基于AR/VR技术的民航类专业实践教学研究

夏前锦 连龙 井南

【摘要】虚拟现实技术和增强现实技术在近些年得到了快速的发展，二者在教育领域有着广泛的应用。文章分析了虚拟现实技术和增强现实技术应用到民航类专业实践教学的可行性和必要性，提出了基于虚拟现实技术的“沉浸式”教学和基于增强现实技术的“交互式”教学，构建了基于AR/VR技术的实践教学评价体系，旨在将AR/VR技术应用到民航类专业实践教学中，以更好地培养符合社会需求的应用技术型高级专门人才。

【关键词】虚拟现实  增强现实  民航类专业  实践教学

【基金项目】本文由鄂尔多斯应用技术学院《高等教育教学改革研究项目》支持，项目编号：202000201。

【中图分类号】G420   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）16-0181-02

一、绪论

VR（Virtual Reality，虚拟现实）概念最早由美国 VPL Research公司创始人之一的Jaron Lanier在1989年提出，目前在业界得到了广泛应用。虚拟现实描述为由交互式计算机仿真组成的一种媒体，能够感知参与者的位置和动作，替代或增强一种或多感官反馈，从而产生一种精神沉浸于或出现在仿真环境（虚拟世界）中的感觉[1]。

AR（Augmented Reality， 增强现实）广义上讲也是虚拟现实技术的一种形式，是利用计算机生成一种逼真的视、听、力、触和动等感觉的虚拟环境，通过各种传感设备使用户“沉浸”到该环境中 ，实现用户和环境直接进行自然交互。增强现实技术将虚拟信息与真实场景相融合，通过计算机系统将虚拟信息通过文字、图形图像、声音、触觉方式渲染补充至人的感官系统，用以增强用户对现实世界感知的技术。增强现实技术并没有使用户完全沉浸在虚拟环境，使人能够看到的是虚拟物体合成于真实环境中的双重世界，扩大人类的感知能力[2]。

二、民航类专业实践教学现状

我国经济快速、稳步发展的整体态势下，各行各业均取得了长足进步。中国被认为是民航业发展最快且发展潜力最大的国家。据波音公司2020年在《未来20年民用航空市场需求预测》报告中显示，中国的航空公司未来20年将需要采购8600架新飞机，价值1.4万亿美元，同时需要价值1.7万亿美元的民用航空服务[3]。按照目前普遍认可的国际民航平均人机比100∶1来看，未来20年我国就需要民航类人才86万人;而按照我国民航平均人机比200∶1来看，未来20年我国需要的民航类人才超过百万。而且，以上还仅仅是商用航空数据，如果考虑市场广大的通用航空，人才需求量将更为庞大，仅靠目前的人才培养情况来看远远不能满足市场需求。

近年来国内传统航空院校，如北京航空航天大学、南京航空航天大学、中国民航大学等均开设了不同定位、种类多样、面向民航领域的专业。与此同时，将近50多所地方本科院校及大专院校也相继开设如机务、电子系统与机载设备、机场运行与管理等劳动力缺口较大专业。然而，由于民航类专业极其注重实践能力的培养，是实践教学建设的种种困难和问题开始凸显：

（一）实践教学建设费用高，需要持续投入

飞机是由机体、起落架、发动机等结构和液压、操纵、燃油、航电、环控、防火等系统构成的复杂航空器。开设民航类专业之初，基于开展实践教学考虑需要购买真实飞机系统和部段供学生学习，这就决定了民航类专业实践教学不仅需要投入大量资金购置飞机系统和部段，还需配套专门的实训场地和实验场所建设。并且，为了维持实践教学，还需要持续购置航空专用工具及耗材。而无论飞机系统、部段还是航材都十分昂贵，这就需要大量的资金投入，并且要稳定不断地投入支持，由此产生的资金压力对学校和学生都是很大的考验。

（二）实践教学操作难度大，完成度难以保证

飞机各部段及系统内部结构十分复杂，技术含量非常高。因此，针对这些部段和系统的实践教学难度也相应较高。例如航空发动机拆装实践，整个拆装实训步骤十分繁琐，对学生的综合能力要求极高。现阶段在对航空发动机进行拆装实践时，采取的还是通用的原始方法，即根据发动机的纸质版文档或者电子手册进行操作，在实训的过程中需要不时地查看相关的内容[4]。这样的实践教学整体操作难度大，并且非常容易出现装配错误、少装、漏装等现象，实践完成度较难保证。

（三）实践教学评价方式不统一，难以形成体系

目前，大多数高校民航类专业均属于起步发展阶段，针对相关实践教学的专门研究较少，专业实践教学设备如航空发动机、起落架等型号繁杂，教学配套软件更是五花八门，这就造成对学生实践能力的评价各不相同，无法形成体系化。最终，学生到达工作岗位后又需要重新学习，不利于应用型人才培养。

