基于虛擬仿真的飛機(jī)系統(tǒng)教學(xué)資源建設(shè)方法探索

王娟++樊智勇++段照斌++曾佩佩

摘 要：本文明確了基于虛擬仿真的飛機(jī)系統(tǒng)教學(xué)資源建設(shè)的需求和目標(biāo)，提出了從教學(xué)構(gòu)思、腳本設(shè)計(jì)、仿真操作到后期技術(shù)處理全階段的資源建設(shè)流程和實(shí)施方案，并通過一個(gè)飛機(jī)電子系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)例詳細(xì)探討了基于虛擬仿真的飛機(jī)系統(tǒng)教學(xué)資源的建設(shè)方法。目前，基于虛擬仿真的教學(xué)資源在行業(yè)認(rèn)知課程和飛機(jī)電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)課程中已成功應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果，為建立面向網(wǎng)絡(luò)的機(jī)務(wù)維修工程虛擬仿真中心在線課程資源打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)系統(tǒng)；虛擬仿真；開放共享；教學(xué)資源

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2017）13-0054-05

一、建設(shè)需求

1.教育信息化及學(xué)習(xí)方式的變革

信息化社會(huì)的到來，推動(dòng)了教育信息化的發(fā)展，帶來了教育方式和學(xué)習(xí)方式的變革。推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的建設(shè)與利用，改革傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式，既是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)發(fā)展和信息技術(shù)發(fā)展的需要，也是高等教育大眾化條件下，高校為轉(zhuǎn)變教育理念，改革教學(xué)內(nèi)容、方法與手段，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的必然選擇。隨著大規(guī)模開放網(wǎng)絡(luò)課程（MOOC）等的興起，以興趣為導(dǎo)向、充滿個(gè)性化、基于互聯(lián)網(wǎng)且具有交互功能的開放式在線學(xué)習(xí)，顛覆性地變革了以往的“教”與“學(xué)”方式。國(guó)內(nèi)高校紛紛開展網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源的建設(shè)與利用工作[1][2]。

2.國(guó)家級(jí)虛擬仿真中心建設(shè)需求

民航是復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、大場(chǎng)景的思維、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸系統(tǒng)，真實(shí)運(yùn)行環(huán)境下的學(xué)習(xí)和研究是很難實(shí)現(xiàn)的。為此，我校成了機(jī)務(wù)維修仿真教學(xué)中心，并被教育部批準(zhǔn)為首批國(guó)家級(jí)虛擬仿真教學(xué)中心。2013年，教育部《關(guān)于開展國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作的通知》[3]中要求：實(shí)現(xiàn)校內(nèi)外、本地區(qū)及更廣范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源共享，滿足多地區(qū)、多學(xué)校和多學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求。傳統(tǒng)的飛機(jī)維修實(shí)踐課程由于受到場(chǎng)地、飛機(jī)、工具耗材和成本限制，很難達(dá)到開放共享的目標(biāo)。對(duì)比國(guó)家級(jí)虛擬仿真中心建設(shè)的“開放共享和充分使用”的目標(biāo)，機(jī)務(wù)維修工程仿真教學(xué)中心還有很大的提升空間[4][5]。

因此，以在線課程形式，通過3D飛機(jī)仿真操作、動(dòng)態(tài)原理圖制作、課程互動(dòng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、視屏錄制與處理、中英雙語字幕制作等信息化手段，完成一系列交互式、立體化在線課程資源的建設(shè)[6][7]，是教育信息化的需求，也是國(guó)家級(jí)虛擬仿真中心建設(shè)需求。教學(xué)資源可直接應(yīng)用于機(jī)務(wù)專業(yè)飛機(jī)系統(tǒng)維修實(shí)踐課程中，還可作為民航行業(yè)認(rèn)知的特色教學(xué)資源面向全校和社會(huì)開放。

二、資源的建設(shè)流程

基于虛擬仿真的飛機(jī)系統(tǒng)教學(xué)資源的建設(shè)，符合工程產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的通用流程，同樣也包含了構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行完整的CDIO工程階段，具體而言，可將資源的建設(shè)流程分為教學(xué)構(gòu)思、腳本設(shè)計(jì)、仿真操作和技術(shù)處理、教學(xué)應(yīng)用和反饋四個(gè)階段[8][9]。

1.教學(xué)構(gòu)思

（1）明確教學(xué)目標(biāo)

首先，要明確制作課程的教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)包含加深學(xué)生對(duì)相關(guān)專業(yè)理論原理的理解，掌握系統(tǒng)工作過程，培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)務(wù)作風(fēng)和綜合分析解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生航空維修專業(yè)技能和工程素質(zhì)的培養(yǎng)。

