基于虛擬仿真的多層次模塊化專業(yè)教學(xué)素材體系研究

張曉瑜 唐黎偉 陳玖圣

摘 要：為了適應(yīng)民航快速發(fā)展對(duì)專業(yè)人才的培養(yǎng)需求，文章提出以虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建專業(yè)教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，滿足不同專業(yè)課程的教學(xué)需求，采用多層次的體系設(shè)計(jì)，適應(yīng)課堂教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)、開(kāi)放平臺(tái)等不同環(huán)節(jié)的教學(xué)活動(dòng)。該系統(tǒng)融合了多學(xué)科、多專業(yè)知識(shí)，支持學(xué)生應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力、團(tuán)隊(duì)合作能力的培養(yǎng)，通過(guò)專業(yè)教學(xué)過(guò)程中的使用調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該虛擬仿真專業(yè)教學(xué)素材系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)的有效鏈接，滿足了多專業(yè)的培養(yǎng)需求，并具有占用場(chǎng)地小、使用靈活、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)教學(xué);素材庫(kù);多層次;模塊化

中圖分類號(hào)：TP391.9;V241.07 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1673-8454（2021）08-0051-05

一、引言

隨著信息技術(shù)的深入應(yīng)用與發(fā)展，世界教育領(lǐng)域不斷加快推進(jìn)教育信息化步伐，教育信息化成為高校內(nèi)涵發(fā)展[1]的重要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)實(shí)踐教學(xué)的重要手段。而虛擬仿真教學(xué)是實(shí)現(xiàn)教育信息化的重要途徑[2]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)通過(guò)構(gòu)建虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及實(shí)驗(yàn)對(duì)象，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)任務(wù)。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有維修費(fèi)用低、實(shí)驗(yàn)靈活等特點(diǎn)，受到高校實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的高度重視。

1.國(guó)家關(guān)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的政策需求分析

2010年，《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》指出：信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性的影響，必須予以高度重視[3]。2012年，教育部發(fā)布的《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》中指出，大力推進(jìn)普通高校數(shù)字校園建設(shè)[4]，普及建設(shè)高速校園網(wǎng)絡(luò)及各種數(shù)字化教學(xué)裝備，建設(shè)職業(yè)教育虛擬仿真實(shí)訓(xùn)基地等。2012年3月，《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》明確提出，建設(shè)優(yōu)質(zhì)教育資源共享體系，推進(jìn)高等職業(yè)教育共享型專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)建設(shè)，與行業(yè)企業(yè)聯(lián)合建設(shè)專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)[5]。2015年10月，教育部印發(fā)的《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2015—2018年）》中提出，應(yīng)用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)教學(xué)，促進(jìn)泛在、移動(dòng)、個(gè)性化學(xué)習(xí)方式的形成。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)安排困難或危險(xiǎn)性高的專業(yè)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)替代性虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng);針對(duì)教學(xué)中難以理解的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)等，開(kāi)發(fā)仿真教學(xué)軟件[6]。

根據(jù)國(guó)家關(guān)于教育信息化的相關(guān)政策要求，教育部于2014、2015年相繼開(kāi)展了國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)工作，逐步推進(jìn)高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與發(fā)展，建立了國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)，推進(jìn)實(shí)踐資源的“共建共享”。各地區(qū)根據(jù)區(qū)域教育資源建設(shè)建立共享平臺(tái)，例如：江蘇省建立了虛擬仿真資源共享平臺(tái)[7]，支撐各學(xué)科門(mén)類開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目并在線發(fā)布，促進(jìn)虛擬仿真教學(xué)資源在線開(kāi)放共享和高校集約應(yīng)用。

2.民航行業(yè)對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需求分析

民航以“安全第一”為生產(chǎn)目標(biāo)，具有“高風(fēng)險(xiǎn)、高投入、高技術(shù)”的特征，其中安全是對(duì)民航運(yùn)營(yíng)的核心要求。在飛行、機(jī)務(wù)、空管、機(jī)場(chǎng)、運(yùn)控等特色專業(yè)人才的培養(yǎng)上，專業(yè)技能的培養(yǎng)與訓(xùn)練很大程度上是在真實(shí)飛機(jī)或運(yùn)營(yíng)場(chǎng)所進(jìn)行的。其中，機(jī)務(wù)人員的基本技能培訓(xùn)與在崗培訓(xùn)都是在機(jī)務(wù)維修現(xiàn)場(chǎng)或真實(shí)飛機(jī)上進(jìn)行，這種培訓(xùn)模式存在明顯問(wèn)題：訓(xùn)練用飛機(jī)或耗材費(fèi)用巨大，訓(xùn)練場(chǎng)所固定，實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地容納培訓(xùn)人數(shù)有限等。

