基于AR/VR技術(shù)的民航類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)研究

夏前錦 連龍 井南

【摘要】虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在近些年得到了快速的發(fā)展，二者在教育領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。文章分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到民航類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)的可行性和必要性，提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“沉浸式”教學(xué)和基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“交互式”教學(xué)，構(gòu)建了基于AR/VR技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)體系，旨在將AR/VR技術(shù)應(yīng)用到民航類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中，以更好地培養(yǎng)符合社會(huì)需求的應(yīng)用技術(shù)型高級(jí)專門人才。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實(shí)? 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)? 民航類專業(yè)? 實(shí)踐教學(xué)

【基金項(xiàng)目】本文由鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院《高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目》支持，項(xiàng)目編號(hào)：202000201。

【中圖分類號(hào)】G420 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2021）16-0181-02

一、緒論

VR（Virtual Reality，虛擬現(xiàn)實(shí)）概念最早由美國(guó) VPL Research公司創(chuàng)始人之一的Jaron Lanier在1989年提出，目前在業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)描述為由交互式計(jì)算機(jī)仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動(dòng)作，替代或增強(qiáng)一種或多感官反饋，從而產(chǎn)生一種精神沉浸于或出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬世界）中的感覺[1]。

AR（Augmented Reality， 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）廣義上講也是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一種形式，是利用計(jì)算機(jī)生成一種逼真的視、聽、力、觸和動(dòng)等感覺的虛擬環(huán)境，通過各種傳感設(shè)備使用戶“沉浸”到該環(huán)境中 ，實(shí)現(xiàn)用戶和環(huán)境直接進(jìn)行自然交互。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將虛擬信息與真實(shí)場(chǎng)景相融合，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將虛擬信息通過文字、圖形圖像、聲音、觸覺方式渲染補(bǔ)充至人的感官系統(tǒng)，用以增強(qiáng)用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界感知的技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)并沒有使用戶完全沉浸在虛擬環(huán)境，使人能夠看到的是虛擬物體合成于真實(shí)環(huán)境中的雙重世界，擴(kuò)大人類的感知能力[2]。

二、民航類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速、穩(wěn)步發(fā)展的整體態(tài)勢(shì)下，各行各業(yè)均取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。中國(guó)被認(rèn)為是民航業(yè)發(fā)展最快且發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膰?guó)家。據(jù)波音公司2020年在《未來20年民用航空市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)》報(bào)告中顯示，中國(guó)的航空公司未來20年將需要采購(gòu)8600架新飛機(jī)，價(jià)值1.4萬(wàn)億美元，同時(shí)需要價(jià)值1.7萬(wàn)億美元的民用航空服務(wù)[3]。按照目前普遍認(rèn)可的國(guó)際民航平均人機(jī)比100∶1來看，未來20年我國(guó)就需要民航類人才86萬(wàn)人;而按照我國(guó)民航平均人機(jī)比200∶1來看，未來20年我國(guó)需要的民航類人才超過百萬(wàn)。而且，以上還僅僅是商用航空數(shù)據(jù)，如果考慮市場(chǎng)廣大的通用航空，人才需求量將更為龐大，僅靠目前的人才培養(yǎng)情況來看遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。

近年來國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)航空院校，如北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中國(guó)民航大學(xué)等均開設(shè)了不同定位、種類多樣、面向民航領(lǐng)域的專業(yè)。與此同時(shí)，將近50多所地方本科院校及大專院校也相繼開設(shè)如機(jī)務(wù)、電子系統(tǒng)與機(jī)載設(shè)備、機(jī)場(chǎng)運(yùn)行與管理等勞動(dòng)力缺口較大專業(yè)。然而，由于民航類專業(yè)極其注重實(shí)踐能力的培養(yǎng)，是實(shí)踐教學(xué)建設(shè)的種種困難和問題開始凸顯：

（一）實(shí)踐教學(xué)建設(shè)費(fèi)用高，需要持續(xù)投入

飛機(jī)是由機(jī)體、起落架、發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)和液壓、操縱、燃油、航電、環(huán)控、防火等系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜航空器。開設(shè)民航類專業(yè)之初，基于開展實(shí)踐教學(xué)考慮需要購(gòu)買真實(shí)飛機(jī)系統(tǒng)和部段供學(xué)生學(xué)習(xí)，這就決定了民航類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)不僅需要投入大量資金購(gòu)置飛機(jī)系統(tǒng)和部段，還需配套專門的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所建設(shè)。并且，為了維持實(shí)踐教學(xué)，還需要持續(xù)購(gòu)置航空專用工具及耗材。而無論飛機(jī)系統(tǒng)、部段還是航材都十分昂貴，這就需要大量的資金投入，并且要穩(wěn)定不斷地投入支持，由此產(chǎn)生的資金壓力對(duì)學(xué)校和學(xué)生都是很大的考驗(yàn)。

