虛擬仿真技術(shù)在航空專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程的應(yīng)用探索

向 鑫，丁相玉，胡曉安

(南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，江西南昌，330063)

一、引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，中國(guó)信息化水平不斷提升，虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前高校開展教學(xué)工作的重要技術(shù)之一。[1]我國(guó)教育部從2015 年開始陸續(xù)推進(jìn)虛擬仿真中心建設(shè)，各大高校及時(shí)推進(jìn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)和資源建設(shè)，取得了初步成果。[2-3]虛擬仿真技術(shù)促使課堂教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，豐富了教學(xué)手段，提高了教學(xué)的實(shí)踐性。[4]

當(dāng)前，我國(guó)高校虛擬仿真應(yīng)用主要為虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，即通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)建立虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。[5-6]學(xué)生可以通過(guò)計(jì)算機(jī)和虛擬設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)和虛擬操作。虛擬仿真技術(shù)在高校課程中的運(yùn)用主要為虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，簡(jiǎn)稱VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality， 簡(jiǎn)稱AR)和桌面虛擬仿真技術(shù)。其中，VR和AR技術(shù)受限于昂貴的交互設(shè)備，相關(guān)的虛擬仿真建設(shè)在高校中少見。[7-8]而桌面虛擬仿真只需電腦和網(wǎng)絡(luò)就可進(jìn)行，易于實(shí)現(xiàn)3A特性(anywhere，anytime，anydata)，獲得了廣泛的運(yùn)用。[9]

航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)課程具有理論知識(shí)深、工程應(yīng)用性強(qiáng)、國(guó)防特色明顯等特點(diǎn)，在新時(shí)代的高校教育中應(yīng)注重理論與實(shí)踐結(jié)合，并融入課程思政建設(shè)，這對(duì)相關(guān)專業(yè)課程建設(shè)提出了更高的要求。常規(guī)線下教學(xué)受限于教學(xué)場(chǎng)所、教學(xué)方式等，難以獲得預(yù)期中的教學(xué)效果。[10]虛擬仿真技術(shù)則可以作為課堂教學(xué)的補(bǔ)充，充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，與線下課堂教學(xué)互補(bǔ)發(fā)揮更好的教學(xué)效果。[11]本研究基于飛行器動(dòng)力工程專業(yè)的專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)實(shí)踐教學(xué)模塊中虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用探索，對(duì)鼓勵(lì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用結(jié)合、課程思政融入等特色應(yīng)用進(jìn)行探討，并對(duì)虛擬仿真應(yīng)用的不足進(jìn)行總結(jié)。

二、課程建設(shè)目的

專業(yè)綜合實(shí)訓(xùn)是飛行器動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模塊中的一門重要的實(shí)踐性課程，要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體及各部件系統(tǒng)進(jìn)行裝配與拆解，了解各類發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和基本結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行、系統(tǒng)組成、部件構(gòu)造等，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐加深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及各附件系統(tǒng)原理的理解和掌握。該課程注重基礎(chǔ)理論與專業(yè)知識(shí)的融會(huì)貫通，強(qiáng)化理論與實(shí)踐的密切關(guān)系，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用背景。

但是，真正的航空發(fā)動(dòng)機(jī)試車運(yùn)行成本高昂，且具有一定的危險(xiǎn)性和有害性，需要有嚴(yán)格的生產(chǎn)、運(yùn)行規(guī)章制度保證安全，一旦失控容易發(fā)生事故。同時(shí)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)屬于較為精密的設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行拆解、裝配和運(yùn)行時(shí)都必須有完整的輔助設(shè)備才能進(jìn)行，且會(huì)帶來(lái)潛在的設(shè)備損耗。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室條件下，無(wú)論是設(shè)備數(shù)量、成本，還是出于安全的考慮，都難以支撐學(xué)生常規(guī)化地進(jìn)行實(shí)際拆、裝和運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

因此，南昌航空大學(xué)(以下簡(jiǎn)稱我校)飛行器工程學(xué)院采用計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)，以微小型航空發(fā)動(dòng)機(jī)為虛擬對(duì)象，為學(xué)生提供了自主發(fā)揮的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，與學(xué)生的實(shí)際生產(chǎn)實(shí)習(xí)互為補(bǔ)充，降低實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)成本，避免實(shí)際危險(xiǎn)。同時(shí)，通過(guò)實(shí)訓(xùn)使學(xué)生掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其主要部件的基本結(jié)構(gòu)，了解基本設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，了解實(shí)際工程運(yùn)行中存在的細(xì)節(jié)問(wèn)題，培養(yǎng)在從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造、使用維護(hù)和飛行器設(shè)計(jì)與使用維護(hù)工作中分析及解決與航空發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的工程問(wèn)題的興趣和能力。

