航空机载设备虚拟实验平台设计和教学方法研究

秦硕

（1.空军航空维修技术学院，湖南长沙，410200；2.湖南省飞机维修工程技术研究中心，湖南长沙，410200）

0 引言

传统的线下实训教学在高职院校教学中一直占据主导地位，是高职技能培训的主要形式，该教学形式注重培养学生的实操能力,学校为此设有专门的实验实训室。随着计算机网络技术的发展，各种线上虚拟实验开始运用于教学过程[1-2]，目前主要集中在物理和化学等课程[3-7]等方面。针对航空维修方面高职院校线上技能教学报到较少，现阶段航空机载设备的实验教学面临以下普遍难题：一是航空机载设备实际装备成本非常高、数量少，学员参与度不高；二是航空机载设备实习需要通电，设备易损耗，维护成本高。航空机载设备的技能培训条件和机载电子设备维修高素质技术技能型人才的培养数量和质量需求矛盾越来越强烈，另外，疫情下航空高职学院的外场实习课由于实验实习场地、实验装备等条件限制，基本处于停滞阶段。

基于虚拟仿真技术进行线上实验教学方法研究是航空高职学院降低实验实训成本、应对疫情提高学生实操能力的有效手段。长沙航空职业技术学院研发了一种航空机载设备虚拟仿真实验系统，该虚拟仿真实验系统采用虚拟仪器、计算机软件编程等技术，通过搭建机载设备虚拟实验平台，精心选择虚拟实验的机载设备科目，设计实验内容和模拟设备故障，创新虚拟实验实习方法等，实现了航空机载设备的线上技能培训教学，突破了线下实验教学在场地、设备等方面的限制，对高职技能培训模式的教学改革，形成航空机载设备实习的新模式和新渠道，提高学员航空维修动手能力具有重要意义。

1 航空机载设备线上技能培训教学体系构建

■1.1 构建机载设备虚拟实验平台

在充分考虑机载设备的虚拟实验教学实施方法的基础上，虚拟实验系统要设计教学管理软件、学员应用软件和虚拟实验科目软件，三部分密切配合，共同完成虚拟实验，各部分功能如下：

教学管理软件需要具备的功能是教员信息管理、学员信息管理、教员课程设置、课程信息查询和编辑、实验记录查询、实验类容发布等。教员登陆管理软件，设置实验课程、向学员计算机分发实验科目、通过视频监控监督实验过程、批改电子实验报告，完成实验的组织实施。

学员应用软件需要具备的功能是接收管理软件的指令、提交数字实验报告、向教员端软件发送咨询语音或文字。学员登陆后，该应用软件向管理软件发送学员姓名、期班、学员准备好等信息，等待管理软件发布实验科目，当接收到管理软件指令后，自动调出需要完成的实验科目。

虚拟实验科目软件需要具备的功能是提供虚拟实验人机界面，包括阐述实验目的、实验原理、实验步骤，最核心的部分是提供虚拟试验操纵台。该软件由学员应用软件通过教师指令调出，学员通过该软件了解实验的相关信息，并完成相关虚拟实验，是虚拟实验教学软件的核心部分，该部分包含“全静压系统维修虚拟实验”、“直流电源系统维修虚拟实验”、“无线电罗盘维修虚拟实验”、“通讯系统维修虚拟实验”和“航姿系统维修虚拟实验”等模块。

机载设备虚拟实验软件结构如图1 所示。

图1 机载设备虚拟实验软件结构

从图1 可以看出，该软件以机载设备实验数据库为核心，教学管理软件通过该数据库读取实验结果，发布实验科目；学员端软件通过该数据库读取实验目的、方法和手段，并选择实验科目；虚拟实验科目软件通过该数据库读取各实验设备的仿真数据、外观图像和评判标准等。

■1.2 航空机载设备线上虚拟实验教学流程

（1）课前预习

课前预习是基于教师在Bb 平台上分享的课程资料来完成的，每个实验均建立一个独立的学习模块，包含多项学习资料，包括实验内容、虚拟仿真实验搭建理论基础（包括模盒仪表原理等）和实验报告模板。模块学习方式设置为强制顺序学习，即学生需要按顺序完成每项材料的学习和观看才能进入下一项资料的学习环节，最后下载实验报告模板，依据Bb 平台上的预习内容和自主资料查询完成实验报告中的预习部分。

（2）线上实验理论教学

实验开始前，先进行线上实验理论教学。线上理论教学可以利用腾讯课堂或腾讯会议等成熟的平台进行教学互动。首先对前次实验教学中出现的问题包括实验报告、习题、测验以及学生在Bb、QQ、微信等交流平台提出的问题做出解答。在进入到本次实验教学环节时，教师讲解课程内容、演示虚拟实验操作，并与学生提问互动。教师在共享PPT 讲解的同时，通过对话框文字提问、语音点名提问等方式保持与学生的问答互动，增强学生在线上课堂的参与度，保证教学效果。随后教师进行虚拟仿真实验操作演示并继续保持互动，随时了解学生对实验操作的掌握程度。

（3）航空机载设备线上实验操作

线上理论教学阶段完成后，学生进入虚拟仿真实验平台开始独立的实验操作。在操作前，平台提供了航空维修实训安全小测试，用于巩固、提高学生航空维修安全意识，包括进出飞机座舱、飞机通电、发动机试车注意事项等内容，学生通过测试后，便可进入到实验操作环节。

航空机载设备虚拟实训软件界面左边为实验器材库，包含气压高度表、升降速度表、空速表和气压给定器（模拟外场实际使用的全静压给定器）、发电机等实验元件；右边框为实验平台，根据实验要求将左边框内的器件拖动到右边，进行管路连接、电线连接等工作，并完成打压、通电实验。以气压高度表虚拟实验为例，软件界面如图2 所示。

图2 高度表实验前界面示意图

图2 中，左边为实验元件栏，包括升降速度表、高度表和模拟气压装订器等。右边为虚拟实验操作平台。

气压高度表检查虚拟实验过程如下：首先在左侧器件框中正确选择高度表、气压给定器，并拖拽至右侧框中（如图3 所示），然后正确连接全、静压管路，管路变红表示´管路连接正确，如果管路连接错误或密封性不好（管路连接不到位），连接线路将会变绿。然后根据要求给定气压值，同时记录高度表的显示值。根据下列公式(1)获得给定压力下的气压高度。

图3 高度表气压实验过程示意图

其中，H0为观测站的海拔高度，Hs为标准等压面的海拔高度，P0为地面气压，Ps 为气柱平均高度，R，g 均为常数，将高度表的显示值和气压值换算公式进行对比，记录显示误差。

（4）完成实验报告

实验操作结束后，学生和教师一起对虚拟仿真操作环节进行讨论和总结，并发表自己的感受和建议。在课程结束后，登录Bb 平台提交实验报告、完成小测验同时进行延伸讨论。教师进入Bb 平台在线批阅实验报告、查看测验完成情况以及回答学生问题。

2 结语

线上实验教学是以网络平台为介质进行师生实验教学互动，完成实验教学内容的一种教学形式。目前航空机载设备线上实验实习教学不够完善，本文针对航空机载设备实验的线上教学，开发了航空机载设备实习软件，提出了教学方法和流程，模拟了航空机载设备维护过程，大大提升了学员的实习参与度，有助于学员动手能力和理论水平的提高，减少了设备的损耗，降低了实验室建设成本和维修成本，具有较大的推广意义。