虛擬仿真技術(shù)在航空專業(yè)實訓課程的應用探索

向 鑫，丁相玉，胡曉安

(南昌航空大學飛行器工程學院，江西南昌，330063)

一、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，中國信息化水平不斷提升，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為當前高校開展教學工作的重要技術(shù)之一。[1]我國教育部從2015 年開始陸續(xù)推進虛擬仿真中心建設，各大高校及時推進虛擬仿真實驗教學平臺和資源建設，取得了初步成果。[2-3]虛擬仿真技術(shù)促使課堂教學模式轉(zhuǎn)變，豐富了教學手段，提高了教學的實踐性。[4]

當前，我國高校虛擬仿真應用主要為虛擬實驗教學，即通過計算機虛擬仿真技術(shù)建立虛擬實驗環(huán)境。[5-6]學生可以通過計算機和虛擬設備進行試驗學習相關(guān)知識和虛擬操作。虛擬仿真技術(shù)在高校課程中的運用主要為虛擬現(xiàn)實(virtual reality，簡稱VR)、增強現(xiàn)實(augmented reality， 簡稱AR)和桌面虛擬仿真技術(shù)。其中，VR和AR技術(shù)受限于昂貴的交互設備，相關(guān)的虛擬仿真建設在高校中少見。[7-8]而桌面虛擬仿真只需電腦和網(wǎng)絡就可進行，易于實現(xiàn)3A特性(anywhere，anytime，anydata)，獲得了廣泛的運用。[9]

航空發(fā)動機專業(yè)課程具有理論知識深、工程應用性強、國防特色明顯等特點，在新時代的高校教育中應注重理論與實踐結(jié)合，并融入課程思政建設，這對相關(guān)專業(yè)課程建設提出了更高的要求。常規(guī)線下教學受限于教學場所、教學方式等，難以獲得預期中的教學效果。[10]虛擬仿真技術(shù)則可以作為課堂教學的補充，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢，與線下課堂教學互補發(fā)揮更好的教學效果。[11]本研究基于飛行器動力工程專業(yè)的專業(yè)綜合實訓實踐教學模塊中虛擬仿真技術(shù)的應用探索，對鼓勵創(chuàng)新設計、工程應用結(jié)合、課程思政融入等特色應用進行探討，并對虛擬仿真應用的不足進行總結(jié)。

二、課程建設目的

專業(yè)綜合實訓是飛行器動力工程專業(yè)實踐教學模塊中的一門重要的實踐性課程，要求學生在教師的指導下對航空發(fā)動機總體及各部件系統(tǒng)進行裝配與拆解，了解各類發(fā)動機的運行原理和基本結(jié)構(gòu)，重點掌握航空發(fā)動機的運行、系統(tǒng)組成、部件構(gòu)造等，并通過實驗實踐加深對發(fā)動機及各附件系統(tǒng)原理的理解和掌握。該課程注重基礎理論與專業(yè)知識的融會貫通，強化理論與實踐的密切關(guān)系，具有很強的工程應用背景。

但是，真正的航空發(fā)動機試車運行成本高昂，且具有一定的危險性和有害性，需要有嚴格的生產(chǎn)、運行規(guī)章制度保證安全，一旦失控容易發(fā)生事故。同時，航空發(fā)動機屬于較為精密的設備，對其進行拆解、裝配和運行時都必須有完整的輔助設備才能進行，且會帶來潛在的設備損耗。在當前實驗室條件下，無論是設備數(shù)量、成本，還是出于安全的考慮，都難以支撐學生常規(guī)化地進行實際拆、裝和運行實驗。

因此，南昌航空大學(以下簡稱我校)飛行器工程學院采用計算機虛擬仿真技術(shù)，以微小型航空發(fā)動機為虛擬對象，為學生提供了自主發(fā)揮的實驗平臺，與學生的實際生產(chǎn)實習互為補充，降低實驗運行和設備維護成本，避免實際危險。同時，通過實訓使學生掌握航空發(fā)動機及其主要部件的基本結(jié)構(gòu)，了解基本設計思想和設計方法，了解實際工程運行中存在的細節(jié)問題，培養(yǎng)在從事航空發(fā)動機設計、制造、使用維護和飛行器設計與使用維護工作中分析及解決與航空發(fā)動機有關(guān)的工程問題的興趣和能力。

