航空機(jī)載設(shè)備虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)和教學(xué)方法研究

秦碩

（1.空軍航空維修技術(shù)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410200；2.湖南省飛機(jī)維修工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙，410200）

0 引言

傳統(tǒng)的線下實(shí)訓(xùn)教學(xué)在高職院校教學(xué)中一直占據(jù)主導(dǎo)地位，是高職技能培訓(xùn)的主要形式，該教學(xué)形式注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)操能力,學(xué)校為此設(shè)有專門(mén)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種線上虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)始運(yùn)用于教學(xué)過(guò)程[1-2]，目前主要集中在物理和化學(xué)等課程[3-7]等方面。針對(duì)航空維修方面高職院校線上技能教學(xué)報(bào)到較少，現(xiàn)階段航空機(jī)載設(shè)備的實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨以下普遍難題：一是航空機(jī)載設(shè)備實(shí)際裝備成本非常高、數(shù)量少，學(xué)員參與度不高；二是航空機(jī)載設(shè)備實(shí)習(xí)需要通電，設(shè)備易損耗，維護(hù)成本高。航空機(jī)載設(shè)備的技能培訓(xùn)條件和機(jī)載電子設(shè)備維修高素質(zhì)技術(shù)技能型人才的培養(yǎng)數(shù)量和質(zhì)量需求矛盾越來(lái)越強(qiáng)烈，另外，疫情下航空高職學(xué)院的外場(chǎng)實(shí)習(xí)課由于實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)裝備等條件限制，基本處于停滯階段。

基于虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究是航空高職學(xué)院降低實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)成本、應(yīng)對(duì)疫情提高學(xué)生實(shí)操能力的有效手段。長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院研發(fā)了一種航空機(jī)載設(shè)備虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用虛擬儀器、計(jì)算機(jī)軟件編程等技術(shù)，通過(guò)搭建機(jī)載設(shè)備虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，精心選擇虛擬實(shí)驗(yàn)的機(jī)載設(shè)備科目，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和模擬設(shè)備故障，創(chuàng)新虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)方法等，實(shí)現(xiàn)了航空機(jī)載設(shè)備的線上技能培訓(xùn)教學(xué)，突破了線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)在場(chǎng)地、設(shè)備等方面的限制，對(duì)高職技能培訓(xùn)模式的教學(xué)改革，形成航空機(jī)載設(shè)備實(shí)習(xí)的新模式和新渠道，提高學(xué)員航空維修動(dòng)手能力具有重要意義。

1 航空機(jī)載設(shè)備線上技能培訓(xùn)教學(xué)體系構(gòu)建

1.1 構(gòu)建機(jī)載設(shè)備虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在充分考慮機(jī)載設(shè)備的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方法的基礎(chǔ)上，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要設(shè)計(jì)教學(xué)管理軟件、學(xué)員應(yīng)用軟件和虛擬實(shí)驗(yàn)科目軟件，三部分密切配合，共同完成虛擬實(shí)驗(yàn)，各部分功能如下：

教學(xué)管理軟件需要具備的功能是教員信息管理、學(xué)員信息管理、教員課程設(shè)置、課程信息查詢和編輯、實(shí)驗(yàn)記錄查詢、實(shí)驗(yàn)類容發(fā)布等。教員登陸管理軟件，設(shè)置實(shí)驗(yàn)課程、向?qū)W員計(jì)算機(jī)分發(fā)實(shí)驗(yàn)科目、通過(guò)視頻監(jiān)控監(jiān)督實(shí)驗(yàn)過(guò)程、批改電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告，完成實(shí)驗(yàn)的組織實(shí)施。

學(xué)員應(yīng)用軟件需要具備的功能是接收管理軟件的指令、提交數(shù)字實(shí)驗(yàn)報(bào)告、向教員端軟件發(fā)送咨詢語(yǔ)音或文字。學(xué)員登陸后，該應(yīng)用軟件向管理軟件發(fā)送學(xué)員姓名、期班、學(xué)員準(zhǔn)備好等信息，等待管理軟件發(fā)布實(shí)驗(yàn)科目，當(dāng)接收到管理軟件指令后，自動(dòng)調(diào)出需要完成的實(shí)驗(yàn)科目。

虛擬實(shí)驗(yàn)科目軟件需要具備的功能是提供虛擬實(shí)驗(yàn)人機(jī)界面，包括闡述實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟，最核心的部分是提供虛擬試驗(yàn)操縱臺(tái)。該軟件由學(xué)員應(yīng)用軟件通過(guò)教師指令調(diào)出，學(xué)員通過(guò)該軟件了解實(shí)驗(yàn)的相關(guān)信息，并完成相關(guān)虛擬實(shí)驗(yàn)，是虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件的核心部分，該部分包含“全靜壓系統(tǒng)維修虛擬實(shí)驗(yàn)”、“直流電源系統(tǒng)維修虛擬實(shí)驗(yàn)”、“無(wú)線電羅盤(pán)維修虛擬實(shí)驗(yàn)”、“通訊系統(tǒng)維修虛擬實(shí)驗(yàn)”和“航姿系統(tǒng)維修虛擬實(shí)驗(yàn)”等模塊。

機(jī)載設(shè)備虛擬實(shí)驗(yàn)軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)載設(shè)備虛擬實(shí)驗(yàn)軟件結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，該軟件以機(jī)載設(shè)備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，教學(xué)管理軟件通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)讀取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)布實(shí)驗(yàn)科目；學(xué)員端軟件通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)讀取實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒎椒ê褪侄?，并選擇實(shí)驗(yàn)科目；虛擬實(shí)驗(yàn)科目軟件通過(guò)該數(shù)據(jù)庫(kù)讀取各實(shí)驗(yàn)設(shè)備的仿真數(shù)據(jù)、外觀圖像和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)等。

