虚实结合构建新型教学体系

文/吴金栋 任光辉 刘剑文

随着民航事业快速发展，民航运行的系统性和复杂度日益增强，作为民航运行系统核心要素的从业人员能力水平直接关系着民航这一高技术、高风险、高投入的复杂大系统的运行安全和效率。其中，对专业人才实践能力的要求，已经由简单的专业技术能力转变为系统思维能力、工程实践能力、团结协作能力和工作适应能力相一致的综合能力水平，这对人才培养中的实践教学模式改革提出了新要求。民航运行的安全标准要求高，可供学生实践能力培养的资源条件极为有限，应用虚拟仿真技术构建虚实结合的实践教学体系，成为提升人才培养质量的必然途径。为实现虚拟仿真技术与现有实践条件深度融合，需要从人才培养实践体系、资源开发利用机制和实践教学管理平台等多方面入手，综合施策，方能有效提升实践教学培养能力。

面临的主要问题

原有实践教学方式难以满足行业新技术快速发展对人才的需求

随着信息技术与航空技术的不断融合，民航机务维修、空管等领域的专业工作正在更多地转为依托面向大系统虚拟仿真环境下进行分析、测试、检验。原有的以解决单一问题、单一环境、单一对象的实践能力培养目标需要转变为解决系统问题、复杂环境、多对象多任务状态下系统分析及解决问题的综合实践能力。为此，需要建立符合实际运行环境对人才要求的实践教学体系，改进实践教学方式。

图1 成果研究路径

既有实践教学资源难以满足专业人才培养规模的要求

民航实际岗位工作复杂度高、安全标准严，民航专业实践设备、耗材资源有限、价值较高，都难以满足大规模学生实验实践的需求。因此，建设高仿真度实践条件能够有效解决办学资源、办学成本与人才培养要求之间的矛盾。

实践教学效率难以满足互联网一代学生对自主学习的需求

互联网一代学生对学习时间、学习过程的需求更为灵活，对线上学习的方式易于接受和掌握。现有实物条件的实验环境，受空间和时间所限，为学生提供的认知资源不足、认知效率不高。因此，通过合理配比线上和线下实验学习时间，可以实现学生学习过程重组，有效提升实践学习效率。

研究的思路

围绕实践教学方式、资源、效率等问题，学校在对民航人才培养需求进行深入调研分析的基础上，按照推进实验教学与信息技术深度融合的理念，结合虚拟仿真技术的发展，通过构建虚实结合的实践教学体系，在此基础上配套建立仿真资源开发应用机制、建设实践教学管理平台，积极推进虚拟仿真实践教学资源和装备条件的建设，从而有效提升学生工程实践能力。如图1所示。

建设的主要内容

合理规划布局，构建虚实结合的实践教学新体系

依照“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，按照不同学习阶段对实践条件和环境的需求，科学定位虚拟仿真实验在人才培养中的位置和作用，系统规划布局，形成覆盖专业认知、基础实验、专业实验、实习实训、创新实践在内的虚实结合实践教学体系。如图2所示。

1.以虚代实，建设面向岗位实习实训的虚拟仿真资源。面对民航机务、空管等安全运行标准严、专业技术能力要求高的岗位，将原有岗位实践环节拓展为“模拟实习+岗位实习”的实践培养模式。针对该环节学生实习实践学时多、学生实践重复率高的现实需求，应用虚拟仿真技术，规划建设了多功能机务维护模拟系统、空中交通管理雷达管制模拟系统、360度视景塔台管制模拟系统等一系列大场景、一体化的综合实践系统，为学生提供高仿真度实习环境，较大程度上代替了真实岗位的实习实训。

2.以虚补实，建设面向专业综合实验的系统级仿真实验。针对大量应用真实航材的实验项目所面临的实验条件成本高、消耗大、更新慢，且部分实验由于航材本身为国外原装封闭组件而导致的无法在真实环境中进行分析检测等问题，建设了大批面向专业综合实验的航空器系统级虚拟仿真实验条件，将原有“单系统、单环节”专业实验拓展为“多系统、联动式”的综合性实验，有效提升了实验教学效果

3.以虚验实，建设面向基础类实验的虚拟实验教学资源。针对基础实验量大面广、开放资源有限的问题，开展基础实验项目虚拟资源建设，开发自主实验学习平台，将原有实物实验为主拓展为“虚拟实验库+实物实验”方式，使学生能够在虚拟平台上自主设计完成实验，为学生自主学习提供便利。

4.以虚展实，建设面向专业认知的立体化体验教学资源。面向新进入专业学习学生，建设民航立体化教学中心，利用虚拟仿真技术，动态真实展现民航专业领域工作场景和工作流程，通过虚拟现实技术，使学生能够动手感知运行状态和环境。从而通过“认知+体验”学习方式，促进学生对行业整体了解和专业认知，提升行业和专业认同感。

图2 虚实结合的实践教学体系

图3 虚拟仿真资源开发利用全生命周期激励机制

5.以虚测实，建设面向大学生创新实践的虚拟验证条件。面向大学生创新创业项目等学生自主创新实践需求，建设了“OpenCockpit”综合验证平台、空管联动运行验证平台等开放式实验开发验证平台，为学生创新创业项目提供实践检验环境和条件，推动学生在大学生创新创业项目中形成“自主创新+验证”的研究式学习方式，提升学生面向工程实践的创新能力。

