基于虚拟仿真的多层次模块化专业教学素材体系研究

张晓瑜 唐黎伟 陈玖圣

摘 要：为了适应民航快速发展对专业人才的培养需求，文章提出以虚拟仿真技术构建专业教学素材库系统，采用模块化设计实验教学内容，满足不同专业课程的教学需求，采用多层次的体系设计，适应课堂教学、实践教学、开放平台等不同环节的教学活动。该系统融合了多学科、多专业知识，支持学生应用能力、创新能力、团队合作能力的培养，通过专业教学过程中的使用调查发现，该虚拟仿真专业教学素材系统，实现了课堂教学与实践教学的有效链接，满足了多专业的培养需求，并具有占用场地小、使用灵活、维护费用低等特点。

关键词：虚拟仿真;实验教学;素材库;多层次;模块化

中图分类号：TP391.9;V241.07   文献标志码：A       文章编号：1673-8454（2021）08-0051-05

一、引言

随着信息技术的深入应用与发展，世界教育领域不断加快推进教育信息化步伐，教育信息化成为高校内涵发展[1]的重要组成部分，也是实现实践教学的重要手段。而虚拟仿真教学是实现教育信息化的重要途径[2]。虚拟仿真实验教学通过构建虚拟实验环境以及实验对象，能够实现传统实验教学的教学任务。同时，虚拟仿真实验教学具有维修费用低、实验灵活等特点，受到高校实验系统开发的高度重视。

1.国家关于虚拟仿真实验教学的政策需求分析

2010年，《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》指出：信息技术对教育发展具有革命性的影响，必须予以高度重视[3]。2012年，教育部发布的《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》中指出，大力推进普通高校数字校园建设[4]，普及建设高速校园网络及各种数字化教学装备，建设职业教育虚拟仿真实训基地等。2012年3月，《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》明确提出，建设优质教育资源共享体系，推进高等职业教育共享型专业教学资源库建设，与行业企业联合建设专业教学资源库[5]。2015年10月，教育部印发的《高等职业教育创新发展行动计划（2015—2018年）》中提出，应用信息技术改造传统教学，促进泛在、移动、个性化学习方式的形成。在现场实习安排困难或危险性高的专业领域，开发替代性虚拟仿真实训系统;针对教学中难以理解的复杂结构、复杂运动等，开发仿真教学软件[6]。

根据国家关于教育信息化的相关政策要求，教育部于2014、2015年相继开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，逐步推进高校实验教学信息化建设与实验教学改革与发展，建立了国家虚拟仿真实验教学项目共享平台，推进实践资源的“共建共享”。各地区根据区域教育资源建设建立共享平台，例如：江苏省建立了虚拟仿真资源共享平台[7]，支撑各学科门类开发虚拟仿真实验项目并在线发布，促进虚拟仿真教学资源在线开放共享和高校集约应用。

2.民航行业对虚拟仿真实验教学的需求分析

民航以“安全第一”为生产目标，具有“高风险、高投入、高技术”的特征，其中安全是对民航运营的核心要求。在飞行、机务、空管、机场、运控等特色专业人才的培养上，专业技能的培养与训练很大程度上是在真实飞机或运营场所进行的。其中，机务人员的基本技能培训与在岗培训都是在机务维修现场或真实飞机上进行，这种培训模式存在明显问题：训练用飞机或耗材费用巨大，训练场所固定，实训场地容纳培训人数有限等。

近年来，民航特色专业人才需求保持持续增长，民航直属院校预计培养机务维修类专业人才3万人、飞行专业技术人才1.3万人，因此培训设施以及场地需求变得尤为紧张。目前，我校的机务类专业涉及的五个专业、九门课程都要求有实践教学，实践教学实验室资源十分紧张。