（2）遴選教學(xué)資源

其次，評(píng)估當(dāng)前資源、能力以及與課程目標(biāo)的匹配程度，按需填寫表1。

表1中，每項(xiàng)資源都有其對(duì)應(yīng)的能力，而能力則對(duì)應(yīng)教學(xué)目標(biāo)是否能夠?qū)崿F(xiàn)或是否能夠更好地實(shí)現(xiàn)，以高度匹配、基本匹配和不匹配三級(jí)標(biāo)注。對(duì)于飛機(jī)系統(tǒng)的虛擬仿真而言，目前的資源包括：多功能飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練平臺(tái)、飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)、飛機(jī)維護(hù)CBT軟件、課程PTT、參考視頻資源和其他相關(guān)資源。

（3）突出課程要點(diǎn)，明晰授課脈絡(luò)

對(duì)于以工作任務(wù)為導(dǎo)向的飛機(jī)系統(tǒng)項(xiàng)目，可以根據(jù)WHY、HOW、WHAT的問題框架，提取課程要點(diǎn)，銜接邏輯關(guān)系，依次回答“為什么做？”、“如何做？”和“做什么”，形成明晰的授課脈絡(luò)。

2.腳本設(shè)計(jì)

完成教學(xué)構(gòu)思后，形成初步腳本。根據(jù)初步腳本，由主講教師和技術(shù)團(tuán)隊(duì)針對(duì)假設(shè)場(chǎng)景進(jìn)行充分地討論，根據(jù)不同的教學(xué)階段，確定場(chǎng)景構(gòu)圖、仿真操作節(jié)點(diǎn)、教學(xué)對(duì)白、后期預(yù)計(jì)特效等元素，完成分鏡頭詳細(xì)設(shè)計(jì)，形成詳細(xì)的操作腳本，必要時(shí)加入示意插圖。

3.仿真操作和技術(shù)處理

根據(jù)詳細(xì)的操作腳本，由技術(shù)團(tuán)隊(duì)配合主講教師完成仿真操作和視頻錄制。仿真操作包括場(chǎng)景操作和系統(tǒng)操作，場(chǎng)景操作如虛擬駕駛艙和虛擬飛機(jī)的切換、同屏對(duì)比處理、全向視角漫游、放大/縮小、平移＼旋轉(zhuǎn)、突出顯示等，系統(tǒng)操作如點(diǎn)擊操作開關(guān)、檢查系統(tǒng)顯示、設(shè)置故障、同步動(dòng)態(tài)原理圖等。視頻錄制可以采用市面上任意一種支持Windows系統(tǒng)屏幕錄制的軟件。初步形成的教學(xué)資源需要通過精心的后期處理，包括視頻素材剪輯、字幕處理、特效處理等操作，才能形成用于發(fā)布的最終作品[10]。

三、教學(xué)實(shí)例分析

下面以飛機(jī)電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)課程中慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)項(xiàng)目[11][12]為例，介紹基于虛擬仿真的飛機(jī)系統(tǒng)教學(xué)資源的具體實(shí)施過程。

1.教學(xué)構(gòu)思

首先，明確教學(xué)目標(biāo)：加深學(xué)生對(duì)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)專業(yè)理論原理的理解，掌握慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)過程，特別是解決工作過程中遇到的問題，培養(yǎng)學(xué)生按手冊(cè)工作的機(jī)務(wù)作風(fēng)和綜合分析解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生航空維修專業(yè)技能和工程素質(zhì)的培養(yǎng)。

其次，評(píng)估當(dāng)前資源、能力以及與課程目標(biāo)的匹配程度，填寫表3。

由表4可以發(fā)現(xiàn)，多功能飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練平臺(tái)可在虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中完成課程所需的慣導(dǎo)校準(zhǔn)虛擬仿真和基本故障模擬功能，實(shí)現(xiàn)效果優(yōu)于維護(hù)CBT軟件的2D操作效果和課程PTT的文字描述效果。因此，選擇課程PPT、多功能飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練平臺(tái)、飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)（AMM）三項(xiàng)組合來滿足課程對(duì)教學(xué)目標(biāo)的需求。

根據(jù)WHY、HOW、WHAT的問題框架，提取課程要點(diǎn)，銜接邏輯關(guān)系，依次回答“為什么做？”、“如何做？”和“做什么”，形成明晰的授課脈絡(luò)。

（1）慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)工作前為什么要進(jìn)行校準(zhǔn)？

