虛實(shí)結(jié)合的飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)研究

李靜昭, 張 迪

(中國民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心, 天津 300300)

虛實(shí)結(jié)合的飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)研究

李靜昭, 張 迪

(中國民航大學(xué) 工程技術(shù)訓(xùn)練中心, 天津 300300)

為解決飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)資源不足、教學(xué)內(nèi)容單一、教學(xué)模式陳舊等問題,構(gòu)建了航空機(jī)電式和電子式儀表虛擬維修平臺,擴(kuò)展了教學(xué)資源、豐富了教學(xué)內(nèi)容、提高了實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量、降低了成本和風(fēng)險。以航空伺服高度表維修中高度表精確度測試為例,介紹采用先虛擬仿真訓(xùn)練、再進(jìn)行實(shí)物操作的虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)方法。虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造性,教學(xué)效果明顯提高。

飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)； 實(shí)踐教學(xué)改革； 虛擬仿真

機(jī)務(wù)類專業(yè)是中國民航大學(xué)的三大特色專業(yè)之一,專門培養(yǎng)民航機(jī)務(wù)維修高級工程技術(shù)人才和管理人才[1-2]。飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)實(shí)習(xí)是中國民航大學(xué)機(jī)務(wù)維修類電子專業(yè)本科生必修的實(shí)踐課程,主要是進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)技能訓(xùn)練,使學(xué)生掌握航空機(jī)電式、飛機(jī)電子式儀表指示器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測試程序和排除故障的基本方法。在以往實(shí)踐教學(xué)過程中,因受航材件價格昂貴、數(shù)量少、學(xué)生獨(dú)立操作時間短等因素的限制,實(shí)踐教學(xué)受到一定影響；學(xué)生的重復(fù)操作也會對航材件造成不同程度的損壞。受上述因素影響,該課程只能進(jìn)行基礎(chǔ)維護(hù)操作訓(xùn)練,不能開展深度維修實(shí)踐項目。因此,建立飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)虛擬維修平臺[3-4],采用虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)模式對飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)機(jī)務(wù)維護(hù)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行改革與創(chuàng)新,是十分必要的。

1 實(shí)踐教學(xué)的問題與虛擬仿真技術(shù)的優(yōu)勢

1.1 飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)問題分析

中國民航大學(xué)飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)的實(shí)習(xí)課程教學(xué)內(nèi)容側(cè)重于飛機(jī)儀表的使用、維護(hù)和修理?，F(xiàn)階段飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)存在以下問題:

(1) 教學(xué)資源不足,成本高。中國民航大學(xué)工程中心有一些飛機(jī)資源,如波音707、727、737/200以及國產(chǎn)Y-7等,但多數(shù)飛機(jī)已老化,部件缺失較多。由于真實(shí)航材件價格昂貴,實(shí)習(xí)過程中可能會因操作不當(dāng)或重復(fù)操作造成航材件不同程度的損壞,影響實(shí)踐課程的正常進(jìn)行。此外,現(xiàn)有的實(shí)習(xí)用飛機(jī)大多安裝航空機(jī)電式儀表,而航空公司現(xiàn)在運(yùn)營的飛機(jī)大多為飛機(jī)電子式儀表,不能滿足學(xué)生實(shí)習(xí)對飛機(jī)電子式儀表的需求。

(2) 教學(xué)內(nèi)容簡單。學(xué)生利用現(xiàn)有飛機(jī)或航材件,只能熟悉部件的位置和進(jìn)行簡單的基礎(chǔ)操作,而深度維修項目如系統(tǒng)測試、排故、分解/組裝等,則因操作復(fù)雜、難度大、部分項目存在安全隱患而無法進(jìn)行,使教學(xué)內(nèi)容過于簡單。如通電測試項目,測試時需要用到115 V/400 Hz高電壓,學(xué)生一旦操作失誤可能發(fā)生意外事故。

(3) 缺乏設(shè)計性和創(chuàng)新性實(shí)踐項目。以往飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué),先由教師講解系統(tǒng)工作原理,然后通過真實(shí)飛機(jī)或真實(shí)航材件使學(xué)生熟悉儀表的位置和操作方法,最后通過飛機(jī)維護(hù)手冊掌握系統(tǒng)基本維護(hù)流程。在整個實(shí)踐教學(xué)過程中,教學(xué)互動性不強(qiáng),學(xué)生只要參照工卡就可以完成大部分實(shí)習(xí)項目,沒有更深入的探究學(xué)習(xí),不利于學(xué)生擴(kuò)展思維、實(shí)踐和創(chuàng)新能力的提高。

