虛擬現實技術在民航飛機電子系統教學中的應用

中圖分類號：TP39；G434 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2025）16-0154-05

Application of Virtual Reality Technology in Civil Aircraft Electronic System Teaching

ZHUFang，YEBaoyu （Guangzhou Civil Aviation College， Guangzhou 510403， China）

Abstract： The course of “Aircraft Electronic System” in civil aviation higher vocational education is the core profesional course of mechanical and electrical equipment maintenance specialty.The course has high comprehensive requirementsforknowledge，andsystemidentificationandfault maintenancearethe footholdof thecourse.Intraditional teachingpractice，duetofactorssuchasinsuffcientequipmentalocationandsinglefaultsetingofirraftelectroncsyte，it is diffcult toteach，whichserouslyafects thequalityofteaching.TeemergeneofVirtualRealitytechnologyhassolvedthese problems well.Inviewof the problems existinginthetraditionalcourse teaching，thispaperanalyzes the aplicationofVirtual Reality technology incourse teaching fromthe perspectiveofcourse teaching objectives，actual teachingconditionsandcurrent situation，which provides areference for thereform of teaching modeandthe training ofcivilaviation professionals.

Keywords： Virtual Reality technology; civil aviation aircraft; electronic system

0 引言

飛機電子系統融合了多學科的專業知識，從事該系統的維護人員必須具備扎實的理論知識和熟練的操作技能[。“飛機電子系統”課程是民航高職維修類專業的核心專業課程，授課對象為飛機機電設備維修專業的學生，教學內容分為飛機電子系統基本理論和維護技能兩大部分，旨在為學生畢業后在民航一線從事機載電子系統維修工作做準備。根據民航機載電子設備維護工作崗位的特點分析[2，該課程的教學內容主要包括飛機機載電子系統的原理、組成、故障維護這三個模塊，采用“理實一體”的授課方式。高職教育的目標是培養滿足行業需求的高技能人才，重在實踐技能的培養。為了實現人才培養的目標，該課程應側重于飛機電子系統維護技能部分。在目前的教學改革中，大多涉及多媒體教學、信息技術及網絡應用，這些新技術為理論教學的實施帶來了深刻影響，大大提高了理論教學的質量。但對于實踐技能的培養來說，則沒有明顯優勢，對學生提高實踐操作技能幫助不大，且不利于學習興趣和積極性的提升。影響該課程實踐教學效果的因素很多，主要有新機型教學飛機昂貴、現有教學飛機機型老舊且數量有限，導致學生實踐機會有限，實踐積極性下降，技能難以掌握。虛擬現實技術的出現正好可以解決實踐教學中教學飛機數量不足且型號老舊的問題，將該技術與飛機電子系統教學實踐相結合，為課程教學模式的改革與創新帶來了積極影響，是課程改革和人才培養模式的重要革新[3-4]。

1 問題分析

1. 1 課程教學目標

為民航企業培養合格的技術技能型機務維修人才，既是民航業發展的需要，也是民航高職院校飛機維修類專業學生的培養目標和方向。我校機務專業培養的學生畢業后主要面向民航機務崗位，從事民航飛機的維修和維護工作，就業去向主要為國內各機場和航空公司的航線或車間。因此，在校的專業課程學習中，就要更注重實踐技能的培養[5]。飛機電子系統課程的內容包括航空儀表、機載電子系統、機載導航系統和自動飛行控制系統這四大板塊，主要講解這些航空電子系統的基本工作原理、部件組成、使用特點、常見維護及安全注意事項。通過課堂PPT、視頻、教學飛機現場教學和虛擬設備教學等方式，使學生掌握常用機型機載設備的基本原理，熟悉不同機型的機載電子系統的使用和維護，并培養學生的動手能力，使其能從事常見的系統維護操作。

1.2 教學現狀分析

飛機電子系統課程最理想、最有效的教學模式是在教室進行電子系統的理論原理教學，分析了飛機電子系統的典型故障之后，再到飛機上進行真實的系統使用和排故實踐操作，但這種教學模式往往很難實現。

