虛實深度融合的工程實踐教學體系探索

程毅　蔣建軍　呂冰　梁曉雅

摘? 要：現代航空產業快速發展對人才的創新實踐能力提出較高要求，然而傳統工程實踐教育與上述人才培養新需求脫節。對此，通過虛擬仿真教學手段豐富工程實踐教學資源，并構建與之相適應的課程體系、教學環境、教學模式和質量保障手段，建成虛實深度融合的工程實踐教學體系，有效提升人才培養質量，為我國工程實踐教學改革提供新思路和新方法。

關鍵詞：工程實踐；虛擬仿真；教學體系；航空制造；虛實深度融合

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）04-0117-06

Abstract： Rapid development of modern aeronautical industry calls for talents with innovative practical ability. However traditional engineering practice training does not meet the demand for cultivation of the talents. To this end， virtual simulation is introduced. Furthermore curriculum system， environment for cultivation， education methods and quality assessment are improved. A novel engineering practice system deeply integrating virtual simulation and real practice is established. Quality of talent cultivation is improved. This system set an example for reformation of engineering practice education.

Keywords： engineering practice education; virtual simulation; teaching system; aeronautical manufacturing; deep integration of virtuality and reality

隨著科技的發展，制造業、特別是高端裝備研制中面臨越來越多的復雜系統性工程問題[1]，上述問題的有效解決對相關領域人才的綜合素質、專業技能、學科交叉能力等提出了更高的要求。對此，教育部自2017年開始積極推進實施新工科建設[2]，著重關注新興領域工程科技人才培養，著力改造升級傳統工科專業，實現從學科導向轉向產業需求導向、從專業分割轉向跨界交叉融合的變革，培養滿足產業需求和服務國家未來發展戰略的新型工業領域科技人才，并引領高等工程教育發生著深刻的變革[3]。

作為我國高等工程教育的重要組成部分，工程實踐訓練是工科學校工程教育的基礎性公共平臺[4]，是大多數本科生走進工程殿堂的第一課。然而，長久以來，多數高校工程實踐育人目標定位低，師資建設和軟硬件設備資源投入少，難以有效支撐現代制造業高端人才培養。在智能制造、虛擬現實、人工智能等新興科技的飛速發展的背景下，傳統的工程實踐教育迎來發展轉型的重大機遇。教育部印發《關于中央部門所屬高校深化教育教學改革的指導意見》明確指出，具有學科專業優勢和現代教育技術優勢的高校，應著力推進信息技術與教育教學深度融合，推進以學生為中心的教與學方法變革。以虛擬仿真為代表的現代教學方法逐漸走進各大高校工程實踐中心[5]，并以其沉浸、交互性及多感性等[6]特征，打破教學資源壁壘，成為部分高校實現傳統工程實踐教育教學改革的主要引擎[7]。

然而，在實際應用過程中出現了“新瓶裝舊酒”的問題，導致工程實踐改革后育人質量提升有限。其主要原因在于：虛擬仿真內容仍局限于傳統工程實踐內容，缺乏內容創新；教學手段仍沿用傳統教師演示、學生復現的教學模式，缺乏模式創新；缺乏與虛擬仿真教學相適應的實踐課程體系，無法支撐學生高階創新實踐能力培養。因此，如何實現虛擬仿真與工程實踐的深度融合、激發學生創新活力，成為各工科高校工程實踐教學改革面臨的新難題。

對此，西北工業大學工程實踐訓練中心探索并形成了虛實深度融合的工程實踐教育體系，建立了航空制造虛實融合實踐平臺，實現工程實踐從傳統“鴨嘴榔頭加工”向“飛機設計制造”的轉變，形成了大量優秀的育人成果，為特色工科學校工程實踐教學改革提供可復制的改革范式。

一? 虛實融合的工程實踐教學必要性

飛機制造屬于高技術密集型產業，是我國高端裝備制造的典型代表，構建該領域高質量人才培養的工程實踐教學體系對支撐國家裝備制造發展具有重要意義，對工程實踐教育教學改革具有示范作用。

不同于一般機械產品，飛機的零件數量多、材料種類繁雜、結構形式各異[8]，其加工質量是飛機制造的基礎保障，同時數以百萬級的零部件裝配精度直接決定飛機氣動性能、服役壽命等關鍵指標，其制造的復雜性對人才培養提出新需求。