三、課程特色

(一)“以虛補實”的課程建設

學生在本專業(yè)前期的課程中已學過航空發(fā)動機的結(jié)構(gòu)、原理，也參觀過發(fā)動機拆裝和試車，但并不是每一個學生都具備實際裝配、拆解、運行發(fā)動機的條件。為達到“以虛補實、虛實結(jié)合”的效果，課程選用學生均去過的實驗室作為場景，復原了進行實驗所需的工具、操作臺、實驗臺架、管路等，以此真實還原發(fā)動機整機裝配、運行及各系統(tǒng)、零部件的裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)特點，增強學生身臨其境的感受，強化相關(guān)課程知識。具體課程建設結(jié)構(gòu)如圖1所示。

第一，“以虛補實”指導實驗設計。我校常規(guī)的實驗課出于安全和不破壞設備的考慮，通常會要求學生嚴格執(zhí)行教學安排，只完成“規(guī)定動作”，學生可以接觸的內(nèi)容有限。特別是演示實驗(如發(fā)動機試車)，學生由于觀察位置、觀察角度、時間限制等，不僅所學知識有限，而且很難在延伸知識上得到滿足。因此，本次虛擬仿真實驗課程建設將微小型渦噴發(fā)動機原型機進行了1∶1的三維實體建模，完全按照實際狀態(tài)進行結(jié)構(gòu)裝配，大到整機，小到單個螺釘、彈簧，均可供學生進行認識和操作。

第二，“以虛補實”安排知識傳授。傳統(tǒng)的理論課課時有限，所授知識點通常側(cè)重于專業(yè)體系中的核心知識；虛擬仿真實驗由于不受時間限制，可在核心知識脈絡上擴展碎片化知識，作為理論課的補充，擴展學生知識面。在虛擬仿真實驗中，教師通過提示、旁白、超鏈接等方式，可以為學生提供更多知識入口，方便學生獲取信息。

圖1 以虛補實指導虛擬仿真課程建設

(二)鼓勵探索的實驗操作

虛擬仿真實驗以學生為中心，學生主導實驗過程，操作虛擬的實驗裝置，以此增強學生對知識的獲取興趣和能力。教師主要講解實驗方法和實驗步驟，并對整個實驗前、中、后全過程加以引導。學生在進行虛擬實驗時，可以自由探索實驗場景，自主探索課程知識，以此啟發(fā)創(chuàng)新意識，調(diào)動學習積極性。例如，在發(fā)動機進行拆裝時，學生可以調(diào)整場景位置和視角，通過不同角度觀察零件形態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)零部件細節(jié)特征。虛擬仿真實驗允許學生在一定程度上“不按常理出牌”，但會通過提示、限制危險操作和告知不當操作后果等方式，讓學生理解危險操作的原理和成因。在傳統(tǒng)實驗教學中，由于學生多、課程時間緊，教師很難及時關(guān)注并制止所有學生的不當操作，也很難將實驗中所有可能突發(fā)情況在實驗前一一講解，更難實現(xiàn)所有學生都認真聽取和堅決杜絕不當操作。而在虛擬仿真實驗中，以鼓勵探索的方式滿足學生的好奇心，即使出現(xiàn)不當操作也不會發(fā)生實際危險。這種在自主探索過程中發(fā)現(xiàn)錯誤的方式更有利于加深學生的“犯錯反饋”，進而從深層次讓學生杜絕不當操作。

此外，在實驗過程中加入隨機元素，可以提高實驗的可探索性。在學生操作過程中，系統(tǒng)會在適當節(jié)點給出隨機的知識點考查或趣味任務，使學生在每次實驗過程中均有不同的體驗，從而使學生每次進行實驗時均有一定的新鮮感。學生在多次實驗過程中強化主線知識，隨機獲取不同的額外知識，可以增強對訓練的黏性。同時，由于每個學生遇到的考查都是獨特的，學生只能獨立思考并完成操作，從而提高獨立解決實際問題的能力。