首先，教學飛機機型老舊，電子系統落后。隨著時代的發展，飛機在進步，飛機電子系統也在不斷地發展。飛機電子系統課程的教學內容與具體的機型有關，不同的機型有著不同的機載航電系統，對應的原理、操作及維護方式也不同。為了滿足人才培養的目標，與就業接軌，教學飛機機型應接近民航企業當下的主流機型。當今民航的主流機型是波音737-800、空客A320，還有更先進的波音787、空客A350和C919。但由于新飛機或者服役狀態的民航客機引進成本高昂，目前學校的教學飛機為退役的B737-300。該機型電子系統老舊，是20世紀80年代到90年代初的技術水平，使用的是傳統的模擬或早期的數字系統，采用的是以機械儀表和陰極射線管顯示器為主的獨立式儀表系統，代表20世紀末的飛機電子系統的水平，自動化程度偏低，與今天民航企業主流機型的高度集成化、數字化和智能化的航電系統差別巨大。

其次，課程實踐排故內容設置簡單。排故即排除故障，是實際飛機電子系統維修工作中最常見的內容。排故需要先制造故障，但教學飛機不是一次性的，要考慮可持續利用。為了延長教學飛機的使用壽命，避免給飛機造成無法恢復的損傷，同時考慮配件及耗材的更換、安全操作規范等，就導致無法在教學飛機上人為制造過于復雜的故障。因此，在課程實踐排故故障設置時，就只能設置一些操作簡單、零部件損傷小或者無損傷及易于恢復的故障來進行教學，無法實現飛機日常飛行中常見故障的實踐維護教學，導致所學與真實飛機的實際狀況偏差較大。

第三，師生比例低。授課學生數量多，教學飛機數量少，導致在有限的上課時間內不是所有學生都有真機實操的機會。最終，課程的實踐教學變成了飛機電子系統的現場參觀學習，這就導致實際的教學效果與培養計劃的教學目標之間會出現很大偏差。

因此，在有限的資源條件下，為更好地讓學生理解飛機電子系統的原理、操作，掌握維護技能，提升飛機電子系統的實際教學質量，就需要引進新技術對傳統的教學模式進行革新和調整。

2虛擬現實技術應用

虛擬現實技術能夠有效解決飛機電子系統教學中存在的問題。虛擬現實技術是通過計算機模擬生成逼真的三維虛擬環境，使用者通過使用頭戴式顯示器、傳感器、操縱桿、按鍵、手柄等設備，在特定場景中，通過真實的操作，與虛擬環境中的物體進行沉浸式的交互。在教育與培訓領域，虛擬現實技術可模擬真實場景，提升學習效率。此外，虛擬場景可無限次重復，適用于多次訓練和操作。該技術可以為學生模擬更真實、更多樣的飛機電子系統實操場景，全方位提升學生的理論和排故水平，為學生提供全新的實踐和學習方式。現場課程部分可以基于虛擬現實技術構建飛機虛擬的電子系統維修環境，不同機型的電子系統可以通過虛擬現實技術以三維的形式呈現，讓學生學習最新的飛機電子系統，使所學知識能與行業發展相匹配。它可以逼真還原飛機電子系統的操作和故障狀況，讓學生身臨其境地學習，不僅可以激發學生的參與感和學習興趣，還可以增強知識的理解、記憶，提升排故操作技能的熟練度。虛擬現實技術可以提供安全的模擬環境，避免實際操作中帶來的安全和設備風險，且無須購買昂貴的航材就可以反復練習排故操作，充許學生在虛擬的排故環境中犯錯并從誤操作中學習、總結經驗，提升技能。

2.1機務維護模擬機

目前飛機電子系統教學中使用的虛擬現實技術載體有A320和B737-800機務維護模擬機[7-8]。在現場教學中，機務維護模擬機的教學模式包括系統教學、系統操作示例、故障診斷等，涵蓋了從系統原理到實際操作的全方位內容，能夠有效提升學生的故障診斷能力、排除能力、維護技能和操作安全意識。機務維護模擬機是基于計算機的軟件設備，專門用于培訓飛機維護人員，該設備通過多顯示器系統高度還原A320及B737-800系列飛機的系統結構和維護操作。它是集飛機駕駛艙儀表、飛機各系統、飛機結構及計算機仿真技術于一體的模擬設備，由兩臺計算機、三臺顯示器、教員操作臺、飛機操控臺、駕駛艙儀表盤、操作手柄等組成。教員計算機及其對應的顯示器顯示教員操作系統，可以根據教學模式進行飛機設置、系統顯示、故障設置和維護培訓等。學生計算機對應有兩臺顯示器，可以顯示虛擬飛機、飛機相關系統、駕駛艙儀表、維護手冊（AircraftMaintenanceManual，AMM）及故障隔離手冊（FaultIsolationManual，FIM）等。機務維護模擬機的教學功能模式組成如圖1所示。