第一，航空制造中面臨的復雜系統性工程問題的有效解決越來越依賴人才綜合素養和學科交叉能力提升。飛機結構制造質量是由加工、裝配、測試等多個環節共同保障的，單一環節質量的提升已無法滿足現代飛機總體性能要求，航空制造領軍人才需要在熟識飛行原理及飛機構造的基礎上，綜合把控各個環節的制造質量，才能滿足航空高性能制造要求。

第二，現代航空產品性能跨越式提升催生大量顛覆性技術出現，要求人才實踐和創新能力并重。一代飛機、一代技術，新型飛機的出現通常伴隨著新材料、新結構、新工藝的應用，如先進復合材料、功能結構、增材制造技術和激光加工技術等，航空制造領軍人才需要在熟識各領域先進制造技術的基礎上開展創新實踐，才能支撐新一代飛機的研發。

上述人才培養對創新實踐能力的新需求，對工程教育資源帶來了嚴峻的挑戰。以信息技術為特征的虛擬仿真教學能夠從多維度拓展實踐內容、突破時空對實踐教學的限制、解決大型實驗設備的成本制約[9]，將各類具有一定危險性和高能耗的先進制造方法形象地展示給學生[10]，零成本復現航空制造的總體流程，有助于提升學生航空綜合素養。并且其交互功能、模擬仿真、在線共享和在線質量評價等[11]可以實現實驗教學系統的高度共享[12]，從教學內容、模式、方法及效果評價等方面帶來創新[13]，推進傳統工程實踐教學體系改革[14]。然而，簡單通過虛擬仿真替代工程實踐教學的方法無法充分挖掘信息技術潛能，不能有效解決上述育人過程的新需求，需要在課程內容、實踐模式、考核方法等方面克服以下問題。

（一）? 課程內容碎片化

由于教學資源及條件受限，航空制造技術授課模式多以理論課程為主，主要的展示手段僅為圖片或視頻等，不足以讓學生深入了解制造技術及零部件的各項性能，虛擬仿真技術的引入使得教學資源得到了極大的豐富。然而，各類制造技術依托不同學科、來源于不同專業，在課程設計過程中，簡單地將不同制造技術復制到虛擬仿真系統中，造成技術間割裂，導致各技術點在學生腦海中呈“碎片化”，難以理解不同制造技術間的關聯關系，不便于形成航空制造技術的完整系統化認知。

（二）? 工訓教師存在理論短板

航空制造技術更新換代快，處于機械領域的最前沿，虛擬仿真技術通過生動的3D動畫和圖像展現出包括制造原理、制造工具、操作方法等詳細的制造內容，也可對包含剖切、制造工藝、工作原理等真實實驗不可呈現的抽象、復雜的理論知識進行深入剖析，從而做到理論性和實踐性兼具。上述原理和機理的理論性突出，而以實踐見長的傳統工訓教師在理論方面存在短板，造成虛擬仿真與工程實踐育人融合度不足。

（三）? 實踐手段層次低

傳統工程實踐以操作演示為主，教學模式固定，實踐過程基本上是按圖索驥。在虛擬仿真應用于實踐教學后，實踐模式依然桎梏于傳統方法，僅僅滿足于教師演示、學生重復的初級模式，學生只能被動地觀看模擬仿真視頻，無法充分發揮虛擬仿真強交互式優勢，使學生學習的“質”和“量”受到影響，不能從根本上體現“學生為本”的基本理念，導致學生無法提高學習興趣，學生被動學習的境況無法改善，對學生創新能力提升甚微。

（四）? 質量評價體系單一

傳統工訓以學生加工的零件質量作為教學質量評價的主要依據，單一教師評價的主觀性存在偏差，缺乏規范性以及對知識學習達成度的客觀性；更為重要的是，缺乏更多元、更全面的過程評價方法，不利于學生綜合能力提升，無法及時暴露和反饋教學過程中的問題、形成有效的閉環評價機制；與此同時，在德智體美勞全面發展的育人目標下，基于虛擬仿真的工程實踐育人體系需要建立面向學生綜合素養的考評環節和考評方法。

