面向行业需求的导航系统实习课程改革与实践

刘贵行，赵世伟

（中国民航大学 工程技术训练中心，天津 300300）

实践教学作为工程教育的重要组成部分，可以使学生通过实践对理论知识进行更深层次的理解，能够培养学生的创新意识与综合能力[1]。在以往的机载导航系统实习教学实践中，由于教学设备和教学环境不能够适应行业最新技术与理念的发展趋势，教学模式、教学内容、教学效果都具有一定的局限性。为了进一步提高机务电子专业学生的实习效果与实习质量，课程组面向机务专业人才需要和工程教育人才培养标准，不断优化和创新实践教学环境与教学模式，依据我校教学大纲，参考《民用航空器维修人员执照考试大纲》（AC-66）和《民用航空器维修/部件修理培训大纲》（AC-147）等民航法规文件，开展对机载导航系统实习课程的改革与探索，不断提高航空电子系统维修领域的工程教育水平。

1 行业需求与实习现状分析

机务工程师是保障飞行安全，控制由于机械、航电设备等原因导致的飞行事故万时率在 0.1以下，始终保持飞机完好率在80%以上的，维修质量高、保障能力强的安全技术人员。机务工程师是一项对技术性要求比较高的工作，从业人员需要依据《民用航空器维修人员执照管理规则》获取维修证书来评定从业资格。机务工作根据工作性质、维修范围的不同大致可分为几个组成部分，如图1所示。

图1 机务分工

图2为我国民航机务持照人数发展趋势图，图3为部件修理执照持有人数占我国民航全部持照人数比例（含同时持有部件制造与基础执照人员）[2]。

由图2和图3可以看出，我国民航业基础执照和部件执照持照人数近5年均保持上升态势，其中部件修理持照人数占所有持照人数比例在20%左右波动。随着新技术在民航飞机中的大量使用，目前主流民航机型所装备电子系统大多具有机上自测试能力和中央维护系统，维护信息的快速传递等新技术的引入改变了以往的维修理念和维修流程[3-4]。一个比较典型的例子就是系统的集成度更高，简化了外场维护工作的同时对于部附件修理的人员需求增大。部件修理门槛较高，对于维修人员技术、经验等方面的要求更为严格，要求维修人员能够跟踪行业最新技术发展，掌握最新维修测试方法和维修技术，同时更新维修理念。另外一份数据表明，本科和研究生等高学历机务人员占比逐年提高，从另外的角度反映了民航业需要更多的高水平维修工程师。

图2 我国机务持照人数概况

图3 部件修理执照占比

中国民航大学作为我国民航领域的最高学府，承担着为我国民航事业培养各类高水平应用型人才的重任，工程技术训练中心面向全校开展以机、电为主的机务实习教学[5]。机载导航系统实习作为电子信息工程专业的必修实践环节，课程以维修实际工作流程为背景，使学生掌握无线电导航系统的工作原理、组成、功能、操作方法，掌握飞机无线电导航系统的测试程序，结合典型故障案例，掌握系统故障诊断和故障排除的基本技术和手段。课程流程如图4所示。

图4 导航实习课程内容

但是，由于课程历史以及其他因素，机载导航系统实习课程已经不能够满足教学需求，主要体现在以下几个方面。

（1）实习环节只能在机坪现有飞机上开展，例如B737-200、运七、B707等。所涉及飞机均属航空公司或其他部门赠送，已退役多年，其系统组成与操作方式与目前民航主流机型差异过大，另外由于多次拆装造成设备磨损且市场上无备件可以替换，导致系统功能缺失。

（2）实习设备数量不足，例如 ILS（仪表着陆系统）与DME（测距机）功能测试只能在运七飞机上进行，运七驾驶舱单次最多容纳4名学生，而正常实习每组学生为12～15人，导致实习效率偏低。

（3）现有实习内容以外场维护实习为主，很少涉及内场维护项目，不符合我国民航业对高水平内场维护人员的需求。

2 开发教学设备，丰富教学手段

航空电子系统测试与排故教学设备具有专业性强、适航维修设备和航材件价格昂贵、教学要求特殊等特点，因此大部分教学设备需要自行设计开发。在认真讨论调研的基础上利用先进信息与数字化技术，创造性地开发了具有自主知识产权的教学设备，建立了国内外先进技术水平的工程实践教学环境，为提高实践教学质量和效果提供了物理平台。

课程使用到的教学设备如表1所示。

表1 实习室设备清单

一系列教学设备的投入使用，给教学手段和实习项目的开发奠定了基础。VOR/ILS/DME教学系统将内场维护加入到教学过程中，实现了从外场到内场、从简单拆装到深度分析、从演示到操作、从机坪到教室的转变；模拟件测试的引入，在控制成本的前提下增加了设备的数量，实现了多个小组同时实习。图 5为教学环境的前后对比。以甚高频全向信标（VOR）和仪表着陆系统（ILS）为例阐述教学测试系统功能与创新。

