基于AR/VR技術的民航類專業實踐教學研究

夏前錦 連龍 井南

【摘要】虛擬現實技術和增強現實技術在近些年得到了快速的發展，二者在教育領域有著廣泛的應用。文章分析了虛擬現實技術和增強現實技術應用到民航類專業實踐教學的可行性和必要性，提出了基于虛擬現實技術的“沉浸式”教學和基于增強現實技術的“交互式”教學，構建了基于AR/VR技術的實踐教學評價體系，旨在將AR/VR技術應用到民航類專業實踐教學中，以更好地培養符合社會需求的應用技術型高級專門人才。

【關鍵詞】虛擬現實? 增強現實? 民航類專業? 實踐教學

【基金項目】本文由鄂爾多斯應用技術學院《高等教育教學改革研究項目》支持，項目編號：202000201。

【中圖分類號】G420 ? 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）16-0181-02

一、緒論

VR（Virtual Reality，虛擬現實）概念最早由美國 VPL Research公司創始人之一的Jaron Lanier在1989年提出，目前在業界得到了廣泛應用。虛擬現實描述為由交互式計算機仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動作，替代或增強一種或多感官反饋，從而產生一種精神沉浸于或出現在仿真環境（虛擬世界）中的感覺[1]。

AR（Augmented Reality， 增強現實）廣義上講也是虛擬現實技術的一種形式，是利用計算機生成一種逼真的視、聽、力、觸和動等感覺的虛擬環境，通過各種傳感設備使用戶“沉浸”到該環境中 ，實現用戶和環境直接進行自然交互。增強現實技術將虛擬信息與真實場景相融合，通過計算機系統將虛擬信息通過文字、圖形圖像、聲音、觸覺方式渲染補充至人的感官系統，用以增強用戶對現實世界感知的技術。增強現實技術并沒有使用戶完全沉浸在虛擬環境，使人能夠看到的是虛擬物體合成于真實環境中的雙重世界，擴大人類的感知能力[2]。

二、民航類專業實踐教學現狀

我國經濟快速、穩步發展的整體態勢下，各行各業均取得了長足進步。中國被認為是民航業發展最快且發展潛力最大的國家。據波音公司2020年在《未來20年民用航空市場需求預測》報告中顯示，中國的航空公司未來20年將需要采購8600架新飛機，價值1.4萬億美元，同時需要價值1.7萬億美元的民用航空服務[3]。按照目前普遍認可的國際民航平均人機比100∶1來看，未來20年我國就需要民航類人才86萬人;而按照我國民航平均人機比200∶1來看，未來20年我國需要的民航類人才超過百萬。而且，以上還僅僅是商用航空數據，如果考慮市場廣大的通用航空，人才需求量將更為龐大，僅靠目前的人才培養情況來看遠遠不能滿足市場需求。

近年來國內傳統航空院校，如北京航空航天大學、南京航空航天大學、中國民航大學等均開設了不同定位、種類多樣、面向民航領域的專業。與此同時，將近50多所地方本科院校及大專院校也相繼開設如機務、電子系統與機載設備、機場運行與管理等勞動力缺口較大專業。然而，由于民航類專業極其注重實踐能力的培養，是實踐教學建設的種種困難和問題開始凸顯：

（一）實踐教學建設費用高，需要持續投入

飛機是由機體、起落架、發動機等結構和液壓、操縱、燃油、航電、環控、防火等系統構成的復雜航空器。開設民航類專業之初，基于開展實踐教學考慮需要購買真實飛機系統和部段供學生學習，這就決定了民航類專業實踐教學不僅需要投入大量資金購置飛機系統和部段，還需配套專門的實訓場地和實驗場所建設。并且，為了維持實踐教學，還需要持續購置航空專用工具及耗材。而無論飛機系統、部段還是航材都十分昂貴，這就需要大量的資金投入，并且要穩定不斷地投入支持，由此產生的資金壓力對學校和學生都是很大的考驗。

（二）實踐教學操作難度大，完成度難以保證

飛機各部段及系統內部結構十分復雜，技術含量非常高。因此，針對這些部段和系統的實踐教學難度也相應較高。例如航空發動機拆裝實踐，整個拆裝實訓步驟十分繁瑣，對學生的綜合能力要求極高。現階段在對航空發動機進行拆裝實踐時，采取的還是通用的原始方法，即根據發動機的紙質版文檔或者電子手冊進行操作，在實訓的過程中需要不時地查看相關的內容[4]。這樣的實踐教學整體操作難度大，并且非常容易出現裝配錯誤、少裝、漏裝等現象，實踐完成度較難保證。

（三）實踐教學評價方式不統一，難以形成體系

目前，大多數高校民航類專業均屬于起步發展階段，針對相關實踐教學的專門研究較少，專業實踐教學設備如航空發動機、起落架等型號繁雜，教學配套軟件更是五花八門，這就造成對學生實踐能力的評價各不相同，無法形成體系化。最終，學生到達工作崗位后又需要重新學習，不利于應用型人才培養。

