空管虚拟仿真实验教学体系的建设与实践

张亚宜 刘永欣 白鹏

[摘           要]  以中国民航空中交通管理人才培养为背景，分析空管虚拟仿真实验教学的必要性。根据空管人才能力形成过程及规律，构建了三级“进阶”式的虚拟仿真实验教学体系，论述了虚拟仿真实验教学资源在专业教学中的重要作用。近年的实践应用表明，教学质量成效显著，增强了院校培养实现岗位对接的可能性。

[关    键   词]  虚拟仿真;实验教学体系;民航空管

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A            [文章编号]  2096-0603（2020）36-0032-02

一、引言

实现我国由民航大国到民航强国的跨越，离不开现代科技与人才的强大支撑。空管信息现代化对空中交通管理（简称空管）从业人员的职业素养提出了更高的要求。以安全、顺畅、高效、绿色为核心特征的“新一代国家空管系统”不仅需要培养专业能力精湛、业务过硬的应用型人才，更迫切需要培养具备协同决策能力、能够驾驭复杂系统的高技术、高素质应用型工程技术和管理人才。培养满足民航空管需要的专业人才是民航院校的职业使命，构建科学合理的空管虚拟实验教学体系对空管人才培养起到非常重要的作用。

二、空管虚拟仿真实验教学的必要性

空管系统作为民航空管部门实施对空指挥的核心系统，为空中交通管制人员（简称管制员）提供空中飞行态势的显示和各种飞行冲突及各种异常的警告。管制员作为实施空中交通管制的行为主体，对管理区域内的飞机飞行活动进行监视和控制，保证飞行安全和有秩序飞行。随着国内航班量的快速增长，空中交通管制流量的不断加大，管制員在空中交通安全保障中占据着越来越重要的地位。

作为民航空管人才培养的高等院校，学生空管职业能力的培养离不开大量的工程实践，由于民航的极高安全性要求，直接去岗位进行实践练习是不现实的，而购置岗位空管设备系统需要极高的成本，在院校根本无法实现。为此，优化配置空管虚拟仿真实验资源、构建科学合理的空管虚拟仿真实验教学体系，是空管人才培养的重要保证。

三、空管虚拟仿真实验教学体系架构

在当前我国工程教育、“卓越工程师教育培养计划”等教育理念的引领下，空管专业紧贴“新一代国家空管系统”人才需求，以能力培养为导向，根据空管人才能力形成过程及规律，构建了以“桌面级空管CBT（计算机辅助训练）虚拟仿真实验平台”为基础、“岗位级高保真虚拟仿真实验平台”为核心、“系统级高保真虚拟仿真实验平台”为延展的三级虚拟仿真实验教学平台，从整体上形成了与人才能力培养规律相一致的循序渐进、逐级加强、“无缝”对接的虚拟仿真实验教学体系。经过三级模拟仿真系统的实验教学，学生将形成以初步认知、建立意识和实验前准备为特征的初始能力，以具体空管岗位工程能力为特征的专项能力，以全局意识、系统思维、整体管控、协同决策为特征的高级能力，从而以“进阶”式的实践教学模式，达到人才工程实践能力培养的目的。

四、虚拟仿真实验教学资源的重要作用

从计算机房的桌面级—管制模拟机的岗位级—管制模拟机联合运行的系统级三级虚拟仿真实验资源平台，在空管专业人才培养体系中发挥重要作用。

（一）桌面级空管CBT虚拟仿真实验平台

桌面级空管CBT虚拟仿真实验平台服务于空管专业基础知识认知与初始能力训练的实验教学，实验课时在计算机房完成。空管综合工程能力是由若干基础技能子项交织组合、有机联系形成的，只有掌握了基础能力，才能进入更高层级的能力培养阶段。因此，在学生正式进入岗位级高保真虚拟仿真实验室之前，需要借助此平台将实验室所需进行的综合实验进行任务分解，使学生进行一定学时的基础知识学习和基本能力练习，直至掌握进入下一阶段岗位级实验室所必需的基本理论和能力，从而实现理论课程与实验课程的有效衔接，提高高保真虚拟仿真实验系统的使用效率，真正发挥高保真系统资源的作用。

空管CBT虚拟仿真实验平台利用虚拟现实、系统仿真、人机交互、数据库和网络通讯技术，采用文字、声音、图片、动画、图像等多种信息手段对学生进行初始工程能力的自主式独立训练，彻底解决了管制员培养中由于大型综合模拟仿真设备的规模与场地限制而无法开展的初始工程能力专项训练问题。

（二）岗位级高保真虚拟仿真平台

岗位级高保真虚拟仿真平台作为空管人才专业技术培养核心实验教学资源，以管制员岗位业务为主线，利用虚拟仿真技术将空管岗位工作环境进行高保真模拟构建，并通过搭建真实的工作席位和场景环境，以虚实结合的方法营造出近乎真实的工作环境，从而能够培养学生更加贴近实际要求的专项实践操作能力。

平台资源包含程序管制模拟机、机场管制模拟机、雷达管制模拟机设备。程序管制模拟机将高仿真的虚拟程序管制运行环境与实际工作环境完全对接的实验操作平台相结合，实现了虚与实相结合的典型仿真实验系统，能够实现程序管制运行环境进近扇区、区域扇区、飞行程序的逼真呈现。机场管制是空管工作中的重要工作内容之一，其实践能力的培养必须依赖机场管制模拟机（又称“塔台管制模拟机”）完成。该模拟机高逼真模拟真实的机场管制运行环境，与实际工作环境完全对接的实验操作平台相结合，实现了虚与实相结合的典型仿真实验系统，见图1。雷达管制实践能力是空管专业学生必须掌握的核心能力，该能力的培养必须依赖于雷达管制模拟机完成。雷达管制模拟机能够高度模拟真实的雷达管制运行环境，包括空域环境、航路航线、飞行动态、飞机性能等内容，借助近似真实的管制席位、人机界面、通信系统，虚实结合，实现对学生雷达管制实践能力的培养。