航空機載設備虛擬實驗平臺設計和教學方法研究

秦碩

（1.空軍航空維修技術學院，湖南長沙，410200；2.湖南省飛機維修工程技術研究中心，湖南長沙，410200）

0 引言

傳統的線下實訓教學在高職院校教學中一直占據主導地位，是高職技能培訓的主要形式，該教學形式注重培養學生的實操能力,學校為此設有專門的實驗實訓室。隨著計算機網絡技術的發展，各種線上虛擬實驗開始運用于教學過程[1-2]，目前主要集中在物理和化學等課程[3-7]等方面。針對航空維修方面高職院校線上技能教學報到較少，現階段航空機載設備的實驗教學面臨以下普遍難題：一是航空機載設備實際裝備成本非常高、數量少，學員參與度不高；二是航空機載設備實習需要通電，設備易損耗，維護成本高。航空機載設備的技能培訓條件和機載電子設備維修高素質技術技能型人才的培養數量和質量需求矛盾越來越強烈，另外，疫情下航空高職學院的外場實習課由于實驗實習場地、實驗裝備等條件限制，基本處于停滯階段。

基于虛擬仿真技術進行線上實驗教學方法研究是航空高職學院降低實驗實訓成本、應對疫情提高學生實操能力的有效手段。長沙航空職業技術學院研發了一種航空機載設備虛擬仿真實驗系統，該虛擬仿真實驗系統采用虛擬儀器、計算機軟件編程等技術，通過搭建機載設備虛擬實驗平臺，精心選擇虛擬實驗的機載設備科目，設計實驗內容和模擬設備故障，創新虛擬實驗實習方法等，實現了航空機載設備的線上技能培訓教學，突破了線下實驗教學在場地、設備等方面的限制，對高職技能培訓模式的教學改革，形成航空機載設備實習的新模式和新渠道，提高學員航空維修動手能力具有重要意義。

1 航空機載設備線上技能培訓教學體系構建

1.1 構建機載設備虛擬實驗平臺

在充分考慮機載設備的虛擬實驗教學實施方法的基礎上，虛擬實驗系統要設計教學管理軟件、學員應用軟件和虛擬實驗科目軟件，三部分密切配合，共同完成虛擬實驗，各部分功能如下：

教學管理軟件需要具備的功能是教員信息管理、學員信息管理、教員課程設置、課程信息查詢和編輯、實驗記錄查詢、實驗類容發布等。教員登陸管理軟件，設置實驗課程、向學員計算機分發實驗科目、通過視頻監控監督實驗過程、批改電子實驗報告，完成實驗的組織實施。

學員應用軟件需要具備的功能是接收管理軟件的指令、提交數字實驗報告、向教員端軟件發送咨詢語音或文字。學員登陸后，該應用軟件向管理軟件發送學員姓名、期班、學員準備好等信息，等待管理軟件發布實驗科目，當接收到管理軟件指令后，自動調出需要完成的實驗科目。

虛擬實驗科目軟件需要具備的功能是提供虛擬實驗人機界面，包括闡述實驗目的、實驗原理、實驗步驟，最核心的部分是提供虛擬試驗操縱臺。該軟件由學員應用軟件通過教師指令調出，學員通過該軟件了解實驗的相關信息，并完成相關虛擬實驗，是虛擬實驗教學軟件的核心部分，該部分包含“全靜壓系統維修虛擬實驗”、“直流電源系統維修虛擬實驗”、“無線電羅盤維修虛擬實驗”、“通訊系統維修虛擬實驗”和“航姿系統維修虛擬實驗”等模塊。

機載設備虛擬實驗軟件結構如圖1所示。

圖1 機載設備虛擬實驗軟件結構

從圖1可以看出，該軟件以機載設備實驗數據庫為核心，教學管理軟件通過該數據庫讀取實驗結果，發布實驗科目；學員端軟件通過該數據庫讀取實驗目的、方法和手段，并選擇實驗科目；虛擬實驗科目軟件通過該數據庫讀取各實驗設備的仿真數據、外觀圖像和評判標準等。

