实幻飞行仿真平台在《飞行仿真原理》教学中的整合应用

喻勇涛，田丰，孟光磊，齐义文，卢艳军

（沈阳航空航天大学 自动化学院，辽宁 沈阳）

一 引言

《飞行仿真原理》课程授课内容涵盖构成飞行仿真的三大支撑要素——建模、数学算法和软件工具，具体包括飞行仿真的发展演变历程、建模原理、飞行动力学、飞行控制系统仿真、导航系统仿真、飞机仪表显示和视景系统开发、运动平台仿真等关键技术的讲解，是一门很注重理论与实践有机结合的课程。

该课程知识内容较综合，但有部分同学在本科期间并未储备对应的基础知识，学习时难以理解部分知识点，或一知半解。另外，该课程强调理论联系实际，部分内容只有通过实践才能真正掌握其关键点，在目前教学中，课程内容教学大部分以理论教学为主，学生无法学以致用，将课程知识联系实际，降低了学生对课程的学习热情，实践性环节的不足也导致学生无法通过观摩实际仿真系统的开发来促进和加深理论知识的理解、以及接触更新更强大的开发工具。

为解决上述问题，对《飞行仿真原理》课程展开教学改革很有必要。

二 实幻飞行仿真平台

实幻飞行仿真平台包括配备实体飞行座舱的飞行模拟器和三维可视化虚拟飞行仿真套件。

飞行模拟器总体组成包括：操作座舱、图像生成与渲染系统、地景系统、飞行仿真视景数据库、模拟飞行仿真软件、多通道投影显示系统、环形智能投影屏幕等几大部分，是一种高沉浸式体验的飞行仿真系统，具有从基础理论到真实操纵的全部功能，可为使用者提供高度逼真的模拟飞行环境和操控体验[1-2]。

三维可视化虚拟飞行仿真套件通过可视化视听仿真的形式，渲染出飞机姿态、飞行运动的变化，包括仪表显示、舱外视景以及各种声音，此套件可以很好地将理论与仿真过程结合起来，对飞行仿真原理进行直观形象的展示[3]。

三 仿真平台在课程中的整合应用

考虑目前《飞行仿真原理》的教学痛点，结合实幻飞行仿真平台的诸多优点，将后者整合应用到课程的教学之中，具有很大的优势。

将课程中的相关知识点以实操形式植入到仿真平台操纵练习中，学生在教师指导下完成模拟练习，得出相关知识点问题的答案，教师通过实践表现来评估学生对知识点掌握情况，同时根据考核情况，闭环修正知识点提取和实践练习内容。整合实幻飞行仿真平台后，课程的整体教学思路如图2所示：

图2 整体教学思路框图

（一） 课程知识点的提取

课程的最终目的是让学生能够掌握大纲要求的相关知识点，因此课程知识点的提取非常重要。根据教学大纲，对课程所涉及的知识点进行模块化处理和理论实践二分类，飞行仿真原理课程知识点可划分为三大类，一大类是纯理论性的，比如建模原理、飞机动力学等；另外一大类属于理论实践相结合，需要从实验结果的处理分析中获取知识，比如模型校核、仪表等；最后一大类是强实践性的知识点，学生可以通过实践可直接习得或辅助理论学习习得，如导航系统、飞行评价等。

提取的知识模块如表1所示：

表1 提取的知识模块清单

其中，适合和仿真系统结合的内容主要有：飞行半实物仿真平台组成、飞行训练讲评系统（教练台），前者系统性地讲解飞行仿真系统由哪些典型子系统构成，在概要介绍各子系统作用后，重点要求学生掌握各子系统功能及相互间数据交联关系，为后续分析和设计飞行仿真系统提供全局视野；飞行训练讲评系统根据飞行过程中记录的飞行参数按飞行标准自动判定飞行员飞行水平，以达到客观、全面、有效、快速地评估飞行员飞行品质的目的[4]，此部分讲解更强调与实际场景结合。

继续提炼这两部分的知识点如表2所示。

表2 提炼的知识点清单

至此，完成课程中和实践结合紧密的知识的梳理，下一步将根据知识整理结果，结合仿真平台实物，设计练习内容，通过具体实践，在直接对强调实践的知识点进行认识和验证的基础上，加深和巩固学生对飞行仿真理论知识的理解，改善教学效果。

（二） 仿真平台练习的制定

根据教改思路，在整个教学过程中，仿真平台练习内容的设置非常重要，所设计的练习要求能够覆盖要学习的知识点，使得学生完成实践练习后更好地掌握这些知识点[5-6]，如仪表练习、飞行练习等。

仿真平台练习的制定包括针对飞行模拟器平台的练习和对虚拟飞行仿真套件的练习。

飞行模拟器因其配备实物环境，可制定实践性较强的知识点的练习。本课题拟针对重点实验室配备的“小鹰500”通用飞机模拟训练器进行练习制定，训练器如图1所示，辅以实感座舱飞行仿真系统，如图3所示。

图1 小鹰500型通用飞行训练器

图3 实感座舱飞行仿真系统

部分仿真平台练习内容如表3所示。

表3 仿真平台练习内容（部分）

虚拟飞行仿真套件可充分发挥虚拟仿真高度灵活的特点，可制定理论性较强的知识点的练习。本课题拟采用Matlab预置的飞行仿真案例，这些案例以Simulink工程形式呈现，包括基础的动力学和运动学仿真，以及姿态控制示例工程，方便学生复现或修改后自行开始仿真实验[7]，配合可视化界面和环幕全景显示系统，充分发挥虚拟飞行仿真的直观特点，如图4所示。

图4 环幕全景显示系统

（三） 课程考核

相比与传统课程仅仅注重知识的考核方式，整合仿真平台后的课程采用能力和知识双考核方式，既考核学生的实践能力、团队协作等能力，同时又对知识点的掌握程度进行考核。考核分为课程中表现考核和知识点掌握程度考核[8]，两种考核各占总成绩的50%。

四 课程效果

通过上述研究内容的实施，希望通过整合实幻仿真平台后的教学方案，将学做合为一体，提升教学效果，增强学生学习热情：

（1）完成理论知识点的提取和仿真平台练习的制定，实现实幻仿真平台的课程整合；

（2）通过整合后的教学执行，加深和巩固学生对飞行仿真理论知识的理解，同时，培养学生的实践能力。

2021年春季学期结束后，为了解课程教学效果和学生对课程的需求，为课程的持续改进提供依据，教学组设计了问卷，对本课程的2020级23名研究生进行了调查。问卷针对学生对飞行仿真理论知识掌握程度、飞行仿真系统工程实践能力、课程学习成果自我满意度和后续专业学习的渴望程度进行了调查，具体调查结果统计情况如表4所示。

表4 教学效果调查统计结果（学生自我评价）

通过问卷统计结果可知：学生在对课程理论知识和工程实践条目上有较好的评价，证明了本文教改方式的有效性，同时，学生在课程中有良好的自我成就感，有兴趣继续深入研究飞行仿真相关课题，这在问卷后两项统计数据中有直接体现，说明将实际系统整合到课程教学中，可激发学生的学习兴趣和学习成就感。

五 结语

针对目前《飞行仿真原理》的教学绝大部分均以理论教学为主、缺少实践性环节的问题，本文尝试有机地将实幻飞行仿真平台整合到课程教学中，将理论知识点提炼成可以在仿真平台上进行实践练习的内容，在教、学、做融合的过程中，加深和巩固学生对飞行仿真理论知识的理解，也使学生对真实的飞行仿真系统研发有更深切的体会。