1.2 虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中的優(yōu)勢

將虛擬仿真技術(shù)引入飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中,用虛擬維修平臺[5-7]進(jìn)行飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)具有以下優(yōu)勢:

(1) 以虛擴(kuò)實(shí),擴(kuò)大教學(xué)資源,豐富教學(xué)內(nèi)容。采用虛擬仿真技術(shù)可以降低實(shí)踐教學(xué)成本,建立多樣化的教學(xué)資源,營造安全、可靠的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境,拓展學(xué)生的知識面。在改進(jìn)、完善傳統(tǒng)實(shí)習(xí)項目的基礎(chǔ)上,增加有助于提高學(xué)生研究、創(chuàng)新能力和動手能力的實(shí)習(xí)項目,包括機(jī)電式航空伺服高度表和機(jī)載陀螺儀表的虛擬維修、波音737NG和空客320飛機(jī)采用的電子式儀表顯示系統(tǒng)的虛擬維修,以及更先進(jìn)的波音787飛機(jī)多功能儀表顯示系統(tǒng)的虛擬維修。

(2) 以虛助實(shí),提高教學(xué)質(zhì)量。引入虛擬仿真技術(shù),方便增加多種設(shè)計性實(shí)習(xí)項目,如測試和排除故障,讓學(xué)生自己設(shè)計符合要求的測試和排故方案,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性,發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性,培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和科研能力。引入虛擬仿真技術(shù),增加多種操作復(fù)雜的實(shí)習(xí)項目(如分解與組裝),能夠激發(fā)學(xué)生的興趣、增加操作體驗和教學(xué)的互動性,有利于培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力,并形成一種積極、生動、活潑的教學(xué)模式[8-10]。

2 虛擬維修平臺的構(gòu)建

中國民航大學(xué)國家級虛擬仿真中心已搭建了航空機(jī)電式儀表虛擬維修平臺(如:航空伺服高度表虛擬維修平臺、機(jī)載陀螺儀表虛擬維修平臺)和飛機(jī)電子式儀表虛擬維修平臺(如波音737NG、空客320和波音787飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)虛擬維修平臺)。

2.1 航空伺服高度表虛擬維修平臺

航空伺服高度表虛擬維修平臺可進(jìn)行高度表分解、組裝、測試與排故的熟練性和規(guī)范性操作訓(xùn)練(見圖1)。平臺由航空伺服高度表外部線路測試臺、航空伺服高度表功能測試實(shí)習(xí)臺、維修工具包等組成。

航空伺服高度表外部線路測試臺實(shí)現(xiàn)伺服高度表外部線路故障設(shè)置、分析和定位操作功能,可以人工設(shè)置伺服高度表外部線路的典型故障。

航空伺服高度表功能測試實(shí)習(xí)臺可進(jìn)行伺服高度表組件通電、檢查和測試操作,可以通過軟件測試,也可以通過軟件配合手動測試。

維修工具包可進(jìn)行伺服高度表維修工藝基本操作,包括組件的分解和組裝。

圖1 航空伺服高度表虛擬維修平臺功能結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)載陀螺儀表虛擬維修平臺

機(jī)載陀螺儀表虛擬維修平臺可進(jìn)行垂直陀螺儀監(jiān)控電路測試和排故的熟練性和規(guī)范性操作訓(xùn)練(見圖2)。它根據(jù)部件維修手冊建立三維監(jiān)控電路平臺,平臺上可設(shè)置15個測試點(diǎn),通過數(shù)據(jù)采集卡輸出測試點(diǎn)的電壓控制信號,通過電壓轉(zhuǎn)換模塊變換為與實(shí)際相符合的電壓信號,用于虛擬測量和測試。

圖2 機(jī)載陀螺儀表虛擬維修平臺

該平臺還可以設(shè)置5個典型元器件和線路故障模塊,顯示相應(yīng)的故障現(xiàn)象,通過電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出與實(shí)際相符合的電壓信號,用于故障定位和排除訓(xùn)練。

2.3 電子式儀表顯示系統(tǒng)虛擬維修平臺

波音737NG、空客320和波音787飛機(jī)采用電子式儀表顯示系統(tǒng)。電子式儀表顯示系統(tǒng)虛擬維修平臺可進(jìn)行飛機(jī)電子式儀表的操作、測試和排故的熟練性和規(guī)范性操作訓(xùn)練(見圖3)。該平臺主要由控制管理平臺和3D駕駛艙平臺組成,能夠設(shè)置完整的指示系統(tǒng)操作、測試和排故任務(wù)。