三、課程特色

(一)“以虛補(bǔ)實(shí)”的課程建設(shè)

學(xué)生在本專業(yè)前期的課程中已學(xué)過(guò)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理，也參觀過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝和試車，但并不是每一個(gè)學(xué)生都具備實(shí)際裝配、拆解、運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的條件。為達(dá)到“以虛補(bǔ)實(shí)、虛實(shí)結(jié)合”的效果，課程選用學(xué)生均去過(guò)的實(shí)驗(yàn)室作為場(chǎng)景，復(fù)原了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所需的工具、操作臺(tái)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、管路等，以此真實(shí)還原發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配、運(yùn)行及各系統(tǒng)、零部件的裝配關(guān)系、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生身臨其境的感受，強(qiáng)化相關(guān)課程知識(shí)。具體課程建設(shè)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

第一，“以虛補(bǔ)實(shí)”指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。我校常規(guī)的實(shí)驗(yàn)課出于安全和不破壞設(shè)備的考慮，通常會(huì)要求學(xué)生嚴(yán)格執(zhí)行教學(xué)安排，只完成“規(guī)定動(dòng)作”，學(xué)生可以接觸的內(nèi)容有限。特別是演示實(shí)驗(yàn)(如發(fā)動(dòng)機(jī)試車)，學(xué)生由于觀察位置、觀察角度、時(shí)間限制等，不僅所學(xué)知識(shí)有限，而且很難在延伸知識(shí)上得到滿足。因此，本次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)將微小型渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)原型機(jī)進(jìn)行了1∶1的三維實(shí)體建模，完全按照實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)裝配，大到整機(jī)，小到單個(gè)螺釘、彈簧，均可供學(xué)生進(jìn)行認(rèn)識(shí)和操作。

第二，“以虛補(bǔ)實(shí)”安排知識(shí)傳授。傳統(tǒng)的理論課課時(shí)有限，所授知識(shí)點(diǎn)通常側(cè)重于專業(yè)體系中的核心知識(shí)；虛擬仿真實(shí)驗(yàn)由于不受時(shí)間限制，可在核心知識(shí)脈絡(luò)上擴(kuò)展碎片化知識(shí)，作為理論課的補(bǔ)充，擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)面。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，教師通過(guò)提示、旁白、超鏈接等方式，可以為學(xué)生提供更多知識(shí)入口，方便學(xué)生獲取信息。

圖1 以虛補(bǔ)實(shí)指導(dǎo)虛擬仿真課程建設(shè)

(二)鼓勵(lì)探索的實(shí)驗(yàn)操作

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以學(xué)生為中心，學(xué)生主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，操作虛擬的實(shí)驗(yàn)裝置，以此增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的獲取興趣和能力。教師主要講解實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)步驟，并對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)前、中、后全過(guò)程加以引導(dǎo)。學(xué)生在進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以自由探索實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，自主探索課程知識(shí)，以此啟發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性。例如，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆裝時(shí)，學(xué)生可以調(diào)整場(chǎng)景位置和視角，通過(guò)不同角度觀察零件形態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)零部件細(xì)節(jié)特征。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)允許學(xué)生在一定程度上“不按常理出牌”，但會(huì)通過(guò)提示、限制危險(xiǎn)操作和告知不當(dāng)操作后果等方式，讓學(xué)生理解危險(xiǎn)操作的原理和成因。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于學(xué)生多、課程時(shí)間緊，教師很難及時(shí)關(guān)注并制止所有學(xué)生的不當(dāng)操作，也很難將實(shí)驗(yàn)中所有可能突發(fā)情況在實(shí)驗(yàn)前一一講解，更難實(shí)現(xiàn)所有學(xué)生都認(rèn)真聽取和堅(jiān)決杜絕不當(dāng)操作。而在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，以鼓勵(lì)探索的方式滿足學(xué)生的好奇心，即使出現(xiàn)不當(dāng)操作也不會(huì)發(fā)生實(shí)際危險(xiǎn)。這種在自主探索過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的方式更有利于加深學(xué)生的“犯錯(cuò)反饋”，進(jìn)而從深層次讓學(xué)生杜絕不當(dāng)操作。

此外，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加入隨機(jī)元素，可以提高實(shí)驗(yàn)的可探索性。在學(xué)生操作過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)在適當(dāng)節(jié)點(diǎn)給出隨機(jī)的知識(shí)點(diǎn)考查或趣味任務(wù)，使學(xué)生在每次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均有不同的體驗(yàn)，從而使學(xué)生每次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)均有一定的新鮮感。學(xué)生在多次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中強(qiáng)化主線知識(shí)，隨機(jī)獲取不同的額外知識(shí)，可以增強(qiáng)對(duì)訓(xùn)練的黏性。同時(shí)，由于每個(gè)學(xué)生遇到的考查都是獨(dú)特的，學(xué)生只能獨(dú)立思考并完成操作，從而提高獨(dú)立解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

