劉 超,田 巨,薛建海
(廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院 飛機(jī)維修工程學(xué)院,廣東 廣州 510403)
隨著中國(guó)民航強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的全面推進(jìn),民航業(yè)進(jìn)入高速增長(zhǎng)期,飛機(jī)數(shù)量增加迅速。民航業(yè)對(duì)人才的需求日益增加,在民航局鼓勵(lì)下,全國(guó)開設(shè)飛機(jī)維修類專業(yè)行業(yè)外的高職院校數(shù)量日益擴(kuò)大。以需求量大、就業(yè)質(zhì)量高的飛機(jī)機(jī)電設(shè)備維修專業(yè)為例,該專業(yè)的高職院校數(shù)量從2008 年的不到10 所,到2011 年已達(dá)30 所,2016 年達(dá)58 所,2019 年達(dá)98 所,截至2021 年教育部備案數(shù)量已達(dá)130 所[1]。行業(yè)外新開專業(yè)院校增多,以及飛機(jī)維修行業(yè)的特殊性,使得飛機(jī)維修類專業(yè)在開展實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中面臨許多困難和挑戰(zhàn)[2-6]。主要包括:飛機(jī)維修類實(shí)踐教學(xué)往往是真實(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備無(wú)法開展、設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)高、航材消耗大和安全隱患多,如飛機(jī)燃油加注、發(fā)動(dòng)機(jī)試車、飛機(jī)故障難以再現(xiàn)與排除等可能危及飛機(jī)或?qū)W生自身安全的實(shí)驗(yàn);飛機(jī)維修屬于高復(fù)雜技術(shù),部分飛機(jī)維修類實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本高、占地大,特別是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī),價(jià)格昂貴,資源稀缺。應(yīng)用實(shí)體現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行理論和實(shí)操訓(xùn)練,幾乎是不可能的。在有限的實(shí)驗(yàn)空間和經(jīng)費(fèi)條件下,無(wú)法購(gòu)買和存放多臺(tái)套同類實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備,而單臺(tái)套多輪次開展實(shí)驗(yàn),又無(wú)法滿足大范圍、多人次、同時(shí)段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求;新開設(shè)飛機(jī)維修類專業(yè)的行業(yè)外院校,往往存在實(shí)踐資源緊張的情況,部分院校只重視實(shí)踐教學(xué)設(shè)備采購(gòu),而不加強(qiáng)實(shí)踐內(nèi)涵的建設(shè),實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目開發(fā)不足,缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,導(dǎo)致人才培養(yǎng)質(zhì)量差,滿足不了行業(yè)的要求。
隨著信息技術(shù)與高等教育的深度融合,依托現(xiàn)代信息技術(shù)開展虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)已在水利、電力、化工、生物、材料等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用[7-14],而虛擬仿真技術(shù)尤其適用于在航空這類裝備復(fù)雜、價(jià)格高昂的實(shí)踐教學(xué)中來(lái)營(yíng)造逼真的訓(xùn)練環(huán)境,模擬高危操作與故障排除[15]。同時(shí),虛擬仿真具有靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)多專業(yè)、多學(xué)校和多地區(qū)間的優(yōu)質(zhì)實(shí)踐教學(xué)資源共享[16]。
為了對(duì)接飛機(jī)維修實(shí)際工作崗位,提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果、節(jié)約實(shí)訓(xùn)成本,滿足中國(guó)民航維修企業(yè)的人才培養(yǎng)需求,開展職業(yè)培訓(xùn)、航空教育和服務(wù)社會(huì),廣東民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院于2010 成立了飛機(jī)維修模擬訓(xùn)練設(shè)備項(xiàng)目組,開始探討建立飛機(jī)維修虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心的可行性。項(xiàng)目組依托國(guó)家示范校重點(diǎn)專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目以及中國(guó)民用航空局的批復(fù)項(xiàng)目,以“資源整合、教科研結(jié)合、政校行企聯(lián)合”的建設(shè)思路為指引,本著“虛實(shí)結(jié)合、能實(shí)不虛”的原則,針對(duì)飛機(jī)機(jī)電設(shè)備維修、飛機(jī)電子設(shè)備維修、飛機(jī)部件修理、通用航空器維修等專業(yè)的特點(diǎn),兼顧學(xué)生綜合能力培養(yǎng)和行業(yè)技能培訓(xùn),通過(guò)民航局、學(xué)校、全國(guó)民航職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、企業(yè)等四方高度聯(lián)合,將虛擬仿真技術(shù)與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)以及行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行深度融合,于2013 年建成了以空客320 飛機(jī)為教學(xué)載體的全虛擬和半實(shí)物的2D 和3D 飛機(jī)維修虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。