随着虚拟仿真技术的发展，以人员培训为中心的虚拟维修仿真技术、以虚拟现实技术营造逼真的训练环境[8]，尤其适用于高危行业、航空航天等复杂装备和价格高昂的设备维修人员的培训。在高校人才培养中，通过大规模在线开放实验（MOOE）教学，以虚拟仿真实验教学模式替代传统现场实践实习的方式[9]，既能降低培训过程中存在的风险，还能降低培训设备维护成本以及耗材成本，同时具有灵活、扩展性高等特点。

二、多層次虚拟仿真专业教学素材体系

在虚拟仿真教学改革思路的引导下，构建多层次的虚拟仿真专业教学素材库，能够在有限资源环境条件下充分实现个性化教学，满足多专业、多层次的实践教学要求[10]。该专业教学素材库体系共分为3个层次：课堂演示教学、课程实践教学、开放式创新开发平台，如图1所示。

1.课堂演示教学

在我校本科培养方案中，7个专业中包含22门与飞机机载系统相关的专业课程，这些专业课程的教学内容中都包含机载系统案例。传统教学方式中，主要以多媒体的形式讲解实际机载系统，通过图片和教师讲解使学生了解实际机载系统组成、工作原理及显示等，因此授课教师需要大量搜集实际机载系统的教学素材，而且多媒体演示过程中素材较零散，缺乏系统整体性概念，以致通过课堂教学讲授机载系统相关知识的识记效果不理想。

虚拟仿真的教学素材库系统利用3D建模、虚拟现实等技术复现机载系统的真实运行状态。系统将多种机型的机载系统拆分至组件或单元级别，通过简单的界面操作可将各组件组成独立系统，实现某机载系统的操作与显示。教学素材库系统可独立运行于台式机或笔记本电脑，因此能够比较方便地引入课堂教学过程中。教师根据专业课程的教学目标，从教学素材库系统选取不同系统的组件，并连接为所需的机载系统，能够在课堂上演示该系统的组成、正常运行和显示等。该教学素材库系统能够根据不同需求获取所需内容，解决了传统教学过程中大量搜索教学素材的难题，同时能够灵活地引入课堂，引导学生理解掌握实际机载系统相关知识，实现了实际机载系统真实运行状态的复现。

2.课程实践教学

为了培养学生的实验实践能力，实验实践教学成为目前本科生培养的重要组成部分，以电子信息工程专业为例，9门专业课程中8门课程安排有实践教学环节，目前专业课程实践教学的环境多为A320飞机，学生可以在已搭建完成的实验平台上进行相应课程的实验。但是学校能够安排专业课程实验的实验室仅有3个，安排8门课程的实践环节比较紧张。同时，实验系统已搭建完成，实验仅需要完成操作，缺少设计环节。

虚拟仿真教学素材库系统利用独立计算机即可完成实验系统搭建，可以利用自带笔记本电脑或实验机房、现有实验室等场所搭建所需实验系统，能够解决实验场所紧张的问题。同时，在实验过程中，学生需要根据相应专业课程的需求，在教学素材库系统中自行搭建相应机载系统，增加了系统设计环节，使学生能够理解掌握系统组成、信号铰链关系，并在实验过程中能够记录所搭建机载系统正常运行与故障运行的现象，达到实验实践教学目标。

3.开放式创新开发平台

为提高学生的应用能力和创新能力，民航特色专业的实验教学需要不断拓展实验教学内涵，从知识验证向开放式实验转变[11]，课堂教学与课外科技活动相结合、实验实践教学与科研工作相结合。虚拟仿真教学素材库系统将不同机型、不同系统集成到一个平台，在教师指导下，学生可自主完成实验设计、研究与开发。

（1）开放实验

教学素材库系统以灵活的实验方式，可以实现开放平台实验，实验内容与方案可根据学生兴趣与需求自行设计，充分发挥学生的学习主动性与创新能力。

（2）科技创新平台

教学素材库系统可以融合多种机型于一个系统，虚拟仿真系统的基础平台已完成，学生可以在该平台上进行机载系统仿真功能的开发，支持其参加科技创新活动，为专业方向发展提供技术保障。同时，对于复杂的机载系统需要多学科、多专业知识。在科技创新活动中，学生可根据创新项目自主组建跨学科、跨专业的项目团队，培养其团队合作与创新能力。