(三)工程應(yīng)用緊密結(jié)合

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程以工程上必須經(jīng)歷的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、測(cè)試為基礎(chǔ)，為學(xué)生提供實(shí)操的細(xì)節(jié)模擬，將課本抽象的知識(shí)真實(shí)化、形象化，為學(xué)生將來(lái)從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)實(shí)際工作打下基礎(chǔ)。具體的課程如下。

第一，培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟季S。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)高精尖產(chǎn)品，必須保持細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ趟季S。在虛擬仿真技術(shù)的輔助下，課程可以與企業(yè)工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，嚴(yán)格執(zhí)行工程操作。在常規(guī)實(shí)驗(yàn)課程中，一般由教師做好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作，如實(shí)驗(yàn)安全、電氣調(diào)整等；在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，教師可以要求學(xué)生自己完成相關(guān)檢查，如開啟通風(fēng)設(shè)備、檢查滅火設(shè)備等。而在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)細(xì)節(jié)處理，可以強(qiáng)調(diào)工程思維經(jīng)驗(yàn)，如拆卸發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)要以畫線的方式記錄轉(zhuǎn)子零件的安裝位置，否則在裝配時(shí)就不能恢復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡狀態(tài)，危及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行安全。這些操作都是只能在實(shí)際操作中才能學(xué)到的細(xì)節(jié)知識(shí)。

第二，練習(xí)避免不當(dāng)操作。在工程(或?qū)嶒?yàn))中，一些不當(dāng)操作往往只會(huì)在實(shí)際操作過(guò)程中體現(xiàn)其危害性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以結(jié)合工程實(shí)際，盡可能多地容納工程問(wèn)題。當(dāng)學(xué)生在虛擬課程中出現(xiàn)必定引發(fā)不良后果的不當(dāng)操作時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)給予告誡。例如，螺釘?shù)陌惭b順序一般為對(duì)位預(yù)緊、整圈緩慢擰入，而一些學(xué)生為了方便，會(huì)一個(gè)個(gè)依次完全擰入，雖然裝配成功，但薄壁件會(huì)在裝配過(guò)程中受力不均而變形，導(dǎo)致后續(xù)安裝無(wú)法進(jìn)行。又如，發(fā)動(dòng)機(jī)零件拆卸下來(lái)放置時(shí)，若學(xué)生隨手放置于操作臺(tái)邊緣，就會(huì)導(dǎo)致零件墜落，摔傷零件。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中犯錯(cuò)后，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)警告、扣操作分等方式予以糾正，加深學(xué)生的印象。

(四)課程思政融合

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)絕佳的課程思政窗口。常規(guī)的課堂教學(xué)很難在教學(xué)設(shè)計(jì)中融入思政點(diǎn)，其本身課時(shí)有限，加之內(nèi)容思政點(diǎn)不多，教師很難自然地融入。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程則可以利用時(shí)間、空間的自由性，通過(guò)多種方式融入課程思政元素，為學(xué)生提供相應(yīng)的知識(shí)應(yīng)用，具體方法如下。

第一，在場(chǎng)景布置中融入思政教育。教師可以在實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中，利用壁畫、顯示屏等展示航空英雄人物，講述航空歷史故事。學(xué)生在場(chǎng)景中自由探索時(shí)，可以調(diào)整視角位置移動(dòng)到相關(guān)信息前閱讀相關(guān)介紹。與真實(shí)實(shí)驗(yàn)室或教室環(huán)境相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的壁畫可動(dòng)畫演示、隨時(shí)調(diào)整、動(dòng)態(tài)鏈接，真正成為聯(lián)通課程思政的窗口。若學(xué)生對(duì)某一故事感興趣，可以通過(guò)其附帶的網(wǎng)址或二維碼鏈接至更豐富的介紹，變課堂上的被動(dòng)接受為課后的主動(dòng)了解。