經(jīng)過(guò)3 年的實(shí)踐教學(xué)和社會(huì)培訓(xùn),模擬機(jī)的運(yùn)行取得了良好效果。2016 年,成立了飛機(jī)維修虛擬仿真教學(xué)團(tuán)隊(duì),探索虛擬仿真技術(shù)在飛機(jī)維修類專業(yè)的進(jìn)一步應(yīng)用,通過(guò)自主研發(fā)和校企合作的形式,累計(jì)投入7000 多萬(wàn)元,進(jìn)一步開發(fā)出了波音737 飛機(jī)2D 飛機(jī)維修虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、貝爾206 飛機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、塞斯納172 飛機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)以及CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬實(shí)訓(xùn)研發(fā)平臺(tái)。廣東民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修虛擬仿真中心在2018 年被認(rèn)定為廣東省虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室,在2019 年教育部公布的《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2015-2018 年)》項(xiàng)目認(rèn)定中被認(rèn)定為國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心。
飛機(jī)維修虛擬仿真中心以空客A320、波音737 和通用飛機(jī)為對(duì)象,下設(shè)5 個(gè)以飛機(jī)系統(tǒng)測(cè)試與故障排除為核心,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和現(xiàn)代飛機(jī)維護(hù)特色的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)(如圖1 所示)。
圖1 飛機(jī)維修虛擬仿真中心組織架構(gòu)
飛機(jī)維修虛擬仿真中心由學(xué)校與二級(jí)學(xué)院管理。學(xué)校負(fù)責(zé)總體規(guī)劃與建設(shè),二級(jí)學(xué)院負(fù)責(zé)日常管理和實(shí)踐教學(xué)工作。目前,該中心有飛機(jī)維修虛擬仿真教室15 間,教室面積達(dá)1000m2以上,可以同時(shí)滿足320 人的上課需要,將每位學(xué)生的實(shí)訓(xùn)成本降低30%。
2D 空客A320 飛機(jī)維修虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要包括A320 飛機(jī)機(jī)電仿真系統(tǒng)、飛機(jī)故障仿真系統(tǒng)、虛擬駕駛艙系統(tǒng)、虛擬三維飛機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)原理圖、教學(xué)管理系統(tǒng)等。而3D 空客A320 飛機(jī)維修虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在此基礎(chǔ)上將駕駛艙部件進(jìn)行實(shí)物化,形成了1:1 的真實(shí)駕駛艙系統(tǒng)(見圖2)。該平臺(tái)的建設(shè)框架按照ATA100規(guī)范中的章節(jié)規(guī)定構(gòu)建,包含飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)、飛機(jī)液壓系統(tǒng)、飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等20 個(gè)機(jī)電液系統(tǒng)的仿真實(shí)踐項(xiàng)目,每個(gè)項(xiàng)目由飛機(jī)基礎(chǔ)理論教學(xué)、虛擬操作、虛擬測(cè)試、虛擬典型故障排除等逐漸遞增的多層級(jí)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。平臺(tái)既承擔(dān)了包括空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及飛行原理、航空材料、飛機(jī)構(gòu)造基礎(chǔ)等專業(yè)基礎(chǔ)課的基礎(chǔ)理論教學(xué),又承擔(dān)了空客A320 飛機(jī)系統(tǒng)與附件、飛機(jī)電源系統(tǒng)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、飛機(jī)電子系統(tǒng)等課程的虛擬測(cè)試與排故實(shí)踐教學(xué)任務(wù)。
圖2 3D 空客A320 飛機(jī)維修虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)
該平臺(tái)與2D 空客A320 飛機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)功能相仿,可滿足廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)分制課程,供選擇2D 波音737 飛機(jī)相關(guān)課程的學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)踐,滿足機(jī)型差異化教學(xué)(見圖3)。
圖3 2D 波音737 飛機(jī)維修虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)
2D 貝爾206 飛機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要包括了直升機(jī)振動(dòng)/ 噪聲分析、起落架系統(tǒng)、主旋翼系統(tǒng)、主旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)等22 個(gè)機(jī)電液系統(tǒng),開發(fā)了燃油系統(tǒng)、旋翼傳動(dòng)系統(tǒng)以及尾槳系統(tǒng)等10 個(gè)系統(tǒng)虛擬測(cè)試與排故項(xiàng)目。3D 貝爾206 飛機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)將駕駛艙部件實(shí)物化,可模擬國(guó)內(nèi)外10 個(gè)機(jī)場(chǎng)的起降飛行,進(jìn)行飛行體驗(yàn)教學(xué)。該平臺(tái)承擔(dān)了直升機(jī)系統(tǒng)、小型固定翼飛機(jī)系統(tǒng)、通用航空器電子系統(tǒng)及渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造系統(tǒng)等5 門專業(yè)課的理論和虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)任務(wù)。
