虛擬仿真技術在航空專業實訓教學中的應用與思考

劉 杰

(湖北交通職業技術學院，武漢 430079)

0 引言

航空專業發達與否是衡量國家綜合國力和科技水平的重要標志之一，是“中國制造2025”和軍民融合戰略發展的重點產業，近年來呈現出快速發展的勢頭，特別是武漢在航空領域頻頻有大規劃、大布局，例如：漢南國家級通航產業聚集示范區、鄂州順豐國際機場等。湖北省提出要將武漢打造成為國家級通航產業聚集示范區、中國航空運動產業中心、中國中部通航樞紐等。預計到2025年，航空產業人才缺口將達50萬，需求巨大。湖北交通職業技術學院作為湖北交通人才的搖籃，為響應湖北省航空體系建設的發展需求，積極培養制造和維修領域的高素質技術技能型人才，通過新技術、新理念、新方法來提升教學水平和教學效果已迫在眉睫。

為此，作為湖北交通職業技術學院的二級學院，汽車與航空學院秉承“弘德力行，精藝通達”的發展理念，追求務實、擔當、奉獻、卓越，圍繞“飛行器制造技術”專業群，全力打造“榮耀汽航”，努力在虛擬仿真實訓教學上，引領職教創新、成為教育改革典范，為職業教育發展貢獻湖北交院“汽航模式”。

1 航空專業虛擬仿真實訓中心建設背景

筆者所在院校現設有新能源汽車技術專業群、飛行器制造技術專業群兩大專業群。飛行器制造技術專業群是省內航空類專業建設的先行軍，定位于培養智能制造和航空技術領域的高素質技術技能人才。現已開辦飛行器數字化制造技術、飛機機電設備維修和無人機應用技術等專業。

專業群校內實訓基地占地兩萬余平米，專業實訓設備總值超過3600萬元，擁有央財支持的國家級職業教育實訓基地2個，1+X證書考核站點5個，國家“十三五”產教融合發展工程建設項目1個，國家級無人機協同創新中心1個，并與三江集團、航空工業、武漢凌云、大疆等知名企業建有二十余家校外實習實訓基地、產教融合基地。

在傳統的實訓教學過程中，常規的實訓教學有其優勢，但是航空領域的實訓教學卻存在一些無法避免的問題。如航空類設備價值高、危險性大、實訓耗材開支較大，同時在飛行方面，空域的申請也是一大難題。這些導致航空類實訓教學很難真正展開，嚴重影響了課堂的教學質量。因此，改革創新實訓教學的技術與手段勢在必行。

2 航空專業虛擬仿真實訓中心建設方案

航空專業融入虛擬仿真技術不僅能優化專業群的實訓教學體系，而且能促進其在航空專業實訓教學中的應用，這對虛擬仿真技術與教育思維模式深度融合具有重要意義，也能為我國航空職業教育跨越式發展培養出大批高素質技術技能人才。在與其他實訓模式的類比中，我們發現虛擬仿真的功能十分強大，但其在實訓教學中的應用并不多見[1]。因此，在建設前的設計上，著重解決以下三個問題。

一是差異化實訓教學設計。在虛擬仿真的幫助下，我們完全可以借助該技術實現每個學生的差異化實訓。根據學生的基本信息、理論成績、興趣愛好、動手能力、學習能力等信息，系統完全能根據學生的實際情況生成一個有針對性的實訓項目，讓不同的學生有不同的學習時長、學習深度、考核標準，讓每個實訓的學生獲取最大化收獲。

二是實訓過程分析。受實訓教學資源的限制，學生實訓的過程很少被關注，多數考核也只針對結果評分。在虛擬仿真軟件的幫助下，我們通過靈敏度分析、過程考核、中位數對比等方法，充分掌握學生在實訓過程中的技能提升情況，從而分析出學生在實訓具體環節的學習情況。通過學生與學生對比，自己與自己對比，給出具體的分析與評價，為實訓后的意見反饋提供數據支撐。

