基于虚拟仿真的飞机系统教学资源建设方法探索*

王 娟，樊智勇，段照斌，曾佩佩

（中国民航大学，天津 300300）

基于虚拟仿真的飞机系统教学资源建设方法探索*

王 娟，樊智勇，段照斌，曾佩佩

（中国民航大学，天津 300300）

本文明确了基于虚拟仿真的飞机系统教学资源建设的需求和目标，提出了从教学构思、脚本设计、仿真操作到后期技术处理全阶段的资源建设流程和实施方案，并通过一个飞机电子系统的教学实例详细探讨了基于虚拟仿真的飞机系统教学资源的建设方法。目前，基于虚拟仿真的教学资源在行业认知课程和飞机电子系统实习课程中已成功应用，取得了良好的教学效果，为建立面向网络的机务维修工程虚拟仿真中心在线课程资源打下了坚实的基础。

飞机系统；虚拟仿真；开放共享；教学资源

一、建设需求

1.教育信息化及学习方式的变革

信息化社会的到来，推动了教育信息化的发展，带来了教育方式和学习方式的变革。推进网络教学资源的建设与利用，改革传统的人才培养模式，既是现代计算机科学技术发展和信息技术发展的需要，也是高等教育大众化条件下，高校为转变教育理念，改革教学内容、方法与手段，提高人才培养质量的必然选择。随着大规模开放网络课程（MOOC）等的兴起，以兴趣为导向、充满个性化、基于互联网且具有交互功能的开放式在线学习，颠覆性地变革了以往的“教”与“学”方式。国内高校纷纷开展网络教学资源的建设与利用工作[1][2]。

2.国家级虚拟仿真中心建设需求

民航是复杂、动态、大场景的思维、远距离运输系统，真实运行环境下的学习和研究是很难实现的。为此，我校成了机务维修仿真教学中心，并被教育部批准为首批国家级虚拟仿真教学中心。2013年，教育部《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》[3]中要求：实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。传统的飞机维修实践课程由于受到场地、飞机、工具耗材和成本限制，很难达到开放共享的目标。对比国家级虚拟仿真中心建设的“开放共享和充分使用”的目标，机务维修工程仿真教学中心还有很大的提升空间[4][5]。

因此，以在线课程形式，通过3D飞机仿真操作、动态原理图制作、课程互动环节设计、视屏录制与处理、中英双语字幕制作等信息化手段，完成一系列交互式、立体化在线课程资源的建设[6][7]，是教育信息化的需求，也是国家级虚拟仿真中心建设需求。教学资源可直接应用于机务专业飞机系统维修实践课程中，还可作为民航行业认知的特色教学资源面向全校和社会开放。

二、资源的建设流程

基于虚拟仿真的飞机系统教学资源的建设，符合工程产品实现的通用流程，同样也包含了构思、设计、实施、运行完整的CDIO工程阶段，具体而言，可将资源的建设流程分为教学构思、脚本设计、仿真操作和技术处理、教学应用和反馈四个阶段[8][9]。

1.教学构思

（1）明确教学目标

首先，要明确制作课程的教学目标，应包含加深学生对相关专业理论原理的理解，掌握系统工作过程，培养学生的机务作风和综合分析解决问题的能力，实现对学生航空维修专业技能和工程素质的培养。

（2）遴选教学资源

其次，评估当前资源、能力以及与课程目标的匹配程度，按需填写表1。

表1 资源能力匹配表

表1中，每项资源都有其对应的能力，而能力则对应教学目标是否能够实现或是否能够更好地实现，以高度匹配、基本匹配和不匹配三级标注。对于飞机系统的虚拟仿真而言，目前的资源包括：多功能飞机维护训练平台、飞机维护手册、飞机维护CBT软件、课程PTT、参考视频资源和其他相关资源。

（3）突出课程要点，明晰授课脉络

对于以工作任务为导向的飞机系统项目，可以根据WHY、HOW、WHAT的问题框架，提取课程要点，衔接逻辑关系，依次回答“为什么做？”、“如何做？”和“做什么”，形成明晰的授课脉络。

表2 课程要点

2.脚本设计

完成教学构思后，形成初步脚本。根据初步脚本，由主讲教师和技术团队针对假设场景进行充分地讨论，根据不同的教学阶段，确定场景构图、仿真操作节点、教学对白、后期预计特效等元素，完成分镜头详细设计，形成详细的操作脚本，必要时加入示意插图。

