基于虚拟仿真的飞机系统课程教学改革

刘超

随着信息技术的发展，虚拟仿真技术应用于飞机维修类专业实践教学已是大势所趋，可以有效提升学生对课程教学的认可度，增强学生在课程学习中的参与感和获得感。

飞机是多个复杂机电液系统，如起落架系统、飞控系统、航电系统、液压系统、电源系统、飞机结构和发动机等的集成。经调研发现，国内高职院校的飞机系统教材与教学模式以理论知识讲解为主，与工作岗位的技能要求联系不够紧密，教学内容和考核方式设计不够科学。这主要是因为飞机维修类实践设备成本高、占地大、设备损坏风险高、航材消耗大和安全隐患多，很多高职院校难以满足。同时，飞机系统是复杂技术，很多部件在现实中看不见摸不着，理解起来晦涩难懂，各类优质的教学资源又跟不上，导致教学效果差，学生学习成就感低。虚拟仿真技术尤其适用于航空类复杂装备和价格高昂的实践教学，从而营造逼真的训练环境，模拟高危操作与故障排除。

2018年4月教育部颁布的《教育信息化2.0行动计划》强调，“加强职业院校、高等学校虚拟仿真实训教学环境建设，服务信息化教学需要”。虚拟仿真实验教学已经成为高校加强实践教学、提高教学质量的重要手段，如水利、电力、化工、生物、材料等许多专业教学都普遍采用虚拟仿真技术。

本文以国家级飞机维修虚拟仿真中心的建设为例，通过优化教学环节和程序，提高实训教学效率，旨在为高职飞机维修类专业开发虚拟仿真实践教学体系提供参考经验和借鉴。

一、虚拟仿真教学的建设情况

我校飞机虚拟仿真系统分为2D和3D仿真系统。2D系统主要由计算机系统硬件和系统仿真软件（训练系统主程序、虚拟三维飞机程序和Air@v手册程序）组成。3D系统主要由飞机仿真软件、飞机维护维修培训软件、计算机系统、数据显示系统、飞机设备仿真件、教员控制台、设备支架等部分组成。数据显示系统界面分布在左右两个显示器上。左侧数据显示器可显示飞行机组训练的系统动态原理图、CBT和维护训练的外部面板、跳开关面板；右侧数据显示器可显示系统动态原理图、飞机维护手册和维护训练的三维飞机。飞机设备仿真件主要包括MCDU、油门台、转换面板、音频控制面板、ECAM控制面板、照明控制面板、发动机启动面板、ATC控制面板、WXR控制面板、无线电管理面板、遮光罩和侧杆。3D系统可以真实体验飞机操作。

经过近十年的建设，通过自主研发和校企合作的形式，我校累计投入7000多万元，建设了空客320飞机2D和3D飞机维修虚拟实训平台、波音737飞机2D飞机维修虚拟实训平台、贝尔206飞机虚拟实训平台、塞斯纳172飞机虚拟实训平台以及CFM56发动机虚拟实训研发平台。共有飞机维修虚拟仿真教室15间，教室面积达1000m2以上，可以同时满足320人的上课需要，将每个学生的实训成本降低 30％。我校飞机维修虚拟仿真中心在2018年被认定为广东省虚拟仿真实训室，在2019年教育部关于公布《高等职业教育创新发展行动计划（2015-2018年）》项目认定中被认定为国家级虚拟仿真实训中心。

二、飞机维修虚拟仿真实践教学的实施

（一）仿真实践项目建设内容

仿真实践项目是依据国际航空器制造使用规范ATA100章节划分飞机和发动机的机电液系统模块，以典型工作任务为指导，以理实一体化理念，对每一个模块建设“基础理论原理、虚拟操作、虚拟测试和虚拟典型故障排除”四个递增层次的教学内容。通过教学做一体化，由浅入深逐步加深学生对专业知识的理解。虚拟操作和测试可帮助学生更好地理解系统原理，熟悉机载自测试系统对飞机系统的测试。虚拟排故在系统操作和系统测试的基础上，让学生按照飞机维修手册的标准，通过操作、测量、拆装等规范化训练，提高学生对机务维修工作的适应程度和解决机务维修实际问题的能力。

（二）虚拟仿真实践教学实施

在高职飞机维修类专业的飞机系统课程中很多系统会涉及系统操作和故障排除教学内容，如液压油的加放油操作、燃油的加放油操作以及起落架的收放测试工作等，以此来提高学生的专业技能和利用所学知识解决实际问题的能力。下面以“飞机起落架收放系统的维护与排故”教学单元为例来说明。

1.单元教学目标

该单元教学希望达到以下的学习目标：（1）知识目标：熟悉飞机起落架放下和收上的工作过程；熟悉飞机主起落架收放测试内容和方法；（2）能力目标：具备对飞机主起落架收放测试维护的能力；具备对飞机起落架收放系统“位置指示灯异常”故障诊断及排除的能力；（3）素质目标：培养科学严谨的飞机维修机务作风；培养精益求精的工匠精神。

2.教学策略

本次课程设计以实际的工作过程为导向，将课堂教学划分为“探究新知、维护模拟、排故演练”三个任务来实施。以学生为主体，采用任务驱动、情境模拟、合作探究、示范教学的教学方法，全过程考核。