回答這個(gè)問題，需要先帶學(xué)生簡(jiǎn)單回顧慣性導(dǎo)航的基本工作原理。根據(jù)原理推出慣性導(dǎo)航采用的是積分計(jì)算，在進(jìn)行計(jì)算前，系統(tǒng)必須知道飛機(jī)的初始狀態(tài)，即校準(zhǔn)時(shí)要輸入飛機(jī)的初始位置。

（2）慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)如何進(jìn)行校準(zhǔn)？

首先需要查詢飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)AMM，可知通過FMC CDU或者ISDU兩種輸入位置的方法完成校準(zhǔn)。

其次，校準(zhǔn)工作之前有三點(diǎn)注意事項(xiàng)要引起學(xué)生重視：a.當(dāng)飛機(jī)處于不同的緯度時(shí)，校準(zhǔn)時(shí)間不同；b.校準(zhǔn)時(shí)，飛機(jī)位置不能發(fā)生移動(dòng)；c.校準(zhǔn)時(shí)，必需輸入飛機(jī)當(dāng)前的緯度和經(jīng)度信息。

然后根據(jù)手冊(cè)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)程序：確認(rèn)供電正常、啟動(dòng)校準(zhǔn)開關(guān)、輸入初始位置、監(jiān)控校準(zhǔn)指示直至確認(rèn)校準(zhǔn)結(jié)果。輸入初始位置有幾種方法，都要給出講解和演示。最后采用GPS實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的輸入初始位置。注意校準(zhǔn)過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象，能識(shí)別正常和不正常系統(tǒng)狀態(tài)。

（3）校準(zhǔn)工作中有哪些常見問題及解決方法？

這一部分根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際機(jī)務(wù)一線中常出現(xiàn)的情況，需要給出兩個(gè)有關(guān)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)校準(zhǔn)的問題和分析解決方法。

a. 既然ADIRU能夠自主計(jì)算出當(dāng)前所處的緯度，為什么還需要輸入初始緯度呢？

b. 校準(zhǔn)過程中出現(xiàn)下列現(xiàn)象：ALIIGN燈將閃亮，CDU上重新出現(xiàn)SET IRS POSTION信息，ISDU上校準(zhǔn)時(shí)間顯示為0，狀態(tài)代碼消失。此時(shí)如果仍然輸入相同的緯度值，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)MSU上的FAULT故障燈點(diǎn)亮。這種異常狀態(tài)的原因是什么？機(jī)務(wù)維護(hù)實(shí)踐中又該如何處理？

2.腳本設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)構(gòu)思的結(jié)果，形成初步的腳本，如表5所示。

據(jù)初步腳本，經(jīng)過充分討論，根據(jù)不同的教學(xué)階段，完成分鏡頭詳細(xì)設(shè)計(jì)，形成詳細(xì)的操作腳本，一個(gè)具體的詳細(xì)操作腳本示例如表6所示。

3.仿真操作和技術(shù)處理

根據(jù)詳細(xì)的操作腳本，由技術(shù)團(tuán)隊(duì)配合主講教師完成仿真操作和視頻錄制，仿真操作中的突出顯示效果如圖3所示。初步形成的教學(xué)資源通過視頻素材剪輯、字幕處理、特效處理等操作，最終形成用于發(fā)布的作品。

首先，與傳統(tǒng)的理論課程不同，基于虛擬仿真的實(shí)踐課程需要在多種教學(xué)資源之間切換，采用多樣化的場(chǎng)景和方式展現(xiàn)同一個(gè)教學(xué)要點(diǎn)，這就使得一次性完成一個(gè)完美的仿真教學(xué)視頻是非常耗時(shí)的，而采用視頻剪輯處理則可大大提高制作的效率。其次，視頻的剪輯處理也是一個(gè)數(shù)字化資源重新組合編碼的過程，不僅可以調(diào)節(jié)視頻的碼率，以平衡網(wǎng)絡(luò)傳輸和清晰度之間的需求，還可以根據(jù)教學(xué)要點(diǎn)設(shè)置視頻的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，用于后續(xù)網(wǎng)絡(luò)人機(jī)交互課程開發(fā)中關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的定位。

為提高學(xué)生在課程中的注意力，教學(xué)資源必須同步提供中文字幕，并對(duì)專業(yè)術(shù)語提供英文對(duì)照。實(shí)踐表明，添加視頻字幕，對(duì)提高學(xué)生在課程中的接收程度具有非常明顯的促進(jìn)效果。簡(jiǎn)單的字幕可以采用文本格式的SRT文件，而對(duì)于較高的應(yīng)用要求，則可采用ASS文件格式，可以方便的加入字體變色、突出顯示等特殊效果。