图5 教学环境前后对比

2.1 系统硬件模型

传统意义上的机载甚高频导航系统包括甚高频全向信标（VOR）、仪表着陆系统（ILS）。二者具有相同的工作频率，通过对二者部件维护手册（CMM）中给定的测试模型和测试程序进行分析，VOR测试和ILS测试共用硬件资源，通过切换测试动态链接库的方式扩展设备功能。

CMM手册[6-7]中给出的测试模型，如图6所示。

图6 系统测试模型

教学测试系统采用服务器（教师机）+客户机（学生机）的网络拓扑结构。

系统网络拓扑结构如图7所示。

图7 系统网络拓扑图

其中服务器采用图6所示的全功能测试方案，可以实现对 VOR-700航材件进行全自动/手动测试，还能够根据教学需求对客户机进行故障信号设置和测试管理。客户机考虑到成本限制和教学需求，采用了模拟件测试的理念，通过计算机软件及模拟件内部电路来模拟航材件在测试过程中输出的各类信号，并且能够在服务器的指令下改变输出信号参数，模拟不同情况下接收机故障。其实现过程如下：

（1）通过程控直流电源及开关来模拟 VOR二次电源输出；

（2）通过交流电源及功率电阻模拟消耗电流；

（3）通过单刀单掷开关模拟离散量的输入以及SDI模式的转换，测量离散量输出状态；

（4）通过 ARINC429总线板卡模拟被测件的ARINC429总线输入输出；

（5）通过模拟件内部信号发生板模拟音频信号输出；

（6）通过模拟件内部的 C8051板控制模拟VOR-700自检信号的模拟及MB灯的变化。

图8为VOR-700模拟件。

图8 VOR-700模拟件

2.2 系统软件模型

甚高频导航教学测试系统的软件由“LabNetManager v1.0”“RATS v1.0”和“RMTS v1.0”组成，其中LabNetManager和RATS被部署在服务器上，RMTS被部署在客户机上。

LabNetManager是一款为我校实践教学而专门设计的网络管理软件，具有简单易用，实时性强及界面友好等特点。LabNetManager根据教学需求，设置有下述功能模块：

（1）系统设置。用于对系统网络进行设置，包括本机IP地址、端口号、刷新速率等参数。

（2）测试使能。当客户机与服务器正常连接以后，其对应的连接图标将会点亮，此时点击“使能”按钮将开启该客户机的测试权限。

（3）测试监控与即时通信。假如客户机1已与服务器建立正常连接，并且服务器端已发送使能信号至该客户机端，则客户机便能够进行正常测试，测试过程中的测试信息将被实时显示在客户机1的选项卡内的文本框里。

（4）故障设置。故障设置是为客户机指定测试故障而设计的，目前为客户机设置的故障为10个。单击“故障设置”选项卡，则所有的故障属性被显示在一个属性表里。双击要更改的故障量单元格即可对该单元格的故障量值进行更改。

（5）信息提交，打印与存储。当客户机完成指定的测试任务以后，其测试信息也已完整地显示于“实验室网络管理工具”的指定信息监控文本框内。客户机端可以将自己测试过程中的排故过程写成文本文件，通过“发送文件”的方式发送给服务器端，以完成排故信息提交。

3 完善教学内容，创新教学手段

实践教学和理论教学最大的不同在于在实践教学活动中，学生应起到主导作用，但是在传统教育的熏陶下，学生习惯于作为知识的被动接受者[8]。机载导航课程采用任务驱动教学法激发学生自主学习能力。任务驱动法是指在实践教学活动中，学生在教师的引导下，紧紧围绕一个共同的任务活动中心，在强烈的问题动机的驱动下，通过对学习资源的积极主动应用，进行自主探索和互动协作的学习，并在完成既定任务的同时，引导学生产生一种学习实践活动[9-11]。任务驱动教学模式以学生小组为单位、以“任务准备→任务描述→任务确定→任务分析→任务方案制定→任务方案实施→任务方案验证→任务评价与总结”为教学流程。同时，选取学生能够看到结果价值又能预期到成功可能性的工程训练为工程任务，提升实践教学效率与质量。任务驱动教学法教学流程如图9所示。

图9 任务驱动法教学流程

同时建立了“双闭环反馈”教学方法。将“任务确定→任务分析→任务方案制订→小组讨论→任务确定”设置为第一教学反馈环，学生小组阐述对故障分析和故障定位的独立观点，教师对来自学生的反馈持开放的态度，提供启发式指导并通过相互讨论[12-13]。只有学生小组真正理解和掌握了任务内涵，才能进入第二教学反馈环。将“任务描述→任务方案验证”之间的全部流程设置为第二教学反馈环，学生小组结束任务后需要对结果进行验证，如果验证通过，则通过任务完成情况、任务执行过程和测试数据等多个维度进行综合评估给出最后成绩，如果验证不通过，则需要返回任务描述环节，重新修正任务方案，直至验证通过。

4 结语

通过对行业需求发展与机载导航系统实习课程现状的分析，从教学环境、教学内容、教学模式等多方面对课程进行改革和创新，建立了从外场到内场的一整套机载导航系统实习体系。课程已经应用于我校本科机务专业实践教学环节中，并且推广至行业培训课程。实践证明，改革成果能够有效提升实践教学的效率，激发学生自主学习能力，培养学生的综合素质。