刘 杰

(湖北交通职业技术学院，武汉 430079)

航空专业发达与否是衡量国家综合国力和科技水平的重要标志之一，是“中国制造2025”和军民融合战略发展的重点产业，近年来呈现出快速发展的势头，特别是武汉在航空领域频频有大规划、大布局，例如：汉南国家级通航产业聚集示范区、鄂州顺丰国际机场等。湖北省提出要将武汉打造成为国家级通航产业聚集示范区、中国航空运动产业中心、中国中部通航枢纽等。预计到2025年，航空产业人才缺口将达50万，需求巨大。湖北交通职业技术学院作为湖北交通人才的摇篮，为响应湖北省航空体系建设的发展需求，积极培养制造和维修领域的高素质技术技能型人才，通过新技术、新理念、新方法来提升教学水平和教学效果已迫在眉睫。

为此，作为湖北交通职业技术学院的二级学院，汽车与航空学院秉承“弘德力行，精艺通达”的发展理念，追求务实、担当、奉献、卓越，围绕“飞行器制造技术”专业群，全力打造“荣耀汽航”，努力在虚拟仿真实训教学上，引领职教创新、成为教育改革典范，为职业教育发展贡献湖北交院“汽航模式”。

笔者所在院校现设有新能源汽车技术专业群、飞行器制造技术专业群两大专业群。飞行器制造技术专业群是省内航空类专业建设的先行军，定位于培养智能制造和航空技术领域的高素质技术技能人才。现已开办飞行器数字化制造技术、飞机机电设备维修和无人机应用技术等专业。

专业群校内实训基地占地两万余平米，专业实训设备总值超过3600万元，拥有央财支持的国家级职业教育实训基地2个，1+X证书考核站点5个，国家“十三五”产教融合发展工程建设项目1个，国家级无人机协同创新中心1个，并与三江集团、航空工业、武汉凌云、大疆等知名企业建有二十余家校外实习实训基地、产教融合基地。

在传统的实训教学过程中，常规的实训教学有其优势，但是航空领域的实训教学却存在一些无法避免的问题。如航空类设备价值高、危险性大、实训耗材开支较大，同时在飞行方面，空域的申请也是一大难题。这些导致航空类实训教学很难真正展开，严重影响了课堂的教学质量。因此，改革创新实训教学的技术与手段势在必行。

航空专业融入虚拟仿真技术不仅能优化专业群的实训教学体系，而且能促进其在航空专业实训教学中的应用，这对虚拟仿真技术与教育思维模式深度融合具有重要意义，也能为我国航空职业教育跨越式发展培养出大批高素质技术技能人才。在与其他实训模式的类比中，我们发现虚拟仿真的功能十分强大，但其在实训教学中的应用并不多见[1]。因此，在建设前的设计上，着重解决以下三个问题。

一是差异化实训教学设计。在虚拟仿真的帮助下，我们完全可以借助该技术实现每个学生的差异化实训。根据学生的基本信息、理论成绩、兴趣爱好、动手能力、学习能力等信息，系统完全能根据学生的实际情况生成一个有针对性的实训项目，让不同的学生有不同的学习时长、学习深度、考核标准，让每个实训的学生获取最大化收获。

二是实训过程分析。受实训教学资源的限制，学生实训的过程很少被关注，多数考核也只针对结果评分。在虚拟仿真软件的帮助下，我们通过灵敏度分析、过程考核、中位数对比等方法，充分掌握学生在实训过程中的技能提升情况，从而分析出学生在实训具体环节的学习情况。通过学生与学生对比，自己与自己对比，给出具体的分析与评价，为实训后的意见反馈提供数据支撑。

三是实训意见反馈。充分利用实训过程分析得出的数据，对实训项目进行全方位综合分析。同时，与有相同实训条件的学校进行数据共享，通过大数据对比，以获得更全面的分析报告和优化建议。根据反馈的情况，我们及时调整培养目标，更新实训方案，增设实训模块。其具体的反馈可以通过多种模式呈现，比如文字描述、语音描述、表格描述、图形描述等。

为对接航空专业真实工作岗位、提高实训教学效果、节约实训成本，也为解决以上三大问题，我们立志打造属于自己的虚拟仿真实训中心，并提出了我们的建设理念：搭建一个有益于学校、有益于专业、有益于学生、有益于企业的虚拟仿真实训平台。通过对其他学校的虚拟仿真建设方案进行学习与借鉴，我们决定立足于学院现有实训教学条件，将专业群实训平台建设与课程体系中的实训教学进行深度融合。通过多方洽谈，我们和中国民航大学达成了合作意向，并着手准备项目的建设[2]。其总体技术路线见图1。

