虚拟仿真技术在民航职业技能培训领域的应用研究--以省级航空货运安检产教融合创新平台为例

文/广州民航职业技术学院 邹 璐

一、虚拟仿真技术在职业技能培训领域的应用概况

(一)虚拟仿真技术在国内职业技能培训领域的应用

根据国务院《国家职业教育改革实施方案》(国发〔2019〕4号)、教育部《职业教育提质培优行动计划(2020-2023年)》的要求,《职业教育示范性虚拟仿真实训基地建设指南》进一步指出要将示范性虚拟仿真实训基地打造成虚拟仿真实训教学资源校企协同开发平台,并解决实训教学过程中高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”痛点和难点。虚拟仿真技术在民航职业技能培训领域发挥的作用也日益显著。在民航领域,我国最早采用虚拟仿真技术是用于人员的培训,主要应用在机场的环境模拟、机场的物品管理、机场安全应急演练、飞行人员的仿真操作等领域。业内对于虚拟仿真技术的运用研究主要集中在飞机维修、管制模拟、模拟飞行训练与客舱内的安全管理模拟等方面,在实践中也取得了较好的应用效果。在职业技能培训领域,邵荃、周语(2018)提出在实验教学中可以采用虚实结合的方式综合运用虚拟和实物等手段,郑菲菲(2019)以民航服务心理学为例阐述了高职虚拟仿真和混合形态教学的循证教学实施路径,张庆峰、王庆洲、向淑兰(2022)介绍了基于虚拟仿真技术的A320飞机绕机检查的方法。可见,虚拟仿真技术在国内民航职业教育和培训方面产生了范式转换,目前国内研究热点多集中于与学科相结合的虚拟仿真实验室建设和教学应用研究。

(二)虚拟仿真技术在国外职业技能培训领域的应用

国外在教学和评估方法的新趋势包括计算机辅助教学、虚拟个人、增强现实、实验实训对象模拟和虚拟仿真对学生能力的评估,集中于计算机技术、医学外科培训和远程教育研究。例如韩国在医学和牙科教育中引入的数字技术对病人和治疗过程进行虚拟(Park JungChul, et al,2021),法国在心理治疗领域针对飞行恐惧设计了认知与虚拟仿真治疗方案(Ferrand Margot,et al,2015),英国利物浦大学通过对个人进行模拟飞行培训试验,研究了虚拟仿真技术对飞行员训练的适用性(Philip Perfect, et al,2017),波兰洛兹理工大学基于混合学习方法,以理论课堂和虚拟仿真为工具创建虚拟机电一体化实验室(Cvetkovski G.,et al,2019)并设计了不同的虚拟生产线。关于虚拟仿真技术对于教学产生的价值研究方面,加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校曾对大学生进行交叉面板实验,学生通过桌面显示器(PC)或头戴式显示器(VR)模拟中学习。该研究基于对学习者的脑电图(EEG)的测量数据与传统课程模式相比较,并总结了VR 模拟课程时的负面影响,如学生在学习后期会更加超负荷,使用虚拟技术后学习水平较低的原因之一是虚拟环境可能产生过度的刺激(Guido Makransky, et al,2019)。

二、虚拟仿真技术在民航职业技能培训领域的价值

(一)有利于更快速地引入行业新技术、新工艺

当前高职院校创新教育模式无论是课程建设还是师资队伍、教育活动设计等方面都存在着发展瓶颈,迫切需要深度融合产学资源。通过虚拟现实技术将产业的最新技术、资源融入高校的课程体系、教学活动设计、实习实训以及“双师型”师资建设中,能够促进社会资源与教育资源有效对接,能够在教学培训领域更快速地引入行业新技术、新工艺的内容。以民航安全技术管理专业(以下简称“安检专业”)为例,根据民航产业发展及需求,结合人工智能的虚拟仿真技术可以在培训中模拟出不同场景和流程,通过数字孪生技术模拟机场运行场景,以便于使用者探索更高效的机制满足航空物流需求。

(二)有利于推动产教融合平台培训机构的建设

虚拟仿真实训是产教融合、科教融汇的新途径。建设粤港澳大湾区世界级机场群是《粤港澳大湾区发展规划纲要》提出的一项重要任务,但粤港澳三地的机场法律、安检标准均存在区别。传统培训模式下,培训内容与实际工作存在脱节现象,具体包括在校学生培训和工作实际使用的设备不一致、校内培训内容跟不上行业企业技术迭代速度;培训内容单一,无法涵盖粤港澳大湾区复杂的机场环境情况;设备老化导致学生实操经验少,理论知识单薄。传统培训模式下,学生在完成校内课程后到机场还需要相当长时间的二次培训方可上岗。