該平臺(tái)與貝爾206 飛機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺(tái)功能相仿,可滿足廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)分制課程,供選擇塞斯納172 飛機(jī)相關(guān)課程的學(xué)生進(jìn)行虛擬實(shí)踐,滿足機(jī)型差異化教學(xué)。
該平臺(tái)是專業(yè)教師聯(lián)合企業(yè),針對(duì)典型的CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī),共同制作發(fā)動(dòng)機(jī)四級(jí)結(jié)構(gòu)106個(gè)組成部分的360 度VR 展示和分級(jí)式動(dòng)畫資源,同時(shí)進(jìn)一步開發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管和發(fā)動(dòng)機(jī)滑油組件等10 個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)部件的虛擬維護(hù)拆裝項(xiàng)目(見圖4)。在此平臺(tái)上,教師可在編輯器上二次開發(fā),建立發(fā)動(dòng)機(jī)部件三維模型,開發(fā)更多虛擬維護(hù)項(xiàng)目。此平臺(tái)承擔(dān)了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)原理與結(jié)構(gòu)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)等課程的理論教學(xué)和虛擬實(shí)踐教學(xué)任務(wù)。
圖4 CFM56 發(fā)動(dòng)機(jī)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)研發(fā)平臺(tái)
飛機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電液系統(tǒng),每個(gè)系統(tǒng)既相對(duì)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)。為了幫助學(xué)生對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的理解,加強(qiáng)學(xué)生具備學(xué)習(xí)維修不同飛機(jī)型號(hào)的可持續(xù)發(fā)展能力,以培養(yǎng)復(fù)合技能型人才為目標(biāo),基于五大虛擬平臺(tái),廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院以課程教學(xué)內(nèi)容為主體,依據(jù)國(guó)際航空器制造使用規(guī)范ATA100 章節(jié)劃分飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)電液系統(tǒng)為多模塊,以“基礎(chǔ)理論原理、虛擬操作、虛擬測(cè)試、虛擬典型故障排除、虛擬項(xiàng)目開發(fā)”五個(gè)遞增層次的教學(xué)資源為支撐,實(shí)現(xiàn)了實(shí)踐教學(xué)整體與局部、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)、遠(yuǎn)與近、真實(shí)與虛擬的結(jié)合,形成了飛機(jī)維修虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系。經(jīng)過(guò)近十年的教學(xué)檢驗(yàn),該體系將飛機(jī)維修實(shí)踐教學(xué)中的“看不見、摸不著、動(dòng)不了”的尷尬局面成功化解,營(yíng)造了“低成本、零風(fēng)險(xiǎn)和高逼真”的飛機(jī)維修場(chǎng)景。教師對(duì)此種教學(xué)體系的認(rèn)可度為100%,表示此種體系對(duì)學(xué)生專業(yè)知識(shí)、專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)的養(yǎng)成有很好的效果。通過(guò)對(duì)近三屆畢業(yè)生進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查,結(jié)果顯示99%的學(xué)生認(rèn)可廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系,認(rèn)為學(xué)校創(chuàng)造的虛擬仿真實(shí)踐環(huán)境幫助自己提前熟悉了飛機(jī)維修工作,畢業(yè)后更快適應(yīng)工作內(nèi)容。
根據(jù)廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電類專業(yè)人才培養(yǎng)方案,畢業(yè)生就業(yè)崗位主要為飛機(jī)航線維護(hù)與飛機(jī)定檢。教師與企業(yè)員工共同分析實(shí)際崗位工作能力需求,劃分實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,綜合應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、動(dòng)態(tài)建模、三維動(dòng)畫技術(shù)及飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)等,開發(fā)了飛機(jī)維護(hù)中的系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)、系統(tǒng)模擬操作、系統(tǒng)測(cè)試和典型故障排除全過(guò)程的虛擬仿真實(shí)踐項(xiàng)目218 個(gè)。