基于虛擬仿真的飛機系統課程教學改革

劉超

隨著信息技術的發展，虛擬仿真技術應用于飛機維修類專業實踐教學已是大勢所趨，可以有效提升學生對課程教學的認可度，增強學生在課程學習中的參與感和獲得感。

飛機是多個復雜機電液系統，如起落架系統、飛控系統、航電系統、液壓系統、電源系統、飛機結構和發動機等的集成。經調研發現，國內高職院校的飛機系統教材與教學模式以理論知識講解為主，與工作崗位的技能要求聯系不夠緊密，教學內容和考核方式設計不夠科學。這主要是因為飛機維修類實踐設備成本高、占地大、設備損壞風險高、航材消耗大和安全隱患多，很多高職院校難以滿足。同時，飛機系統是復雜技術，很多部件在現實中看不見摸不著，理解起來晦澀難懂，各類優質的教學資源又跟不上，導致教學效果差，學生學習成就感低。虛擬仿真技術尤其適用于航空類復雜裝備和價格高昂的實踐教學，從而營造逼真的訓練環境，模擬高危操作與故障排除。

2018年4月教育部頒布的《教育信息化2.0行動計劃》強調，“加強職業院校、高等學校虛擬仿真實訓教學環境建設，服務信息化教學需要”。虛擬仿真實驗教學已經成為高校加強實踐教學、提高教學質量的重要手段，如水利、電力、化工、生物、材料等許多專業教學都普遍采用虛擬仿真技術。

本文以國家級飛機維修虛擬仿真中心的建設為例，通過優化教學環節和程序，提高實訓教學效率，旨在為高職飛機維修類專業開發虛擬仿真實踐教學體系提供參考經驗和借鑒。

一、虛擬仿真教學的建設情況

我校飛機虛擬仿真系統分為2D和3D仿真系統。2D系統主要由計算機系統硬件和系統仿真軟件（訓練系統主程序、虛擬三維飛機程序和Air@v手冊程序）組成。3D系統主要由飛機仿真軟件、飛機維護維修培訓軟件、計算機系統、數據顯示系統、飛機設備仿真件、教員控制臺、設備支架等部分組成。數據顯示系統界面分布在左右兩個顯示器上。左側數據顯示器可顯示飛行機組訓練的系統動態原理圖、CBT和維護訓練的外部面板、跳開關面板；右側數據顯示器可顯示系統動態原理圖、飛機維護手冊和維護訓練的三維飛機。飛機設備仿真件主要包括MCDU、油門臺、轉換面板、音頻控制面板、ECAM控制面板、照明控制面板、發動機啟動面板、ATC控制面板、WXR控制面板、無線電管理面板、遮光罩和側桿。3D系統可以真實體驗飛機操作。

經過近十年的建設，通過自主研發和校企合作的形式，我校累計投入7000多萬元，建設了空客320飛機2D和3D飛機維修虛擬實訓平臺、波音737飛機2D飛機維修虛擬實訓平臺、貝爾206飛機虛擬實訓平臺、塞斯納172飛機虛擬實訓平臺以及CFM56發動機虛擬實訓研發平臺。共有飛機維修虛擬仿真教室15間，教室面積達1000m2以上，可以同時滿足320人的上課需要，將每個學生的實訓成本降低 30％。我校飛機維修虛擬仿真中心在2018年被認定為廣東省虛擬仿真實訓室，在2019年教育部關于公布《高等職業教育創新發展行動計劃（2015-2018年）》項目認定中被認定為國家級虛擬仿真實訓中心。

二、飛機維修虛擬仿真實踐教學的實施

（一）仿真實踐項目建設內容

仿真實踐項目是依據國際航空器制造使用規范ATA100章節劃分飛機和發動機的機電液系統模塊，以典型工作任務為指導，以理實一體化理念，對每一個模塊建設“基礎理論原理、虛擬操作、虛擬測試和虛擬典型故障排除”四個遞增層次的教學內容。通過教學做一體化，由淺入深逐步加深學生對專業知識的理解。虛擬操作和測試可幫助學生更好地理解系統原理，熟悉機載自測試系統對飛機系統的測試。虛擬排故在系統操作和系統測試的基礎上，讓學生按照飛機維修手冊的標準，通過操作、測量、拆裝等規范化訓練，提高學生對機務維修工作的適應程度和解決機務維修實際問題的能力。

（二）虛擬仿真實踐教學實施

在高職飛機維修類專業的飛機系統課程中很多系統會涉及系統操作和故障排除教學內容，如液壓油的加放油操作、燃油的加放油操作以及起落架的收放測試工作等，以此來提高學生的專業技能和利用所學知識解決實際問題的能力。下面以“飛機起落架收放系統的維護與排故”教學單元為例來說明。

1.單元教學目標

該單元教學希望達到以下的學習目標：（1）知識目標：熟悉飛機起落架放下和收上的工作過程；熟悉飛機主起落架收放測試內容和方法；（2）能力目標：具備對飛機主起落架收放測試維護的能力；具備對飛機起落架收放系統“位置指示燈異常”故障診斷及排除的能力；（3）素質目標：培養科學嚴謹的飛機維修機務作風；培養精益求精的工匠精神。

