基于沉浸式虚拟仿真实验的飞机系统课程群教学改革研究

引言随着现代数字技术的高速发展，虚拟现实技术作为其中的关键环节，在高校教育教学工作中发挥着至关重要的作用。2022年，时任教育部高等教育司司长吴岩在“服务中国式现代化，建好金专、金课、金师、金教材”主题报告中指出，锻造“金师”应精于“技术”，虚拟仿真技术的应用能够解决现实“做不到”，实现“网上做实验”，而教育数字化作为新的教育生产力需要着手“虚拟教研室”建设，打造虚拟仿真“金课”，注重“智能+教育”［]。第三届世界高等教育大会中也指出，高等教育需要内容多样，将方法灵活与技术赋能作为未来的变革方向[2]。目前，很多学科领域的虚拟仿真实验教学或培训仍处于起步阶段，关键需要解决实验平台建设问题，同时，借助虚拟仿真方法的高校课程教学改革应重点面向虚拟实验平台与实际教学相结合的研究工作。飞机系统课程群是航空宇航科学与技术学科方向涉及民航领域专业课程的重要组成部分。2022年9月，民航局局长宋志勇在月度航空安全委员会全体（扩大）会议上强调，要牢固树立“安全第一”思想。对以民航领域为主要就业方向的本科教学而言，更需要以最高标准与最严要求开展涉及民航安全的课程教学，而在机务类专业培养体系中极为重要的飞机系统课程群，直接与涵盖范围广泛的民航飞机系统航线维护安全高度关联。为了适应民航飞机多系统模块课程教学需求，近年来飞机系统课程群教学资源建设长期致力于传统二维平面图向三维数字化模型的转型，而关于现代民用飞机各分系统工作原理的展示通常面向局部视角下的互动学习，亟须搭建面向全局视角且更为全面的虚拟仿真场景。因此，本文将3D+VR沉浸式虚拟仿真技术与现代民航飞机系统课程群教学相融合，使用精细化模型虚拟仿真技术，侧重还原典型飞机系统实际场景下的工作原理，并使学生通过交互操作，完成复杂系统模块化知识内容学习，以“沉浸体验+视觉进化”的飞机系统新型教学模式，有效提升课程教学与实践效果。一、沉浸式虚拟仿真实验研究背景由于现代民用飞机系统开展实物实验难度较大，且随着新型民用飞机系统中新技术的不断应用，不同机型相应系统构成以及工作原理具有差异性，采用虚拟现实方法能够针对不同目标系统进行虚拟仿真实验模型开发。目前，国内外对虚拟仿真实验的探究主要从应用场景的角度出发，用虚拟现实技术解决实际教学培训与实际工况中出现的痛点问题，从交互方式、模型场景优化和数字孪生等多个方面进行研究[3]，以实践课程为核心，围绕技术能力、动手能力和专业知识的培养进行沉浸式虚拟仿真实验平台的开发[4]从虚拟仿真实验的实际应用角度分析，其有效弱化了场地大小、环境恶劣、设备工具采购价格高、硬件数量少等问题对教学的影响，减少或避免了学生因操作不当而造成的安全事故[5]。在虚拟仿真实验设计上，基于教学案例、追随行业发展设计了阶梯式实践过程[6]，实现了教学方式的优化，提升了教学质量与学习效果。此外，虚拟仿真技术的特色之一就是沉浸式人机交互体验，通过屏幕、VR或AR设备，在虚拟环境下使用鼠标键、控制手柄、虚拟手柄等设备进行交互体验。王晓媛等[7]基于模拟退火算法开发了一套动作规划算法，可用于复杂部件的抓取模型动画，使抓取动作更加拟真与自然。陈佳昕等[8]从解剖学出发，通过分析人手的结构，模拟不同手部姿态和动作，创建了一个包含多种手部姿态的数据集，可用于手部姿态识别和跟踪。由此可见，沉浸式虚拟仿真实验在面向复杂系统场景还原方面具有潜在的重要应用前景，而依托沉浸式3D+VR技术平台交互方式实现虚拟现实教学模式与实践方法的革新，对培养现代民航飞机系统工程技术人才具有重要意义。二、飞机系统沉浸式虚拟仿真实验资源建设研究根据飞机系统课程群虚拟仿真实验要求，进行“沉浸体验+视觉进化”教学模式及实践方法研究，采用3D+VR技术创建的虚拟现实教学平台，为学生认知学习现代民航飞机关键系统提供了全新视角及交互方式。对基于沉浸式虚拟仿真实验的飞机系统课程教学内容进行整体梳理，本文以极具代表性的新型A320NEO飞机飞行操纵与起落架系统为目标建设对象，提出了基于沉浸式虚拟仿真实验开发的飞机系统课程群教学改革流程，如图1所示。基于沉浸式虚拟仿真实验的民航飞机系统课程群教学研究↓3D+VR桌面级交互平台适配模型对比分析？VR环境下待构建目标机型及典型系统工作原理研究？空客A320NEO飞行操纵系统空客A320NEO起落架系统副翼、襟/缝翼、水平安定面等前／主起落架收放、转弯、刹车等↓以高保真度适配3D+VR平台的精细化数字模型建立？虚拟仿真实验平台构建沉浸体验+视觉进化？教师主导演示模式多种VR互动场景与功能推动下学生分组互动模式3D跟踪眼镜+的新型教学模式研究3D跟踪眼镜非跟踪转换眼镜√借力沉浸式3D+VR虚拟仿真实验的教学实践方法研究（一）典型飞机系统沉浸式虚拟实验教学资源建设为了构建飞机系统沉浸式虚拟仿真实验场景，可充分借助3D+VR技术开展教学资源建设，该技术是虚拟仿真与多媒体技术、网络互联技术及人机接口技术等多项技术的结合体，能够将飞机系统的真实环境植人虚拟环境中，实现学习者与虚拟仿真实验模型的直观实时互动，提升认知学习效果。