（3）科研项目

虚拟仿真的专业教学素材库系统能够支撑跨专业的科技立项。针对复杂机载系统，例如：飞行控制系统将机械、电子、电气等专业相互融合，通过多学科、多专业的合作开发，能够培养教师与学生的综合分析能力、系统应用能力，将学生从“被动学习”转变为“主动学习”，在实践中不断培养创新精神与创新能力[12]。

三、模块化虚拟仿真教学内容与系统结构

1.模块化虚拟仿真教学内容

在不同专业、不同课程的教学过程中，教学内容与教学目标各异，部分课程之间存在交叉、渗透，因此虚拟仿真教学素材库需要建立统一的标准，以适应不同课程的教学需求。民航作为国际性运营行业，从机载设备的设计到机载设备的报废，整个生命周期都必须满足国际通用标准，作为机载设备使用和维护者的培养也不例外。ATA-100规范建立针对飞机、发动机、附件制造业产品呈现出的数据的标准，这些标准可以并入制造业与使用者购买合约内，成为强制执行的文件。

虚拟仿真教学素材库以ATA-100规范为依据，根据信息相关性[13]将素材进行归类，覆盖不同专业、不同课程的教学内容，遵循目前飞机维修专业的分类，将机载系统划分为机械与电子两个大方向，按照ATA-100规范将各子系统进行细分，如图2所示。

模块化的实验教学内容能够有机融合若干课程实验、实践教学于一体[14]，能够使不同课程根据需要提取不同模块，同时促进多模块、多层次之间的交互，有助于实现综合实验教学。对于复杂系统的实验设计，涉及多模块的交叉。例如，自动飞行系统融合了飞行控制、仪表、液压等模块，采用模块化的系统设计能够实现复杂系统的灵活组构，完成机载系统的仿真。

2.模块化虚拟仿真系统结构

借鉴模块化教学系统设计理念，通过分析机载各系统的组成、工作原理、操作逻辑等内容，总结出机载系统可分为：电源模块、计算机模块、输入/输出模块，如图3所示。

输入模块实现离散、数字、模拟等信号的输入与输出，包括来自操作机构的数字式或离散式信号（操纵杆、起落架手柄、油门杆等）、来自控制面板的數字或离散信号（无线电管理面板、近地警告控制面板等）、来自天线的模拟信号等内容。该模块的外观采用几何建模的方式，利用3ds Max、AC3D、Creator等三维建模软件构建机载系统组件的立体模型，然后采用OpenSceneGraph系统实现模型渲染，仿真真实机载系统组件的效果，使视觉感官效果达到与实际机载系统基本一致，提高仿真度。

输出模块以可视化的形式展示机载系统输出的效果，包括仪表显示（飞机姿态、发动机参数、导航信息以及故障信息显示等）、音频（近地警告系统的音响警告以及某机载系统出现故障时声音提示等）、灯光（主警告灯或者控制面板上的灯光提示等）以及执行机构（液压系统与操纵舵面等）。该模块中，仪表显示、灯光显示的飞机参数或灯光显示图片为不同变量，采用计算机图形技术[15]实现驾驶舱效应的仿真。通过3ds Max、AC3D、Creator等三维建模软件建立执行机构中机械结构立体模型，通过图形渲染技术仿真执行机构的效果，从而达到对执行机构中机械结构的图形化仿真。

电源模块实现仿真组件通电逻辑，实现电源通断、故障等情况的处理。该模块通过软件建模的方式，在系统内采用程序语言实现电源模块的正常与异常操作。

计算机模块实现机载各计算机的功能模拟，包括正常信号处理、故障分析以及自检等内容。该模块通过3ds Max、AC3D、Creator等三维建模软件构建计算机的立体模型，采用数值方法根据计算机的功能建立模型，模拟计算机的信号处理、计算过程，实现真实飞机不同机载系统的正常操作、异常处理以及自检等过程。