3.仿真操作和技术处理

根据详细的操作脚本，由技术团队配合主讲教师完成仿真操作和视频录制。仿真操作包括场景操作和系统操作，场景操作如虚拟驾驶舱和虚拟飞机的切换、同屏对比处理、全向视角漫游、放大/缩小、平移旋转、突出显示等，系统操作如点击操作开关、检查系统显示、设置故障、同步动态原理图等。视频录制可以采用市面上任意一种支持Windows系统屏幕录制的软件。初步形成的教学资源需要通过精心的后期处理，包括视频素材剪辑、字幕处理、特效处理等操作，才能形成用于发布的最终作品[10]。

图1 驾驶舱内操作与飞机外部舵面动作的同屏对比处理

图2 动态原理图

三、教学实例分析

下面以飞机电子系统实习课程中惯性基准系统校准项目[11][12]为例，介绍基于虚拟仿真的飞机系统教学资源的具体实施过程。

1.教学构思

首先，明确教学目标：加深学生对惯性基准系统专业理论原理的理解，掌握惯性基准系统的校准过程，特别是解决工作过程中遇到的问题，培养学生按手册工作的机务作风和综合分析解决问题的能力，实现对学生航空维修专业技能和工程素质的培养。

其次，评估当前资源、能力以及与课程目标的匹配程度，填写表3。

表3 资源能力匹配表

由表4可以发现，多功能飞机维护训练平台可在虚拟现实场景中完成课程所需的惯导校准虚拟仿真和基本故障模拟功能，实现效果优于维护CBT软件的2D操作效果和课程PTT的文字描述效果。因此，选择课程PPT、多功能飞机维护训练平台、飞机维护手册（AMM）三项组合来满足课程对教学目标的需求。

根据WHY、HOW、WHAT的问题框架，提取课程要点，衔接逻辑关系，依次回答“为什么做？”、“如何做？”和“做什么”，形成明晰的授课脉络。

表4 课程要点

（1）惯性基准系统工作前为什么要进行校准？

回答这个问题，需要先带学生简单回顾惯性导航的基本工作原理。根据原理推出惯性导航采用的是积分计算，在进行计算前，系统必须知道飞机的初始状态，即校准时要输入飞机的初始位置。

（2）惯性基准系统如何进行校准？

首先需要查询飞机维护手册AMM，可知通过FMC CDU或者ISDU两种输入位置的方法完成校准。

其次，校准工作之前有三点注意事项要引起学生重视：a.当飞机处于不同的纬度时，校准时间不同；b.校准时，飞机位置不能发生移动；c.校准时，必需输入飞机当前的纬度和经度信息。

然后根据手册执行标准的校准程序：确认供电正常、启动校准开关、输入初始位置、监控校准指示直至确认校准结果。输入初始位置有几种方法，都要给出讲解和演示。最后采用GPS实时数据作惯性基准系统的输入初始位置。注意校准过程中出现的现象，能识别正常和不正常系统状态。

（3）校准工作中有哪些常见问题及解决方法？

这一部分根据教学经验和实际机务一线中常出现的情况，需要给出两个有关惯性基准系统校准的问题和分析解决方法。

a.既然ADIRU能够自主计算出当前所处的纬度，为什么还需要输入初始纬度呢？

b.校准过程中出现下列现象：ALIIGN灯将闪亮，CDU上重新出现SET IRS POSTION信息，ISDU上校准时间显示为0，状态代码消失。此时如果仍然输入相同的纬度值，我们会发现MSU上的FAULT故障灯点亮。这种异常状态的原因是什么？机务维护实践中又该如何处理？

2.脚本设计

根据教学构思的结果，形成初步的脚本，如表5所示。

据初步脚本，经过充分讨论，根据不同的教学阶段，完成分镜头详细设计，形成详细的操作脚本，一个具体的详细操作脚本示例如表6所示。

3.仿真操作和技术处理

根据详细的操作脚本，由技术团队配合主讲教师完成仿真操作和视频录制，仿真操作中的突出显示效果如图3所示。初步形成的教学资源通过视频素材剪辑、字幕处理、特效处理等操作，最终形成用于发布的作品。

首先，与传统的理论课程不同，基于虚拟仿真的实践课程需要在多种教学资源之间切换，采用多样化的场景和方式展现同一个教学要点，这就使得一次性完成一个完美的仿真教学视频是非常耗时的，而采用视频剪辑处理则可大大提高制作的效率。其次，视频的剪辑处理也是一个数字化资源重新组合编码的过程，不仅可以调节视频的码率，以平衡网络传输和清晰度之间的需求，还可以根据教学要点设置视频的关键时间节点，用于后续网络人机交互课程开发中关键知识点的定位。

表5 初步脚本

表6 详细的操作脚本示例

图3 在3D虚拟驾驶舱中突出显示PFD和ND画面

为提高学生在课程中的注意力，教学资源必须同步提供中文字幕，并对专业术语提供英文对照。实践表明，添加视频字幕，对提高学生在课程中的接收程度具有非常明显的促进效果。简单的字幕可以采用文本格式的SRT文件，而对于较高的应用要求，则可采用ASS文件格式，可以方便的加入字体变色、突出显示等特殊效果。

