虛實結合的課程實驗教學及其在民航人才培養(yǎng)中的應用

邵荃　周語

摘要：傳統(tǒng)的實驗教學模式存在理論與實踐課程難以融合等問題，科技化教學媒體的出現(xiàn)給課程實驗教學的改革帶來了新的契機。針對課程實驗教學進行研究，在提出傳統(tǒng)實驗教學模式不足的基礎上，引入虛擬現(xiàn)實技術構建模擬實驗平臺，“虛實結合”以建立綜合型實驗課程體系。分析了虛擬現(xiàn)實在實驗教學中的應用現(xiàn)狀，將虛擬現(xiàn)實與模擬機實驗結合起來應用于民航的人才培養(yǎng)中，構建虛實結合的民航實驗教學平臺，以實例說明如何改革現(xiàn)有的教學模式。

關鍵詞：虛實結合；課程改革；實驗教學；人才培養(yǎng)；虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）49-0275-04

課程實驗對于學生全面地掌握學科知識，培養(yǎng)學生實踐操作能力、邏輯思維能力、創(chuàng)新能力和各方面素質等具有不可替代的作用。然而，受傳統(tǒng)實驗教學思想的影響，加之目前高校中實驗場地、設備的限制，課程實驗教學在創(chuàng)新型、實用型人才培養(yǎng)方面的作用仍發(fā)揮不夠[1]。虛擬實驗平臺等現(xiàn)代科技化教學媒體的出現(xiàn)，給課程實驗教學的改革帶來了新的契機。更新教育觀念，將現(xiàn)代科技融入傳統(tǒng)實驗教學中，提升教育教學的整體質量，已成為大多數(shù)人的共識。

一、傳統(tǒng)實驗教學模式的不足

隨著我國教育事業(yè)的蒸蒸日上，各大高校的學生不僅需要學習大量的多學科理論課程，而且還急需相應的實踐課程。然而，在傳統(tǒng)的實驗教學中，除了崗位技能實訓以外，學生難以全面理解和系統(tǒng)掌握相關專業(yè)知識。學生在動手操作前只有理論方面的抽象概念，缺乏具體的認識，導致學生進入實訓現(xiàn)場后無從下手，只有依靠教師的反復講解示范，實驗效率低，操作性弱，儀器設備的安全性也難以保證[2]。面對規(guī)模日益擴大的公司業(yè)務及日益復雜的企業(yè)運營狀況，學生平時學到的理論知識無法轉化為真正實用的知識，實踐操作能力較差，日后在各大企業(yè)中的競爭力也相當薄弱。這充分體現(xiàn)出目前理論課程的內容、學習方式與實踐課程的需求不對接，兩類課程在實施過程中各自獨立，缺少一個橋梁使兩者整合交融。理論課程沒能真正服務于實踐，實踐課程又缺少理論的引領，最終也就難以改善教育的品質問題。另外，在傳統(tǒng)的實驗課程教學過程中，由于教師教學認識及專業(yè)素養(yǎng)的局限性，常常出現(xiàn)照本宣科的現(xiàn)象，無法兼顧課程經(jīng)驗的整體統(tǒng)一，使得大部分課程內容都是離散的，相互之間沒有聯(lián)系[3]。長此以往，實驗課程體系形成了一種離散的結構。學生無法有效地關聯(lián)前面或后面的學習內容，無法在腦中建構個體化的認知和經(jīng)驗結構，難以形成綜合化的問題解決能力，這樣下去會在后續(xù)的學習中導致越來越多的認知漏洞。

