飞机维修类专业虚拟仿真实训中心的建设

刘 超，田 巨，薛建海

（广州民航职业技术学院 飞机维修工程学院，广东 广州 510403）

随着中国民航强国战略的全面推进，民航业进入高速增长期，飞机数量增加迅速。民航业对人才的需求日益增加，在民航局鼓励下，全国开设飞机维修类专业行业外的高职院校数量日益扩大。以需求量大、就业质量高的飞机机电设备维修专业为例，该专业的高职院校数量从2008 年的不到10 所，到2011 年已达30 所，2016 年达58 所，2019 年达98 所，截至2021 年教育部备案数量已达130 所[1]。行业外新开专业院校增多，以及飞机维修行业的特殊性，使得飞机维修类专业在开展实践教学过程中面临许多困难和挑战[2-6]。主要包括：飞机维修类实践教学往往是真实实验设备无法开展、设备损坏风险高、航材消耗大和安全隐患多，如飞机燃油加注、发动机试车、飞机故障难以再现与排除等可能危及飞机或学生自身安全的实验；飞机维修属于高复杂技术，部分飞机维修类实验设备成本高、占地大，特别是飞机发动机，价格昂贵，资源稀缺。应用实体现役发动机进行理论和实操训练，几乎是不可能的。在有限的实验空间和经费条件下，无法购买和存放多台套同类实验教学设备，而单台套多轮次开展实验，又无法满足大范围、多人次、同时段的实验教学要求；新开设飞机维修类专业的行业外院校，往往存在实践资源紧张的情况，部分院校只重视实践教学设备采购，而不加强实践内涵的建设，实训项目开发不足，缺乏统一的标准与规范，导致人才培养质量差，满足不了行业的要求。

随着信息技术与高等教育的深度融合，依托现代信息技术开展虚拟仿真实践教学已在水利、电力、化工、生物、材料等多个学科领域得到较好的应用[7-14]，而虚拟仿真技术尤其适用于在航空这类装备复杂、价格高昂的实践教学中来营造逼真的训练环境，模拟高危操作与故障排除[15]。同时，虚拟仿真具有灵活、可扩展性强的优点，可实现多专业、多学校和多地区间的优质实践教学资源共享[16]。

一、飞机维修类专业虚拟仿真实训中心的建设历程

为了对接飞机维修实际工作岗位，提高实训教学效果、节约实训成本，满足中国民航维修企业的人才培养需求，开展职业培训、航空教育和服务社会，广东民航职业技术学院于2010 成立了飞机维修模拟训练设备项目组，开始探讨建立飞机维修虚拟仿真实训中心的可行性。项目组依托国家示范校重点专业建设项目以及中国民用航空局的批复项目，以“资源整合、教科研结合、政校行企联合”的建设思路为指引，本着“虚实结合、能实不虚”的原则，针对飞机机电设备维修、飞机电子设备维修、飞机部件修理、通用航空器维修等专业的特点，兼顾学生综合能力培养和行业技能培训，通过民航局、学校、全国民航职业教育教学指导委员会、企业等四方高度联合，将虚拟仿真技术与专业培养目标以及行业特点进行深度融合，于2013 年建成了以空客320 飞机为教学载体的全虚拟和半实物的2D 和3D 飞机维修虚拟实训平台。经过3 年的实践教学和社会培训，模拟机的运行取得了良好效果。2016 年，成立了飞机维修虚拟仿真教学团队，探索虚拟仿真技术在飞机维修类专业的进一步应用，通过自主研发和校企合作的形式，累计投入7000 多万元，进一步开发出了波音737 飞机2D 飞机维修虚拟实训平台、贝尔206 飞机虚拟实训平台、塞斯纳172 飞机虚拟实训平台以及CFM56 发动机虚拟实训研发平台。广东民航职业技术学院飞机维修虚拟仿真中心在2018 年被认定为广东省虚拟仿真实训室，在2019 年教育部公布的《高等职业教育创新发展行动计划（2015-2018 年）》项目认定中被认定为国家级虚拟仿真实训中心。

飞机维修虚拟仿真中心以空客A320、波音737 和通用飞机为对象，下设5 个以飞机系统测试与故障排除为核心，具有自主知识产权和现代飞机维护特色的虚拟仿真实训平台（如图1 所示）。

图1 飞机维修虚拟仿真中心组织架构

飞机维修虚拟仿真中心由学校与二级学院管理。学校负责总体规划与建设，二级学院负责日常管理和实践教学工作。目前，该中心有飞机维修虚拟仿真教室15 间，教室面积达1000m2以上，可以同时满足320 人的上课需要，将每位学生的实训成本降低30%。