（二）實(shí)踐教學(xué)操作難度大，完成度難以保證

飛機(jī)各部段及系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，技術(shù)含量非常高。因此，針對(duì)這些部段和系統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)難度也相應(yīng)較高。例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)踐，整個(gè)拆裝實(shí)訓(xùn)步驟十分繁瑣，對(duì)學(xué)生的綜合能力要求極高。現(xiàn)階段在對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆裝實(shí)踐時(shí)，采取的還是通用的原始方法，即根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的紙質(zhì)版文檔或者電子手冊(cè)進(jìn)行操作，在實(shí)訓(xùn)的過程中需要不時(shí)地查看相關(guān)的內(nèi)容[4]。這樣的實(shí)踐教學(xué)整體操作難度大，并且非常容易出現(xiàn)裝配錯(cuò)誤、少裝、漏裝等現(xiàn)象，實(shí)踐完成度較難保證。

（三）實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)方式不統(tǒng)一，難以形成體系

目前，大多數(shù)高校民航類專業(yè)均屬于起步發(fā)展階段，針對(duì)相關(guān)實(shí)踐教學(xué)的專門研究較少，專業(yè)實(shí)踐教學(xué)設(shè)備如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架等型號(hào)繁雜，教學(xué)配套軟件更是五花八門，這就造成對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力的評(píng)價(jià)各不相同，無法形成體系化。最終，學(xué)生到達(dá)工作崗位后又需要重新學(xué)習(xí)，不利于應(yīng)用型人才培養(yǎng)。

三、基于AR/VR技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)

（一）利用VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）技術(shù)，構(gòu)建“沉浸式”實(shí)踐教學(xué)氛圍

傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)首先要進(jìn)行理論講授，主要以文字結(jié)合圖片的形式對(duì)實(shí)踐所涉及的諸如構(gòu)造、功能、工作原理、常規(guī)問題、解決方案等進(jìn)行介紹，學(xué)生往往很難從感性角度理解所學(xué)內(nèi)容，進(jìn)而面對(duì)實(shí)物動(dòng)手操作時(shí)很難做到得心應(yīng)手，甚至大多時(shí)候面對(duì)實(shí)踐內(nèi)容感覺無從下手。利用VR技術(shù)，構(gòu)建“沉浸式”實(shí)踐教學(xué)氛圍，飛機(jī)各部分結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)理論知識(shí)通過文字描述、3D模型、動(dòng)畫、語(yǔ)音等多種虛擬方式形象直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生通過3D眼鏡、3D頭盔等工具進(jìn)行學(xué)習(xí)[5]。最終學(xué)習(xí)效果可通過專門的考核系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)，方便學(xué)生的同時(shí)也減輕實(shí)踐教師的負(fù)擔(dān)。通過虛擬環(huán)境對(duì)實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行全方位的、直觀的認(rèn)識(shí)，相比傳統(tǒng)書本，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使學(xué)生“沉浸其中”，更有助于對(duì)知識(shí)的理解、吸收和內(nèi)化。

（二）利用AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)，構(gòu)建“交互式”實(shí)踐教學(xué)體驗(yàn)

實(shí)踐教學(xué)其核心環(huán)節(jié)是學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)在操作環(huán)節(jié)很難保證流暢性及完成度，學(xué)生面對(duì)實(shí)物往往手足無措，只能通過反復(fù)查找手冊(cè)及實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)進(jìn)行實(shí)踐，整體過程拖沓，容易出現(xiàn)紕漏。例如機(jī)務(wù)專業(yè)最為核心的航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)踐，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高技術(shù)性和極度復(fù)雜性，學(xué)生難以獨(dú)立完成拆裝。但是，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)踐教學(xué)中，可就拆裝步驟、注意事項(xiàng)及各部分故障在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí)感應(yīng)和標(biāo)注，增強(qiáng)操作連續(xù)性及實(shí)踐技能獲得感，提升實(shí)踐教學(xué)完成度。另外，實(shí)踐現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也可進(jìn)行編輯修改，達(dá)到模擬不同現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的目的，使學(xué)生真正掌握不同環(huán)境下航空發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)的實(shí)踐技能。利用AR技術(shù)，構(gòu)建“交互式”實(shí)踐教學(xué)體驗(yàn)，學(xué)生在實(shí)踐過程中與系統(tǒng)建立交互，對(duì)實(shí)踐過程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)感應(yīng)和標(biāo)注指導(dǎo)，結(jié)合對(duì)不同現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的模擬，達(dá)到對(duì)現(xiàn)實(shí)的增強(qiáng)，提高實(shí)踐教學(xué)完成度。