三是實訓意見反饋。充分利用實訓過程分析得出的數據，對實訓項目進行全方位綜合分析。同時，與有相同實訓條件的學校進行數據共享，通過大數據對比，以獲得更全面的分析報告和優化建議。根據反饋的情況，我們及時調整培養目標，更新實訓方案，增設實訓模塊。其具體的反饋可以通過多種模式呈現，比如文字描述、語音描述、表格描述、圖形描述等。

為對接航空專業真實工作崗位、提高實訓教學效果、節約實訓成本，也為解決以上三大問題，我們立志打造屬于自己的虛擬仿真實訓中心，并提出了我們的建設理念：搭建一個有益于學校、有益于專業、有益于學生、有益于企業的虛擬仿真實訓平臺。通過對其他學校的虛擬仿真建設方案進行學習與借鑒，我們決定立足于學院現有實訓教學條件，將專業群實訓平臺建設與課程體系中的實訓教學進行深度融合。通過多方洽談，我們和中國民航大學達成了合作意向，并著手準備項目的建設[2]。其總體技術路線見圖1。

圖1 技術路線

其中三個實訓室的建設主要包括：人才培養方案的重新制定，實訓課程的重新制定，虛擬仿真實訓室的建設。具體任務見圖2。

圖2 具體建設任務

虛擬仿真程序的主要功能模塊有情景模擬和實操訓練。

情景模擬模塊。該模塊主要是讓學生沉浸在虛擬的環境中，能夠真實地看到各種工具、設備和機器等，并能通過語音和文字提示迅速進入角色，通過軟件的引導，知道本課程是什么、需要干什么和怎么干。課程引導部分：主要是根據課程的教學安排，介紹在本課程中的具體安排。全局介紹部分：主要是提供整體的課程界面，學生可以通過該界面，迅速了解整個課程的布局情況。細節展示部分：主要是通過一個個實物模塊，展現出其對應的細節和名稱。實操演示部分：主要是通過動畫模擬，告訴學生如何進行實操訓練。注意事項部分：主要是通過提示，告知學生在學習過程中碰到問題如何解決[3]。

實操訓練模塊。該模塊主要是讓學生置身于虛擬場景中，通過鼠標鍵盤或者操作手柄、方向盤等實物進行真實的模擬訓練，并在虛擬世界完成相應的任務安排。模擬訓練部分：學生可以通過選擇課程對應的訓練項目，進行具體的實訓操作。在訓練過程中還能選擇簡單、一般、困難等模式，分階段提高自己的技術水平。難點復習部分：系統會根據學生模擬訓練部分的情況，自動把得分較低的關卡標紅，并提示其通過強化學習以達到掌握知識點的目的。技能擴展部分：教師可以根據學生的掌握情況，把更復雜的實訓項目添加進去，讓學生能進一步提升自己的知識與技能。實訓考核部分：主要是通過系統對學生訓練的情況進行考核，并得出考核結論，減輕了老師的工作負擔，增加了考核的準確性。其設計思路見圖3。

圖3 設計思路

我們希望通過虛擬仿真技術，讓學生愛上課程、愛上專業、愛上行業。該設計最核心的功能是兩個模塊相互配合，共同完成學生的實訓教學。學生可以根據自己的實際情況填寫相關數據，由平臺進行數據分析并自動生成實操訓練的設定和要求，幫助學生進行針對性虛擬仿真實訓。由于系統能根據學生情況量身定做訓練課程，真正滿足了學生的需求，以達到學生愛上課程的目的，進而能愛上整個專業和行業。

3 航空專業虛擬仿真實訓中心建設效果

整個建設分為三個部分，每一部分都是獨立的實訓室。通過虛擬仿真技術，讓學生擁有更真實的實訓效果，確保在實訓中學到更多知識，學到更多技能。

3.1 飛行仿真操控實訓室

飛行仿真操控實訓室主要以B737-800為模板，通過虛擬仿真技術，將飛機的各種數據和參數集成到設備中，利用人機交互方式實現真實場景的模擬實訓，通過虛擬的實訓讓學生掌握飛行仿真相關知識與技能，激發學生學習興趣，提升學生學習技能。實訓臺架見圖4，該實訓室主要包含飛機維護仿真系統、3D駕駛艙仿真系統、模擬飛行系統、飛行管理仿真系統等模塊。