三、基于AR/VR技术的实践教学

（一）利用VR（虚拟现实）技术，构建“沉浸式”实践教学氛围

传统的实践教学首先要进行理论讲授，主要以文字结合图片的形式对实践所涉及的诸如构造、功能、工作原理、常规问题、解决方案等进行介绍，学生往往很难从感性角度理解所学内容，进而面对实物动手操作时很难做到得心应手，甚至大多时候面对实践内容感觉无从下手。利用VR技术，构建“沉浸式”实践教学氛围，飞机各部分结构及系统理论知识通过文字描述、3D模型、动画、语音等多种虚拟方式形象直观地呈现在学生面前，学生通过3D眼镜、3D头盔等工具进行学习[5]。最终学习效果可通过专门的考核系统进行检验，方便学生的同时也减轻实践教师的负担。通过虚拟环境對实践内容进行全方位的、直观的认识，相比传统书本，应用虚拟现实技术使学生“沉浸其中”，更有助于对知识的理解、吸收和内化。

（二）利用AR（增强现实）技术，构建“交互式”实践教学体验

实践教学其核心环节是学生的实际动手操作。传统的实践教学在操作环节很难保证流畅性及完成度，学生面对实物往往手足无措，只能通过反复查找手册及实验指导进行实践，整体过程拖沓，容易出现纰漏。例如机务专业最为核心的航空发动机实践，由于航空发动机的高技术性和极度复杂性，学生难以独立完成拆装。但是，将增强现实技术应用在航空发动机实践教学中，可就拆装步骤、注意事项及各部分故障在发动机上进行实时感应和标注，增强操作连续性及实践技能获得感，提升实践教学完成度。另外，实践现场环境也可进行编辑修改，达到模拟不同现场环境的目的，使学生真正掌握不同环境下航空发动机维护的实践技能。利用AR技术，构建“交互式”实践教学体验，学生在实践过程中与系统建立交互，对实践过程关键节点进行实时感应和标注指导，结合对不同现场环境的模拟，达到对现实的增强，提高实践教学完成度。

AR/VR技术的应用，可从根本上改变目前民航类专业实践教学所面临的困境。运用虚拟现实技术形象直观地帮助学生巩固理论知识，为实际操作打下坚实基础，最大限度减少实践设备、工具和器材的购置台套数及损耗;运用增强现实技术在实践过程中给予学生实时指导，避免反复查看资料所造成的时间浪费，提高实践的流畅性和完整性，也间接减少了实践设备、工具和器材损耗。由此可见，基于AR/VR技术的民航类专业实践教学可以巩固学生所学理论知识，保证实践教学的整体完成度和掌握程度。在此基础上，实践教学的费用投入也大大减少，办学能力将有效提升。

四、基于AR/VR技术的实践教学评价体系

将AR/VR应用到民航类专业的实践教学中，还只是完成了骨架构建，还需要建立一套行之有效、便于推广的评价体系。例如，应根据不同实践内容设置合理的评价指标，以及根据教学大纲要求以及学生的实际情况设置评价标准。而所有评价指标和评价标准可基于AR/VR技术建立相应的考核系统或测验系统，对实践教学进行全方位有效评价。还是以航空发动机拆装实践为例，首先，VR技术的应用使学生更为直观的吸收和巩固航空发动机理论知识，还可以实现对其理论知识掌握程度的评价;而且通过AR技术的应用，对学生实际动手拆装及故障诊断能力进行指导，评价其动手操作能力。通过将AR/VR技术引入实践教学课程中，构建“理实一体、虚实融合”的实践教学评价体系，提升学生工程实践能力，实现优质教学资源共享，为教师教学、学生和社会学习者自主学习服务，将有利于推动专业教学改革、提高专业人才培养质量以及提升应用型大学的社会服务能力。

五、总结

AR/VR技术在应用型本科实践教学课程中的应用及融合，是进一步构建基于AR/VR技术的实践教学评价体系是适应民航类专业快速发展的有效途径。通过虚拟的“交互式”实践教学模式，不但学生能够完善知识结构，夯实专业素养，提高实践动手能力，增强综合素质;而且学校能够巩固专业建设成果，不断提高实践教学水平，减少实践经费的持续投入，更好地培养高素质应用技术型高级专门人才。

参考文献：

[1]BURDEA G C.虚拟现实技术[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2]帅朝林，陈雪梅，邱世广.虚拟现实技术在航空智能制造中的应用思考与展望[J].航空制造技术，2016（16）.

[3]孙立.波音发布一年一度的《未来20年民用航空市场预测》[J].航空维修与工程，2020（11）.

[4]王群淼.增强现实技术及其在航空发动机维修中的应用研究[J].内燃机与配件，2020（22）.

[5]裴培.浅谈虚拟现实技术的教育应用[J].中国教育信息化，2018（8）.

作者简介：

夏前锦（1983年-），男，汉族，江苏淮安人，副教授，博士，研究方向为力学。

连龙（1988年-），男，汉族，内蒙古鄂尔多斯人，工程师，研究生，研究方向为精密仪器及機械。