课程设计依托国家级教学资源库、职教云和云课堂构建的教学平台，采用信息化手段呈现教学内容，磨练操作技能，破解教学重难点。VR 技术、仿真动画，直观呈现知识原理，巩固加强知识学习；飞机虚拟维修模拟机，模拟真实工作场景，实践标准施工，安全高效；思维导图、企业专家现身说法，熟悉故障诊断流程，培养正确排故思维。

以马克思主义中国化最新理论成果和民航强国理论为指导，将机务作风、机务人的工匠精神融入教学，为民航立心、为职业铸魂。

3.教学过程

学生课前登录职教云平台，闯关式学习，查看微课、教学视频、电子书，完成指定的作业巩固预习成果。课中以“探究新知、维护模拟、排故演练”三个任务来实施。

（1）探究新知：首先，学生对课前提交的汇报PPT进行投票评优。优胜小组上台汇报预习成果，鼓励自主学习，培养分析能力。根据课前测试中出错率较高的知识点，教师利用VR再现真实工作场景，学生进入虚拟轮舱、驾驶舱，近距离观察系统部件及控制面板。教师结合实物进行讲解，通过3D动画解析关键部件的结构，仿真模拟起落架收上、放下和运动机构工作过程，化静为动，化难为简，顺利解决“起落架放下和收上过程”这一教学重点。随后，進行限时测验，考核学生理论知识的掌握情况。

（2）维护模拟：首先进行安全教育，观看典型错误案例，培养严谨科学的机务作风、精益求精的工匠精神。教师示范操作，大屏同步，并将操作视频上传至教学平台，方便学生反复学习。学中做，模拟机营造车间工作环境，小组角色分工，同步完成电子工单和质量工作卡，实时考核，强化按手册、工卡施工的职业操作，培养团结协作的精神，支撑教学重点。做中学，随机挑选小组考核，弹幕互动，提升规范操作和安全意识。

（3）排故演练：工作场景引入任务，思维导图梳理诊断思路。教师个性指导、共性解析，总结诊断思路。维修模拟机复盘故障，排故演练。学生依据故障隔离手册进行标准施工、测试部件、虚拟换件，同步完成电子工作记录单。企业专家现身说法，讲解起落架故障维修处置流程，教师解析。做学合一，培养正确的排故思维，突破教学难点。

课后学生提交任务完成报告，评选优秀作品。教师布置拓展任务——设计起落架“手柄卡滞故障”的排故方案。教师微信群答疑，邀请企业导师参与学生互动。推送企业排故案例，学生浏览教学资源库，吸收更多的专业知识。

4.考核评价

此单元的考核做到可测可评，针对每一个教学环节设计了考核方案与考核比例。如课前：预习进度*30%+课前测验*40%+汇报 PPT*30%；任务一：限时测验*100%；任务二：电子工作单*80%+质量工卡评分*20%；任务三：思维导图*30%+排故记录单*70%；课后：总结报告*100%。总成绩=课前*20%+课中*70%+课后*10%。根据平台记录，综合教师、学生及平台系统的主、客观考核，获得学习效果及教学目标对比雷达图。通过数据分析，统计教学目标的达成度。

三、教学效果

经过多轮教学，实践证明，学生通过自主学习、小组探究完成新知学习，达成知识目标；通过维护模拟、排故演练，达成能力目标；通过团队协作、规范操作流程，达成素质目标。这种“理实一体化、虚实结合”的教学模式取得了良好的效果，学生出勤率提高、平台活跃度增加、考核成绩提升，在全国技能大赛中获得一等奖。学生满意度增加，用人单位满意度也随之增加。

四、总结

随着信息技术的发展，未来高职飞机维修类专业的实践教学将很大部分以虚拟仿真来完成。飞机维修虚拟仿真中心的建设需通过自主研发和校企合作的方式完成，实践项目的开发需依据ATA章节与典型工作任务来设计。在虚拟实践教学过程中，需充分利用飞机维修手册来进行标准施工，完成全过程考核，培养学生精益求精的工匠精神，提升职业规范度。

参考文献：

[1]王文举，李光耀.虚拟维修仿真技术的研究与进展[J].系统仿真学报，2011，23（9）.

[2]杨建华，姚池，刘成林，蒋水华.水利工程虚拟仿真实验教学中心的建设[J].实验技术与管理，2018，35（01）.

[3]张良力，代林刚，柴琳.电力变压器高压试验虚拟仿真实验教学系统设计[J].实验技术与管理，2020，37（07）.

[4]代方方，费贵强，李磊，姜静.化工类虚拟仿真实验教学中心建设与实踐[J].实验技术与管理，2019，36（10）.

[5]史影，章骥，应颖慧.分层次生物化学实验课程体系构建与实现[J].实验技术与管理，2020，37（11）.

[基金项目：广东省教育厅教改项目（GDJG2019301）资助；广东省大学生“攀登计划”项目（pdjh2021b0712）资助；校级飞机维修虚拟仿真教学团队项目资助；中国交通教育研究会教育科学研究课题（JTYB20-386）资助；广东省高职教育机械制造类专业教学指导委员会教学改革项目（JZ201947）。]

责任编辑 陈春阳