圖4 飛行仿真實訓臺架

3.1.1 飛機維護仿真系統

飛行維護仿真系統包含3D虛擬飛機、3D虛擬座艙和教學輔助三個部分，分別顯示在三個顯示屏，顯示位置及顯示內容可以自由切換和拖動。3D虛擬飛機部分要求可以進入各個3D艙室內部，實現部件認知、測試、拆裝等功能；3D虛擬座艙部分要求與相應機型的駕駛艙完全一致，可以在3D的環境下完成面板的基本操作、駕駛艙通電、發動機試車等功能；教學輔助部分，能夠實現飛機系統的故障設置、動態原理圖演示、訓練科目選擇等功能。湖北交通職業技術學院模擬飛機見圖5。

圖5 湖北交通職業技術學院模擬飛機

3.1.2 3D駕駛艙仿真系統

3D虛擬座艙部分能夠提供完整的可操作的飛機虛擬駕駛艙,虛擬駕駛艙布局與真飛機一致。在三維環境下駕駛艙內所有的開關、旋鈕、手柄等部件均可操作，操作方式和真實飛機一致，并能夠提供逼真的3D動畫效果。虛擬駕駛艙視角可平移、旋轉、縮放，還提供了完整的音效包，包括發動機啟動、運行、反推、關車等全過程的音效仿真，飛機起落架、擾流板等的音效仿真。

3.1.3 模擬飛行系統

模擬飛行系統可以完整模擬B737-800客機起飛、爬升、巡航、下降、進近、著陸等飛行階段；在飛行過程中可以完整模擬飛機主要的系統功能，操作邏輯和現象與真實飛機一致；駕駛艙內所有的開關、旋鈕、手柄等部件均可操作，操作邏輯和駕駛艙效應與真實飛機一致，并能夠提供逼真的3D動畫效果。還有自動飛行控制系統仿真,可模擬飛行指引儀(FD)、自動駕駛儀(AP)、自動油門(AT)系統,能通過方式控制面板(MCP)等控制面板模擬所有自動飛行模式，各種飛行模式均在飛行方式通告牌(FMA)上有顯示。

3.1.4 飛行管理仿真系統

飛行管理仿真系統可以完整模擬B737-800客機的性能參數，能夠準確模擬各個飛行階段的系統特性，導航數據可28天更新一次，需提供全球最新的機場和航線數據。通過CDU操作，飛管系統可以按照飛機當前性能及預設參數，編輯產生任意復雜的飛行程序，并能夠與飛控系統交聯，完成飛機的垂直導航和水平導航銜接，實現自動航線飛行。能夠在3D駕駛艙內，通過CDU完成機內自檢測試的功能，包括飛行管理計算機系統(FMCS)、數字式飛行控制系統(DFCS)、自動油門(A/T)、大氣數據慣性基準系統(ADIRS)、通用顯示系統(CDS)、油量指示系統(FQIS) 的測試頁面和邏輯關聯。各頁面均可操作，頁面顯示和控制邏輯均符合飛機維護手冊(AMM)中工作任務的要求。

除此之外還有駕駛艙測試功能、虛擬電子設備艙功能、排故訓練功能等。

3.2 無人機操控實訓室

無人機操控實訓室(見圖6)主要是在現有機房的基礎上，利用鳳凰Phoenix RC模擬軟件實現，針對無人機專業的學生可開設無人機模擬操控實訓課程。

圖6 無人機操控實訓室

無人機操控實訓室的主要軟件為鳳凰Phoenix RC。鳳凰模擬器是市面上較流行的一款專業飛行模擬器軟件，它是航模新手練手必用軟件，可以模擬多種固定翼、多旋翼飛機，市面上常見的大疆無人機、穿越機也都能找到。學生通過鳳凰模擬操控軟件,來模擬訓練無人機的飛行，克服了真機實訓帶來的炸機、傷人等不利因素，為后期真機實訓打下了堅實基礎，也為AOPA考證提供了大量實戰經驗，極大提高了考證的一次通過率。