為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，視頻制作時(shí)注重與學(xué)習(xí)者的互動(dòng)與交流，穿插測(cè)試以檢驗(yàn)學(xué)生的掌握程度。在視頻中設(shè)置若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，學(xué)生需要回答完問題或操作完成后才能繼續(xù)，可在一定程度上避免學(xué)生只放視頻卻不能有效學(xué)習(xí)的情況。

4.教學(xué)應(yīng)用和反饋

慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)教學(xué)資源應(yīng)用于航電集成化實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目中的學(xué)生自主學(xué)習(xí)部分，根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，從教師和學(xué)生兩方面收集反饋意見，由技術(shù)處理、仿真操作、腳本設(shè)計(jì)到教學(xué)構(gòu)思，逐級(jí)回溯，形成了目前比較穩(wěn)定的資源版本，正在不斷改進(jìn)中。

四、下一步規(guī)劃

1.資源擴(kuò)展

目前，課程組已完成了飛行操縱、自動(dòng)飛行、慣導(dǎo)校準(zhǔn)等多個(gè)飛機(jī)電子系統(tǒng)的虛擬仿真教學(xué)資源的建設(shè)，教學(xué)效果顯著，針對(duì)國(guó)家級(jí)虛擬仿真中心“開放共享和充分使用”的建設(shè)目標(biāo)，需要積極向機(jī)械、發(fā)動(dòng)機(jī)和電氣系統(tǒng)方向拓展，在多功能飛機(jī)維護(hù)訓(xùn)練平臺(tái)基礎(chǔ)上，按照教學(xué)需求，通過3D飛機(jī)仿真操作、動(dòng)態(tài)原理圖制作、課程互動(dòng)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)、視屏錄制與處理、中英雙語字幕制作等信息化手段，完成一系列涵蓋飛行操縱、自動(dòng)飛行、飛行管理、綜合顯示、GPWS、TCAS、空調(diào)、電源、防火、燈光、燃油、液壓、防冰、起落架、引氣、APU、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的交互式、立體化在線課程資源的建設(shè)。

系統(tǒng)級(jí)教學(xué)資源規(guī)劃及進(jìn)度如表7所示，合計(jì)27個(gè)專題，約540分鐘。

2.團(tuán)隊(duì)協(xié)作

組織一支面向全校師生的開放型的虛擬仿真教學(xué)資源開發(fā)和應(yīng)用團(tuán)隊(duì)，廣泛吸收青年教師、研究生、校內(nèi)模擬飛行愛好者、網(wǎng)絡(luò)公開課字幕組成員，探討協(xié)同工作和長(zhǎng)效激勵(lì)機(jī)制，形成中國(guó)民航大學(xué)品牌的虛擬仿真教學(xué)資源。

3.共享研究

在資源建設(shè)基礎(chǔ)上，還需要研究開放式在線虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的需求和架構(gòu)，探討包括自主學(xué)習(xí)模式、管理與評(píng)價(jià)機(jī)制等方面機(jī)務(wù)維修虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，最終形成面向網(wǎng)絡(luò)的機(jī)務(wù)維修虛擬仿真教學(xué)資源的共享機(jī)制和實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)方案，并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。

五、結(jié)束語

建設(shè)基于虛擬仿真的飛機(jī)系統(tǒng)教學(xué)資源是教育信息化在民航領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)之一。機(jī)務(wù)維修工程仿真教學(xué)中心的建設(shè)不僅要加大對(duì)信息化基礎(chǔ)條件建設(shè)的投入，更應(yīng)當(dāng)切實(shí)注重信息技術(shù)與課程的有效整合，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與教學(xué)的深度融合。本文提出了從教學(xué)構(gòu)思、腳本設(shè)計(jì)、仿真操作到后期技術(shù)處理全階段的資源建設(shè)流程和實(shí)施方案，以飛機(jī)電子系統(tǒng)的教學(xué)實(shí)例詳細(xì)探討了基于虛擬仿真的飛機(jī)系統(tǒng)教學(xué)資源的建設(shè)方法，并從資源擴(kuò)展、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和共享研究三方面闡述了進(jìn)一步規(guī)劃。實(shí)踐表明，基于虛擬仿真的教學(xué)資源在行業(yè)認(rèn)知課程和飛機(jī)電子系統(tǒng)實(shí)習(xí)課程中應(yīng)用效果良好，為建立面向網(wǎng)絡(luò)的機(jī)務(wù)維修工程虛擬仿真中心在線課程資源打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（編輯：王曉明）