二? 虛實深度融合的工程實踐教學體系探索

西北工業大學工程實踐訓練中心以航空制造發展對人才需求為導向，以培養領軍人才創新實踐能力為目標，通過工程實踐與虛擬仿真交叉互補的方式，建設虛實深度融合航空制造工程實踐教學體系，以“虛仿教學強素養、工程實踐夯能力、虛實融合促創新”為主旨，從學生綜合素養培養、實踐能力提升、創新能力拔高三個層次開展人才培養，主要建設內容包括課程體系、育人環境、教學模式、質量保障四個方面，如圖1所示。

（一）? “制造全環節、點面雙結合、虛實互促進”的課程體系

結合飛機制造流程，從結構設計、零件加工、部件裝配三個環節規劃多門次模塊化課程，進而形成面向航空制造全環節的課程體系。在選擇教學研究對象時采取點面結合的方式，首先以飛機整機為對象，通過航空基礎知識、飛行原理、飛機構造等增強航空素養，在此基礎上以航空發動機為例，指導學生開展發動機改型設計、零件加工以及裝配實踐，規劃虛仿部分和實踐部分在課程體系中的比例，通過虛擬仿真增強學生航空綜合素養、了解先進制造技術。其次選擇逆向工程、3D打印、激光加工和機器人裝配等先進制造方法進行實踐教學，實現虛擬仿真與工程實踐的相互促進。

（二）? “創新實踐+學院聯合+賽教融合”的育人環境

整合中心創新實踐育人資源，購置虛擬仿真教學設備，形成了包括VR設備、3D打印機、激光切割機和機構創新實驗臺等硬件設施，以及3Dmax、Unity、DELMIA等軟件在內的創新實踐環境；與此同時，為應對工程實踐師資理論短板的問題，利用虛擬仿真的遠程教學手段，聯合西工大航空宇航制造工程A+學科，聘請學院教師開展遠程教學和現場實踐，形成研教聯合的育人環境，將高水平科研活動引入課程；針對教學內容，選擇“互聯網+”虛擬仿真賽道、ROBOMASTER等高水平科技競賽，組成參賽團隊，通過競賽項目檢驗育人效果，構建賽教融合的育人環境。

（三）? “認知-實踐-再認知-再實踐”的教學模式

深入研究學習及認知規律，通過“認知-實踐-再認知-再實踐”的教學模式提升育人效果，首先，通過虛擬仿真教學模塊認知航空基礎知識；其次，使用3Dmax、Unity等軟件進行飛行器創新設計及飛行場景開發實踐，鞏固認知部分；再次，以航空發動機為代表，學習核心零部件加工、裝配方法，先進制造技術基本原理，開展再認知學習；最后，對航空發動機制造過程進行再實踐，開展發動機葉片、殼體3D打印、激光制孔等加工方法實踐，以及發動機手工裝配、機器人裝配仿真實踐，進一步鞏固航空制造技術。

（四）? “目標導向、過程考核、綜合評定”的質量保障

以航空制造技術的創新實踐能力培養為目標設置教學階段任務，包括航空理論知識筆試、虛擬仿真場景開發、結構設計及其制造裝配等，對各階段學生任務的完成度和質量進行考核，形成課程主體成績；增加過程考核在教學評價中所占比例，通過虛擬仿真軟件系統對學生完成過程進行記錄及評價，鼓勵學生通過演講展示、視頻制作、科技報告等方式完成課程考核，并依據過程質量進行評分；最后，除了考察專業技能掌握程度以外，還對學生工程美育、勞動意愿、協作能力、表達能力和寫作能力等進行考核，實現人才培養質量的全方面綜合性保障。

三? 航空制造虛實融合實踐平臺建設

（一）? 平臺架構

基于上述教學體系開展航空制造虛實融合實踐平臺建設，培養人才創新實踐能力。平臺由功能層和設備層組成，其架構如圖2所示。其中平臺功能層由3門線下課程和2門次虛擬仿真課程組成，主要包括基礎素養、虛擬制造、制造實踐和教學輔助四個模塊，各模塊的教學內容和主要組成見表1。設備層以支撐平臺教學為主要作用，主要包含用于飛機結構設計、發動機結構改型、機器人運動仿真的3Dmax、Unity和DELMIA等軟件模塊，用于虛擬仿真教學的3D大屏、VR頭盔及手柄，以及用于制造技術實踐的3D打印機、三維掃描儀、激光切割機和某型無人機發動機等。

