基于虛擬仿真的飛機(jī)系統(tǒng)課程教學(xué)改革

劉超

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)維修類(lèi)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)已是大勢(shì)所趨，可以有效提升學(xué)生對(duì)課程教學(xué)的認(rèn)可度，增強(qiáng)學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中的參與感和獲得感。

飛機(jī)是多個(gè)復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)，如起落架系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)等的集成。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)高職院校的飛機(jī)系統(tǒng)教材與教學(xué)模式以理論知識(shí)講解為主，與工作崗位的技能要求聯(lián)系不夠緊密，教學(xué)內(nèi)容和考核方式設(shè)計(jì)不夠科學(xué)。這主要是因?yàn)轱w機(jī)維修類(lèi)實(shí)踐設(shè)備成本高、占地大、設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)高、航材消耗大和安全隱患多，很多高職院校難以滿足。同時(shí)，飛機(jī)系統(tǒng)是復(fù)雜技術(shù)，很多部件在現(xiàn)實(shí)中看不見(jiàn)摸不著，理解起來(lái)晦澀難懂，各類(lèi)優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源又跟不上，導(dǎo)致教學(xué)效果差，學(xué)生學(xué)習(xí)成就感低。虛擬仿真技術(shù)尤其適用于航空類(lèi)復(fù)雜裝備和價(jià)格高昂的實(shí)踐教學(xué)，從而營(yíng)造逼真的訓(xùn)練環(huán)境，模擬高危操作與故障排除。

2018年4月教育部頒布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》強(qiáng)調(diào)，“加強(qiáng)職業(yè)院校、高等學(xué)校虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境建設(shè)，服務(wù)信息化教學(xué)需要”。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)成為高校加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，如水利、電力、化工、生物、材料等許多專(zhuān)業(yè)教學(xué)都普遍采用虛擬仿真技術(shù)。

本文以國(guó)家級(jí)飛機(jī)維修虛擬仿真中心的建設(shè)為例，通過(guò)優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)和程序，提高實(shí)訓(xùn)教學(xué)效率，旨在為高職飛機(jī)維修類(lèi)專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系提供參考經(jīng)驗(yàn)和借鑒。

一、虛擬仿真教學(xué)的建設(shè)情況

我校飛機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)分為2D和3D仿真系統(tǒng)。2D系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)仿真軟件（訓(xùn)練系統(tǒng)主程序、虛擬三維飛機(jī)程序和Air@v手冊(cè)程序）組成。3D系統(tǒng)主要由飛機(jī)仿真軟件、飛機(jī)維護(hù)維修培訓(xùn)軟件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)、飛機(jī)設(shè)備仿真件、教員控制臺(tái)、設(shè)備支架等部分組成。數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)界面分布在左右兩個(gè)顯示器上。左側(cè)數(shù)據(jù)顯示器可顯示飛行機(jī)組訓(xùn)練的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)原理圖、CBT和維護(hù)訓(xùn)練的外部面板、跳開(kāi)關(guān)面板；右側(cè)數(shù)據(jù)顯示器可顯示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)原理圖、飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)和維護(hù)訓(xùn)練的三維飛機(jī)。飛機(jī)設(shè)備仿真件主要包括MCDU、油門(mén)臺(tái)、轉(zhuǎn)換面板、音頻控制面板、ECAM控制面板、照明控制面板、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)面板、ATC控制面板、WXR控制面板、無(wú)線電管理面板、遮光罩和側(cè)桿。3D系統(tǒng)可以真實(shí)體驗(yàn)飛機(jī)操作。

經(jīng)過(guò)近十年的建設(shè)，通過(guò)自主研發(fā)和校企合作的形式，我校累計(jì)投入7000多萬(wàn)元，建設(shè)了空客320飛機(jī)2D和3D飛機(jī)維修虛擬實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、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)。共有飛機(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，將每個(gè)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)成本降低 30％。我校飛機(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年教育部關(guān)于公布《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。

二、飛機(jī)維修虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施

（一）仿真實(shí)踐項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容

仿真實(shí)踐項(xiàng)目是依據(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)模塊，以典型工作任務(wù)為指導(dǎo)，以理實(shí)一體化理念，對(duì)每一個(gè)模塊建設(shè)“基礎(chǔ)理論原理、虛擬操作、虛擬測(cè)試和虛擬典型故障排除”四個(gè)遞增層次的教學(xué)內(nèi)容。通過(guò)教學(xué)做一體化，由淺入深逐步加深學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的理解。虛擬操作和測(cè)試可幫助學(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。虛擬排故在系統(tǒng)操作和系統(tǒng)測(cè)試的基礎(chǔ)上，讓學(xué)生按照飛機(jī)維修手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)操作、測(cè)量、拆裝等規(guī)范化訓(xùn)練，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。

