基于沉浸式虛擬仿真實驗的飛機系統課程群教學改革研究

[關鍵詞]沉浸式虛擬仿真實驗；飛機系統課程群；教學改革；實驗平臺

[基金項目]中國交通教育研究會2022至2024年度教育科學研究課題“基于沉浸式虛擬仿真實驗的民航飛機系統課程群教學模式研究與實踐”（JT2022YB124）;2022年度天津市教育科學規劃課題（青年一般課題）“輕量化虛擬現實技術與飛機系統課程群教學創新融合的研究與實踐”（EIE220131）

[作者簡介]（1987—），男，河南周口人，碩士，中國民航大學航空工程學院副教授，主要從事飛機結構與系統虛擬仿真研究；牟清源（1985—），女，山東即墨人，碩士，中國民航大學航空工程學院講師（通信作者），主要從事飛機結構與系統虛擬仿真研究；張鐵純（1972—），男，天津人，碩士，中國民航大學航空工程學院教授，主要從事飛機結構與系統虛擬仿真研究。

[中圖分類號］G642.0 ［文獻標識碼］A [文章編號]1674-9324（2025）26-0053-04 [收稿日期］2024-11-17

引言

隨著現代數字技術的高速發展，虛擬現實技術作為其中的關鍵環節，在高校教育教學工作中發揮著至關重要的作用。2022年，時任教育部高等教育司司長吳巖在“服務中國式現代化，建好金專、金課、金師、金教材”主題報告中指出，鍛造“金師”應精于“技術”，虛擬仿真技術的應用能夠解決現實“做不到”，實現“網上做實驗”，而教育數字化作為新的教育生產力需要著手“虛擬教研室”建設，打造虛擬仿真“金課”，注重“智能 + 教育”［]。第三屆世界高等教育大會中也指出，高等教育需要內容多樣，將方法靈活與技術賦能作為未來的變革方向[2]。目前，很多學科領域的虛擬仿真實驗教學或培訓仍處于起步階段，關鍵需要解決實驗平臺建設問題，同時，借助虛擬仿真方法的高校課程教學改革應重點面向虛擬實驗平臺與實際教學相結合的研究工作。

飛機系統課程群是航空宇航科學與技術學科方向涉及民航領域專業課程的重要組成部分。2022年9月，民航局局長宋志勇在月度航空安全委員會全體（擴大）會議上強調，要牢固樹立“安全第一”思想。對以民航領域為主要就業方向的本科教學而言，更需要以最高標準與最嚴要求開展涉及民航安全的課程教學，而在機務類專業培養體系中極為重要的飛機系統課程群，直接與涵蓋范圍廣泛的民航飛機系統航線維護安全高度關聯。為了適應民航飛機多系統模塊課程教學需求，近年來飛機系統課程群教學資源建設長期致力于傳統二維平面圖向三維數字化模型的轉型，而關于現代民用飛機各分系統工作原理的展示通常面向局部視角下的互動學習，亟須搭建面向全局視角且更為全面的虛擬仿真場景。

因此，本文將 3D+VR 沉浸式虛擬仿真技術與現代民航飛機系統課程群教學相融合，使用精細化模型虛擬仿真技術，側重還原典型飛機系統實際場景下的工作原理，并使學生通過交互操作，完成復雜系統模塊化知識內容學習，以“沉浸體驗 + 視覺進化”的飛機系統新型教學模式，有效提升課程教學與實踐效果。

一、沉浸式虛擬仿真實驗研究背景

由于現代民用飛機系統開展實物實驗難度較大，且隨著新型民用飛機系統中新技術的不斷應用，不同機型相應系統構成以及工作原理具有差異性，采用虛擬現實方法能夠針對不同目標系統進行虛擬仿真實驗模型開發。目前，國內外對虛擬仿真實驗的探究主要從應用場景的角度出發，用虛擬現實技術解決實際教學培訓與實際工況中出現的痛點問題，從交互方式、模型場景優化和數字孿生等多個方面進行研究[3]，以實踐課程為核心，圍繞技術能力、動手能力和專業知識的培養進行沉浸式虛擬仿真實驗平臺的開發[4]

從虛擬仿真實驗的實際應用角度分析，其有效弱化了場地大小、環境惡劣、設備工具采購價格高、硬件數量少等問題對教學的影響，減少或避免了學生因操作不當而造成的安全事故[5]。在虛擬仿真實驗設計上，基于教學案例、追隨行業發展設計了階梯式實踐過程[6]，實現了教學方式的優化，提升了教學質量與學習效果。此外，虛擬仿真技術的特色之一就是沉浸式人機交互體驗，通過屏幕、VR或AR設備，在虛擬環境下使用鼠標鍵、控制手柄、虛擬手柄等設備進行交互體驗。王曉媛等[7]基于模擬退火算法開發了一套動作規劃算法，可用于復雜部件的抓取模型動畫，使抓取動作更加擬真與自然。陳佳昕等[8]從解剖學出發，通過分析人手的結構，模擬不同手部姿態和動作，創建了一個包含多種手部姿態的數據集，可用于手部姿態識別和跟蹤。

