虛擬仿真與評價”實驗課開設的必要性，闡述了課程建設的思路，對課程建設進行總結，并提出了課程今后的發展方向，為其他航空航天類高校開設相關實驗課程提供借鑒。