（二）虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)實(shí)施

在高職飛機(jī)維修類(lèi)專(zhuān)業(yè)的飛機(jī)系統(tǒng)課程中很多系統(tǒng)會(huì)涉及系統(tǒng)操作和故障排除教學(xué)內(nèi)容，如液壓油的加放油操作、燃油的加放油操作以及起落架的收放測(cè)試工作等，以此來(lái)提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)技能和利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。下面以“飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)的維護(hù)與排故”教學(xué)單元為例來(lái)說(shuō)明。

1.單元教學(xué)目標(biāo)

該單元教學(xué)希望達(dá)到以下的學(xué)習(xí)目標(biāo)：（1）知識(shí)目標(biāo)：熟悉飛機(jī)起落架放下和收上的工作過(guò)程；熟悉飛機(jī)主起落架收放測(cè)試內(nèi)容和方法；（2）能力目標(biāo)：具備對(duì)飛機(jī)主起落架收放測(cè)試維護(hù)的能力；具備對(duì)飛機(jī)起落架收放系統(tǒng)“位置指示燈異?！惫收显\斷及排除的能力；（3）素質(zhì)目標(biāo)：培養(yǎng)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘w機(jī)維修機(jī)務(wù)作風(fēng)；培養(yǎng)精益求精的工匠精神。

2.教學(xué)策略

本次課程設(shè)計(jì)以實(shí)際的工作過(guò)程為導(dǎo)向，將課堂教學(xué)劃分為“探究新知、維護(hù)模擬、排故演練”三個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)施。以學(xué)生為主體，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)、情境模擬、合作探究、示范教學(xué)的教學(xué)方法，全過(guò)程考核。

課程設(shè)計(jì)依托國(guó)家級(jí)教學(xué)資源庫(kù)、職教云和云課堂構(gòu)建的教學(xué)平臺(tái)，采用信息化手段呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，磨練操作技能，破解教學(xué)重難點(diǎn)。VR 技術(shù)、仿真動(dòng)畫(huà)，直觀呈現(xiàn)知識(shí)原理，鞏固加強(qiáng)知識(shí)學(xué)習(xí)；飛機(jī)虛擬維修模擬機(jī)，模擬真實(shí)工作場(chǎng)景，實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)施工，安全高效；思維導(dǎo)圖、企業(yè)專(zhuān)家現(xiàn)身說(shuō)法，熟悉故障診斷流程，培養(yǎng)正確排故思維。

以馬克思主義中國(guó)化最新理論成果和民航強(qiáng)國(guó)理論為指導(dǎo)，將機(jī)務(wù)作風(fēng)、機(jī)務(wù)人的工匠精神融入教學(xué)，為民航立心、為職業(yè)鑄魂。

3.教學(xué)過(guò)程

學(xué)生課前登錄職教云平臺(tái)，闖關(guān)式學(xué)習(xí)，查看微課、教學(xué)視頻、電子書(shū)，完成指定的作業(yè)鞏固預(yù)習(xí)成果。課中以“探究新知、維護(hù)模擬、排故演練”三個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)施。

（1）探究新知：首先，學(xué)生對(duì)課前提交的匯報(bào)PPT進(jìn)行投票評(píng)優(yōu)。優(yōu)勝小組上臺(tái)匯報(bào)預(yù)習(xí)成果，鼓勵(lì)自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)分析能力。根據(jù)課前測(cè)試中出錯(cuò)率較高的知識(shí)點(diǎn)，教師利用VR再現(xiàn)真實(shí)工作場(chǎng)景，學(xué)生進(jìn)入虛擬輪艙、駕駛艙，近距離觀察系統(tǒng)部件及控制面板。教師結(jié)合實(shí)物進(jìn)行講解，通過(guò)3D動(dòng)畫(huà)解析關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，仿真模擬起落架收上、放下和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程，化靜為動(dòng)，化難為簡(jiǎn)，順利解決“起落架放下和收上過(guò)程”這一教學(xué)重點(diǎn)。隨后，進(jìn)行限時(shí)測(cè)驗(yàn)，考核學(xué)生理論知識(shí)的掌握情況。