學生通過無人機操控實訓主要用來訓練360°自旋和八字飛行。其中360°自旋主要就是讓飛機原地不動緩慢旋轉一圈，非常考驗學生的定力和手感。利用虛擬仿真，還能模擬現實世界的微風、大風等環境，提高自己的應變能力。八字飛行是指在地上畫一個大的“8”字，通過虛擬仿真可以真實模擬出現實場景，也能調整對應環境，確保學生的技術獲得真正提高[4-5]。

3.3 飛機起落架拆裝實訓室

飛機起落架拆裝實訓室(見圖7)主要借助計算機和虛擬仿真軟件來實現虛擬教學。起落架拆裝虛擬仿真功能主要包括：大型民航客機的飛機起落架主支柱、減震支柱、收放作動筒、鎖定組件、輪胎、剎車等主要部件的拆裝引導訓練和自主拆裝訓練；還包括飛機起落架工作原理演示和交互操作，提供起落架收放、落震、剎車的關聯動態效果，通過模型和動畫展示起落架的工作流程。另外，為了增加學生學習的直觀效果，該實訓還提供了飛機起落架部件三維爆炸圖，學生可在起落架外部實現對各個視角進行平移、旋轉、縮放等操作。還能通過虛擬人物接近發動機的某特定區域，并且通過鼠標操作來實現與起落架的互動；為了后續提高虛擬仿真的真實性，預留了虛擬現實VR升級接口和主動立體式3D升級接口，以及多人協同操作升級接口。軟件如圖8、圖9所示。

圖7 飛機起落架拆裝實訓室

圖8 引導訓練

圖9 爆炸圖

4 教學實踐

筆者所在院校在飛行器制造技術專業群中實行虛擬仿真實訓為湖北省內首創。虛擬仿真實訓可以極大減少飛行器制造技術專業群的建設成本，減少實訓過程的安全隱患，為學生學習專業知識創造有利條件。從教學任務目標、教學團隊組成、教學過程、教學效果四個方面來進行介紹。

4.1 教學任務目標

針對高職人才培養過程中虛擬仿真實訓教學無法滿足評價要求、無法量化考核標準等緊迫問題，我們攜手中國民航大學率先在湖北省開設航空專業虛擬仿真實訓課程，共建虛擬仿真實訓室，精準開展供需對接，瞄準核心技能培養，系統構建了航空專業“會飛、會修、會裝調、會設計、會創新和精通一項行業應用”的“五會一精通”人才培養模式。

根據航空專業建設發展規律，圍繞航空領域開發、建模、組裝調試、課程建設、駕駛員培訓、市場營銷、遙感數據分析等崗位，以航空企業實際生產項目為載體，以任務為驅動，將理論與實踐有機結合，遵循“教學做”合一的教學理念，突出學生主體能力本位，工學結合，實現教學和學習模式的方向性轉變，以多樣化地解決問題和完成任務的策略展示學習成果，培養學生職業綜合能力，使學生在完成任務的過程中掌握知識和技能。

4.2 教學團隊組成

本校具備培訓能力的教師隊伍成員有21人，其中專任教師13人，占比62%；行業企業專家型兼職教師8人，占比38%；“雙師型”教師17人，占比81%。針對航空類專業教學需求，我校還聘請了來自企業的能工巧匠型高技術人才擔任兼職教師，承擔培訓任務。我校師資隊伍的知識與技能結構覆蓋航空相關的系統安裝、調試、飛行前檢查、操控，以及維護等，能夠勝任航空專業的各項教學工作[6]。

為了落實立德樹人根本任務，加強師德師風建設，將“雙師型”教師個體成長與本校“雙師型”教學團隊建設相結合，湖北交通職業技術學院組織教師定期到企業實踐，鼓勵教師參與企業培訓、技術研發等活動，提升實踐教學能力。從而提高教師教育教學能力和專業實踐能力，優化專兼職教師隊伍結構，大力提升職業院校“雙師型”教師隊伍建設水平。

