實幻飛行仿真平臺在《飛行仿真原理》教學中的整合應用

喻勇濤，田豐，孟光磊，齊義文，盧艷軍

（沈陽航空航天大學 自動化學院，遼寧 沈陽）

一 引言

《飛行仿真原理》課程授課內容涵蓋構成飛行仿真的三大支撐要素——建模、數學算法和軟件工具，具體包括飛行仿真的發展演變歷程、建模原理、飛行動力學、飛行控制系統仿真、導航系統仿真、飛機儀表顯示和視景系統開發、運動平臺仿真等關鍵技術的講解，是一門很注重理論與實踐有機結合的課程。

該課程知識內容較綜合，但有部分同學在本科期間并未儲備對應的基礎知識，學習時難以理解部分知識點，或一知半解。另外，該課程強調理論聯系實際，部分內容只有通過實踐才能真正掌握其關鍵點，在目前教學中，課程內容教學大部分以理論教學為主，學生無法學以致用，將課程知識聯系實際，降低了學生對課程的學習熱情，實踐性環節的不足也導致學生無法通過觀摩實際仿真系統的開發來促進和加深理論知識的理解、以及接觸更新更強大的開發工具。

為解決上述問題，對《飛行仿真原理》課程展開教學改革很有必要。

二 實幻飛行仿真平臺

實幻飛行仿真平臺包括配備實體飛行座艙的飛行模擬器和三維可視化虛擬飛行仿真套件。

飛行模擬器總體組成包括：操作座艙、圖像生成與渲染系統、地景系統、飛行仿真視景數據庫、模擬飛行仿真軟件、多通道投影顯示系統、環形智能投影屏幕等幾大部分，是一種高沉浸式體驗的飛行仿真系統，具有從基礎理論到真實操縱的全部功能，可為使用者提供高度逼真的模擬飛行環境和操控體驗[1-2]。

三維可視化虛擬飛行仿真套件通過可視化視聽仿真的形式，渲染出飛機姿態、飛行運動的變化，包括儀表顯示、艙外視景以及各種聲音，此套件可以很好地將理論與仿真過程結合起來，對飛行仿真原理進行直觀形象的展示[3]。

三 仿真平臺在課程中的整合應用

考慮目前《飛行仿真原理》的教學痛點，結合實幻飛行仿真平臺的諸多優點，將后者整合應用到課程的教學之中，具有很大的優勢。

將課程中的相關知識點以實操形式植入到仿真平臺操縱練習中，學生在教師指導下完成模擬練習，得出相關知識點問題的答案，教師通過實踐表現來評估學生對知識點掌握情況，同時根據考核情況，閉環修正知識點提取和實踐練習內容。整合實幻飛行仿真平臺后，課程的整體教學思路如圖2所示：

圖2 整體教學思路框圖

（一） 課程知識點的提取

課程的最終目的是讓學生能夠掌握大綱要求的相關知識點，因此課程知識點的提取非常重要。根據教學大綱，對課程所涉及的知識點進行模塊化處理和理論實踐二分類，飛行仿真原理課程知識點可劃分為三大類，一大類是純理論性的，比如建模原理、飛機動力學等；另外一大類屬于理論實踐相結合，需要從實驗結果的處理分析中獲取知識，比如模型校核、儀表等；最后一大類是強實踐性的知識點，學生可以通過實踐可直接習得或輔助理論學習習得，如導航系統、飛行評價等。

提取的知識模塊如表1所示：

表1 提取的知識模塊清單

其中，適合和仿真系統結合的內容主要有：飛行半實物仿真平臺組成、飛行訓練講評系統（教練臺），前者系統性地講解飛行仿真系統由哪些典型子系統構成，在概要介紹各子系統作用后，重點要求學生掌握各子系統功能及相互間數據交聯關系，為后續分析和設計飛行仿真系統提供全局視野；飛行訓練講評系統根據飛行過程中記錄的飛行參數按飛行標準自動判定飛行員飛行水平，以達到客觀、全面、有效、快速地評估飛行員飛行品質的目的[4]，此部分講解更強調與實際場景結合。