二、“虛實結合”以構建綜合型實驗課程體系

學科的知識體系是按照該學科各方面知識之間的內在關系組成的結構系統(tǒng)，其各個知識點之間既存在著橫向拓展，也具有縱向聯(lián)系。為了將離散的實驗課程有效地融合起來，需要建立一種綜合型的課程結構體系，在考慮學生認知基礎的前提下，用多元的教學方法來促進學生認知和能力提升。這要求每一課時教學方法的多元綜合，而且要求特定階段的課型的綜合搭配。采用不同課型的組合搭配，即讓專業(yè)實驗課程中既有理論課程，又有實踐課程，兩者相互配合，促進學生形成良好的專業(yè)知識結構。為了讓理論課程與實踐課程更好地交融，引入新興的虛擬現(xiàn)實技術，構建模擬實驗平臺，使其作為橋梁，通過對學生所學專業(yè)領域的工作進行整體運行流程的虛擬化，完成難以實際操作的實訓教學，“虛實結合”以提升教學效果。通過“虛實結合”，把傳統(tǒng)實驗中的教學內容、實驗設備、教師指導、學生操作等與虛擬實驗平臺融為一體，起到優(yōu)化實驗教學資源和教學過程的作用，實現(xiàn)教學手段的多元化。在虛擬實驗平臺上，學生可以按照自己的需求開展自主學習。在學生學習一些專業(yè)概念時，不僅要在理論課上完成對概念的初步理解目標，還需要通過實踐課程鍛煉學生將概念運用到實際情境中的能力。在鞏固新知識的時候，既需要拓展練習，也需要綜合應用，甚至需要在新的問題情境中進行思維創(chuàng)新，這時，虛實結合的運用便能幫助學生在各種不同的情景中更好地掌握相關專業(yè)技能。

三、虛擬現(xiàn)實及其在實驗教學中的應用

（一）虛擬現(xiàn)實技術的優(yōu)勢

虛擬現(xiàn)實（VR）技術是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統(tǒng)，被廣泛應用于醫(yī)學、藝術、設計及娛樂等眾多領域中，被認為是21世紀大有發(fā)展前途的科學技術領域[4]。目前，VR技術正逐漸走進教學領域，它不同于傳統(tǒng)教學中抽象的、單一感官的體驗方式，通過計算機虛擬出仿佛置身于實景的更加直接、形象化的多重感官刺激，讓學生通過與虛擬環(huán)境中設置的交互場景，體會現(xiàn)實生活中難以營造的真實環(huán)境，對晦澀、難以理解的知識點用活潑生動的形式加以表達，極大拓展了學生思維創(chuàng)造能力。虛擬現(xiàn)實的沉浸性和交互性，使學生能夠在虛擬的學習環(huán)境中扮演一個角色，全身心地投入到學習環(huán)境中去，這非常有利于學生的技能訓練。

（二）虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀分析

虛擬仿真是虛擬現(xiàn)實的核心技術。自1989年虛擬仿真實驗的概念被首次提出后[5-6]，人們開始認識到虛擬仿真實驗平臺在教育領域的應用價值，它不僅能輔助各大高校的科研工作，在實驗教學方面也具有利用率高、易維護等諸多優(yōu)點。近年來，國內外許多高校都根據(jù)自身科研和教學的需求開展了不同程度的虛擬仿真實驗教學。在國外，美國科羅拉多大學開設的PhET交互式虛擬仿真實驗[7]，構建了一個結構化的虛擬實驗室，學生通過運行基于物理現(xiàn)象分析的交互式虛擬仿真軟件，在高度仿真的虛擬環(huán)境中，以個性化學習、自主式實驗的方式，啟迪創(chuàng)新思維，驗證所提出的實驗方案和技術構想。英國開放大學應用基于互聯(lián)網(wǎng)的三維虛擬世界“第二人生”開展教學，通過構建一個與課堂平行且身臨其境的三維虛擬環(huán)境，使師生既能夠實時進行交互、完成學習任務和參與集體活動。在國內，自2013年教育部啟動國家級虛擬仿真實驗教學中心建設工作以來，極大地推動了實驗教學示范中心內涵建設的提升和可持續(xù)發(fā)展，截至2015年9月，全國已建設有200個國家級虛擬仿真實驗教學中心，分布在全國155所普通本科院校[8]。2017年，教育部辦公廳發(fā)布了關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知，推動高校積極探索線上線下教學相結合的個性化、智能化、泛在化實驗教學新模式，支撐高等教育教學質量全面提高。通過考察國內外高校虛擬仿真實驗教學的現(xiàn)狀，得知現(xiàn)有的實驗教學還可進一步優(yōu)化，運用虛擬現(xiàn)實技術，將虛擬仿真實驗與實際訓練結合起來，構建資源優(yōu)化、運作高效的“虛實結合”實驗教學平臺。開展虛實結合的實驗教學模式，提高信息化條件下學生自主學習、自主實驗及自我創(chuàng)新能力，推動人才培養(yǎng)模式的創(chuàng)新。

