虛實結合的飛機儀表顯示系統實踐教學研究

李靜昭, 張 迪

(中國民航大學 工程技術訓練中心, 天津 300300)

虛實結合的飛機儀表顯示系統實踐教學研究

李靜昭, 張 迪

(中國民航大學 工程技術訓練中心, 天津 300300)

為解決飛機儀表顯示系統實踐教學資源不足、教學內容單一、教學模式陳舊等問題,構建了航空機電式和電子式儀表虛擬維修平臺,擴展了教學資源、豐富了教學內容、提高了實踐教學質量、降低了成本和風險。以航空伺服高度表維修中高度表精確度測試為例,介紹采用先虛擬仿真訓練、再進行實物操作的虛實結合的實踐教學方法。虛實結合的教學模式激發了學生的學習興趣和創造性,教學效果明顯提高。

飛機儀表顯示系統； 實踐教學改革； 虛擬仿真

機務類專業是中國民航大學的三大特色專業之一,專門培養民航機務維修高級工程技術人才和管理人才[1-2]。飛機儀表顯示系統實習是中國民航大學機務維修類電子專業本科生必修的實踐課程,主要是進行專業基礎技能訓練,使學生掌握航空機電式、飛機電子式儀表指示器的結構、工作原理、測試程序和排除故障的基本方法。在以往實踐教學過程中,因受航材件價格昂貴、數量少、學生獨立操作時間短等因素的限制,實踐教學受到一定影響；學生的重復操作也會對航材件造成不同程度的損壞。受上述因素影響,該課程只能進行基礎維護操作訓練,不能開展深度維修實踐項目。因此,建立飛機儀表顯示系統虛擬維修平臺[3-4],采用虛實結合的實踐教學模式對飛機儀表顯示系統機務維護實踐教學進行改革與創新,是十分必要的。

1 實踐教學的問題與虛擬仿真技術的優勢

1.1 飛機儀表顯示系統實踐教學問題分析

中國民航大學飛機儀表顯示系統的實習課程教學內容側重于飛機儀表的使用、維護和修理。現階段飛機儀表顯示系統實踐教學存在以下問題:

(1) 教學資源不足,成本高。中國民航大學工程中心有一些飛機資源,如波音707、727、737/200以及國產Y-7等,但多數飛機已老化,部件缺失較多。由于真實航材件價格昂貴,實習過程中可能會因操作不當或重復操作造成航材件不同程度的損壞,影響實踐課程的正常進行。此外,現有的實習用飛機大多安裝航空機電式儀表,而航空公司現在運營的飛機大多為飛機電子式儀表,不能滿足學生實習對飛機電子式儀表的需求。

(2) 教學內容簡單。學生利用現有飛機或航材件,只能熟悉部件的位置和進行簡單的基礎操作,而深度維修項目如系統測試、排故、分解/組裝等,則因操作復雜、難度大、部分項目存在安全隱患而無法進行,使教學內容過于簡單。如通電測試項目,測試時需要用到115 V/400 Hz高電壓,學生一旦操作失誤可能發生意外事故。

(3) 缺乏設計性和創新性實踐項目。以往飛機儀表顯示系統的實踐教學,先由教師講解系統工作原理,然后通過真實飛機或真實航材件使學生熟悉儀表的位置和操作方法,最后通過飛機維護手冊掌握系統基本維護流程。在整個實踐教學過程中,教學互動性不強,學生只要參照工卡就可以完成大部分實習項目,沒有更深入的探究學習,不利于學生擴展思維、實踐和創新能力的提高。

1.2 虛擬仿真技術在實踐教學中的優勢

將虛擬仿真技術引入飛機儀表顯示系統實踐教學中,用虛擬維修平臺[5-7]進行飛機儀表顯示系統實踐教學具有以下優勢:

(1) 以虛擴實,擴大教學資源,豐富教學內容。采用虛擬仿真技術可以降低實踐教學成本,建立多樣化的教學資源,營造安全、可靠的實踐教學環境,拓展學生的知識面。在改進、完善傳統實習項目的基礎上,增加有助于提高學生研究、創新能力和動手能力的實習項目,包括機電式航空伺服高度表和機載陀螺儀表的虛擬維修、波音737NG和空客320飛機采用的電子式儀表顯示系統的虛擬維修,以及更先進的波音787飛機多功能儀表顯示系統的虛擬維修。

(2) 以虛助實,提高教學質量。引入虛擬仿真技術,方便增加多種設計性實習項目,如測試和排除故障,讓學生自己設計符合要求的測試和排故方案,激發學生的創造性,發揮學生的主觀能動性,培養學生的自主學習能力和科研能力。引入虛擬仿真技術,增加多種操作復雜的實習項目(如分解與組裝),能夠激發學生的興趣、增加操作體驗和教學的互動性,有利于培養學生的動手操作能力,并形成一種積極、生動、活潑的教學模式[8-10]。