控制管理平臺主要功能是設(shè)定、管理和取消實(shí)訓(xùn)任務(wù),包括正常操作任務(wù)和故障任務(wù),確認(rèn)訓(xùn)練任務(wù)完成并評價學(xué)生訓(xùn)練效果、監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)。

3D駕駛艙平臺主要功能是接收數(shù)據(jù),提供駕駛艙儀表顯示、正常和故障情況下的儀表參數(shù)顯示和操作界面的管理,提供自檢、故障隔離和測試操作平臺,提供有硬件仿真控制面板(MCP)/飛行控制組件(FCU)、電子飛行儀表系統(tǒng)(EFIS)控制面板、多功能控制顯示組件(MCDU)和警告板。

圖3 波音737NG等飛機(jī)電子式儀表顯示系統(tǒng)虛擬維修平臺

3 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)探索實(shí)踐

3.1 構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式

中國民航大學(xué)基于虛擬維修平臺創(chuàng)建的虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式，以學(xué)生為中心,以培養(yǎng)學(xué)生的工程能力、動手能力為目標(biāo),促進(jìn)學(xué)生實(shí)習(xí)的多元化[11-12]。

該實(shí)習(xí)模式以教學(xué)大綱為主線,將真實(shí)航材件教學(xué)和虛擬維修平臺教學(xué)結(jié)合起來。學(xué)生通過真實(shí)飛機(jī)和航材件熟悉儀表的外觀和位置；通過虛擬維修平臺熟悉儀表的顯示、組成和功用；利用維修文件指導(dǎo)操作,在虛擬維修平臺上進(jìn)行儀表的維修操作訓(xùn)練；再將

飛機(jī)儀表維修技能應(yīng)用到真實(shí)飛機(jī)或航材件的維修上,解決實(shí)際問題。在這一過程中,學(xué)生將全面了解航空儀表的維修方法、維修流程和工作規(guī)范,提高解決實(shí)際工程問題的能力,并具備航空維修基本技能。

3.2 虛實(shí)結(jié)合教學(xué)實(shí)例

航空伺服高度表維修是飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)教學(xué)的重要內(nèi)容。在實(shí)踐教學(xué)中,教師根據(jù)航空伺服高度表內(nèi)場維修的要求,給出一個具體的工作任務(wù),如航空伺服高度表高度精確度測試、氣壓設(shè)置與電位器輸出準(zhǔn)確值測試、航空伺服高度表分解與組裝等。學(xué)生根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料獨(dú)立學(xué)習(xí)高度表的理論知識,制訂維護(hù)方案,制作工卡,然后在虛擬維修平臺進(jìn)行維修實(shí)踐。圖4為虛擬航空伺服高度表高度精確度測試界面。

圖4 航空伺服高度表高度精確度測試界面

學(xué)生進(jìn)行分組操作,以3～4人為一個小組,對照工卡進(jìn)行航空伺服高度表的測試操作。學(xué)生在操作中若遇到問題,可以隨時通過虛擬仿真實(shí)驗尋求解決問題的方法,也可以得到教師的指導(dǎo)、同學(xué)的協(xié)作。尤其是學(xué)生之間相互交流共同解決問題,更有利于提升分析問題和解決問題的能力。

學(xué)生經(jīng)過虛擬練習(xí)、掌握了航空伺服高度表維護(hù)基本技能以后,教師再將真實(shí)的航空伺服高度表提供給學(xué)生進(jìn)行部分測試,加深學(xué)生對高度表的理解。最后,通過虛擬維修平臺復(fù)習(xí)高度表維護(hù)的基本知識,解決實(shí)物操作出現(xiàn)的問題,并將所學(xué)習(xí)到的理論知識和實(shí)際操作技能做一次全面的復(fù)習(xí)與總結(jié),提升綜合運(yùn)用知識的能力,達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)效果。表1為航空伺服高度表高度精確度測試實(shí)踐教學(xué)過程和主要內(nèi)容。

表1 航空伺服高度表高度精確度測試實(shí)踐教學(xué)過程和主要內(nèi)容

表1(續(xù))