四、虛實結合實驗教學在民航人才培養(yǎng)中的應用

據(jù)民航局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，中國民航2017年旅客吞吐量超過11億人次，貨郵吞吐量超過1600萬噸，機場主要生產指標保持平穩(wěn)快速增長[9]。隨著民航業(yè)的高速發(fā)展，民航企事業(yè)單位對民航專業(yè)人才的需求日益提高。為民航系統(tǒng)培養(yǎng)更多具備扎實專業(yè)知識和出眾實踐能力的優(yōu)秀人才，是民航教學工作者的艱巨任務。因此，需要將更先進的虛實結合的實驗教學模式應用于民航專業(yè)課程中。

（一）構建虛實結合的民航實驗教學平臺

“虛實結合”的實驗教學培訓是一種依托虛實結合優(yōu)勢互補的新穎形式的綜合教學活動，是知識能力和行為的串聯(lián)培訓，使知識行為化、行為再固化，最后復盤總結夯實成效，從而達到培養(yǎng)學生處理的習慣、鎮(zhèn)靜的頭腦、嫻熟的操作的培訓目標[10]。本文將虛擬現(xiàn)實技術與模擬機實驗結合起來，應用于民航專業(yè)課程的實驗教學中，實現(xiàn)“虛實結合”的實驗教學培訓。構建民航模擬實驗平臺，使學生不僅能掌握關鍵崗位的專業(yè)技能，還能夠沉浸于民航系統(tǒng)運行的全過程，全面了解民航系統(tǒng)運行的關鍵環(huán)節(jié)，使之將所學的理論知識和專業(yè)技能較為完美地融合起來。該實驗平臺能夠運用虛擬現(xiàn)實技術模擬民航多個關鍵崗位的運行操作，培訓的科目包括機場運行控制、簽派、地面服務、空中管制、飛行駕駛等，使學生熟悉與民航管理、運行、安全有關的各種操作程序和方法，提高學生的綜合素質水平。之后，學生再進入模擬機實訓現(xiàn)場完成實踐課程教學，進行飛行模擬、空中管制員模擬等具體流程操作，體驗更為真實的視覺效果與觸感，熟悉并掌握民航關鍵崗位的關鍵技能，大幅度提高學生的動手操作能力，為將來的工作奠定良好的基礎。

（二）民航模擬實驗平臺的組成

民航模擬實驗平臺分為6個功能模塊，各模塊主要作用如下。

1.數(shù)據(jù)準備與分析模塊。用于生成民航系統(tǒng)操作模擬場景、資源數(shù)據(jù)，編制模擬訓練練習，對模擬訓練情況進行記錄與分析，并對已完成的培訓進行綜合評估。

2.系統(tǒng)運行控制模塊。用于模擬教學培訓分組和教學培訓進程的管理與控制，以及模擬練習運行數(shù)據(jù)記錄的輸出與再現(xiàn)等。

3.現(xiàn)場指揮調度實訓模塊?，F(xiàn)場指揮實訓模擬室包含了涉及航空公司、機場、空管單位的多個席位，包括簽派席位、機務席位、機場運控席位、指揮協(xié)調席位等，該模塊用于模擬航空公司、機場、空管協(xié)同聯(lián)動的現(xiàn)場指揮應當具備的各種功能，包括現(xiàn)場指揮調度工作環(huán)境、指揮調度工具和必要的輔助信息顯示等，為現(xiàn)場指揮調度實訓的學生提供盡可能逼真的教學實訓環(huán)境。

4.3D模擬現(xiàn)場運行模塊。用于模擬場面運行態(tài)勢、空中運行管制、地面運行管制等訓練，實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時可控處理，滿足現(xiàn)場管理人員的3D虛實結合場景訓練需求。