三、基于AR/VR技術的實踐教學

（一）利用VR（虛擬現實）技術，構建“沉浸式”實踐教學氛圍

傳統的實踐教學首先要進行理論講授，主要以文字結合圖片的形式對實踐所涉及的諸如構造、功能、工作原理、常規問題、解決方案等進行介紹，學生往往很難從感性角度理解所學內容，進而面對實物動手操作時很難做到得心應手，甚至大多時候面對實踐內容感覺無從下手。利用VR技術，構建“沉浸式”實踐教學氛圍，飛機各部分結構及系統理論知識通過文字描述、3D模型、動畫、語音等多種虛擬方式形象直觀地呈現在學生面前，學生通過3D眼鏡、3D頭盔等工具進行學習[5]。最終學習效果可通過專門的考核系統進行檢驗，方便學生的同時也減輕實踐教師的負擔。通過虛擬環境對實踐內容進行全方位的、直觀的認識，相比傳統書本，應用虛擬現實技術使學生“沉浸其中”，更有助于對知識的理解、吸收和內化。

（二）利用AR（增強現實）技術，構建“交互式”實踐教學體驗

實踐教學其核心環節是學生的實際動手操作。傳統的實踐教學在操作環節很難保證流暢性及完成度，學生面對實物往往手足無措，只能通過反復查找手冊及實驗指導進行實踐，整體過程拖沓，容易出現紕漏。例如機務專業最為核心的航空發動機實踐，由于航空發動機的高技術性和極度復雜性，學生難以獨立完成拆裝。但是，將增強現實技術應用在航空發動機實踐教學中，可就拆裝步驟、注意事項及各部分故障在發動機上進行實時感應和標注，增強操作連續性及實踐技能獲得感，提升實踐教學完成度。另外，實踐現場環境也可進行編輯修改，達到模擬不同現場環境的目的，使學生真正掌握不同環境下航空發動機維護的實踐技能。利用AR技術，構建“交互式”實踐教學體驗，學生在實踐過程中與系統建立交互，對實踐過程關鍵節點進行實時感應和標注指導，結合對不同現場環境的模擬，達到對現實的增強，提高實踐教學完成度。

AR/VR技術的應用，可從根本上改變目前民航類專業實踐教學所面臨的困境。運用虛擬現實技術形象直觀地幫助學生鞏固理論知識，為實際操作打下堅實基礎，最大限度減少實踐設備、工具和器材的購置臺套數及損耗;運用增強現實技術在實踐過程中給予學生實時指導，避免反復查看資料所造成的時間浪費，提高實踐的流暢性和完整性，也間接減少了實踐設備、工具和器材損耗。由此可見，基于AR/VR技術的民航類專業實踐教學可以鞏固學生所學理論知識，保證實踐教學的整體完成度和掌握程度。在此基礎上，實踐教學的費用投入也大大減少，辦學能力將有效提升。

四、基于AR/VR技術的實踐教學評價體系

將AR/VR應用到民航類專業的實踐教學中，還只是完成了骨架構建，還需要建立一套行之有效、便于推廣的評價體系。例如，應根據不同實踐內容設置合理的評價指標，以及根據教學大綱要求以及學生的實際情況設置評價標準。而所有評價指標和評價標準可基于AR/VR技術建立相應的考核系統或測驗系統，對實踐教學進行全方位有效評價。還是以航空發動機拆裝實踐為例，首先，VR技術的應用使學生更為直觀的吸收和鞏固航空發動機理論知識，還可以實現對其理論知識掌握程度的評價;而且通過AR技術的應用，對學生實際動手拆裝及故障診斷能力進行指導，評價其動手操作能力。通過將AR/VR技術引入實踐教學課程中，構建“理實一體、虛實融合”的實踐教學評價體系，提升學生工程實踐能力，實現優質教學資源共享，為教師教學、學生和社會學習者自主學習服務，將有利于推動專業教學改革、提高專業人才培養質量以及提升應用型大學的社會服務能力。

五、總結

AR/VR技術在應用型本科實踐教學課程中的應用及融合，是進一步構建基于AR/VR技術的實踐教學評價體系是適應民航類專業快速發展的有效途徑。通過虛擬的“交互式”實踐教學模式，不但學生能夠完善知識結構，夯實專業素養，提高實踐動手能力，增強綜合素質;而且學校能夠鞏固專業建設成果，不斷提高實踐教學水平，減少實踐經費的持續投入，更好地培養高素質應用技術型高級專門人才。

參考文獻：

[1]BURDEA G C.虛擬現實技術[M].北京：電子工業出版社，2005.

[2]帥朝林，陳雪梅，邱世廣.虛擬現實技術在航空智能制造中的應用思考與展望[J].航空制造技術，2016（16）.

[3]孫立.波音發布一年一度的《未來20年民用航空市場預測》[J].航空維修與工程，2020（11）.

[4]王群淼.增強現實技術及其在航空發動機維修中的應用研究[J].內燃機與配件，2020（22）.

[5]裴培.淺談虛擬現實技術的教育應用[J].中國教育信息化，2018（8）.

作者簡介：

夏前錦（1983年-），男，漢族，江蘇淮安人，副教授，博士，研究方向為力學。

連龍（1988年-），男，漢族，內蒙古鄂爾多斯人，工程師，研究生，研究方向為精密儀器及機械。