二、飞机维修类专业虚拟仿真实训中心的平台建设

（一）3D 和2D 空客A320 飞机维修虚拟仿真实训平台

2D 空客A320 飞机维修虚拟仿真实训平台主要包括A320 飞机机电仿真系统、飞机故障仿真系统、虚拟驾驶舱系统、虚拟三维飞机系统、系统动态原理图、教学管理系统等。而3D 空客A320 飞机维修虚拟仿真实训平台在此基础上将驾驶舱部件进行实物化，形成了1:1 的真实驾驶舱系统（见图2）。该平台的建设框架按照ATA100规范中的章节规定构建，包含飞机空调系统、飞机液压系统、飞机导航系统和飞机发动机系统等20 个机电液系统的仿真实践项目，每个项目由飞机基础理论教学、虚拟操作、虚拟测试、虚拟典型故障排除等逐渐递增的多层级实践教学内容。平台既承担了包括空气动力学基础及飞行原理、航空材料、飞机构造基础等专业基础课的基础理论教学，又承担了空客A320 飞机系统与附件、飞机电源系统、燃气涡轮发动机系统、飞机电子系统等课程的虚拟测试与排故实践教学任务。

图2 3D 空客A320 飞机维修虚拟仿真实训平台

（二）2D 波音737 飞机维修虚拟实训平台

该平台与2D 空客A320 飞机虚拟仿真实训平台功能相仿，可满足广州民航职业技术学院学分制课程，供选择2D 波音737 飞机相关课程的学生进行虚拟实践，满足机型差异化教学（见图3）。

图3 2D 波音737 飞机维修虚拟仿真实训平台

（三）3D 和2D 贝尔206 飞机虚拟仿真实训平台

2D 贝尔206 飞机虚拟仿真实训平台主要包括了直升机振动/ 噪声分析、起落架系统、主旋翼系统、主旋翼传动系统等22 个机电液系统，开发了燃油系统、旋翼传动系统以及尾桨系统等10 个系统虚拟测试与排故项目。3D 贝尔206 飞机虚拟仿真实训平台将驾驶舱部件实物化，可模拟国内外10 个机场的起降飞行，进行飞行体验教学。该平台承担了直升机系统、小型固定翼飞机系统、通用航空器电子系统及涡轴发动机构造系统等5 门专业课的理论和虚拟实训教学任务。

（四）3D 和2D 塞斯纳172 飞机虚拟仿真实训平台

该平台与贝尔206 飞机虚拟仿真实训平台功能相仿，可满足广州民航职业技术学院学分制课程，供选择塞斯纳172 飞机相关课程的学生进行虚拟实践，满足机型差异化教学。

（五）基于CFM56 发动机的虚拟仿真实训研发平台

该平台是专业教师联合企业，针对典型的CFM56 发动机，共同制作发动机四级结构106个组成部分的360 度VR 展示和分级式动画资源，同时进一步开发发动机风扇、发动机尾喷管和发动机滑油组件等10 个发动机部件的虚拟维护拆装项目（见图4）。在此平台上，教师可在编辑器上二次开发，建立发动机部件三维模型，开发更多虚拟维护项目。此平台承担了燃气涡轮发动机原理与结构、燃气涡轮发动机系统等课程的理论教学和虚拟实践教学任务。

图4 CFM56 发动机的虚拟仿真实训研发平台

三、飞机维修类专业虚拟仿真实训中心的特色

（一）构建了“五平台、多模块、多层次、多结合”的虚拟仿真实践教学体系

飞机是一个复杂的机电液系统，每个系统既相对独立又相互关联。为了帮助学生对飞机系统的理解，加强学生具备学习维修不同飞机型号的可持续发展能力，以培养复合技能型人才为目标，基于五大虚拟平台，广州民航职业技术学院以课程教学内容为主体，依据国际航空器制造使用规范ATA100 章节划分飞机和发动机的机电液系统为多模块，以“基础理论原理、虚拟操作、虚拟测试、虚拟典型故障排除、虚拟项目开发”五个递增层次的教学资源为支撑，实现了实践教学整体与局部、静态与动态、远与近、真实与虚拟的结合，形成了飞机维修虚拟仿真实践教学体系。经过近十年的教学检验，该体系将飞机维修实践教学中的“看不见、摸不着、动不了”的尴尬局面成功化解，营造了“低成本、零风险和高逼真”的飞机维修场景。教师对此种教学体系的认可度为100%，表示此种体系对学生专业知识、专业技能和职业素养的养成有很好的效果。通过对近三届毕业生进行问卷调查，结果显示99%的学生认可广州民航职业技术学院的虚拟仿真实践教学体系，认为学校创造的虚拟仿真实践环境帮助自己提前熟悉了飞机维修工作，毕业后更快适应工作内容。