由此可見，沉浸式虛擬仿真實驗在面向復雜系統場景還原方面具有潛在的重要應用前景，而依托沉浸式 3D+VR 技術平臺交互方式實現虛擬現實教學模式與實踐方法的革新，對培養現代民航飛機系統工程技術人才具有重要意義。

二、飛機系統沉浸式虛擬仿真實驗資源建設研究

根據飛機系統課程群虛擬仿真實驗要求，進行“沉浸體驗 + 視覺進化”教學模式及實踐方法研究，采用 3D+VR 技術創建的虛擬現實教學平臺，為學生認知學習現代民航飛機關鍵系統提供了全新視角及交互方式。對基于沉浸式虛擬仿真實驗的飛機系統課程教學內容進行整體梳理，本文以極具代表性的新型A320NEO飛機飛行操縱與起落架系統為目標建設對象，提出了基于沉浸式虛擬仿真實驗開發的飛機系統課程群教學改革流程，如圖1所示。

基于沉浸式虛擬仿真實驗的民航飛機系統課程群教學研究↓3D+VR 桌面級交互平臺適配模型對比分析？VR環境下待構建目標機型及典型系統工作原理研究？空客A320NEO飛行操縱系統 空客A320NEO起落架系統副翼、襟/縫翼、水平安定面等 前／主起落架收放、轉彎、剎車等↓以高保真度適配 3D+VR 平臺的精細化數字模型建立？虛擬仿真實驗平臺構建沉浸體驗 + 視覺進化？

教師主導演示模式多種VR互動場景與功能推動下 學生分組互動模式3D跟蹤眼鏡 + 的新型教學模式研究 3D跟蹤眼鏡

非跟蹤轉換眼鏡√借力沉浸式 3D+VR 虛擬仿真實驗的教學實踐方法研究

（一）典型飛機系統沉浸式虛擬實驗教學資源建設

為了構建飛機系統沉浸式虛擬仿真實驗場景，可充分借助 3D+VR 技術開展教學資源建設，該技術是虛擬仿真與多媒體技術、網絡互聯技術及人機接口技術等多項技術的結合體，能夠將飛機系統的真實環境植人虛擬環境中，實現學習者與虛擬仿真實驗模型的直觀實時互動，提升認知學習效果。以現代民用飛機上低速運動的兩大復雜機械系統一—飛行操縱與起落架系統為例，從其涵蓋的分系統，如副翼驅動、方向舵驅動、升降舵驅動、襟/縫翼驅動、擾流板驅動、水平安定面驅動、前/主起落架收放、前輪轉彎和主輪剎車等角度切入，針對典型飛機系統，在VR環境下還原其工作原理。其中，飛機系統零部件建模為保證建模的高精準度和對飛機系統零部件的還原度，通常使用CATIA、SolidWorks等工程設計專業軟件進行參數化建模。在已初步開發的虛擬仿真模型的基礎上，深入開展適配沉浸式 3D+VR 桌面級交互平臺教學環境的虛擬仿真實驗教學資源建設。

（二）借助 3D+VR 技術的典型飛機系統沉浸式虛擬仿真實驗平臺構建

沉浸式虛擬仿真實驗所依托的VR桌面交互平臺結合了VR和AR（增強現實技術），硬件平臺中的核心應用專業軟件能夠兼容多類型軟件（如3DSMAX、UG、Pro/E、CATIA、Solidworks等）調試后的三維模型格式，也適用于將各軟件環境下模型以Unity3D封裝后遷移到VR桌面交互平臺系統中，為飛機系統專業課程教學資源提供了持續深度開發的可能性。

以CATIA為例，由于其無法直接導出適用于Unity3D的FBX或OBJ格式的模型，因此需要對模型進行額外處理，以使其可以被導入Unity3D。目前主流采取的模型轉換方式為通過中間格式進行轉換，通過對比STP、CATPart等格式向3DSMAX環境轉換后的模型保真度，最終3DSMAX讀取CATPart格式模型作為最優方案。而在FBX和OBJ格式的選擇上，兩者都被廣泛應用于虛擬仿真資源的建設上，其區別主要為FBX格式相較于OBJ格式會存儲模型上的動畫、材質特性、貼圖、骨骼動畫、燈光和攝像機等信息，這使得FBX具有更強的兼容性，可以通過其他軟件，如Substance

Painter等，對模型進行賦予材質、貼圖等操作后再導入Unity3D，使模型更具擬真度，因此在開發過程中通常使用FBX格式模型。在Unity3D中，則采用細節層級（levelsofdetail，LOD）技術，場景中相對攝像機近距離的模型使用高網格分辨率模型，遠距離的模型使用低網格分辨率模型，可顯著提升場景加載速度，實現沉浸式場景優化。在此基礎上，將所建立的目標飛機系統虛擬場景導人交互平臺，從而構建沉浸式虛擬仿真實驗平臺。