課前,教師在線上學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)布教學(xué)任務(wù)及相關(guān)教學(xué)微課,學(xué)生自學(xué)理論知識(shí);課中,教師針對(duì)學(xué)生課前自測(cè)情況實(shí)施精講理論,針對(duì)教學(xué)任務(wù),學(xué)生分組進(jìn)行角色扮演,在飛機(jī)維修模擬機(jī)上完成虛擬操作或故障排除,過(guò)程考核通過(guò)后,方可進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操;課后,學(xué)生總結(jié)報(bào)告上傳學(xué)習(xí)平臺(tái),并完成作業(yè)鞏固學(xué)習(xí)成果。通過(guò)教學(xué)全過(guò)程的“理實(shí)結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合、線上與線下結(jié)合”,實(shí)現(xiàn)了“三結(jié)合”的實(shí)踐教學(xué)模式,讓學(xué)生在學(xué)訓(xùn)中“知部件、訓(xùn)技能、悟作風(fēng)”,滿足了飛機(jī)航線維護(hù)與飛機(jī)定檢的能力需求。
通過(guò)民航局、學(xué)校、全國(guó)民航職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)、企業(yè)四方協(xié)同,充分利用國(guó)家示范校重點(diǎn)專業(yè)和國(guó)家級(jí)教學(xué)資源庫(kù)的優(yōu)質(zhì)資源,將虛擬仿真技術(shù)與專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)以及行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行深度融合,開發(fā)了飛機(jī)維修虛擬仿真實(shí)踐平臺(tái)以及實(shí)踐教學(xué)管理監(jiān)控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了教、學(xué)、做一體化,全過(guò)程考核。
飛機(jī)上的很多操作和測(cè)試不便于在飛機(jī)上進(jìn)行的,而排故操作更是不可能。但是飛機(jī)各系統(tǒng)的基本操作測(cè)試和排故都是飛機(jī)航線維護(hù)和定檢必須具備的基本技能。在飛機(jī)維修模擬機(jī)上進(jìn)行虛擬操作和測(cè)試可以幫助學(xué)生更好地理解系統(tǒng)原理,熟悉機(jī)載自測(cè)試系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試。虛擬排故可以讓學(xué)生按照飛機(jī)維修手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn),完成故障診斷,故障測(cè)試和故障排除的觀察、操作、測(cè)量、拆裝等規(guī)范化訓(xùn)練。通過(guò)多人協(xié)作和小組角色扮演的方法,從操作的完成度、準(zhǔn)確度和協(xié)作性三個(gè)方面全過(guò)程考核,提高學(xué)生對(duì)機(jī)務(wù)維修工作的適應(yīng)程度和解決機(jī)務(wù)維修實(shí)際問(wèn)題的能力。飛機(jī)空調(diào)航前維護(hù)的過(guò)程考核記錄情況見表1。
表1 飛機(jī)空調(diào)航前維護(hù)的過(guò)程考核記錄表
飛機(jī)維修類專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心自第一批設(shè)備投入使用至今,飛機(jī)維修類的專業(yè)學(xué)生累計(jì)使用674040 人次,完成12 門理實(shí)一體課程和8門實(shí)訓(xùn)課程的實(shí)訓(xùn)任務(wù)(見表2)。承擔(dān)飛機(jī)維修基礎(chǔ)執(zhí)照培訓(xùn)11520 人次,南航新員工崗前培訓(xùn)14870 人次,為在學(xué)校舉辦的全國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)技能大賽提供人員培訓(xùn)和交流體驗(yàn)1380 人次,為香港合作辦學(xué)班提供技能培訓(xùn)2700 人次,為校企交流和校校交流提供體驗(yàn)600 人次,作為航空教育基地,為廣州市中小學(xué)生提供體驗(yàn)750 人次。
表2 飛機(jī)維修類專業(yè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)中心課程與專業(yè)列表
廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院將虛擬仿真技術(shù)引入飛機(jī)維修類專業(yè)教學(xué)實(shí)踐中,堅(jiān)持“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則,以虛擬仿真實(shí)驗(yàn)替代了難以開設(shè)的真實(shí)實(shí)驗(yàn),構(gòu)建了飛機(jī)維修虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心;建立了“一中心、五平臺(tái)、多模塊、多層次和多結(jié)合”的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系,打造了“理實(shí)結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合、線上與線下結(jié)合”的實(shí)踐教學(xué)模式。豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段和資源,提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,強(qiáng)化了學(xué)生專業(yè)實(shí)踐能力和解決復(fù)雜工程問(wèn)題能力,更好地滿足了人才培養(yǎng)要求;增強(qiáng)了專業(yè)品牌度,提升了社會(huì)服務(wù)能力,更好地服務(wù)了企業(yè)的職業(yè)技能培訓(xùn)和航空科普教育。未來(lái),本中心將進(jìn)一步借助職業(yè)教育本科層次教育發(fā)展機(jī)遇,開發(fā)航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容,擴(kuò)充發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)的教學(xué)資源與共享能力。
新疆職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2022年1期