近年來(lái)，民航特色專業(yè)人才需求保持持續(xù)增長(zhǎng)，民航直屬院校預(yù)計(jì)培養(yǎng)機(jī)務(wù)維修類專業(yè)人才3萬(wàn)人、飛行專業(yè)技術(shù)人才1.3萬(wàn)人，因此培訓(xùn)設(shè)施以及場(chǎng)地需求變得尤為緊張。目前，我校的機(jī)務(wù)類專業(yè)涉及的五個(gè)專業(yè)、九門(mén)課程都要求有實(shí)踐教學(xué)，實(shí)踐教學(xué)實(shí)驗(yàn)室資源十分緊張。

隨著虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，以人員培訓(xùn)為中心的虛擬維修仿真技術(shù)、以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)營(yíng)造逼真的訓(xùn)練環(huán)境[8]，尤其適用于高危行業(yè)、航空航天等復(fù)雜裝備和價(jià)格高昂的設(shè)備維修人員的培訓(xùn)。在高校人才培養(yǎng)中，通過(guò)大規(guī)模在線開(kāi)放實(shí)驗(yàn)（MOOE）教學(xué)，以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式替代傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐實(shí)習(xí)的方式[9]，既能降低培訓(xùn)過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)，還能降低培訓(xùn)設(shè)備維護(hù)成本以及耗材成本，同時(shí)具有靈活、擴(kuò)展性高等特點(diǎn)。

二、多層次虛擬仿真專業(yè)教學(xué)素材體系

在虛擬仿真教學(xué)改革思路的引導(dǎo)下，構(gòu)建多層次的虛擬仿真專業(yè)教學(xué)素材庫(kù)，能夠在有限資源環(huán)境條件下充分實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)，滿足多專業(yè)、多層次的實(shí)踐教學(xué)要求[10]。該專業(yè)教學(xué)素材庫(kù)體系共分為3個(gè)層次：課堂演示教學(xué)、課程實(shí)踐教學(xué)、開(kāi)放式創(chuàng)新開(kāi)發(fā)平臺(tái)，如圖1所示。

1.課堂演示教學(xué)

在我校本科培養(yǎng)方案中，7個(gè)專業(yè)中包含22門(mén)與飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)相關(guān)的專業(yè)課程，這些專業(yè)課程的教學(xué)內(nèi)容中都包含機(jī)載系統(tǒng)案例。傳統(tǒng)教學(xué)方式中，主要以多媒體的形式講解實(shí)際機(jī)載系統(tǒng)，通過(guò)圖片和教師講解使學(xué)生了解實(shí)際機(jī)載系統(tǒng)組成、工作原理及顯示等，因此授課教師需要大量搜集實(shí)際機(jī)載系統(tǒng)的教學(xué)素材，而且多媒體演示過(guò)程中素材較零散，缺乏系統(tǒng)整體性概念，以致通過(guò)課堂教學(xué)講授機(jī)載系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)的識(shí)記效果不理想。

虛擬仿真的教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)利用3D建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)復(fù)現(xiàn)機(jī)載系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)將多種機(jī)型的機(jī)載系統(tǒng)拆分至組件或單元級(jí)別，通過(guò)簡(jiǎn)單的界面操作可將各組件組成獨(dú)立系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)某機(jī)載系統(tǒng)的操作與顯示。教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)可獨(dú)立運(yùn)行于臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦，因此能夠比較方便地引入課堂教學(xué)過(guò)程中。教師根據(jù)專業(yè)課程的教學(xué)目標(biāo)，從教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)選取不同系統(tǒng)的組件，并連接為所需的機(jī)載系統(tǒng)，能夠在課堂上演示該系統(tǒng)的組成、正常運(yùn)行和顯示等。該教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)能夠根據(jù)不同需求獲取所需內(nèi)容，解決了傳統(tǒng)教學(xué)過(guò)程中大量搜索教學(xué)素材的難題，同時(shí)能夠靈活地引入課堂，引導(dǎo)學(xué)生理解掌握實(shí)際機(jī)載系統(tǒng)相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際機(jī)載系統(tǒng)真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)現(xiàn)。