图1 技术路线

其中三个实训室的建设主要包括：人才培养方案的重新制定，实训课程的重新制定，虚拟仿真实训室的建设。具体任务见图2。

图2 具体建设任务

虚拟仿真程序的主要功能模块有情景模拟和实操训练。

情景模拟模块。该模块主要是让学生沉浸在虚拟的环境中，能够真实地看到各种工具、设备和机器等，并能通过语音和文字提示迅速进入角色，通过软件的引导，知道本课程是什么、需要干什么和怎么干。课程引导部分：主要是根据课程的教学安排，介绍在本课程中的具体安排。全局介绍部分：主要是提供整体的课程界面，学生可以通过该界面，迅速了解整个课程的布局情况。细节展示部分：主要是通过一个个实物模块，展现出其对应的细节和名称。实操演示部分：主要是通过动画模拟，告诉学生如何进行实操训练。注意事项部分：主要是通过提示，告知学生在学习过程中碰到问题如何解决[3]。

实操训练模块。该模块主要是让学生置身于虚拟场景中，通过鼠标键盘或者操作手柄、方向盘等实物进行真实的模拟训练，并在虚拟世界完成相应的任务安排。模拟训练部分：学生可以通过选择课程对应的训练项目，进行具体的实训操作。在训练过程中还能选择简单、一般、困难等模式，分阶段提高自己的技术水平。难点复习部分：系统会根据学生模拟训练部分的情况，自动把得分较低的关卡标红，并提示其通过强化学习以达到掌握知识点的目的。技能扩展部分：教师可以根据学生的掌握情况，把更复杂的实训项目添加进去，让学生能进一步提升自己的知识与技能。实训考核部分：主要是通过系统对学生训练的情况进行考核，并得出考核结论，减轻了老师的工作负担，增加了考核的准确性。其设计思路见图3。

图3 设计思路

我们希望通过虚拟仿真技术，让学生爱上课程、爱上专业、爱上行业。该设计最核心的功能是两个模块相互配合，共同完成学生的实训教学。学生可以根据自己的实际情况填写相关数据，由平台进行数据分析并自动生成实操训练的设定和要求，帮助学生进行针对性虚拟仿真实训。由于系统能根据学生情况量身定做训练课程，真正满足了学生的需求，以达到学生爱上课程的目的，进而能爱上整个专业和行业。

整个建设分为三个部分，每一部分都是独立的实训室。通过虚拟仿真技术，让学生拥有更真实的实训效果，确保在实训中学到更多知识，学到更多技能。

3.1 飞行仿真操控实训室

飞行仿真操控实训室主要以B737-800为模板，通过虚拟仿真技术，将飞机的各种数据和参数集成到设备中，利用人机交互方式实现真实场景的模拟实训，通过虚拟的实训让学生掌握飞行仿真相关知识与技能，激发学生学习兴趣，提升学生学习技能。实训台架见图4，该实训室主要包含飞机维护仿真系统、3D驾驶舱仿真系统、模拟飞行系统、飞行管理仿真系统等模块。

图4 飞行仿真实训台架

3.1.1 飞机维护仿真系统

飞行维护仿真系统包含3D虛拟飞机、3D虚拟座舱和教学辅助三个部分，分别显示在三个显示屏，显示位置及显示内容可以自由切换和拖动。3D虚拟飞机部分要求可以进入各个3D舱室内部，实现部件认知、测试、拆装等功能；
3D虛拟座舱部分要求与相应机型的驾驶舱完全一致，可以在3D的环境下完成面板的基本操作、驾驶舱通电、发动机试车等功能；
教学辅助部分，能够实现飞机系统的故障设置、动态原理图演示、训练科目选择等功能。湖北交通职业技术学院模拟飞机见图5。

图5 湖北交通职业技术学院模拟飞机

3.1.2 3D驾驶舱仿真系统

3D虚拟座舱部分能够提供完整的可操作的飞机虛拟驾驶舱,虛拟驾驶舱布局与真飞机一致。在三维环境下驾驶舱内所有的开关、旋钮、手柄等部件均可操作，操作方式和真实飞机一致，并能够提供逼真的3D动画效果。虚拟驾驶舱视角可平移、旋转、缩放，还提供了完整的音效包，包括发动机启动、运行、反推、关车等全过程的音效仿真，飞机起落架、扰流板等的音效仿真。

3.1.3 模拟飞行系统

模拟飞行系统可以完整模拟B737-800客机起飞、爬升、巡航、下降、进近、着陆等飞行阶段；
在飞行过程中可以完整模拟飞机主要的系统功能，操作逻辑和现象与真实飞机一致；
驾驶舱内所有的开关、旋钮、手柄等部件均可操作，操作逻辑和驾驶舱效应与真实飞机一致，并能够提供逼真的3D动画效果。还有自动飞行控制系统仿真,可模拟飞行指引仪(FD)、自动驾驶仪(AP)、自动油门(AT)系统,能通过方式控制面板(MCP)等控制面板模拟所有自动飞行模式，各种飞行模式均在飞行方式通告牌(FMA)上有显示。