(三)工程應用緊密結(jié)合

虛擬仿真實驗課程以工程上必須經(jīng)歷的發(fā)動機裝配、測試為基礎，為學生提供實操的細節(jié)模擬，將課本抽象的知識真實化、形象化，為學生將來從事航空發(fā)動機相關(guān)實際工作打下基礎。具體的課程如下。

第一，培養(yǎng)學生細致嚴謹?shù)墓こ趟季S。航空發(fā)動機是一個高精尖產(chǎn)品，必須保持細致嚴謹?shù)墓こ趟季S。在虛擬仿真技術(shù)的輔助下，課程可以與企業(yè)工程經(jīng)驗結(jié)合，嚴格執(zhí)行工程操作。在常規(guī)實驗課程中，一般由教師做好實驗準備工作，如實驗安全、電氣調(diào)整等；在虛擬仿真實驗中，教師可以要求學生自己完成相關(guān)檢查，如開啟通風設備、檢查滅火設備等。而在具體實驗過程中，通過細節(jié)處理，可以強調(diào)工程思維經(jīng)驗，如拆卸發(fā)動機轉(zhuǎn)子時要以畫線的方式記錄轉(zhuǎn)子零件的安裝位置，否則在裝配時就不能恢復發(fā)動機轉(zhuǎn)子的動平衡狀態(tài)，危及發(fā)動機運行安全。這些操作都是只能在實際操作中才能學到的細節(jié)知識。

第二，練習避免不當操作。在工程(或?qū)嶒?中，一些不當操作往往只會在實際操作過程中體現(xiàn)其危害性。虛擬仿真實驗可以結(jié)合工程實際，盡可能多地容納工程問題。當學生在虛擬課程中出現(xiàn)必定引發(fā)不良后果的不當操作時，系統(tǒng)就會給予告誡。例如，螺釘?shù)陌惭b順序一般為對位預緊、整圈緩慢擰入，而一些學生為了方便，會一個個依次完全擰入，雖然裝配成功，但薄壁件會在裝配過程中受力不均而變形，導致后續(xù)安裝無法進行。又如，發(fā)動機零件拆卸下來放置時，若學生隨手放置于操作臺邊緣，就會導致零件墜落，摔傷零件。學生在虛擬實驗中犯錯后，系統(tǒng)會通過警告、扣操作分等方式予以糾正，加深學生的印象。

(四)課程思政融合

虛擬仿真實驗是一個絕佳的課程思政窗口。常規(guī)的課堂教學很難在教學設計中融入思政點，其本身課時有限，加之內(nèi)容思政點不多，教師很難自然地融入。虛擬仿真實驗課程則可以利用時間、空間的自由性，通過多種方式融入課程思政元素，為學生提供相應的知識應用，具體方法如下。

第一，在場景布置中融入思政教育。教師可以在實驗室場景中，利用壁畫、顯示屏等展示航空英雄人物，講述航空歷史故事。學生在場景中自由探索時，可以調(diào)整視角位置移動到相關(guān)信息前閱讀相關(guān)介紹。與真實實驗室或教室環(huán)境相比，虛擬仿真實驗中的壁畫可動畫演示、隨時調(diào)整、動態(tài)鏈接，真正成為聯(lián)通課程思政的窗口。若學生對某一故事感興趣，可以通過其附帶的網(wǎng)址或二維碼鏈接至更豐富的介紹，變課堂上的被動接受為課后的主動了解。

第二，在操作過程中融入思政教育。結(jié)合系統(tǒng)隨機給出的趣味任務，教師可以融入相關(guān)的航空故事，使學生在進行實踐操作時更有代入感。例如，在學生進行發(fā)動機虛擬仿真運行實驗時，系統(tǒng)會給出發(fā)動機需要達到的系列狀態(tài)點，學生根據(jù)要求操作完畢后，系統(tǒng)進行評分。評分之后，系統(tǒng)背景將提示學生這一系列狀態(tài)點來源于航空英雄王偉守衛(wèi)我國南海領(lǐng)空時逼近敵機的操作，并提示學生如果對這一英雄故事感興趣，可以通過掃描二維碼觀看相關(guān)影視資料詳細了解。