2.課程實(shí)踐教學(xué)

為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐能力，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)成為目前本科生培養(yǎng)的重要組成部分，以電子信息工程專業(yè)為例，9門(mén)專業(yè)課程中8門(mén)課程安排有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，目前專業(yè)課程實(shí)踐教學(xué)的環(huán)境多為A320飛機(jī)，學(xué)生可以在已搭建完成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行相應(yīng)課程的實(shí)驗(yàn)。但是學(xué)校能夠安排專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室僅有3個(gè)，安排8門(mén)課程的實(shí)踐環(huán)節(jié)比較緊張。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已搭建完成，實(shí)驗(yàn)僅需要完成操作，缺少設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

虛擬仿真教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)利用獨(dú)立計(jì)算機(jī)即可完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建，可以利用自帶筆記本電腦或?qū)嶒?yàn)機(jī)房、現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所搭建所需實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠解決實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所緊張的問(wèn)題。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生需要根據(jù)相應(yīng)專業(yè)課程的需求，在教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)中自行搭建相應(yīng)機(jī)載系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，使學(xué)生能夠理解掌握系統(tǒng)組成、信號(hào)鉸鏈關(guān)系，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能夠記錄所搭建機(jī)載系統(tǒng)正常運(yùn)行與故障運(yùn)行的現(xiàn)象，達(dá)到實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)目標(biāo)。

3.開(kāi)放式創(chuàng)新開(kāi)發(fā)平臺(tái)

為提高學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，民航特色專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要不斷拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵，從知識(shí)驗(yàn)證向開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變[11]，課堂教學(xué)與課外科技活動(dòng)相結(jié)合、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)與科研工作相結(jié)合。虛擬仿真教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)將不同機(jī)型、不同系統(tǒng)集成到一個(gè)平臺(tái)，在教師指導(dǎo)下，學(xué)生可自主完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、研究與開(kāi)發(fā)。

（1）開(kāi)放實(shí)驗(yàn)

教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)以靈活的實(shí)驗(yàn)方式，可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)放平臺(tái)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方案可根據(jù)學(xué)生興趣與需求自行設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性與創(chuàng)新能力。

（2）科技創(chuàng)新平臺(tái)

教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)可以融合多種機(jī)型于一個(gè)系統(tǒng)，虛擬仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)已完成，學(xué)生可以在該平臺(tái)上進(jìn)行機(jī)載系統(tǒng)仿真功能的開(kāi)發(fā)，支持其參加科技創(chuàng)新活動(dòng)，為專業(yè)方向發(fā)展提供技術(shù)保障。同時(shí)，對(duì)于復(fù)雜的機(jī)載系統(tǒng)需要多學(xué)科、多專業(yè)知識(shí)。在科技創(chuàng)新活動(dòng)中，學(xué)生可根據(jù)創(chuàng)新項(xiàng)目自主組建跨學(xué)科、跨專業(yè)的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)其團(tuán)隊(duì)合作與創(chuàng)新能力。

（3）科研項(xiàng)目

虛擬仿真的專業(yè)教學(xué)素材庫(kù)系統(tǒng)能夠支撐跨專業(yè)的科技立項(xiàng)。針對(duì)復(fù)雜機(jī)載系統(tǒng)，例如：飛行控制系統(tǒng)將機(jī)械、電子、電氣等專業(yè)相互融合，通過(guò)多學(xué)科、多專業(yè)的合作開(kāi)發(fā)，能夠培養(yǎng)教師與學(xué)生的綜合分析能力、系統(tǒng)應(yīng)用能力，將學(xué)生從“被動(dòng)學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)學(xué)習(xí)”，在實(shí)踐中不斷培養(yǎng)創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力[12]。

三、模塊化虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.模塊化虛擬仿真教學(xué)內(nèi)容

在不同專業(yè)、不同課程的教學(xué)過(guò)程中，教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)各異，部分課程之間存在交叉、滲透，因此虛擬仿真教學(xué)素材庫(kù)需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)不同課程的教學(xué)需求。民航作為國(guó)際性運(yùn)營(yíng)行業(yè)，從機(jī)載設(shè)備的設(shè)計(jì)到機(jī)載設(shè)備的報(bào)廢，整個(gè)生命周期都必須滿足國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)，作為機(jī)載設(shè)備使用和維護(hù)者的培養(yǎng)也不例外。ATA-100規(guī)范建立針對(duì)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、附件制造業(yè)產(chǎn)品呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)可以并入制造業(yè)與使用者購(gòu)買合約內(nèi)，成為強(qiáng)制執(zhí)行的文件。