（二）实现了“三结合”的虚拟仿真实践教学模式

根据广州民航职业技术学院机电类专业人才培养方案，毕业生就业岗位主要为飞机航线维护与飞机定检。教师与企业员工共同分析实际岗位工作能力需求，划分实践教学内容，综合应用虚拟现实技术、动态建模、三维动画技术及飞机维护手册等，开发了飞机维护中的系统理论学习、系统模拟操作、系统测试和典型故障排除全过程的虚拟仿真实践项目218 个。课前，教师在线上学习平台发布教学任务及相关教学微课，学生自学理论知识；课中，教师针对学生课前自测情况实施精讲理论，针对教学任务，学生分组进行角色扮演，在飞机维修模拟机上完成虚拟操作或故障排除，过程考核通过后，方可进入现场实操；课后，学生总结报告上传学习平台，并完成作业巩固学习成果。通过教学全过程的“理实结合、虚实结合、线上与线下结合”，实现了“三结合”的实践教学模式，让学生在学训中“知部件、训技能、悟作风”，满足了飞机航线维护与飞机定检的能力需求。

（三）多方协同、整合资源，开发了具有自主知识产权的实践教学平台

通过民航局、学校、全国民航职业教育教学指导委员会、企业四方协同，充分利用国家示范校重点专业和国家级教学资源库的优质资源，将虚拟仿真技术与专业培养目标以及行业特点进行深度融合，开发了飞机维修虚拟仿真实践平台以及实践教学管理监控平台，实现了教、学、做一体化，全过程考核。

（四）充分利用虚拟仿真实践教学，全面提升学生的实践能力

飞机上的很多操作和测试不便于在飞机上进行的，而排故操作更是不可能。但是飞机各系统的基本操作测试和排故都是飞机航线维护和定检必须具备的基本技能。在飞机维修模拟机上进行虚拟操作和测试可以帮助学生更好地理解系统原理，熟悉机载自测试系统对飞机系统的测试。虚拟排故可以让学生按照飞机维修手册的标准，完成故障诊断，故障测试和故障排除的观察、操作、测量、拆装等规范化训练。通过多人协作和小组角色扮演的方法，从操作的完成度、准确度和协作性三个方面全过程考核，提高学生对机务维修工作的适应程度和解决机务维修实际问题的能力。飞机空调航前维护的过程考核记录情况见表1。

表1 飞机空调航前维护的过程考核记录表

（五）充分利用飞机维修类专业虚拟仿真实训中心示范引领作用，提升社会服务能力

飞机维修类专业虚拟仿真实训中心自第一批设备投入使用至今，飞机维修类的专业学生累计使用674040 人次，完成12 门理实一体课程和8门实训课程的实训任务（见表2）。承担飞机维修基础执照培训11520 人次，南航新员工岗前培训14870 人次，为在学校举办的全国发动机技能大赛提供人员培训和交流体验1380 人次，为香港合作办学班提供技能培训2700 人次，为校企交流和校校交流提供体验600 人次，作为航空教育基地，为广州市中小学生提供体验750 人次。

表2 飞机维修类专业虚拟仿真实训中心课程与专业列表

四、结语

广州民航职业技术学院将虚拟仿真技术引入飞机维修类专业教学实践中，坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的原则，以虚拟仿真实验替代了难以开设的真实实验，构建了飞机维修虚拟仿真实践教学中心；建立了“一中心、五平台、多模块、多层次和多结合”的虚拟仿真实践教学体系，打造了“理实结合、虚实结合、线上与线下结合”的实践教学模式。丰富了实验教学手段和资源，提高了学生自主学习的积极性，强化了学生专业实践能力和解决复杂工程问题能力，更好地满足了人才培养要求；增强了专业品牌度，提升了社会服务能力，更好地服务了企业的职业技能培训和航空科普教育。未来，本中心将进一步借助职业教育本科层次教育发展机遇，开发航空发动机相关的虚拟仿真实践教学内容，扩充发动机专业的教学资源与共享能力。