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面向新工科的飞机系统虚拟仿真实验教学体系研究与构建论文

发布时间:2021-08-18 15:02:52 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.lunwensci.com):

摘  要:
在教育信息化改革的背景下,针对教学过程中遇到的人才培养系统性、主动性、多元化等问题,结合“新工科”建设、AABI(Aviation Accreditation Board International,国际航空认证委员会)认证和民航行业发展等需求, 梳理机务专业新工科实践培养体系规划,构建基于虚拟仿真技术的实验教学体系,自主开发可拓展的软件平台,结合工程实际问题设计实验项目,修订关注过程的评价体系。两年多来的教学应用效果表明,教学质量评价满意度逐年提高,推广辐射作用效果好。

关键词:虚拟仿真;飞机系统;实践教学体系;新工科;AABI 认证

本文引用格式:武涛,任光辉,陈聪,等 . 面向新工科的飞机系统虚拟仿真实验教学体系研究与构建 [J]. 教育现代化 ,2021,8(35):10-13,17.

Reform and Practice of Virtual Simulation Experiment Teaching Model of Aircraft System Oriented to New Subject
WU tao,REN Guanghui,CHEN Cong,JIANG Ying(Civil Aviation University Of China,tianjin)

Abstract: under the background of education informatization reform, aiming at the problems of  systematicness, initiative  and diversification of personnel training encountered in the teaching process, combined with the needs of "new engineering" construction, aabi (aviation Accreditation Board International) certification and the development of civil aviation industry, this paper combs the practical training system planning of new engineering in the maintenance major, The experimental teaching system based on  virtual simulation technology is constructed, the expandable software platform is developed independently,    the experimental project is designed combined with the actual engineering problems, and the evaluation system focusing on the process is revised. The results of teaching application in the past two years show that the satisfaction degree of teaching quality evaluation has increased year by year, and the effect of radiation promotion is good.

Keywords: virtual simulation; aircraft systems; practice teaching system; new engineering; AABI certification

一 引言

近年来党中央、国务院高度重视教育信息化工作,《国家中长期教育改革和发展规划纲要 ( 2010— 2020  年 )  》指出,“信息技术对教育发展具有革命性影响,必须予以高度重视”,并把“加快教育信息化进程”单独作为一部分进行了专门的阐述。教育部先后出台《教育信息化“十三五”规划》和《教育信息化 2.0 行动计划》,推动现代信息技术与教育教学深度融合 [1-2],虚拟仿真技术的引入为教育教学模式改革和全面提升教学质量提供了新手段 [3-4]。

由于飞机系统具有高价值性(一般 B737NG 飞机每架约 7.5 亿人民币)、故障诊断工作环境复杂且多处于管制区域内、故障现象及原因种类繁多,同时对人员资质、授权有着较高要求,导致实验操作具有高危险性和不可逆性。多采用以退役飞机或老旧机型替代进行物理模拟、以机库或实习车间代替机坪工作环境进行实验,与真实情况存在一定差距, 难以对飞机系统的本质进行深入的探讨与分析。

利用虚拟仿真技术建立实践教学平台顺应教育信息化的发展趋势和现实需要,必将对高等教育质量的提升和实验教学改革的深化,产生积极而重要的影响 [3]。

二 实验体系规划

依托“面向未来民航技术发展的机务专业改造升级路径探索与实践”国家级“新工科”研究与实践项目,分析“新工科”建设要求,构建人才培养“新理念、新结构、新模式、新质量、新体系”,问产业需求建专业,问技术发展改内容,问学生志趣变方法,问内外资源创条件 [5-7]。机务专业新工科的实践培养体系规划如图 1 所示。

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三 实验教学设计

(一) 面向人才培养的教学设计

本实验所设计的知识点内容主要包括 3 项,故障认知、故障诊断和系统建模。其中故障认知主要指对故障信息的辨认、及对故障产生的基本原理的分析解释,为符合专业建设的要求,课程的总体教学设计需将知识学习与学生专业培养目标相对应。根据本专业培养方案,飞机系统类课程将学生的毕业要求分解成若干指标点,既包括基础知识的学习和掌握, 也包括工程能力的培养和复杂问题解决分析思路的构建。实验教学的设计需要根据实验所涉及的教学内容确定所需完成的教学指标点,以建立实验内容对专业培养目标的支持。