虛擬仿真教學(xué)素材庫(kù)以ATA-100規(guī)范為依據(jù)，根據(jù)信息相關(guān)性[13]將素材進(jìn)行歸類，覆蓋不同專業(yè)、不同課程的教學(xué)內(nèi)容，遵循目前飛機(jī)維修專業(yè)的分類，將機(jī)載系統(tǒng)劃分為機(jī)械與電子兩個(gè)大方向，按照ATA-100規(guī)范將各子系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分，如圖2所示。

模塊化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容能夠有機(jī)融合若干課程實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐教學(xué)于一體[14]，能夠使不同課程根據(jù)需要提取不同模塊，同時(shí)促進(jìn)多模塊、多層次之間的交互，有助于實(shí)現(xiàn)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，涉及多模塊的交叉。例如，自動(dòng)飛行系統(tǒng)融合了飛行控制、儀表、液壓等模塊，采用模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的靈活組構(gòu)，完成機(jī)載系統(tǒng)的仿真。

2.模塊化虛擬仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

借鑒模塊化教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，通過(guò)分析機(jī)載各系統(tǒng)的組成、工作原理、操作邏輯等內(nèi)容，總結(jié)出機(jī)載系統(tǒng)可分為：電源模塊、計(jì)算機(jī)模塊、輸入/輸出模塊，如圖3所示。

輸入模塊實(shí)現(xiàn)離散、數(shù)字、模擬等信號(hào)的輸入與輸出，包括來(lái)自操作機(jī)構(gòu)的數(shù)字式或離散式信號(hào)（操縱桿、起落架手柄、油門(mén)桿等）、來(lái)自控制面板的數(shù)字或離散信號(hào)（無(wú)線電管理面板、近地警告控制面板等）、來(lái)自天線的模擬信號(hào)等內(nèi)容。該模塊的外觀采用幾何建模的方式，利用3ds Max、AC3D、Creator等三維建模軟件構(gòu)建機(jī)載系統(tǒng)組件的立體模型，然后采用OpenSceneGraph系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模型渲染，仿真真實(shí)機(jī)載系統(tǒng)組件的效果，使視覺(jué)感官效果達(dá)到與實(shí)際機(jī)載系統(tǒng)基本一致，提高仿真度。

輸出模塊以可視化的形式展示機(jī)載系統(tǒng)輸出的效果，包括儀表顯示（飛機(jī)姿態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、導(dǎo)航信息以及故障信息顯示等）、音頻（近地警告系統(tǒng)的音響警告以及某機(jī)載系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)聲音提示等）、燈光（主警告燈或者控制面板上的燈光提示等）以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)（液壓系統(tǒng)與操縱舵面等）。該模塊中，儀表顯示、燈光顯示的飛機(jī)參數(shù)或燈光顯示圖片為不同變量，采用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)[15]實(shí)現(xiàn)駕駛艙效應(yīng)的仿真。通過(guò)3ds Max、AC3D、Creator等三維建模軟件建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)中機(jī)械結(jié)構(gòu)立體模型，通過(guò)圖形渲染技術(shù)仿真執(zhí)行機(jī)構(gòu)的效果，從而達(dá)到對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中機(jī)械結(jié)構(gòu)的圖形化仿真。

電源模塊實(shí)現(xiàn)仿真組件通電邏輯，實(shí)現(xiàn)電源通斷、故障等情況的處理。該模塊通過(guò)軟件建模的方式，在系統(tǒng)內(nèi)采用程序語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)電源模塊的正常與異常操作。

計(jì)算機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)載各計(jì)算機(jī)的功能模擬，包括正常信號(hào)處理、故障分析以及自檢等內(nèi)容。該模塊通過(guò)3ds Max、AC3D、Creator等三維建模軟件構(gòu)建計(jì)算機(jī)的立體模型，采用數(shù)值方法根據(jù)計(jì)算機(jī)的功能建立模型，模擬計(jì)算機(jī)的信號(hào)處理、計(jì)算過(guò)程，實(shí)現(xiàn)真實(shí)飛機(jī)不同機(jī)載系統(tǒng)的正常操作、異常處理以及自檢等過(guò)程。