2.教學策略

本次課程設計以實際的工作過程為導向，將課堂教學劃分為“探究新知、維護模擬、排故演練”三個任務來實施。以學生為主體，采用任務驅動、情境模擬、合作探究、示范教學的教學方法，全過程考核。

課程設計依托國家級教學資源庫、職教云和云課堂構建的教學平臺，采用信息化手段呈現教學內容，磨練操作技能，破解教學重難點。VR 技術、仿真動畫，直觀呈現知識原理，鞏固加強知識學習；飛機虛擬維修模擬機，模擬真實工作場景，實踐標準施工，安全高效；思維導圖、企業專家現身說法，熟悉故障診斷流程，培養正確排故思維。

以馬克思主義中國化最新理論成果和民航強國理論為指導，將機務作風、機務人的工匠精神融入教學，為民航立心、為職業鑄魂。

3.教學過程

學生課前登錄職教云平臺，闖關式學習，查看微課、教學視頻、電子書，完成指定的作業鞏固預習成果。課中以“探究新知、維護模擬、排故演練”三個任務來實施。

（1）探究新知：首先，學生對課前提交的匯報PPT進行投票評優。優勝小組上臺匯報預習成果，鼓勵自主學習，培養分析能力。根據課前測試中出錯率較高的知識點，教師利用VR再現真實工作場景，學生進入虛擬輪艙、駕駛艙，近距離觀察系統部件及控制面板。教師結合實物進行講解，通過3D動畫解析關鍵部件的結構，仿真模擬起落架收上、放下和運動機構工作過程，化靜為動，化難為簡，順利解決“起落架放下和收上過程”這一教學重點。隨后，進行限時測驗，考核學生理論知識的掌握情況。

（2）維護模擬：首先進行安全教育，觀看典型錯誤案例，培養嚴謹科學的機務作風、精益求精的工匠精神。教師示范操作，大屏同步，并將操作視頻上傳至教學平臺，方便學生反復學習。學中做，模擬機營造車間工作環境，小組角色分工，同步完成電子工單和質量工作卡，實時考核，強化按手冊、工卡施工的職業操作，培養團結協作的精神，支撐教學重點。做中學，隨機挑選小組考核，彈幕互動，提升規范操作和安全意識。

（3）排故演練：工作場景引入任務，思維導圖梳理診斷思路。教師個性指導、共性解析，總結診斷思路。維修模擬機復盤故障，排故演練。學生依據故障隔離手冊進行標準施工、測試部件、虛擬換件，同步完成電子工作記錄單。企業專家現身說法，講解起落架故障維修處置流程，教師解析。做學合一，培養正確的排故思維，突破教學難點。

課后學生提交任務完成報告，評選優秀作品。教師布置拓展任務——設計起落架“手柄卡滯故障”的排故方案。教師微信群答疑，邀請企業導師參與學生互動。推送企業排故案例，學生瀏覽教學資源庫，吸收更多的專業知識。

4.考核評價

此單元的考核做到可測可評，針對每一個教學環節設計了考核方案與考核比例。如課前：預習進度*30%+課前測驗*40%+匯報 PPT*30%；任務一：限時測驗*100%；任務二：電子工作單*80%+質量工卡評分*20%；任務三：思維導圖*30%+排故記錄單*70%；課后：總結報告*100%。總成績=課前*20%+課中*70%+課后*10%。根據平臺記錄，綜合教師、學生及平臺系統的主、客觀考核，獲得學習效果及教學目標對比雷達圖。通過數據分析，統計教學目標的達成度。

三、教學效果

經過多輪教學，實踐證明，學生通過自主學習、小組探究完成新知學習，達成知識目標；通過維護模擬、排故演練，達成能力目標；通過團隊協作、規范操作流程，達成素質目標。這種“理實一體化、虛實結合”的教學模式取得了良好的效果，學生出勤率提高、平臺活躍度增加、考核成績提升，在全國技能大賽中獲得一等獎。學生滿意度增加，用人單位滿意度也隨之增加。

四、總結

隨著信息技術的發展，未來高職飛機維修類專業的實踐教學將很大部分以虛擬仿真來完成。飛機維修虛擬仿真中心的建設需通過自主研發和校企合作的方式完成，實踐項目的開發需依據ATA章節與典型工作任務來設計。在虛擬實踐教學過程中，需充分利用飛機維修手冊來進行標準施工，完成全過程考核，培養學生精益求精的工匠精神，提升職業規范度。

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[基金項目：廣東省教育廳教改項目（GDJG2019301）資助；廣東省大學生“攀登計劃”項目（pdjh2021b0712）資助；校級飛機維修虛擬仿真教學團隊項目資助；中國交通教育研究會教育科學研究課題（JTYB20-386）資助；廣東省高職教育機械制造類專業教學指導委員會教學改革項目（JZ201947）。]

責任編輯 陳春陽