虛擬仿真實驗課程是將網(wǎng)絡資源放置或隱藏在場景中，課程思政相關(guān)的資料可以通過靈活的方式安置在實驗主線附近，讓學生“自主”探索，真正實現(xiàn)潤物細無聲。這是其他課堂教學方法所不具備的優(yōu)勢。

四、未來改進與發(fā)展

未來，虛擬仿真實驗課程應該不只是為了完成某些特定實驗的替代，而應該作為有效的常規(guī)輔助手段成為課堂教學的一部分：在開展工程應用教育方面，可以跳出理論教學的框架，介紹更多工程案例、工程問題，將理論與實際更緊密地結(jié)合起來，發(fā)揮好實踐對理論知識的補充作用；在課程思政方面，如果將專業(yè)理論知識看作“實”，將課程思政知識看作“虛”，那么真實的課堂教學更有利于“實”的傳授，而虛擬仿真實驗更有利于“虛”的傳播。

然而，當前航空專業(yè)實訓課程的虛擬仿真應用仍存在諸多尚需改進之處。首先，工程問題的融入尚需提升。工程問題是復雜多樣的，在融入虛擬仿真實驗時，教師需要對問題進行合理的抽象化，而這一過程會提升其融入難度。當前，虛擬仿真實驗受限于軟件環(huán)境、開發(fā)時間和經(jīng)費，部分環(huán)節(jié)還略顯粗糙，而如果工程問題數(shù)據(jù)庫不夠完善，就很難非常精確地發(fā)現(xiàn)學生在實驗中存在的問題。

其次，仿真內(nèi)核算法精細化不足。專業(yè)理論知識難度較大時，虛擬仿真的底層算法難以做到完全準確，最終反映在仿真效果上就體現(xiàn)為細節(jié)較為粗糙。例如，航空發(fā)動機運行是一個動態(tài)過程，數(shù)據(jù)參數(shù)會不斷變化，真正仿求解發(fā)動機參數(shù)需要復雜的實時算法。而現(xiàn)有的虛擬仿真軟件基本上采用提前建立數(shù)據(jù)庫的方式規(guī)避理論算法，如通過數(shù)據(jù)庫“模擬”仿真實驗的參數(shù)改變，甚至簡單地由動畫代替實驗過程。這將導致虛擬仿真實際上仍只能仿真有限的模式(包括問題狀態(tài))，距離真正的“以虛補實”還有很遠的距離。

最后，網(wǎng)絡利用率較低。在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，虛擬仿真實驗課程通常要求進行網(wǎng)絡共享，學生可通過網(wǎng)絡直接開展虛擬仿真實驗。虛擬仿真課程在對網(wǎng)絡的利用上還存在很大的提升空間。事實上，與使用紙質(zhì)教材的傳統(tǒng)教學方法相比，虛擬仿真課程在融入互聯(lián)網(wǎng)教學上具有得天獨厚的優(yōu)勢，因此，教師應探索更多利用網(wǎng)絡的方式，拓展網(wǎng)絡工具的使用范圍，使之成為學生獲取相應知識的另一個“課堂”。

五、結(jié)語

將虛擬仿真實驗教學應用于航空專業(yè)實訓課程，為課程教學提供了新的教學模式，提高了學生參與程度和實驗教學資源收益。在“互聯(lián)網(wǎng)+”新工科思維下，虛擬仿真不應只局限于一個技術(shù)手段，而應成為理論到實踐的橋梁，成為聯(lián)通課堂和互聯(lián)網(wǎng)的知識窗口，進而引導學生主動學習、培養(yǎng)工科探索精神，提升課程思政效果。探索虛擬仿真實驗的教學模式，深入挖掘課程潛能，在引導學生向主動學習轉(zhuǎn)型、提升教學效果及促進創(chuàng)新人才能力培養(yǎng)方面具有巨大的發(fā)展空間和現(xiàn)實意義。