针对上述问题,基于虚拟仿真技术的产教融合培训中心在原有标准培训方案下,将理论课程教学与粤港澳大湾区企业实际工作场所和设施设备相结合,以虚拟仿真技术营造沉浸式教学培训体验,将实际操作中难以完成的工作流程和业务知识融入虚拟现实培训系统中,每个学员均可以借助虚拟仿真系统完善建立完整的理论和实操知识体系。另一方面,企业专家深度参与培训全过程,以企业标准更新培训方案,缩减无效培训时间,打破学员从培训到考核再到上岗路上的层层阻碍,进而压缩企业培训成本、提升整体培训效率。

(三)有利于教师数字素养的提升

教师数字素养,即教师适当利用数字技术获取、加工、使用、管理和评价数字信息和资源,发现、分析和解决教育教学问题,优化、创新和变革教育教学活动而具有的意识、能力和责任。教育部在2022年发布的《教师数字素养》标准包括五个维度,即数字化意识、数字技术知识与技能、数字化应用、数字社会责任、专业发展。每个一级维度下,又包含若干二级维度、三级维度和具体描述。《教师数字素养》提出“测-评-培”机制:通过以评促学、以评促用、以评促优,提升全体教师数字素养。应用虚拟仿真技术需要教师具备一定的数字化能力,如教学素材的设计、VR系统的操作、手柄设备的使用等。数字化能力也是评价教师能力的重要指标,通过虚拟仿真技术在教师教学中的应用实践,才能更好地了解教师在数字素养方面的短板,从而对症下药,促使教师努力提升自身的数字素养。

三、虚拟仿真技术在民航职业技能培训领域的应用实例

(一)立足产教融合,构建智慧机场实训场景

科技部等六部门关于印发《关于加快场景创新以人工智能高水平应用促进经济高质量发展的指导意见》指出要在教育领域积极探索在线课堂、虚拟课堂、虚拟仿真实训、虚拟教研室、新型教材、教学资源建设、智慧校园等场景。目前民航安检岗位需要民航安全检查员职业资格证书和危险品培训证书,每年都有大量员工需要复训,业内大部分企业培训尤其是危险品和爆炸物培训都停留在理论层面,即使购入培训设备也存在管理困难、损耗高、危险性高、无法多人同时使用等现实问题。针对安检专业人才培养方案中难以开展传统教学的三大模块(爆炸物识别与探测、危险品识别与运输、安检开机训练检查),通过虚拟现实技术构建的航站楼控制区、航空货运区、智慧化安检通道等实际场景,对炸药探测仪、液体检测仪、X射线机、安检信息管理系统等设施设备展开操作模拟,对爆炸物、起爆装置、九大品类危险品、民航旅客违禁品目录、相关等级包装件等开展识别、操作、处置等综合训练的场景进行VR重现,如图1所示。

图1 实训场景重现流程图

图2 学生就业率与专业对口率

图3 学生获得国家职业技能证书比例

为了顺应未来机场智慧化发展的趋势,产教融合创新平台在教学内容、教学素材和师资等方面进行了广泛的校企合作。具体包括校企合作开发虚拟仿真VR素材与实物素材,校企合作编写教学和培训教材、联合进行比赛培训,行业专家与教师“双师同堂”引导学生进行紧贴实务的探索式学习,为加快大湾区交通运输产业发展提供人才支撑。通过虚拟仿真技术建立起来的实训系统以及校企合作网络整合课程模块和社会优质资源,推动校企深度融合;从人才培养中植入岗课赛证、现代学徒、民航精神等元素,促进学生职业生涯规划与未来就业有效衔接,提高学生的安全意识、服务意识与岗位能力,为学生职业生涯的发展开通新路径。依据专业人才培养方案和本课程课标,对标国家职业标准与民航行业规则,对接民航岗位技能需求,对应设计“岗课赛证”融通的培养模式。

(二)立足民航安全,优化“虚实结合”的教学手段

根据《民航行业发展统计公报》,2022年全国民航安检部门共检查旅客2.48亿人次,检查旅客托运行李1.22亿件次,检查航空货物(含邮件、快件)4.91亿件次,检查邮件、快件7.7亿件次,查处各类安保事件7638起,其中,危险品(含爆炸物)是对公众、国家安全的巨大威胁。由于危险品特别是爆炸物本身的危险性,传统教学模式无法进行实训操作,不能满足行业需求,需要通过VR虚拟仿真技术以及仿真爆炸物装置进行教学以阐明处置逻辑,并通过案例分析加强学生的民航安全检查岗位安全意识和责任意识,提升职业荣誉感。