AR/VR技術(shù)的應(yīng)用，可從根本上改變目前民航類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)所面臨的困境。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)形象直觀地幫助學(xué)生鞏固理論知識(shí)，為實(shí)際操作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，最大限度減少實(shí)踐設(shè)備、工具和器材的購(gòu)置臺(tái)套數(shù)及損耗;運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐過程中給予學(xué)生實(shí)時(shí)指導(dǎo)，避免反復(fù)查看資料所造成的時(shí)間浪費(fèi)，提高實(shí)踐的流暢性和完整性，也間接減少了實(shí)踐設(shè)備、工具和器材損耗。由此可見，基于AR/VR技術(shù)的民航類專業(yè)實(shí)踐教學(xué)可以鞏固學(xué)生所學(xué)理論知識(shí)，保證實(shí)踐教學(xué)的整體完成度和掌握程度。在此基礎(chǔ)上，實(shí)踐教學(xué)的費(fèi)用投入也大大減少，辦學(xué)能力將有效提升。

四、基于AR/VR技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)體系

將AR/VR應(yīng)用到民航類專業(yè)的實(shí)踐教學(xué)中，還只是完成了骨架構(gòu)建，還需要建立一套行之有效、便于推廣的評(píng)價(jià)體系。例如，應(yīng)根據(jù)不同實(shí)踐內(nèi)容設(shè)置合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及根據(jù)教學(xué)大綱要求以及學(xué)生的實(shí)際情況設(shè)置評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。而所有評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可基于AR/VR技術(shù)建立相應(yīng)的考核系統(tǒng)或測(cè)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行全方位有效評(píng)價(jià)。還是以航空發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝實(shí)踐為例，首先，VR技術(shù)的應(yīng)用使學(xué)生更為直觀的吸收和鞏固航空發(fā)動(dòng)機(jī)理論知識(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其理論知識(shí)掌握程度的評(píng)價(jià);而且通過AR技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手拆裝及故障診斷能力進(jìn)行指導(dǎo)，評(píng)價(jià)其動(dòng)手操作能力。通過將AR/VR技術(shù)引入實(shí)踐教學(xué)課程中，構(gòu)建“理實(shí)一體、虛實(shí)融合”的實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)體系，提升學(xué)生工程實(shí)踐能力，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源共享，為教師教學(xué)、學(xué)生和社會(huì)學(xué)習(xí)者自主學(xué)習(xí)服務(wù)，將有利于推動(dòng)專業(yè)教學(xué)改革、提高專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量以及提升應(yīng)用型大學(xué)的社會(huì)服務(wù)能力。

五、總結(jié)

AR/VR技術(shù)在應(yīng)用型本科實(shí)踐教學(xué)課程中的應(yīng)用及融合，是進(jìn)一步構(gòu)建基于AR/VR技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)評(píng)價(jià)體系是適應(yīng)民航類專業(yè)快速發(fā)展的有效途徑。通過虛擬的“交互式”實(shí)踐教學(xué)模式，不但學(xué)生能夠完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，夯實(shí)專業(yè)素養(yǎng)，提高實(shí)踐動(dòng)手能力，增強(qiáng)綜合素質(zhì);而且學(xué)校能夠鞏固專業(yè)建設(shè)成果，不斷提高實(shí)踐教學(xué)水平，減少實(shí)踐經(jīng)費(fèi)的持續(xù)投入，更好地培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用技術(shù)型高級(jí)專門人才。

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作者簡(jiǎn)介：

夏前錦（1983年-），男，漢族，江蘇淮安人，副教授，博士，研究方向?yàn)榱W(xué)。

連龍（1988年-），男，漢族，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，工程師，研究生，研究方向?yàn)榫軆x器及機(jī)械。