该部分内容涉及前续课程的专业知识点。故障诊断和系统建模要求学生对故障具体的发生位置和隔离方法进行分析,并需要掌握一定的数字化建模技术,在虚拟环境中建立元件和系统的三维模型,因而该部分的考核点在设计基础知识掌握的同时,还应包括分析解决问题的能力,以及工程素养的培养,具体支撑矩阵如表 1 所示。通过本实验教学项目的实施,可对毕业要求指标点形成很好的支持,对学生知识、能力的培养起到重要作用。

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(二) 基于知识体系的教学设计
基于 CDIO 实施经验,结合 AABI 专业认证标准, 面向“新工科”“卓越 2.0”深入研究民航行业需求,调研毕业 3-5 年后预期岗位对“知识结构、基本技能、职业素质和职业道德”的基本要求,并将要求细化、凝练,内容紧密围绕“以学生为中心、以任务驱动” 进行整合,深入梳理课程的关联性,重构实践教学体系,建立以目标为导向、“强基础、重应用”的三层次实践教学体系。保障学生知识体系的系统性。课程群关联性如图 2 所示。

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基础课程为航空维修工程管理、飞机故障诊断技术及飞机系统的原理类课程,在上述基础课程的学习中学生已构建飞机维修的整体知识体系,铺垫了基本的维修理论,掌握了系统学的基本原理、建模参数的分析方法,对不同的飞机系统故障及诊断方法有了一定的认知。在此基础上开展的飞机机型课程将重点移至应用方面,结合大量的工程案例、维修实例让学生建立起从经典理论到场景应用的思维映射。

(三) 注重学习体验的视教学设计
典型飞机系统的实验室教学因实验设备和环境空间的限制,通常以小组教学和集体演示为主,学生操作参与度小或仅为观察观看,体验感不深。

而系统类课程的受众主要为机务类专业学生,其就业方向集中在对操作和机构功能原理有较强要求的机务维修单位中,仅仅观看系统结构和功用不能给学生专业素养的培养提供有力支持。为摆脱传统实验项目的问题,课程立足民航主力机型,以飞机主要机电系统为主线,结合工程实践 [8-10] 案例,顺应“机电一体化”的行业发展特点,精心设计 20 余项实验模块,提供“菜单式”自主选择以提高学生兴趣及参与度。满足从“系统原理 - 机型展现 - 故障分析、排故设计”等三个不同层次、不同课程的多种教学需求。实验平台建设方案如图 3 所示。

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以工程案例为指导,根据维修工作的全工序流程,将实验教学分为三个主要环节:维修环境认知、故障诊断隔离、数值仿真分析。在维修环境认知中, 实验平台在虚拟环境复现的功能辅助下,给操作者展示维修操作的第一线场景与主要环境特点;故障诊断隔离主要通过对典型故障的识别和隔离排除使操作者有较为清晰的排故流程认知,为其日后的工作做基础的铺垫;数值仿真分析主要完成数值方法对工程问题的计算分析与数值预测。实验流程设计如图 4 所示。
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在虚拟仿真实验中故障再现、故障隔离、工作原理建模、数值仿真分析等环节有各自可以进行试验参数设定及虚拟工具的使用,分别通过操作和考核环节进行设定。

四 教学实施

(一) 实验平台开发
虚拟维修场景依据真实工作场景设计实验平台
空间布局,将真实工作场景中的人员、飞机、环境和物料都反应在其中,在给出对象模拟造型的同时,更加直观地表现各物体之间的位置和运动关系,对于运动干涉、接触碰撞等问题的发现也有着明显的辅助作用。虚拟维修是当前主流的飞机维修教学工具之一, 在实际维修相关单位的维修方案编制、维修程序验证等工作上也有一定的应用前景。通过虚拟维修平台的操作学习,学生可以在了解知识内容的同时,对该技术方法有一定的认知,为后续学习和相关工作的开展提供支持。实验所建立的虚拟平台效果如图 5 所示。

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实验平台采用模块化功能设计,分别考虑系统附件的结构外形和功能原理,使用不同的软件搭建功能块。嵌入 Matlab/Simulink 软件建立常用系统模型、Labview 软件建立飞机控制指示仪表板、SQL server 数据库建立维修技术手册等资料库,以Authorware 或 flash 制作多媒体动画演示系统工作原理。