1.2 航空機載設備線上虛擬實驗教學流程

（1）課前預習

課前預習是基于教師在Bb平臺上分享的課程資料來完成的，每個實驗均建立一個獨立的學習模塊，包含多項學習資料，包括實驗內容、虛擬仿真實驗搭建理論基礎（包括模盒儀表原理等）和實驗報告模板。模塊學習方式設置為強制順序學習，即學生需要按順序完成每項材料的學習和觀看才能進入下一項資料的學習環節，最后下載實驗報告模板，依據Bb平臺上的預習內容和自主資料查詢完成實驗報告中的預習部分。

（2）線上實驗理論教學

實驗開始前，先進行線上實驗理論教學。線上理論教學可以利用騰訊課堂或騰訊會議等成熟的平臺進行教學互動。首先對前次實驗教學中出現的問題包括實驗報告、習題、測驗以及學生在Bb、QQ、微信等交流平臺提出的問題做出解答。在進入到本次實驗教學環節時，教師講解課程內容、演示虛擬實驗操作，并與學生提問互動。教師在共享PPT講解的同時，通過對話框文字提問、語音點名提問等方式保持與學生的問答互動，增強學生在線上課堂的參與度，保證教學效果。隨后教師進行虛擬仿真實驗操作演示并繼續保持互動，隨時了解學生對實驗操作的掌握程度。

（3） 航空機載設備線上實驗操作

線上理論教學階段完成后，學生進入虛擬仿真實驗平臺開始獨立的實驗操作。在操作前，平臺提供了航空維修實訓安全小測試，用于鞏固、提高學生航空維修安全意識，包括進出飛機座艙、飛機通電、發動機試車注意事項等內容，學生通過測試后，便可進入到實驗操作環節。

航空機載設備虛擬實訓軟件界面左邊為實驗器材庫，包含氣壓高度表、升降速度表、空速表和氣壓給定器（模擬外場實際使用的全靜壓給定器）、發電機等實驗元件；右邊框為實驗平臺，根據實驗要求將左邊框內的器件拖動到右邊，進行管路連接、電線連接等工作，并完成打壓、通電實驗。以氣壓高度表虛擬實驗為例，軟件界面如下圖所示。

圖2中，左邊為實驗元件欄，包括升降速度表、高度表和模擬氣壓裝訂器等。右邊為虛擬實驗操作平臺。

圖2 高度表實驗前界面示意圖

氣壓高度表檢查虛擬實驗過程如下：首先在左側器件框中正確選擇高度表、氣壓給定器，并拖拽至右側框中（如圖3所示），然后正確連接全、靜壓管路，管路變紅表示`管路連接正確，如果管路連接錯誤或密封性不好（管路連接不到位），連接線路將會變綠。然后根據要求給定氣壓值，同時記錄高度表的顯示值。根據下列公式(1)獲得給定壓力下的氣壓高度。

圖3 高度表氣壓實驗過程示意圖

其中，H0為觀測站的海拔高度，Hs為標準等壓面的海拔高度，P0為地面氣壓，Ps為氣柱平均高度，R，g均為常數，將高度表的顯示值和氣壓值換算公式進行對比，記錄顯示誤差。

（4） 完成實驗報告

實驗操作結束后，學生和教師一起對虛擬仿真操作環節進行討論和總結，并發表自己的感受和建議。在課程結束后，登錄Bb平臺提交實驗報告、完成小測驗同時進行延伸討論。教師進入Bb平臺在線批閱實驗報告、查看測驗完成情況以及回答學生問題。

2 結語

線上實驗教學是以網絡平臺為介質進行師生實驗教學互動，完成實驗教學內容的一種教學形式。目前航空機載設備線上實驗實習教學不夠完善，本文針對航空機載設備實驗的線上教學，開發了航空機載設備實習軟件，提出了教學方法和流程，模擬了航空機載設備維護過程，大大提升了學員的實習參與度，有助于學員動手能力和理論水平的提高，減少了設備的損耗，降低了實驗室建設成本和維修成本，具有較大的推廣意義。