3.1.4 飞行管理仿真系统

飞行管理仿真系统可以完整模拟B737-800客机的性能参数，能够准确模拟各个飞行阶段的系统特性，导航数据可28天更新一次，需提供全球最新的机场和航线数据。通过CDU操作，飞管系统可以按照飞机当前性能及预设参数，编辑产生任意复杂的飞行程序，并能够与飞控系统交联，完成飞机的垂直导航和水平导航衔接，实现自动航线飞行。能够在3D驾驶舱内，通过CDU完成机内自检测试的功能，包括飞行管理计算机系统(FMCS)、数字式飞行控制系统(DFCS)、自动油门(A/T)、大气数据惯性基准系统(ADIRS)、通用显示系统(CDS)、油量指示系统(FQIS) 的测试页面和逻辑关联。各页面均可操作，页面显示和控制逻辑均符合飞机维护手册(AMM)中工作任务的要求。

除此之外还有驾驶舱测试功能、虚拟电子设备舱功能、排故训练功能等。

3.2 无人机操控实训室

无人机操控实训室(见图6)主要是在现有机房的基础上，利用凤凰Phoenix RC模拟软件实现，针对无人机专业的学生可开设无人机模拟操控实训课程。

图6 无人机操控实训室

无人机操控实训室的主要软件为凤凰Phoenix RC。凤凰模拟器是市面上较流行的一款专业飞行模拟器软件，它是航模新手练手必用软件，可以模拟多种固定翼、多旋翼飞机，市面上常见的大疆无人机、穿越机也都能找到。学生通过凤凰模拟操控软件,来模拟训练无人机的飞行，克服了真机实训带来的炸机、伤人等不利因素，为后期真机实训打下了坚实基础，也为AOPA考证提供了大量实战经验，极大提高了考证的一次通过率。

学生通过无人机操控实训主要用来训练360°自旋和八字飞行。其中360°自旋主要就是让飞机原地不动缓慢旋转一圈，非常考验学生的定力和手感。利用虚拟仿真，还能模拟现实世界的微风、大风等环境，提高自己的应变能力。八字飞行是指在地上画一个大的“8”字，通过虚拟仿真可以真实模拟出现实场景，也能调整对应环境，确保学生的技术获得真正提高[4-5]。

3.3 飞机起落架拆装实训室

飞机起落架拆装实训室(见图7)主要借助计算机和虚拟仿真软件来实现虚拟教学。起落架拆装虚拟仿真功能主要包括：大型民航客机的飞机起落架主支柱、减震支柱、收放作动筒、锁定组件、轮胎、刹车等主要部件的拆装引导训练和自主拆装训练；
还包括飞机起落架工作原理演示和交互操作，提供起落架收放、落震、刹车的关联动态效果，通过模型和动画展示起落架的工作流程。另外，为了增加学生学习的直观效果，该实训还提供了飞机起落架部件三维爆炸图，学生可在起落架外部实现对各个视角进行平移、旋转、缩放等操作。还能通过虚拟人物接近发动机的某特定区域，并且通过鼠标操作来实现与起落架的互动；
为了后续提高虚拟仿真的真实性，预留了虚拟现实VR升级接口和主动立体式3D升级接口，以及多人协同操作升级接口。软件如图8、图9所示。

图7 飞机起落架拆装实训室

图8 引导训练

图9 爆炸图

笔者所在院校在飞行器制造技术专业群中实行虚拟仿真实训为湖北省内首创。虚拟仿真实训可以极大减少飞行器制造技术专业群的建设成本，减少实训过程的安全隐患，为学生学习专业知识创造有利条件。从教学任务目标、教学团队组成、教学过程、教学效果四个方面来进行介绍。

4.1 教学任务目标

针对高职人才培养过程中虚拟仿真实训教学无法满足评价要求、无法量化考核标准等紧迫问题，我们携手中国民航大学率先在湖北省开设航空专业虚拟仿真实训课程，共建虚拟仿真实训室，精准开展供需对接，瞄准核心技能培养，系统构建了航空专业“会飞、会修、会装调、会设计、会创新和精通一项行业应用”的“五会一精通”人才培养模式。

根据航空专业建设发展规律，围绕航空领域开发、建模、组装调试、课程建设、驾驶员培训、市场营销、遥感数据分析等岗位，以航空企业实际生产项目为载体，以任务为驱动，将理论与实践有机结合，遵循“教学做”合一的教学理念，突出学生主体能力本位，工学结合，实现教学和学习模式的方向性转变，以多样化地解决问题和完成任务的策略展示学习成果，培养学生职业综合能力，使学生在完成任务的过程中掌握知识和技能。