突出激励支持，建立仿真资源开发应用新机制

虚拟教学资源的开发工作量大，研发周期长，需要系统的政策引导和支持，规划好、开发好、使用好、转化好虚拟教学资源是实现虚拟仿真教学持续发展的基础，为此学校建立了基于虚拟仿真教学资源开发利用全生命周期的激励机制。具体如图3所示。

1.建立虚拟仿真资源开发的支持机制。学校设立实验技术创新基金，支持各级虚拟仿真中心通过两级项目管理体系，以“中心预研、校级认定、重点项目投入、产业开发扶持”的逐级提升方式，持续投入资源开发工作。出台团队激励政策，按照“专业教学能力+技术开发能力+创新实践能力”的要求，借助国家级、省部级虚拟仿真实验教学中心平台，推动跨学科组建团队，建立团聘团考机制，鼓励团队内部合理分工，专注从事实验教学、实验室建设、虚拟仿真资源开发、产品转化推广等工作，协同创新，多出成果。

2.建立虚拟仿真资源利用的转化机制。通过加强“校企合作”、“校研合作”，支持专业教师与校外虚拟仿真技术研究机构、软件开发企业合作，提高开发效率，提升开发质量，以满足大规模学生在实验实习实训中的学习需要。同时，积极推动与其他专业院校、航空企业在技术推广上的合作，推进开发装备转化应用，发挥更大社会效益。目前，与学校在机务、空管、机场、航空安全等领域建立长期合作关系的技术开发机构和应用企业达68家。

3.建设虚拟仿真资源共享的促进机制。构建了资源开发共享平台，共享技术开发工具、虚拟实验开发资源、虚拟仿真实验项目等，教师可根据实验库或数字资源的相关标准，开展各类资源开发建设、更新及扩充。学校现已投入建设的用于虚拟仿真资源开发的技术平台，包括图像处理、模型构建、数据分析和系统测试等工具平台121个。

4.建设虚拟仿真资源效能的评价机制。虚拟仿真教学资源的使用有效度和学生基于虚拟仿真资源开展教学的实际效果是衡量资源开发质量的重要标准，为此将对虚拟资源开发团队的考核纳入人事分配制度考核体系中，将学生对虚拟仿真资源的使用效果评价纳入课程质量评价中，将资源开发投入与评价结果相挂钩。

融合线上线下，建设实践教学管理新平台

虚拟仿真技术的应用，拓展了学生学习时空，丰富了教学资源，实现线上线下学习协同管理。通过开发虚拟实验管理平台，将原有“教师演示—学生操作”的实验模式转变为“虚拟实验—网上辅导—现场指导”的新实验教学模式。学生在平台上自主学习安全须知，预习实验理论，自主从虚拟仪器设备库选取设备、设计实验、虚拟操作，并通过线上自动评测后，方可进入实物实验阶段，期间教师进行线上辅导。在现场实物实验中学生的实验过程转为注重观察现象，总结分析提高。在结束课内实物实验后，学生还可根据自身掌握情况，进行线上复习或答疑。目前建成的虚拟实验教学系统，涵盖了实验预习、实验库、实验安排、实验报告、考试考查、数据统计、学习论坛等多个模块，有效提升了实验组织和管理效率。具体如图4所示。

图4 虚实结合的实验教学模式

应用效果

1.实践教学质量显著提升

通过系统化构建虚实结合实践教学体系，充分发挥虚拟实验在实验组织、实验实施、实验评价中灵活度高、重复性强、成本较低的优势，让虚拟实验作为进入实物实验的先导、作为岗位实习的部分替代，充分发挥其“桥接”功能，有效提升实践教学针对性和学生的学习兴趣，学生在实践中参与度显著提高，实践质量获得较大提升。

2.形成一批虚拟仿真教学团队

学校现已在虚拟仿真实验教学中心和其他实验中心建设过程中，形成了多支虚拟仿真教学团队，并培养了一批青年教师。该批教师已开发虚拟仿真实验教学资源成果近百项，自行开发的虚拟仿真仪器装备已推广至部分航空公司培训中心、部分空管单位培训中心、境内航空类院校及台湾地区航空院校。通过虚拟仿真教学团队的建设，推进教师将教学工作和科研工作有机融合，为支持教师全面发展探索了一条新的有效路径。

3.资源成果有效转化

在实践教学体系建设和资源开发过程中，通过知识产权认证等方式形成了一批知识产权成果。开发的大批实验装备获得广泛的推广应用，并在相关院校和航空企业的人才培养和专业技术人员复训中产生良好效果，质量和水平获得了广泛认可。项目成果辐射作用显著，学校各类虚拟仿真中心每年接待参观来访达2100余人次，在行业办学院校中产生了广泛影响。

随着虚拟现实技术的不断发展，推进实践教学与信息技术的深度融合成为改革实践教学模式的新的路径，学校通过积极推动面向民航专业技术领域，应用虚拟仿真技术开展实践教学资源建设，有效解决了人才培养中特别是实践教学中许多在原有实践条件下不可实现、不可重复的教学难点，为学生提供了更为自主、更为直观、更具创新性的实践环境，有效提升了学生的学习兴趣、学习针对性，从而显著提高了人才培养质量，同时也提高了实践教师的专业教学能力和研究开发能力。