采用 C# 搭建用户界面建立实践教学平台,并形成系统模型库,支持大量实验;通过设置不同参数进行模拟,使参数对系统性能的影响清楚地展现; 借助模拟软件,可以观察并分析飞机系统的工作特性及性能曲线,对飞机系统的工作原理及设计参数形成更深入直观的了解。开发的飞机系统虚拟仿真实践教学平台既可满足现代飞机维护专业实践教学的需求,又可为解决工程问题提供支持。

为保证实验对象的代表性和先进性,实验平台选择民航主力机型 B737 和 A320 作为分析对象,建立飞机燃油系统、电源系统等主要功能系统的仿真模型,考虑平台后续功能的升级,在开发中预留了半实物仿真扩展的接口。最后开展拓展性研究,利用故障树、神经网络等经典故障诊断方法,对 FIM 和 tSM 中的故障诊断知识进行深入学习,分析故障拓扑结构,构建故障诊断知识库。提高学生利用数学和软件方法解决工程问题的能力。

(二) 多元化评价体系构建
以强化飞机系统基本理论、提高理论与实践相结合、突出民航应用、提高解决复杂工程问题能力为目标,建立“注重学习过程、学生自主选择”的课程评价体系取代传统的单一考试成绩模式,实现多元化的学习效果的评价。课程通过在校、准毕业、毕业学生及专家督导的综合评价不断完善专业定位和考评方式,以学生分项知识点的考评成绩进步为依据,改进教学内容和方法、调整教学时长,以实现整体教学质量的提高。

以学生自评、互评等多方式进行的评价指标体系, 激发学生学习动力,提高主动学习意识,采用多种考核模式,以必做实验模块与选做实验模块相结合的“菜单式选择”方式,注重考核内容的设计以及考核题型的组织。增加实验成绩所占比例(从 5% 提高到 30%),使学生更积极将精力投入到实践环节。以分组汇报的形式,提高学生的团队合作意识与能力,通过答辩环节加强学生语言表达能力的锻炼。结合“新工科”“卓越 2.0”“AABI 专业认证”等教学改革,制定实践环节评分标准。建立综合教师考核、学生自评、学生互评及实验报告评分等多方式、可量化的综合评价体系。

五 应用效果

实验平台自运行以来,支撑多门课程的实验教学任务,年均承担 240 余学时,服务师生 700 余人次。逐步承担了《B737/A320 飞机系统熟悉》《虚拟仿真实验项目建设》等实验室开放项目,服务范围持续扩大。

(一) 教学经验与应用成果
为规范实践教学过程,课程组成员精选 20 余个实验项目,编著并出版《飞机系统课程群实验教程》,形成软件著作权 1 项,授权实用新型专利 1 项,立项天津市虚拟仿真实验项目 1 项,获评校级教学成果奖 1 项。出版的实验教程及配套软件平台受到天津中德应用技术大学、内蒙古工业大学航空学院、中国民航大学飞行学院等其他相关专业的广泛关注和认可。

(二) 师资队伍建设
近年来,课程组依托虚拟维修实验室开展教学改革项目 2 项、课程建设项目 3 项、实验创新项目 3
项、科学研究项目 1 项,成果丰硕。经过近几年的教学研究改革,教师信息技术能力普遍提高,授课水平明显提升,多名教师分别在青年教师教学基本功竞赛、微课比赛等教学比赛项目中获得佳绩。其中,教学基本功竞赛获得中国民航大学二等奖 1 人、三等奖 1 人,微课教学比赛获得天津市三等奖 1 人、中国民航大学二等奖 1 人, 中国民航大学优秀教师 1 人。在教师课堂教学质量评价中,学生满意度逐年提高,教学质量持续改进。逐步形成一支新老结合的稳定教师团队。

(三) 学生能力提高
为充分调动学生主动学习的积极性,课题组依托虚拟仿真实验室指导大学生创新创业项目 10 余项,参与学生人数 55 人,公开发表论文多篇并授权实用新型专利 1 项。指导学生参加大学生机器人大赛、中国国际飞行器设计挑战赛、SAMPE 超轻复合材料学生竞赛等比赛项目,成绩斐然。其中,获得国家级奖励 5 人次。

六 结 论

通过两年多的教学实践,学生对于课程的满意度逐年提高,授课教师教学效果均为优秀。在飞机系统课程群实验教学体系的改革、试点、运行过程中, 取得了以应用为导向的工程实践教育教学工作的初步成效,培养的学生满足用人单位的需求,学生学习积极性提高、自主学习能力逐步加强。未来,将加大企业参与的力度,不断完善校企联合的实验教学体系。

参考文献
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