4.2 教学团队组成

本校具备培训能力的教师队伍成员有21人，其中专任教师13人，占比62%；
行业企业专家型兼职教师8人，占比38%；
“双师型”教师17人，占比81%。针对航空类专业教学需求，我校还聘请了来自企业的能工巧匠型高技术人才担任兼职教师，承担培训任务。我校师资队伍的知识与技能结构覆盖航空相关的系统安装、调试、飞行前检查、操控，以及维护等，能够胜任航空专业的各项教学工作[6]。

为了落实立德树人根本任务，加强师德师风建设，将“双师型”教师个体成长与本校“双师型”教学团队建设相结合，湖北交通职业技术学院组织教师定期到企业实践，鼓励教师参与企业培训、技术研发等活动，提升实践教学能力。从而提高教师教育教学能力和专业实践能力，优化专兼职教师队伍结构，大力提升职业院校“双师型”教师队伍建设水平。

4.3 教学过程

本实施过程以模拟飞行为例，通过以下几个方面，让学生在学习中成长，在成长中学习，最终实现人才培养目标。

教学分析。本课程为飞机机电设备维修专业实训课程，模拟飞行属于该专业的扩展任务。授课对象为大二的学生，班级规模为50人。学生主要为普通高中学生，其基本功较好，在经过部分专业课的学习后，对模拟飞行有一定认识，但还未真正操控过飞机。学习特点方面，其学习兴趣一般，在操控方面有基本功，但存在不足。我们根据人才培养方案、课程标准和教学标准，提出了三大目标：一是学习能力目标，二是职业能力目标，三是职业素养目标。本实训的难点在于飞行的操控步骤和飞行的平稳性。

教学策略。在教学组织上，分为课前准备、课中授课、课堂作业，以及课后拓展四个部分。坚持以学生为中心，以学生为主导，以信息化教学为手段，提高教学质量。在教学方法上，采用信息化驱动和自主研学模式。采用的教学媒介包含资源库视频、职教云平台、问卷调查、qq群、微信群和腾讯会议等。

教学实施。在课前准备阶段，采用职教云进行点名签到。根据上节课的提问，采用随机点名小程序来确定答题人选。在课中，采用小组模式教学。学生通过扫描二维码进行随机分组，并以小组为单位进行模拟飞行比赛。根据每个成员的飞行积分，最终确定小组排名。在强化训练环节，由优秀学生带动其他学生学习飞行技能。如此，能极大地提高学生的学习兴趣和学习效果。

4.4 教学效果

当前，采用虚拟仿真技术的人才培养模式是对职业教育制度的一种创新尝试，还处在探索阶段，经过近两年的摸索，教学效果在以下几个方面得到了体现。

4.4.1 部分理论课与实训相结合

在航空知识法规等课程中，融入相关理论知识，确保学生提高学习效率，提升学习兴趣，减少学习难度。未来可以结合理论考试与相关书籍，自编教材，确保部分课程的设置更合理。上学期对四个班的学生进行了满意度调查，学生都表示满意，85%以上的学生表示非常满意,不满意的学生为0，详见图10。

图10 满意度调查

4.4.2 通过软件筛选训练项目

在实操练习中，融入各项实训要求，确保学生在平时练习中就完成相关飞行任务。可以进一步减少相关练习时间，提高学生的学习效率，提高学生的考试通过率。针对每个模块项目进行人工智能分析，根据情况对项目进行整改。据调查，学生普遍对项目2(躲避障碍的穿越飞行模式)喜爱，详见图11。

图11 项目受欢迎程度

4.4.3 虚拟仿真技术对成绩的提升

通过“虚拟仿真”融入实训教学的教学模式改革，让学生能随时学习、随时训练、随时考试，在平时学习中就能知道自己的薄弱环节，从而在训练时做到针对性突破，考试时就能从容应对。对上一届1班的学习情况和使用虚拟仿真技术的本届1班学生部分科目进行了对比，发现分数都有一定程度上升，特别是感兴趣的飞行课程，提升尤为明显，详见图12。

图12 与上届学生的分数对比

航空专业虚拟仿真实训中心相应设备从投入使用至今，飞行器数字化制造技术、飞机机电设备维修、无人机应用技术等专业学生累计使用人次2000+，完成3门理实一体化课程和3门实训课程的实训任务，承担AOPA执照培训300+人次。

该项目成功激发了学生潜力，优化了教学资源配置，转变了教学思路，在虚拟仿真领域真正做到了虚实结合，寓教于乐，受到了学生的一致好评。未来，可以对虚拟仿真实训进一步改革与创新，采用虚实结合的模式，引入AR、人工智能等技术，将实训课程变得更加有趣，更有意义，努力构建“我要学、主动学、能学好”的实训教学体系，全面提升学生在航空专业的动手能力和应变能力，为国家航空专业培养更多的有用之才。

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