2 虛擬維修平臺的構建

中國民航大學國家級虛擬仿真中心已搭建了航空機電式儀表虛擬維修平臺(如:航空伺服高度表虛擬維修平臺、機載陀螺儀表虛擬維修平臺)和飛機電子式儀表虛擬維修平臺(如波音737NG、空客320和波音787飛機儀表顯示系統虛擬維修平臺)。

2.1 航空伺服高度表虛擬維修平臺

航空伺服高度表虛擬維修平臺可進行高度表分解、組裝、測試與排故的熟練性和規范性操作訓練(見圖1)。平臺由航空伺服高度表外部線路測試臺、航空伺服高度表功能測試實習臺、維修工具包等組成。

航空伺服高度表外部線路測試臺實現伺服高度表外部線路故障設置、分析和定位操作功能,可以人工設置伺服高度表外部線路的典型故障。

航空伺服高度表功能測試實習臺可進行伺服高度表組件通電、檢查和測試操作,可以通過軟件測試,也可以通過軟件配合手動測試。

維修工具包可進行伺服高度表維修工藝基本操作,包括組件的分解和組裝。

圖1 航空伺服高度表虛擬維修平臺功能結構

2.2 機載陀螺儀表虛擬維修平臺

機載陀螺儀表虛擬維修平臺可進行垂直陀螺儀監控電路測試和排故的熟練性和規范性操作訓練(見圖2)。它根據部件維修手冊建立三維監控電路平臺,平臺上可設置15個測試點,通過數據采集卡輸出測試點的電壓控制信號,通過電壓轉換模塊變換為與實際相符合的電壓信號,用于虛擬測量和測試。

圖2 機載陀螺儀表虛擬維修平臺

該平臺還可以設置5個典型元器件和線路故障模塊,顯示相應的故障現象,通過電壓轉換模塊輸出與實際相符合的電壓信號,用于故障定位和排除訓練。

2.3 電子式儀表顯示系統虛擬維修平臺

波音737NG、空客320和波音787飛機采用電子式儀表顯示系統。電子式儀表顯示系統虛擬維修平臺可進行飛機電子式儀表的操作、測試和排故的熟練性和規范性操作訓練(見圖3)。該平臺主要由控制管理平臺和3D駕駛艙平臺組成,能夠設置完整的指示系統操作、測試和排故任務。

控制管理平臺主要功能是設定、管理和取消實訓任務,包括正常操作任務和故障任務,確認訓練任務完成并評價學生訓練效果、監控系統工作狀態。

3D駕駛艙平臺主要功能是接收數據,提供駕駛艙儀表顯示、正常和故障情況下的儀表參數顯示和操作界面的管理,提供自檢、故障隔離和測試操作平臺,提供有硬件仿真控制面板(MCP)/飛行控制組件(FCU)、電子飛行儀表系統(EFIS)控制面板、多功能控制顯示組件(MCDU)和警告板。

圖3 波音737NG等飛機電子式儀表顯示系統虛擬維修平臺

3 虛實結合教學探索實踐

3.1 構建虛實結合的教學模式

中國民航大學基于虛擬維修平臺創建的虛實結合的教學模式，以學生為中心,以培養學生的工程能力、動手能力為目標,促進學生實習的多元化[11-12]。

該實習模式以教學大綱為主線,將真實航材件教學和虛擬維修平臺教學結合起來。學生通過真實飛機和航材件熟悉儀表的外觀和位置；通過虛擬維修平臺熟悉儀表的顯示、組成和功用；利用維修文件指導操作,在虛擬維修平臺上進行儀表的維修操作訓練；再將

飛機儀表維修技能應用到真實飛機或航材件的維修上,解決實際問題。在這一過程中,學生將全面了解航空儀表的維修方法、維修流程和工作規范,提高解決實際工程問題的能力,并具備航空維修基本技能。

3.2 虛實結合教學實例

航空伺服高度表維修是飛機儀表顯示系統教學的重要內容。在實踐教學中,教師根據航空伺服高度表內場維修的要求,給出一個具體的工作任務,如航空伺服高度表高度精確度測試、氣壓設置與電位器輸出準確值測試、航空伺服高度表分解與組裝等。學生根據相關技術資料獨立學習高度表的理論知識,制訂維護方案,制作工卡,然后在虛擬維修平臺進行維修實踐。圖4為虛擬航空伺服高度表高度精確度測試界面。

圖4 航空伺服高度表高度精確度測試界面

學生進行分組操作,以3～4人為一個小組,對照工卡進行航空伺服高度表的測試操作。學生在操作中若遇到問題,可以隨時通過虛擬仿真實驗尋求解決問題的方法,也可以得到教師的指導、同學的協作。尤其是學生之間相互交流共同解決問題,更有利于提升分析問題和解決問題的能力。