（二）? 教學過程設計

航空產品制造虛實融合教學平臺主要面向航空宇航制造工程、機械設計制造等專業大二以上學生，學生依次開展各模塊學習，教學內容如下。

1）教師通過虛擬仿真平臺向學生展示我國航空發展史、飛機飛行原理（知識點包括氣體流動基本原理、飛行升力和阻力產生機制、飛行操縱穩定性等）、飛機結構組成（知識點包括機體結構、起落裝置、副翼和方向舵等），學生在虛擬仿真平臺自學我國新一代飛機結構形式、特征參數，并進行線上筆試。

2）教師發布設計需求，學生以小組為單位在3Dmax中開展飛行器創新設計，結合飛行原理和飛機構造開展飛行場景開發，通過設計報告、PPT的形式進行作品展示。

3）在完成飛機總體結構學習后，聚焦航空發動機，開展制造技術理論學習，教師通過虛擬仿真平臺開展航空發動機結構講解，學生通過三維掃描裝置進行發動機葉片三維輪廓掃描、建模及改型設計。

4）專業學院教師在線上講解先進制造技術（知識點包括復合材料成型、數控加工、噴丸成型和激光加工等）、先進裝配技術（知識點包括發動機脈動生產線、數字孿生技術、機器人裝配方法等），學生進行線上筆試。

5）基于學生對發動機葉片、殼體等零件的改型設計，學生在實踐教師指導下完成改型結構的3D打印、激光制孔，結合實踐操作，通過虛擬仿真進一步演示其加工原理和工藝過程，實踐并鞏固制造技術。

6）實踐教師基于某型無人機活塞式發動機開展拆裝實踐，對發動機零件進行測量及建模，通過DELMIA開展基于機器人的活塞發動機裝配仿真和編程實踐，教室依據實踐評分表對實踐效果進行考核。

7）教師將學生各階段的實踐成績輸入教學質量保障系統，系統結合學生虛擬仿真成績完成學生綜合能力評價，如圖3所示。

（三）? 實踐效果

航空制造虛實融合實踐平臺打破了傳統工程實踐的限制、豐富了教育資源、提升了實踐教學便捷性、增強了教學環節的互動體驗，為學生提供了一個虛實深度融合的實踐環境，學生對航空知識學生熱情、興趣度和學習成效明顯提升（如圖4、圖5所示），與此同時，通過課程選拔并指導200人次本科生及研究生參加大學生工程訓練綜合能力競賽——工程場景數字化項目、飛行器設計項目、全國大學生機器人大賽RoboMaster等賽事，其中60余名學生在競賽中獲得優異成績，包括省級特等獎2項、一等獎5項、二等獎5項和三等獎4項。通過課程實踐，學生工程技能、團隊協作、展示能力、表達能力也得到提升。基于課程研發的軟硬件設備在“第56屆中國高等教育博覽會——全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創新大賽”獲獎。

四? 結束語

基于現代航空制造產業對人才創新實踐能力的需求，以實現工程實踐與虛擬仿真深度融合為目標，本文從課程體系、育人環境、教學模式和質量保證等方面開展研究，形成了航空制造虛實融合的工程實踐教學體系，建設了模塊化的實踐教學平臺，豐富了工程實踐教學資源，拓寬實踐驅動型教學模式，為遠程教學、研教聯合、賽教融合提供有效途徑。平臺有助于實現啟發式教學與沉浸式教學，進而調動學生學習積極性，在提升航空制造領域領軍人才創新實踐能力方面做出貢獻。

在國家大力發展創新型人才培養的背景下，高校需要充分利用現代科學技術，結合自身學科優勢，打造特色鮮明、成效卓著的創新型教學模式。本文所構建的航空制造虛實融合的工程實踐教學體系為高校工程實踐教育教學改革提供了可借鑒的模式，有助于促進我國高質量工科創新型人才培養。

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基金項目：教育部教學改革重點項目“航空航天產品設計制造工程實踐創新模式”（JJ-GX-JY202117）

第一作者簡介：程毅（1990-），男，漢族，陜西西安人，博士，助理研究員。研究方向為實踐教學，飛機數字化裝配。

*通信作者：蔣建軍（1977-），男，漢族，河南南陽人，博士，教授，主任。研究方向為實踐教學，復合材料成型制造。