为了提高学生的学习效率，视频制作时注重与学习者的互动与交流，穿插测试以检验学生的掌握程度。在视频中设置若干个节点，学生需要回答完问题或操作完成后才能继续，可在一定程度上避免学生只放视频却不能有效学习的情况。

4.教学应用和反馈

惯性基准系统的校准教学资源应用于航电集成化实训项目中的学生自主学习部分，根据学生的学习效果，从教师和学生两方面收集反馈意见，由技术处理、仿真操作、脚本设计到教学构思，逐级回溯，形成了目前比较稳定的资源版本，正在不断改进中。

四、下一步规划

1.资源扩展

目前，课程组已完成了飞行操纵、自动飞行、惯导校准等多个飞机电子系统的虚拟仿真教学资源的建设，教学效果显著，针对国家级虚拟仿真中心“开放共享和充分使用”的建设目标，需要积极向机械、发动机和电气系统方向拓展，在多功能飞机维护训练平台基础上，按照教学需求，通过3D飞机仿真操作、动态原理图制作、课程互动环节设计、视屏录制与处理、中英双语字幕制作等信息化手段，完成一系列涵盖飞行操纵、自动飞行、飞行管理、综合显示、GPWS、TCAS、空调、电源、防火、灯光、燃油、液压、防冰、起落架、引气、APU、发动机系统的交互式、立体化在线课程资源的建设。

系统级教学资源规划及进度如表7所示，合计27个专题，约540分钟。

表7 系统级教学资源规划

2.团队协作

组织一支面向全校师生的开放型的虚拟仿真教学资源开发和应用团队，广泛吸收青年教师、研究生、校内模拟飞行爱好者、网络公开课字幕组成员，探讨协同工作和长效激励机制，形成中国民航大学品牌的虚拟仿真教学资源。

3.共享研究

在资源建设基础上，还需要研究开放式在线虚拟仿真教学平台的需求和架构，探讨包括自主学习模式、管理与评价机制等方面机务维修虚拟仿真实验教学模式，最终形成面向网络的机务维修虚拟仿真教学资源的共享机制和实验教学建设方案，并应用于教学实践。

五、结束语

建设基于虚拟仿真的飞机系统教学资源是教育信息化在民航领域发展的趋势之一。机务维修工程仿真教学中心的建设不仅要加大对信息化基础条件建设的投入，更应当切实注重信息技术与课程的有效整合，实现信息技术与教学的深度融合。本文提出了从教学构思、脚本设计、仿真操作到后期技术处理全阶段的资源建设流程和实施方案，以飞机电子系统的教学实例详细探讨了基于虚拟仿真的飞机系统教学资源的建设方法，并从资源扩展、团队协作和共享研究三方面阐述了进一步规划。实践表明，基于虚拟仿真的教学资源在行业认知课程和飞机电子系统实习课程中应用效果良好，为建立面向网络的机务维修工程虚拟仿真中心在线课程资源打下了坚实的基础。

[1]康淑敏.信息化背景下的教学方式变革研究[J].教育研究,2015(6):96-102.

[2]张月娟,周芳亮.教育信息化背景下高校教育模式的探讨[J].中国教育信息化,2016(19):14-16.

[3]教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作通知[Z].教高司函[2013]94号.

[4]李平,毛昌杰,徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索,2013(11):5-8.

[5]胡今鸿,李鸿飞,黄涛.高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探究[J].实验室研究与探索,2015(2):140-144.

[6]刘志鹏.从战略高度谋划教材和教学资源建设[J].中国高等教育,2004(10):7-9.

[7]刘怀金,聂劲松,吴易雄.高校数字化教学资源建设:思路、战略与路径——基于教育信息化的视角[J].现代教育管理,2015(9):89-94.

[8]高茹.技术思想和方法及其教学策略研究[D].南京示范大学,2005.

[9]阳丽娜.课堂教学设计的主要成分及其一致性研[D].浙江师范大学,2012.

[10]慈冉冉.视频教学资源在网络课程中的设计与应[D].山东师范大学,2010.

[11]BOEING COMMERCIAL AIRPLANES GROUP.737 Aircraft Maintenance Manual[S].Boeing Company,2002.

[12]樊智勇,王娟,申利平.基于CDIO模式的航电系统集成化实训项目[J].实验室研究与探索,2014(8):224-228.

（编辑：王晓明）

G434

B

1673-8454（2017）13-0054-05

中国民航大学教学改革研究项目（CAUC-ETRN-2015-01）；中央高校基本科研业务费专项项目（3122015S002）。