“虚”的教学手段方面包括3D数字化智慧机场系统和虚拟仿真VR教学系统训练。3D数字化智慧机场系统基于虚拟仿真技术实现对民航机场内塔台、机库、候机楼、跑道、围界道口等所有设施设备的3D全景模拟,构建了真实工作场景;虚拟仿真VR教学系统含爆炸物识别与探测模块、危险品识别与运输模块、安检开机训练检查模块,VR技术构建的航站楼控制区、航空货运区、智慧化安检通道等实际场景,对爆炸物、危险品、民航旅客违禁品目录、相关等级包装件等开展识别、操作、处置等的综合训练。通过岗位情景模拟、爆炸物VR实训的感官冲击力和挑战性、趣味性互动,让学生身临其境,沉浸式学习,并以此提升学生的多项能力,突破教学重难点;同时,建立专业教学资源库为学员提供开放的在线预习、自学、复习内容。“实”的教学手段包括仿真爆炸物实训箱、机场实景实训室的实操训练,用于对爆炸物的机理研究和机场岗位实操训练,使学生对职业技能要求的核心内容有全面直观的了解。以多种教学手段保证所有学生都能够完成航空货物处置的训练,解决危险品特别是爆炸物无法实操的传统困难,切实提升学生的职业技能。

四、虚拟仿真技术在民航职业技能培训领域的实施效果

(一)教学改革

产教融合创新平台建设着眼于产教融合,建设融合课程体系、安检技术与效率提升研究、航空货运物流相关产业培训、“双师型”师资队伍建设于一体的集成化大平台,以平台建设带动高职院校在科学研究、人才培养、社会服务方面的系统创新。通过产教融合平台的建设,加强校企合作,可以扩大专业教师的知识面,打造专业特色“双师型”教师团队。教师可以依托民航安检校内实训中心和民航安全技术管理专业教学资源库的建设,形成了“课证一体”的安全检查教学及培训服务体系。同时,专业积极承担技能竞赛实训和比赛基地职能,提供大赛集训、竞赛交流、师资研修等服务;协助区域职业技能第三方评价机构考核站点,服务职业技能等级证书、职业资格证书、专业证书培训等工作。在以赛促教的理念下,改进课堂教学模式,采用混合式教学方式,综合使用“线上+线下”教学、“虚拟+实物”实训训练的模式,收到了良好的教学效果,实现了青年教师教学竞赛、教师教学比赛等在内的教学比武竞赛的全覆盖,近5年安检专业获得省部级以上教师教学竞赛等各种奖项12项,教师教学能力也相应地得到提升。

(二)人才培养

安检专业以一线企业需求为导向,将国家职业标准融入课程教学体系中,开发了与岗位要求相一致的专业教学资源库,开展校内(安检学生)校外(民航安全类企业从业者)培训。培养的学生受到国内各大机场、航空货站的欢迎。借助VR技术呈现爆炸物和危险品特性并模拟安检岗位场景,通过实验操作及处置训练提升学生的职业技能,安检专业学生在最近三年的国家职业技能资格鉴定(五级民航安全检查员)通过率均超过91%,在民航运输受疫情影响最重的最近三年平均就业率仍超过90%,专业对口率也逐年增高,在2022年达到88.91%。

(三)社会服务

虚拟仿真技术应用以来,安检专业教师团队通过产教融合创新平台为社会开办各类民航安全类培训班,校外企业参与学习人数累积超2000人次;协助地方机场公安完成机场空防安全联合监管能力研究工作;每年进行安检培训及等级鉴定近700人次;依托资源库在一线大型机场为员工讲解安检心理、法律、安全生产等课程;爆炸物模拟实训成果也被地方机场集团采纳应用,为民航安检领域和社会企业安检领域(快递、地铁等)的在职员工提供职业能力提升培训服务,发挥了良好的辐射示范作用。

五、结论

基于产教融合创新平台的民航职业技能培训模式以虚拟仿真技术为特色,采用理论点拨、虚拟仿真、实训操作衔接融合,以模拟完整情景、改进传统教学模式为突破口,解决了现有职业技能培训中损耗高、利用率低的问题,可以满足民航业大规模复训需求,不仅可以用于在读民航学生培养和在职民航员工培训,还可以辐射到轨道交通、政府安防等其他领域,为探索绿色低碳教学模式在交通运输行业复训考核中的应用和推广提供借鉴作用。虚拟仿真技术的有效应用也可以促进产教融合实训基地、职业技能培训评价中心、人才培养基地和课程资源共享平台建设,最终形成“政行企校”多方联动、“产学研用”立体推进的办学新生态。