學生經過虛擬練習、掌握了航空伺服高度表維護基本技能以后,教師再將真實的航空伺服高度表提供給學生進行部分測試,加深學生對高度表的理解。最后,通過虛擬維修平臺復習高度表維護的基本知識,解決實物操作出現的問題,并將所學習到的理論知識和實際操作技能做一次全面的復習與總結,提升綜合運用知識的能力,達到教學大綱所要求的教學效果。表1為航空伺服高度表高度精確度測試實踐教學過程和主要內容。

表1 航空伺服高度表高度精確度測試實踐教學過程和主要內容

表1(續)

中國民航大學12級電子信息工程本科實踐教學課程采用了虛實結合的飛機儀表顯示系統虛擬仿真實踐教學模式。該課程實踐教學得到了學生的高度認可,主要評價是:教學設計新穎、可自由發揮；教學內容豐富,能進行復雜危險的實踐項目；演示效果好,互動性強。學生對該課程表現出較大的興趣。

4 結語

將虛擬仿真技術引入飛機儀表顯示系統實踐教學中,降低了實踐教學成本,解決了用真實航材件教學實驗的困難,拓展了實踐教學的深度及廣度,提高了教學質量和教學效果。虛實結合的教學模式使學生有更好的操作體驗,使被動學習變為主動學習,增強了實踐教學的互動性,培養了學生的創新精神和實踐能力。

References)

[1] 魏國,張迪,杜維杰.工程教育模式下航空電子維修實踐教學的改革與探索[J].黑龍江科技信息,2011(11):139.

[2] 孫俊卿,華克強,魏國.電子信息工程專業“工程導論”探索與實踐[J].電氣電子教學學報,2012(4):46-47.

[3] 樊智勇,王娟,王勇.多功能飛機維護訓練器的建設和教學實踐[J].實驗技術與管理,2012,29(5):182-184,191.

[4] 耿宏,秦慶霞,錢文高,等.工程教育改革下航空電子專業實驗設備建設探索[C]//Information Engineering Research Institute USA. Proceedings of 2013 International Conference on Education and Teaching(ICET 2013) Volume 23.Information Engineering Research Institute,2013.

[5] 周學東,張凌琳,葉玲,等.虛擬仿真技術在口腔醫學教育領域的應用[J].實驗技術與管理,2014,31(5):4-6,16.

[6] 馬麗萍.虛擬現實技術在電工電子教學中的實際應用[J].電子世界,2014(18):320-321.

[7] 李松湘.虛擬仿真技術在電子技術課程教學中的應用研究[D].長沙:湖南師范大學,2012.

[8] 徐加放,王志遠,高永海,等.虛實結合的海洋油氣工程實踐教學平臺的構建[J].實驗技術與管理,2015,32(12):112-115.

[9] 劉明潔.模擬電路虛擬實驗教學系統的研究與應用[D].北京:北京郵電大學,2010.

[10] 楊建良.電類基礎課程實驗教學“虛實結合”模式的構建[J].實驗室研究與探索,2014,33(7):101-104,280.

[11] 盛蘇英.開放式虛實結合實驗教學探索與實踐[J].實驗科學與技術,2014,12(1):98-101,104.

[12] 張丹,范曉飚,游泳濤.航海模擬器虛實結合混合教學模式的構建[J].航海教育研究,2011(2):69-71.

Research on of practical teaching of aircraft instrument display system based on virtual-real combination

Li Jingzhao, Zhang Di

(Engineering Technical Training Center, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

To solve the problems of practical teaching of the aircraft instrument display system that teaching resources are not adequate, the teaching contents are single and the teaching mode is old, the virtual maintenance platform for aviation electromechanical and electronic instrument is established, which could reduce cost and risk, extend teaching resources, enrich teaching contents and improve teaching quality. Taking altitude accuracy test in the maintenance of served altitude indicator as an example, this article puts forward a “virtual-real combination” practical teaching mode, which is the use of virtual simulation training, and then the physical operation. With application of the “virtual-real combination” teaching mode, it can not only stimulate students’ interest and creativity, but also full play the subjective initiative of students. Teaching effect is obviously improved and both the teachers and students give high recognition.

aircraft instrument display system; practical teaching reform; virtual simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.035

2016-06-29 修改日期：2016-09-08

國家級大學生創新創業訓練項目(201510059034)；中國民航大學教育教學改革研究課題立項項目(D01-0807)；中國民航大學實驗技術創新

(15-14-03)

李靜昭(1985—),女,天津,碩士,講師,主要研究方向為航空電子.

E-mail：jz-li@cauc.edu.cn

V241；TP391.9

: A

: 1002-4956(2016)12-0142-04