以现代民用飞机上低速运动的两大复杂机械系统一—飞行操纵与起落架系统为例，从其涵盖的分系统，如副翼驱动、方向舵驱动、升降舵驱动、襟/缝翼驱动、扰流板驱动、水平安定面驱动、前/主起落架收放、前轮转弯和主轮刹车等角度切入，针对典型飞机系统，在VR环境下还原其工作原理。其中，飞机系统零部件建模为保证建模的高精准度和对飞机系统零部件的还原度，通常使用CATIA、SolidWorks等工程设计专业软件进行参数化建模。在已初步开发的虚拟仿真模型的基础上，深入开展适配沉浸式3D+VR桌面级交互平台教学环境的虚拟仿真实验教学资源建设。（二）借助3D+VR技术的典型飞机系统沉浸式虚拟仿真实验平台构建沉浸式虚拟仿真实验所依托的VR桌面交互平台结合了VR和AR（增强现实技术），硬件平台中的核心应用专业软件能够兼容多类型软件（如3DSMAX、UG、Pro/E、CATIA、Solidworks等）调试后的三维模型格式，也适用于将各软件环境下模型以Unity3D封装后迁移到VR桌面交互平台系统中，为飞机系统专业课程教学资源提供了持续深度开发的可能性。以CATIA为例，由于其无法直接导出适用于Unity3D的FBX或OBJ格式的模型，因此需要对模型进行额外处理，以使其可以被导入Unity3D。目前主流采取的模型转换方式为通过中间格式进行转换，通过对比STP、CATPart等格式向3DSMAX环境转换后的模型保真度，最终3DSMAX读取CATPart格式模型作为最优方案。而在FBX和OBJ格式的选择上，两者都被广泛应用于虚拟仿真资源的建设上，其区别主要为FBX格式相较于OBJ格式会存储模型上的动画、材质特性、贴图、骨骼动画、灯光和摄像机等信息，这使得FBX具有更强的兼容性，可以通过其他软件，如SubstancePainter等，对模型进行赋予材质、贴图等操作后再导入Unity3D，使模型更具拟真度，因此在开发过程中通常使用FBX格式模型。在Unity3D中，则采用细节层级（levelsofdetail，LOD）技术，场景中相对摄像机近距离的模型使用高网格分辨率模型，远距离的模型使用低网格分辨率模型，可显著提升场景加载速度，实现沉浸式场景优化。在此基础上，将所建立的目标飞机系统虚拟场景导人交互平台，从而构建沉浸式虚拟仿真实验平台。实验平台采用开源化设计，可通过触控笔与3D应用程序及模型场景互动，依托不同格式类型的数字模型及Unity3D封装互动文件，以高保真度导人桌面级3D+VR技术平台的具体适配方法，能够有效保证所建设的沉浸式虚拟仿真实验平台中不同类型飞机系统模块化教学资源的可拓展性。（三）面向飞机系统沉浸式虚拟仿真实验的新型教学模式探究基于Unity3D开发的多视角飞机系统虚拟实验场景，将其嵌入桌面级互动技术平台，能够为学生的专业课学习提供沉浸、交互及仿真的深度数字化体验，学生可利用配套的3D跟踪眼镜（设备附带头部红外位移追踪）和触控笔，在沉浸式虚拟实验场景中实现6个自由度的交互操作；也可通过非跟踪转换眼镜，在主机所映射的电脑上观察实验演示过程，更为深入地理解飞机系统教学内容中部分抽象立体工作的原理。交互平台内嵌人的软件模块涵盖了基本的模型开发与教学展示工具，适用于飞机系统课程群中分系统组成及工作原理环节中难以展示的复杂知识点的讲述，同时可实现虚拟现实环境下的飞机系统附件虚拟拆装、系统工作原理模拟和试验验证过程还原等。按照飞机系统课程群知识模块设定沉浸式虚拟仿真实验模块，以线上线下混合式教学为基本支撑，通过3D+VR主控制台配合3D跟踪眼镜，以“教师主导演示模式”和“学生分组互动模式”实施专业课程教学，多种VR教学互动场景与功能推动了沉浸视角下探究式教学、启发式教学、讨论式教学等创新性教学理念的研究与实现。结合沉浸式虚拟仿真实验教学模式的实施效果及学生学习效果的逆向反馈情况，持续调整优化课程教学模式，达到了很好的预期教学效果。（四）飞机系统沉浸式虚拟仿真实验场景下的教学实践研究注重将飞机系统沉浸式虚拟实验场景与民航工程实践紧密结合，通过实地调研收集目标机型系统实际工作场景，梳理工程实践中出现的具体问题与虚拟仿真实验教学中相关内容之间的关联性及差异性，针对相应虚拟实验场景在平台内的展现效果，对模型实施详细对照检查与修正，使其能够深度还原工程实际中现代民航飞机系统的实体对象工作特征。同时，根据飞机系统课程群中不同课程的虚拟实验教学内容，梳理各层级虚拟仿真实验，对同类型的实验项目进行内容整合，并设计沉浸式虚拟仿真实验步骤。在开展沉浸式虚拟仿真实验的基础上，充分融合工程实践中出现的不同类型系统的常见故障问题及排故措施，依托飞机系统相关新工科项目式课程、课程设计及毕业设计等方式，指导学生针对民航飞机系统工程实际案例开发交互式应用程序，深入培养学生在飞机系统方面的工程实践能力。结语本文面向航空宇航科学与技术学科方向飞机系统课程群教学，借助沉浸式虚拟仿真实验方法，开展了相应数字化技术支撑下的教学改革研究。沉浸式飞机系统