4.3 教學過程

本實施過程以模擬飛行為例，通過以下幾個方面，讓學生在學習中成長，在成長中學習，最終實現人才培養目標。

教學分析。本課程為飛機機電設備維修專業實訓課程，模擬飛行屬于該專業的擴展任務。授課對象為大二的學生，班級規模為50人。學生主要為普通高中學生，其基本功較好，在經過部分專業課的學習后，對模擬飛行有一定認識，但還未真正操控過飛機。學習特點方面，其學習興趣一般，在操控方面有基本功，但存在不足。我們根據人才培養方案、課程標準和教學標準，提出了三大目標：一是學習能力目標，二是職業能力目標，三是職業素養目標。本實訓的難點在于飛行的操控步驟和飛行的平穩性。

教學策略。在教學組織上，分為課前準備、課中授課、課堂作業，以及課后拓展四個部分。堅持以學生為中心，以學生為主導，以信息化教學為手段，提高教學質量。在教學方法上，采用信息化驅動和自主研學模式。采用的教學媒介包含資源庫視頻、職教云平臺、問卷調查、qq群、微信群和騰訊會議等。

教學實施。在課前準備階段，采用職教云進行點名簽到。根據上節課的提問，采用隨機點名小程序來確定答題人選。在課中，采用小組模式教學。學生通過掃描二維碼進行隨機分組，并以小組為單位進行模擬飛行比賽。根據每個成員的飛行積分，最終確定小組排名。在強化訓練環節，由優秀學生帶動其他學生學習飛行技能。如此，能極大地提高學生的學習興趣和學習效果。

4.4 教學效果

當前，采用虛擬仿真技術的人才培養模式是對職業教育制度的一種創新嘗試，還處在探索階段，經過近兩年的摸索，教學效果在以下幾個方面得到了體現。

4.4.1 部分理論課與實訓相結合

在航空知識法規等課程中，融入相關理論知識，確保學生提高學習效率，提升學習興趣，減少學習難度。未來可以結合理論考試與相關書籍，自編教材，確保部分課程的設置更合理。上學期對四個班的學生進行了滿意度調查，學生都表示滿意，85%以上的學生表示非常滿意,不滿意的學生為0，詳見圖10。

圖10 滿意度調查

4.4.2 通過軟件篩選訓練項目

在實操練習中，融入各項實訓要求，確保學生在平時練習中就完成相關飛行任務。可以進一步減少相關練習時間，提高學生的學習效率，提高學生的考試通過率。針對每個模塊項目進行人工智能分析，根據情況對項目進行整改。據調查，學生普遍對項目2(躲避障礙的穿越飛行模式)喜愛，詳見圖11。

圖11 項目受歡迎程度

4.4.3 虛擬仿真技術對成績的提升

通過“虛擬仿真”融入實訓教學的教學模式改革，讓學生能隨時學習、隨時訓練、隨時考試，在平時學習中就能知道自己的薄弱環節，從而在訓練時做到針對性突破，考試時就能從容應對。對上一屆1班的學習情況和使用虛擬仿真技術的本屆1班學生部分科目進行了對比，發現分數都有一定程度上升，特別是感興趣的飛行課程，提升尤為明顯，詳見圖12。

圖12 與上屆學生的分數對比

5 結語

航空專業虛擬仿真實訓中心相應設備從投入使用至今，飛行器數字化制造技術、飛機機電設備維修、無人機應用技術等專業學生累計使用人次2000+，完成3門理實一體化課程和3門實訓課程的實訓任務，承擔AOPA執照培訓300+人次。

該項目成功激發了學生潛力，優化了教學資源配置，轉變了教學思路，在虛擬仿真領域真正做到了虛實結合，寓教于樂，受到了學生的一致好評。未來，可以對虛擬仿真實訓進一步改革與創新，采用虛實結合的模式，引入AR、人工智能等技術，將實訓課程變得更加有趣，更有意義，努力構建“我要學、主動學、能學好”的實訓教學體系，全面提升學生在航空專業的動手能力和應變能力，為國家航空專業培養更多的有用之才。