在進行系統原理授課時，老師在教員操作臺計算機上調用飛機電子相應子系統的原理圖和部件圖，顯示在學生端的顯示器上。根據不同的教學模式，在模擬機上可以完成飛機的通電檢查、飛機模擬起飛、駕駛艙儀表識讀及典型飛機電子系統故障維修與排除，從而實現相應機型電子系統原理和排故教學。教師根據教學需要對機載電子系統的故障進行設置，模擬常見故障的診斷流程。系統中的操作索引菜單欄下可以選擇飛行管理系統（FlightManagementSystem，FMS）、中央維護系統（CentralMaintenanceSystem，CMS）、甚高頻通信系統（VeryHighFrequency，VHF）、大氣數據慣性基準系統（AirDataInertialReferenceSystem，ADIRS）等系統的操作與維護、軟件更新、系統重置、數據加載等操作；系統中“故障索引”菜單欄下對應的是故障列表，可以根據授課內容來設置相應電子子系統的故障，如儀表、傳感器的校準與更換等。選中的故障會出現在學生端的相應區域，學生查找相關手冊進行學習、分析和排故，排故完成后再進行系統的測試與驗證。這一學習過程包括部件識別、故障識別、手冊查找、故障原因分析、故障確認和故障排除，故障排除的操作也即在模擬機上進行相應的操作。在這一學習過程中，學生既掌握了電子各子系統的工作原理及部件組成，也鍛煉了手冊查找的熟悉度和準確度，提高了排故操作技能的規范度。學生完成排故操作及系統測試后，教師可進入評估與考核模式來檢驗學生的知識掌握情況和維護技能，模擬實際的維護考試，評估學生的故障排查能力和操作熟練度。后臺會記錄學生的操作數據，并可對該數據進行分析，提供反饋和改進建議，還可模擬緊急維護現場，考核學生的應急處理能力。

通過這些系統化的訓練，可以極大地提升教學質量，使學生更加透徹地掌握理論知識，使維護技能得到有效提升，從而更好地與就業市場接軌，更快地適應畢業后的實際維護工作，迅速成長為一名出色的專業機務維護人員，保障民航飛機既安全又可靠的飛行。

2.2飛機維護模擬教學平臺

基于虛擬技術的飛機維護模擬平臺通過模擬真實飛機的系統結構和維護環境，可集成多種主流服役機型[9-11]。利用軟件模擬飛機部件、駕駛艙控制面板和儀表、傳感器與執行部件以及維護工具和測試設備；利用仿真軟件、故障模擬軟件、虛擬現實或增強現實模塊以二維或三維的形式顯示各型號飛機駕駛艙、電子設備艙和各電子系統的工作情況，基本功能包括民航飛機電子系統的顯示、操作和故障維護等環節，平臺實現框架及軟件如圖2所示。

該平臺內置了包括維護手冊、故障隔離手冊和操作指南在內的豐富教學資源，還設置了教學管理系統，可以管理學生信息、課程內容、學習計劃和考核結果。根據授課內容，平臺能展示相應機型電子系統的詳細原理和功能介紹，模擬日常檢查、定期維護等標準操作流程，模擬常見故障和異常情況，還提供模擬考試和評估功能，記錄排故操作數據，生成分析報告，以幫助學生改進學習效果，優化教學計劃。該平臺會將教學內容以文字、聲音、圖像和視頻等方式呈現，通過多種途徑將枯燥的學習過程生動化，利用模擬軟件使實際的維護工作實踐成為可能，突破了設備、場地、經費等各種硬件限制，同時可有效規避真實操作帶來的各種風險，避免因操作失誤而造成機載設備損毀的可能。