中國民航大學(xué)12級電子信息工程本科實(shí)踐教學(xué)課程采用了虛實(shí)結(jié)合的飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)模式。該課程實(shí)踐教學(xué)得到了學(xué)生的高度認(rèn)可,主要評價是:教學(xué)設(shè)計新穎、可自由發(fā)揮；教學(xué)內(nèi)容豐富,能進(jìn)行復(fù)雜危險的實(shí)踐項目；演示效果好,互動性強(qiáng)。學(xué)生對該課程表現(xiàn)出較大的興趣。

4 結(jié)語

將虛擬仿真技術(shù)引入飛機(jī)儀表顯示系統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中,降低了實(shí)踐教學(xué)成本,解決了用真實(shí)航材件教學(xué)實(shí)驗的困難,拓展了實(shí)踐教學(xué)的深度及廣度,提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)模式使學(xué)生有更好的操作體驗,使被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí),增強(qiáng)了實(shí)踐教學(xué)的互動性,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

References)

[1] 魏國,張迪,杜維杰.工程教育模式下航空電子維修實(shí)踐教學(xué)的改革與探索[J].黑龍江科技信息,2011(11):139.

[2] 孫俊卿,華克強(qiáng),魏國.電子信息工程專業(yè)“工程導(dǎo)論”探索與實(shí)踐[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2012(4):46-47.

[3] 樊智勇,王娟,王勇.多功能飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練器的建設(shè)和教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗技術(shù)與管理,2012,29(5):182-184,191.

[4] 耿宏,秦慶霞,錢文高,等.工程教育改革下航空電子專業(yè)實(shí)驗設(shè)備建設(shè)探索[C]//Information Engineering Research Institute USA. Proceedings of 2013 International Conference on Education and Teaching(ICET 2013) Volume 23.Information Engineering Research Institute,2013.

[5] 周學(xué)東,張凌琳,葉玲,等.虛擬仿真技術(shù)在口腔醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用[J].實(shí)驗技術(shù)與管理,2014,31(5):4-6,16.

[6] 馬麗萍.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電工電子教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用[J].電子世界,2014(18):320-321.

[7] 李松湘.虛擬仿真技術(shù)在電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].長沙:湖南師范大學(xué),2012.

[8] 徐加放,王志遠(yuǎn),高永海,等.虛實(shí)結(jié)合的海洋油氣工程實(shí)踐教學(xué)平臺的構(gòu)建[J].實(shí)驗技術(shù)與管理,2015,32(12):112-115.

[9] 劉明潔.模擬電路虛擬實(shí)驗教學(xué)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].北京:北京郵電大學(xué),2010.

[10] 楊建良.電類基礎(chǔ)課程實(shí)驗教學(xué)“虛實(shí)結(jié)合”模式的構(gòu)建[J].實(shí)驗室研究與探索,2014,33(7):101-104,280.

[11] 盛蘇英.開放式虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗教學(xué)探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗科學(xué)與技術(shù),2014,12(1):98-101,104.

[12] 張丹,范曉飚,游泳濤.航海模擬器虛實(shí)結(jié)合混合教學(xué)模式的構(gòu)建[J].航海教育研究,2011(2):69-71.

Research on of practical teaching of aircraft instrument display system based on virtual-real combination

Li Jingzhao, Zhang Di

(Engineering Technical Training Center, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

To solve the problems of practical teaching of the aircraft instrument display system that teaching resources are not adequate, the teaching contents are single and the teaching mode is old, the virtual maintenance platform for aviation electromechanical and electronic instrument is established, which could reduce cost and risk, extend teaching resources, enrich teaching contents and improve teaching quality. Taking altitude accuracy test in the maintenance of served altitude indicator as an example, this article puts forward a “virtual-real combination” practical teaching mode, which is the use of virtual simulation training, and then the physical operation. With application of the “virtual-real combination” teaching mode, it can not only stimulate students’ interest and creativity, but also full play the subjective initiative of students. Teaching effect is obviously improved and both the teachers and students give high recognition.

aircraft instrument display system; practical teaching reform; virtual simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.035

2016-06-29 修改日期：2016-09-08

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(201510059034)；中國民航大學(xué)教育教學(xué)改革研究課題立項項目(D01-0807)；中國民航大學(xué)實(shí)驗技術(shù)創(chuàng)新

(15-14-03)

李靜昭(1985—),女,天津,碩士,講師,主要研究方向為航空電子.

E-mail：jz-li@cauc.edu.cn

V241；TP391.9

: A

: 1002-4956(2016)12-0142-04