1.2 航空機(jī)載設(shè)備線上虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程

（1）課前預(yù)習(xí)

課前預(yù)習(xí)是基于教師在Bb平臺(tái)上分享的課程資料來(lái)完成的，每個(gè)實(shí)驗(yàn)均建立一個(gè)獨(dú)立的學(xué)習(xí)模塊，包含多項(xiàng)學(xué)習(xí)資料，包括實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)搭建理論基礎(chǔ)（包括模盒儀表原理等）和實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板。模塊學(xué)習(xí)方式設(shè)置為強(qiáng)制順序?qū)W習(xí)，即學(xué)生需要按順序完成每項(xiàng)材料的學(xué)習(xí)和觀看才能進(jìn)入下一項(xiàng)資料的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，最后下載實(shí)驗(yàn)報(bào)告模板，依據(jù)Bb平臺(tái)上的預(yù)習(xí)內(nèi)容和自主資料查詢完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的預(yù)習(xí)部分。

（2）線上實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，先進(jìn)行線上實(shí)驗(yàn)理論教學(xué)。線上理論教學(xué)可以利用騰訊課堂或騰訊會(huì)議等成熟的平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)互動(dòng)。首先對(duì)前次實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告、習(xí)題、測(cè)驗(yàn)以及學(xué)生在Bb、QQ、微信等交流平臺(tái)提出的問(wèn)題做出解答。在進(jìn)入到本次實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)，教師講解課程內(nèi)容、演示虛擬實(shí)驗(yàn)操作，并與學(xué)生提問(wèn)互動(dòng)。教師在共享PPT講解的同時(shí)，通過(guò)對(duì)話框文字提問(wèn)、語(yǔ)音點(diǎn)名提問(wèn)等方式保持與學(xué)生的問(wèn)答互動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)生在線上課堂的參與度，保證教學(xué)效果。隨后教師進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作演示并繼續(xù)保持互動(dòng)，隨時(shí)了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的掌握程度。

（3） 航空機(jī)載設(shè)備線上實(shí)驗(yàn)操作

線上理論教學(xué)階段完成后，學(xué)生進(jìn)入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)始獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)操作。在操作前，平臺(tái)提供了航空維修實(shí)訓(xùn)安全小測(cè)試，用于鞏固、提高學(xué)生航空維修安全意識(shí)，包括進(jìn)出飛機(jī)座艙、飛機(jī)通電、發(fā)動(dòng)機(jī)試車注意事項(xiàng)等內(nèi)容，學(xué)生通過(guò)測(cè)試后，便可進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)操作環(huán)節(jié)。

航空機(jī)載設(shè)備虛擬實(shí)訓(xùn)軟件界面左邊為實(shí)驗(yàn)器材庫(kù)，包含氣壓高度表、升降速度表、空速表和氣壓給定器（模擬外場(chǎng)實(shí)際使用的全靜壓給定器）、發(fā)電機(jī)等實(shí)驗(yàn)元件；右邊框?yàn)閷?shí)驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求將左邊框內(nèi)的器件拖動(dòng)到右邊，進(jìn)行管路連接、電線連接等工作，并完成打壓、通電實(shí)驗(yàn)。以氣壓高度表虛擬實(shí)驗(yàn)為例，軟件界面如下圖所示。

圖2中，左邊為實(shí)驗(yàn)元件欄，包括升降速度表、高度表和模擬氣壓裝訂器等。右邊為虛擬實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)。

圖2 高度表實(shí)驗(yàn)前界面示意圖

氣壓高度表檢查虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：首先在左側(cè)器件框中正確選擇高度表、氣壓給定器，并拖拽至右側(cè)框中（如圖3所示），然后正確連接全、靜壓管路，管路變紅表示`管路連接正確，如果管路連接錯(cuò)誤或密封性不好（管路連接不到位），連接線路將會(huì)變綠。然后根據(jù)要求給定氣壓值，同時(shí)記錄高度表的顯示值。根據(jù)下列公式(1)獲得給定壓力下的氣壓高度。

圖3 高度表氣壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程示意圖

其中，H0為觀測(cè)站的海拔高度，Hs為標(biāo)準(zhǔn)等壓面的海拔高度，P0為地面氣壓，Ps為氣柱平均高度，R，g均為常數(shù)，將高度表的顯示值和氣壓值換算公式進(jìn)行對(duì)比，記錄顯示誤差。

（4） 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告

實(shí)驗(yàn)操作結(jié)束后，學(xué)生和教師一起對(duì)虛擬仿真操作環(huán)節(jié)進(jìn)行討論和總結(jié)，并發(fā)表自己的感受和建議。在課程結(jié)束后，登錄Bb平臺(tái)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告、完成小測(cè)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行延伸討論。教師進(jìn)入Bb平臺(tái)在線批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告、查看測(cè)驗(yàn)完成情況以及回答學(xué)生問(wèn)題。

2 結(jié)語(yǔ)

線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)是以網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為介質(zhì)進(jìn)行師生實(shí)驗(yàn)教學(xué)互動(dòng)，完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的一種教學(xué)形式。目前航空機(jī)載設(shè)備線上實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)教學(xué)不夠完善，本文針對(duì)航空機(jī)載設(shè)備實(shí)驗(yàn)的線上教學(xué)，開(kāi)發(fā)了航空機(jī)載設(shè)備實(shí)習(xí)軟件，提出了教學(xué)方法和流程，模擬了航空機(jī)載設(shè)備維護(hù)過(guò)程，大大提升了學(xué)員的實(shí)習(xí)參與度，有助于學(xué)員動(dòng)手能力和理論水平的提高，減少了設(shè)備的損耗，降低了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本和維修成本，具有較大的推廣意義。