實驗平臺采用開源化設計，可通過觸控筆與3D應用程序及模型場景互動，依托不同格式類型的數字模型及Unity3D封裝互動文件，以高保真度導人桌面級 3D+VR 技術平臺的具體適配方法，能夠有效保證所建設的沉浸式虛擬仿真實驗平臺中不同類型飛機系統模塊化教學資源的可拓展性。

（三）面向飛機系統沉浸式虛擬仿真實驗的新型教學模式探究

基于Unity3D開發的多視角飛機系統虛擬實驗場景，將其嵌入桌面級互動技術平臺，能夠為學生的專業課學習提供沉浸、交互及仿真的深度數字化體驗，學生可利用配套的3D跟蹤眼鏡（設備附帶頭部紅外位移追蹤）和觸控筆，在沉浸式虛擬實驗場景中實現6個自由度的交互操作；也可通過非跟蹤轉換眼鏡，在主機所映射的電腦上觀察實驗演示過程，更為深入地理解飛機系統教學內容中部分抽象立體工作的原理。交互平臺內嵌人的軟件模塊涵蓋了基本的模型開發與教學展示工具，適用于飛機系統課程群中分系統組成及工作原理環節中難以展示的復雜知識點的講述，同時可實現虛擬現實環境下的飛機系統附件虛擬拆裝、系統工作原理模擬和試驗驗證過程還原等。

按照飛機系統課程群知識模塊設定沉浸式虛擬仿真實驗模塊，以線上線下混合式教學為基本支撐，通過 3D+VR 主控制臺配合3D跟蹤眼鏡，以“教師主導演示模式”和“學生分組互動模式”實施專業課程教學，多種VR教學互動場景與功能推動了沉浸視角下探究式教學、啟發式教學、討論式教學等創新性教學理念的研究與實現。結合沉浸式虛擬仿真實驗教學模式的實施效果及學生學習效果的逆向反饋情況，持續調整優化課程教學模式，達到了很好的預期教學效果。

（四）飛機系統沉浸式虛擬仿真實驗場景下的教學實踐研究

注重將飛機系統沉浸式虛擬實驗場景與民航工程實踐緊密結合，通過實地調研收集目標機型系統實際工作場景，梳理工程實踐中出現的具體問題與虛擬仿真實驗教學中相關內容之間的關聯性及差異性，針對相應虛擬實驗場景在平臺內的展現效果，對模型實施詳細對照檢查與修正，使其能夠深度還原工程實際中現代民航飛機系統的實體對象工作特征。

同時，根據飛機系統課程群中不同課程的虛擬實驗教學內容，梳理各層級虛擬仿真實驗，對同類型的實驗項目進行內容整合，并設計沉浸式虛擬仿真實驗步驟。在開展沉浸式虛擬仿真實驗的基礎上，充分融合工程實踐中出現的不同類型系統的常見故障問題及排故措施，依托飛機系統相關新工科項目式課程、課程設計及畢業設計等方式，指導學生針對民航飛機系統工程實際案例開發交互式應用程序，深入培養學生在飛機系統方面的工程實踐能力。

結語

本文面向航空宇航科學與技術學科方向飛機系統課程群教學，借助沉浸式虛擬仿真實驗方法，開展了相應數字化技術支撐下的教學改革研究。沉浸式飛機系統虛擬仿真實驗提供了一種新型教學模式，實踐表明該教學模式能夠顯著提升課程教學效果。除本文重點關注的飛行操縱與起落架系統之外，沉浸式虛擬仿真實驗教學的后續研究還能夠輻射氣源系統、空調系統、飛機液壓系統、燃油系統、防冰排雨系統、氧氣系統和防火系統等，為新工科背景下飛機系統課程群教學資源建設及工程實踐教學模式改革研究等工作奠定了研究基礎。同時，本文研究結果可為國內航空專業院校、培訓單位及研究單位等開展飛機系統沉浸式虛擬仿真教學與培訓提供重要參考。

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Research on Teaching Reform of Aircraft System Course Group Based on Immersive Virtual Simulation Experiment SUNBin，MU Qing-yuan， ZHANG Tie-chun

（College of Aeronautical Engineering， Civil Aviation University of China，Tianjin 3oo3oo， China）

Abstract： This paper takes different types of complex systems in modern civil aircraft as the research object， taking typical flight control and landing gear systems as examples，and conducts the immersive virtual simulation experiment research using 3D+VR （virtual reality technology）.The technical pathof transferring refined virtual simulation models of aircraft systems in diffrent software environments to three-dimensional space using 3D trackingglassesisdeveloped，and an“immersive experience + visual evolution”mode to design interactive operations invirtual simulationexperimental scenarios covering virtual disassmblyandassemblyof aircraft system accessories，simulation of system working principles is proposed.From the perspective of the immersive virtual simulation experiment， closely integrating teaching content with engineering practice provides anew teaching mode for aircraft system course group teaching.

Key words： immersive virtual simulation experiment; aircraft system course group; teaching reform; experimental platform