5.模擬駕駛實訓模塊。用于模擬飛行駕駛、車輛駕駛活動的控制，實現(xiàn)對民航關鍵活動的接近真實、靈活和簡便的操作，滿足教學實訓對于駕駛員與航空器、車輛交互的要求。

6.模擬通信模塊。用于模擬現(xiàn)場指揮調度、空中管制、地面運行管制等各模塊的信息交流與接報上報流程，滿足模擬民航系統(tǒng)管控和協(xié)同調度管理對于通信的各種要求。

該平臺的系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

（三）民航模擬實驗平臺的建設內容

民航模擬實驗平臺將VR技術和模擬機實訓教學結合起來，用于民航系統(tǒng)整體運行管理技術及民航協(xié)同調度效率的提升，對民航各關鍵事業(yè)崗位的關鍵技能操作方面開展虛實結合的仿真模擬。該平臺的具體建設內容如圖2所示。

根據(jù)實踐課程內容，民航專業(yè)的學生可以在老師的指導下利用該平臺創(chuàng)造不同情景的多種定制化場景，進行現(xiàn)場指揮調度、空中運行管制、簽派、飛行駕駛、車輛駕駛、安全檢查等各種實踐操作，活學活用理論知識，熟悉民航系統(tǒng)各項工作的運行處置流程，掌握各部門相應職責，提高個人的實際操作能力、組織管理能力及業(yè)務保障能力。若是設置突發(fā)事件場景，讓學生進行緊急情況下的現(xiàn)場保障過程協(xié)調指揮模擬操作，能進一步培養(yǎng)學生的應變能力和綜合知識運用的能力。具體各項模擬實踐操作的民航運行3D圖如圖3所示。

四、結語

構建“虛實結合”的創(chuàng)新型課程實驗教學模式，能夠豐富教學內容，大幅度提升學生的學習興趣，使平?？菰锏恼n堂教學轉變?yōu)槿の缎?、實用性較強的沉浸式學習，有助于課程實驗教學保障體系的建立和學生創(chuàng)新精神、實踐能力的培養(yǎng)，最終實現(xiàn)高等院校創(chuàng)新型、實用型專業(yè)技術人才的培養(yǎng)目標。將虛擬現(xiàn)實技術應用于專業(yè)課程的實驗教學中，構建綜合型的實驗課程體系，不僅適用于民航專業(yè)的課程教學，還可廣泛應用于其他各學科專業(yè)，從而培養(yǎng)出更多出類拔萃的優(yōu)秀人才，使我國的教學模式得以真正改革。

參考文獻：

[1]楊建良.電類基礎課程實驗教學“虛實結合”模式的構建[J].實驗室研究與探索，2014，33（7）：101-104.

[2]李翠超，凌芳.虛實結合的虛擬仿真技術在工程訓練中的應用[J].實驗室科學，2015，16（2）：34-38.

[3]車麗娜.學科課程實施的型構[J].當代教育科學，2017，35（4）：64-69.

[4]艾奕晨.虛擬現(xiàn)實技術在民航管制模擬中的應用[J].中國科技信息，2016，3（22）：51-55.

[5]黃榮懷，鄭蘭琴，程薇.虛擬實驗及其學習者可信度認知[J].開放教育研究，2012，5（12）：11-17.

[6]王基生，于平太，李瑩.虛擬實驗平臺開發(fā)和應用的理性思考[J].現(xiàn)代教育技術，2010，6（2）：44-48.

[7]王衛(wèi)國，胡今鴻，劉宏.國外高校虛擬仿真實驗教學現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實驗室研究與探索，2015，22（5）：54-58.

[8]祖強，魏永軍.國家級虛擬仿真實驗教學中心建設現(xiàn)狀探析[J].實驗技術與管理，2015，（11）：156-159.

[9]中國民用航空局.2017年民航機場生產統(tǒng)計公報[EB/OL].http：//www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/TJSJ/201803/t20180307_55600.html，2018-03-07.

[10]石惟理，景麗君，付軍鳳，等.“虛實結合”應急演練實訓項目的開發(fā)與實踐[J].石油化工管理干部學院學報，2016，19（5）：21-24.