（2）維護(hù)模擬：首先進(jìn)行安全教育，觀看典型錯(cuò)誤案例，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的機(jī)務(wù)作風(fēng)、精益求精的工匠精神。教師示范操作，大屏同步，并將操作視頻上傳至教學(xué)平臺(tái)，方便學(xué)生反復(fù)學(xué)習(xí)。學(xué)中做，模擬機(jī)營(yíng)造車(chē)間工作環(huán)境，小組角色分工，同步完成電子工單和質(zhì)量工作卡，實(shí)時(shí)考核，強(qiáng)化按手冊(cè)、工卡施工的職業(yè)操作，培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，支撐教學(xué)重點(diǎn)。做中學(xué)，隨機(jī)挑選小組考核，彈幕互動(dòng)，提升規(guī)范操作和安全意識(shí)。

（3）排故演練：工作場(chǎng)景引入任務(wù)，思維導(dǎo)圖梳理診斷思路。教師個(gè)性指導(dǎo)、共性解析，總結(jié)診斷思路。維修模擬機(jī)復(fù)盤(pán)故障，排故演練。學(xué)生依據(jù)故障隔離手冊(cè)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)施工、測(cè)試部件、虛擬換件，同步完成電子工作記錄單。企業(yè)專(zhuān)家現(xiàn)身說(shuō)法，講解起落架故障維修處置流程，教師解析。做學(xué)合一，培養(yǎng)正確的排故思維，突破教學(xué)難點(diǎn)。

課后學(xué)生提交任務(wù)完成報(bào)告，評(píng)選優(yōu)秀作品。教師布置拓展任務(wù)——設(shè)計(jì)起落架“手柄卡滯故障”的排故方案。教師微信群答疑，邀請(qǐng)企業(yè)導(dǎo)師參與學(xué)生互動(dòng)。推送企業(yè)排故案例，學(xué)生瀏覽教學(xué)資源庫(kù)，吸收更多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

4.考核評(píng)價(jià)

此單元的考核做到可測(cè)可評(píng)，針對(duì)每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了考核方案與考核比例。如課前：預(yù)習(xí)進(jìn)度*30%+課前測(cè)驗(yàn)*40%+匯報(bào) PPT*30%；任務(wù)一：限時(shí)測(cè)驗(yàn)*100%；任務(wù)二：電子工作單*80%+質(zhì)量工卡評(píng)分*20%；任務(wù)三：思維導(dǎo)圖*30%+排故記錄單*70%；課后：總結(jié)報(bào)告*100%?？偝煽?jī)=課前*20%+課中*70%+課后*10%。根據(jù)平臺(tái)記錄，綜合教師、學(xué)生及平臺(tái)系統(tǒng)的主、客觀考核，獲得學(xué)習(xí)效果及教學(xué)目標(biāo)對(duì)比雷達(dá)圖。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計(jì)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度。

三、教學(xué)效果

經(jīng)過(guò)多輪教學(xué)，實(shí)踐證明，學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、小組探究完成新知學(xué)習(xí)，達(dá)成知識(shí)目標(biāo)；通過(guò)維護(hù)模擬、排故演練，達(dá)成能力目標(biāo)；通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作、規(guī)范操作流程，達(dá)成素質(zhì)目標(biāo)。這種“理實(shí)一體化、虛實(shí)結(jié)合”的教學(xué)模式取得了良好的效果，學(xué)生出勤率提高、平臺(tái)活躍度增加、考核成績(jī)提升，在全國(guó)技能大賽中獲得一等獎(jiǎng)。學(xué)生滿意度增加，用人單位滿意度也隨之增加。

四、總結(jié)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)高職飛機(jī)維修類(lèi)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)將很大部分以虛擬仿真來(lái)完成。飛機(jī)維修虛擬仿真中心的建設(shè)需通過(guò)自主研發(fā)和校企合作的方式完成，實(shí)踐項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)需依據(jù)ATA章節(jié)與典型工作任務(wù)來(lái)設(shè)計(jì)。在虛擬實(shí)踐教學(xué)過(guò)程中，需充分利用飛機(jī)維修手冊(cè)來(lái)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)施工，完成全過(guò)程考核，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的工匠精神，提升職業(yè)規(guī)范度。

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[基金項(xiàng)目：廣東省教育廳教改項(xiàng)目（GDJG2019301）資助；廣東省大學(xué)生“攀登計(jì)劃”項(xiàng)目（pdjh2021b0712）資助；校級(jí)飛機(jī)維修虛擬仿真教學(xué)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助；中國(guó)交通教育研究會(huì)教育科學(xué)研究課題（JTYB20-386）資助；廣東省高職教育機(jī)械制造類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)教學(xué)改革項(xiàng)目（JZ201947）。]

責(zé)任編輯 陳春陽(yáng)