繼續提煉這兩部分的知識點如表2所示。

表2 提煉的知識點清單

至此，完成課程中和實踐結合緊密的知識的梳理，下一步將根據知識整理結果，結合仿真平臺實物，設計練習內容，通過具體實踐，在直接對強調實踐的知識點進行認識和驗證的基礎上，加深和鞏固學生對飛行仿真理論知識的理解，改善教學效果。

（二） 仿真平臺練習的制定

根據教改思路，在整個教學過程中，仿真平臺練習內容的設置非常重要，所設計的練習要求能夠覆蓋要學習的知識點，使得學生完成實踐練習后更好地掌握這些知識點[5-6]，如儀表練習、飛行練習等。

仿真平臺練習的制定包括針對飛行模擬器平臺的練習和對虛擬飛行仿真套件的練習。

飛行模擬器因其配備實物環境，可制定實踐性較強的知識點的練習。本課題擬針對重點實驗室配備的“小鷹500”通用飛機模擬訓練器進行練習制定，訓練器如圖1所示，輔以實感座艙飛行仿真系統，如圖3所示。

圖1 小鷹500型通用飛行訓練器

圖3 實感座艙飛行仿真系統

部分仿真平臺練習內容如表3所示。

表3 仿真平臺練習內容（部分）

虛擬飛行仿真套件可充分發揮虛擬仿真高度靈活的特點，可制定理論性較強的知識點的練習。本課題擬采用Matlab預置的飛行仿真案例，這些案例以Simulink工程形式呈現，包括基礎的動力學和運動學仿真，以及姿態控制示例工程，方便學生復現或修改后自行開始仿真實驗[7]，配合可視化界面和環幕全景顯示系統，充分發揮虛擬飛行仿真的直觀特點，如圖4所示。

圖4 環幕全景顯示系統

（三） 課程考核

相比與傳統課程僅僅注重知識的考核方式，整合仿真平臺后的課程采用能力和知識雙考核方式，既考核學生的實踐能力、團隊協作等能力，同時又對知識點的掌握程度進行考核。考核分為課程中表現考核和知識點掌握程度考核[8]，兩種考核各占總成績的50%。

四 課程效果

通過上述研究內容的實施，希望通過整合實幻仿真平臺后的教學方案，將學做合為一體，提升教學效果，增強學生學習熱情：

（1）完成理論知識點的提取和仿真平臺練習的制定，實現實幻仿真平臺的課程整合；

（2）通過整合后的教學執行，加深和鞏固學生對飛行仿真理論知識的理解，同時，培養學生的實踐能力。

2021年春季學期結束后，為了解課程教學效果和學生對課程的需求，為課程的持續改進提供依據，教學組設計了問卷，對本課程的2020級23名研究生進行了調查。問卷針對學生對飛行仿真理論知識掌握程度、飛行仿真系統工程實踐能力、課程學習成果自我滿意度和后續專業學習的渴望程度進行了調查，具體調查結果統計情況如表4所示。

表4 教學效果調查統計結果（學生自我評價）

通過問卷統計結果可知：學生在對課程理論知識和工程實踐條目上有較好的評價，證明了本文教改方式的有效性，同時，學生在課程中有良好的自我成就感，有興趣繼續深入研究飛行仿真相關課題，這在問卷后兩項統計數據中有直接體現，說明將實際系統整合到課程教學中，可激發學生的學習興趣和學習成就感。

五 結語

針對目前《飛行仿真原理》的教學絕大部分均以理論教學為主、缺少實踐性環節的問題，本文嘗試有機地將實幻飛行仿真平臺整合到課程教學中，將理論知識點提煉成可以在仿真平臺上進行實踐練習的內容，在教、學、做融合的過程中，加深和鞏固學生對飛行仿真理論知識的理解，也使學生對真實的飛行仿真系統研發有更深切的體會。