第二，在操作過(guò)程中融入思政教育。結(jié)合系統(tǒng)隨機(jī)給出的趣味任務(wù)，教師可以融入相關(guān)的航空故事，使學(xué)生在進(jìn)行實(shí)踐操作時(shí)更有代入感。例如，在學(xué)生進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬仿真運(yùn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出發(fā)動(dòng)機(jī)需要達(dá)到的系列狀態(tài)點(diǎn)，學(xué)生根據(jù)要求操作完畢后，系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)分。評(píng)分之后，系統(tǒng)背景將提示學(xué)生這一系列狀態(tài)點(diǎn)來(lái)源于航空英雄王偉守衛(wèi)我國(guó)南海領(lǐng)空時(shí)逼近敵機(jī)的操作，并提示學(xué)生如果對(duì)這一英雄故事感興趣，可以通過(guò)掃描二維碼觀看相關(guān)影視資料詳細(xì)了解。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程是將網(wǎng)絡(luò)資源放置或隱藏在場(chǎng)景中，課程思政相關(guān)的資料可以通過(guò)靈活的方式安置在實(shí)驗(yàn)主線附近，讓學(xué)生“自主”探索，真正實(shí)現(xiàn)潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲。這是其他課堂教學(xué)方法所不具備的優(yōu)勢(shì)。

四、未來(lái)改進(jìn)與發(fā)展

未來(lái)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)該不只是為了完成某些特定實(shí)驗(yàn)的替代，而應(yīng)該作為有效的常規(guī)輔助手段成為課堂教學(xué)的一部分：在開展工程應(yīng)用教育方面，可以跳出理論教學(xué)的框架，介紹更多工程案例、工程問(wèn)題，將理論與實(shí)際更緊密地結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮好實(shí)踐對(duì)理論知識(shí)的補(bǔ)充作用；在課程思政方面，如果將專業(yè)理論知識(shí)看作“實(shí)”，將課程思政知識(shí)看作“虛”，那么真實(shí)的課堂教學(xué)更有利于“實(shí)”的傳授，而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更有利于“虛”的傳播。

然而，當(dāng)前航空專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程的虛擬仿真應(yīng)用仍存在諸多尚需改進(jìn)之處。首先，工程問(wèn)題的融入尚需提升。工程問(wèn)題是復(fù)雜多樣的，在融入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師需要對(duì)問(wèn)題進(jìn)行合理的抽象化，而這一過(guò)程會(huì)提升其融入難度。當(dāng)前，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)受限于軟件環(huán)境、開發(fā)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，部分環(huán)節(jié)還略顯粗糙，而如果工程問(wèn)題數(shù)據(jù)庫(kù)不夠完善，就很難非常精確地發(fā)現(xiàn)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題。

其次，仿真內(nèi)核算法精細(xì)化不足。專業(yè)理論知識(shí)難度較大時(shí)，虛擬仿真的底層算法難以做到完全準(zhǔn)確，最終反映在仿真效果上就體現(xiàn)為細(xì)節(jié)較為粗糙。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，數(shù)據(jù)參數(shù)會(huì)不斷變化，真正仿求解發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)需要復(fù)雜的實(shí)時(shí)算法。而現(xiàn)有的虛擬仿真軟件基本上采用提前建立數(shù)據(jù)庫(kù)的方式規(guī)避理論算法，如通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)“模擬”仿真實(shí)驗(yàn)的參數(shù)改變，甚至簡(jiǎn)單地由動(dòng)畫代替實(shí)驗(yàn)過(guò)程。這將導(dǎo)致虛擬仿真實(shí)際上仍只能仿真有限的模式(包括問(wèn)題狀態(tài))，距離真正的“以虛補(bǔ)實(shí)”還有很遠(yuǎn)的距離。

最后，網(wǎng)絡(luò)利用率較低。在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程通常要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)共享，學(xué)生可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真課程在對(duì)網(wǎng)絡(luò)的利用上還存在很大的提升空間。事實(shí)上，與使用紙質(zhì)教材的傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，虛擬仿真課程在融入互聯(lián)網(wǎng)教學(xué)上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，因此，教師應(yīng)探索更多利用網(wǎng)絡(luò)的方式，拓展網(wǎng)絡(luò)工具的使用范圍，使之成為學(xué)生獲取相應(yīng)知識(shí)的另一個(gè)“課堂”。

五、結(jié)語(yǔ)

將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用于航空專業(yè)實(shí)訓(xùn)課程，為課程教學(xué)提供了新的教學(xué)模式，提高了學(xué)生參與程度和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源收益。在“互聯(lián)網(wǎng)+”新工科思維下，虛擬仿真不應(yīng)只局限于一個(gè)技術(shù)手段，而應(yīng)成為理論到實(shí)踐的橋梁，成為聯(lián)通課堂和互聯(lián)網(wǎng)的知識(shí)窗口，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、培養(yǎng)工科探索精神，提升課程思政效果。探索虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)模式，深入挖掘課程潛能，在引導(dǎo)學(xué)生向主動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)型、提升教學(xué)效果及促進(jìn)創(chuàng)新人才能力培養(yǎng)方面具有巨大的發(fā)展空間和現(xiàn)實(shí)意義。