飛機維護模擬平臺的課程教學實施過程如圖3所示。課程進行時，先利用模擬軟件進行飛機電子各系統的原理、功能、部件組成以及操作學習，幫助學生理解基礎理論知識；然后模擬航線和定檢的標準操作流程，培養學生的規范操作習慣；再模擬常見故障和異常情況，訓練學生的故障識別和排除能力。對于優秀的學生，還可設置復雜的故障，以實現因材施教。在實施排故教學過程中，學生通過模擬教學平臺接收故障信息，如儀表顯示異常、故障燈點亮或系統警告聲等，學生需通過模擬系統的操作界面確認故障的具體表現，再通過平臺內置的

AMM、SSM（SystemSchematicManual）或FIM的相關章節來查找故障原因，利用模擬儀表、控制面板等組件檢查相關系統的運行狀態，根據以上信息，找出可能的故障原因，并通過模擬的測試儀表對假設故障進行驗證。按照系統邏輯，確定故障組件后，根據故障定位結果，制定相應的排故方案，如更換部件或修復電路。當點擊更換故障部件或重新連接線路，消除故障代碼后，平臺會指導學生進行電子系統測試，通過模擬系統的運行狀態，來確認故障是否排除。平臺會模擬排故操作的結果，并將系統恢復正常的反饋以音頻或視頻形式展示出來。此外，平臺還會生成排故報告，包括記錄故障現象、分析過程、排故方法和測試結果，供老師進行教學效果評估，以及供學生總結經驗、回顧不足。

圖3模擬教學平臺教學實施過程

3教學效果分析

目前，虛擬現實技術在飛機電子系統課程中的應用已經經過了三屆學生的教學實踐，分別在2022—2024年的20級、21級、22級飛機電子設備專業的12個自然班進行了教學應用。經過分析學生的教學考核成績，發現平均成績提升了約 13%～20% 。同時，參與職業院校技能大賽的學生人數增加了一倍，學生的飛機電子系統故障實操技能大大提升，在飛機維修技能大賽中頻頻斬獲獎項，展現出了良好的專業素養，如2024一2025一帶一路暨金磚大賽之首屆飛機故障檢測與維修（虛擬仿真平臺）大賽一等獎、二等獎，2024金磚國家職業技能大賽國內賽二等獎，2024一帶一路暨金磚國家技能發展與技術創新大賽國內賽一等獎，第三屆廈門市職業技能競賽飛機維修項目一等獎，2023年金磚國家職業技能大賽飛機維修技能大賽二等獎，2023年第二屆全國技能大賽“飛機維修”項目銅獎，以及2023年廣東省第三屆職業技能大賽“飛機維修”賽項第二名等。這些成績和獎項充分顯示了虛擬現實技術在提高學生學業表現和職業競爭力方面的顯著成效，如表1所示。

表1教學成效

4結論

將虛擬現實技術應用在民航飛機電子系統的教學中，構建基于虛擬現實技術的創新型教學模式，不僅可以激發學生的學習積極性、更新教學內容、提升教學效果，還可以解決高校教學飛機機型老舊、耗材短缺、師生比低及操作安全性等實際問題，為學生提供一個安全、高效的學習環境。盡管將虛擬現實技術應用在課程教學中取得了很好的教學效果，但仍存在一些不足之處，比如，虛擬排故并不能完全替代實際的現場排故，特別是在涉及線路的更換、元件的安裝、維護工具的使用等安全操作和精細操作技巧的排故實踐中，虛擬現實技術難以完全復現真實操作的熟練度和靈敏度，因此還需進一步優化虛擬現實教學平臺。在進一步的研究中可嘗試將其與人工智能、大數據等技術深度融合，比如可通過人工智能分析學生的學習行為數據，動態調整教學內容難度和節奏，為學生提供個性化的學習路徑，還可利用生成式人工智能自動創建虛擬維護場景和教學素材，實現從統一教學到個性化教學、從被動學習到主動探索的轉變；同時，建立開放平臺，使教師可以共享自研的虛擬教學場景。通過AI、大數據和虛擬現實技術的深度協同，以科技賦能職業教育，推動民航職業教育的高質量發展，為最終實現民航高職院校高素質技能型人才培養的目標提供保障。

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作者簡介：朱芳（1980.12—），女，漢族，湖北咸寧人，副教授，博士，研究方向：飛機電子系統維護。