虚拟现实技术在航空类职业院校实训教学中的应用

摘"要：高素质技术技能人才对推动航空产业高质量发展具有重要意义，在航空强国建设中起到基础性战略支撑作用。为了解决职业教育“三高三难”的痛点，提高学生实践操作能力，基于虚拟现实技术构建教—学—评一体化实践教学模式是未来发展的必经之路。通过深入剖析虚拟现实技术在国内外教育领域的应用情况，面向航空类职业院校总结虚拟现实技术在实训教学中的突出优势，结合高职院校发展特点和发展现状，提出飞机数字化虚拟装配仿真实训平台、飞机虚拟维修训练平台整体架构设计方法，探究虚拟现实技术在航空专业群实训教学中的应用路径。关键词：虚拟现实技术；航空类职业院校；实训教学；航空专业群0"引言航空产业是国防安全和经济建设的重要支撑。我国航空事业的快速发展，对专业技术能力过硬、综合素质俱佳的高素质劳动者和技术技能人才有了更高的需求，加快航空专业技能人才培养是从航空大国迈向航空强国的必由之路。航空类职业院校教育教学和实习实训过程中往往存在设备单台（套）、成本高昂，传统课堂教学枯燥、危险性高，试错代价高等问题，对成熟、高效、低成本的虚拟仿真实训平台需求强烈。2022年，工信部等五部门发布《虚拟现实与行业应用融合发展行动计划（2022—2026年）》，明确提出要推进虚拟现实技术在职业学校中的应用，推进“虚拟仿真实验教学2.0”，支持建设一批虚拟仿真实验实训重点项目，加快培养紧缺人才[1]。2023年，工信部等五部门印发《元宇宙产业创新发展三年行动计划（2023—2025年）》，明确提出“鼓励通过平台共享虚拟仿真实验实训资源，扩大优质教育资源覆盖面”[2]。为了提高学生的实际操作能力，培养高质量技术型人才，将虚拟现实技术与飞机电子设备维修专业群、飞行器制造技术专业群、飞行器维修技术专业群等航空专业群深度融合，构建“虚+实”的实训教学，有利于拓展教学内容的广度和深度，提高教学质量和水平，提升学生的实际操作能力，解决航空装备高投入、实训耗材高成本、飞机调试高风险和操作演练难实施、实训过程难观摩、故障后果难再现等“三高三难”的教学痛点。1"虚拟现实技术国内外研究与应用现状1.1"虚拟现实技术的概念与特征虚拟现实技术（VR，VirtualReality）是指通过计算机搭建虚拟的视听环境，使用程序设计与各种输出设备将虚拟场景转化为使用者的视听感受，让使用者可以身临其境地进行交互式操作的技术。虚拟现实技术凭借其沉浸性、交互性和构想性特征，在教育教学培训领域呈现出显著的优势[3]。在国家多项政策助力下，虚拟现实技术在航空航天、机械制造、医疗、军事等领域得到广泛应用[4-6]，并正在不断进入新的领域，促进各行业在信息化时代的建设与发展。虚拟现实技术的高沉浸感、高安全性、低成本、拓展性、协同性优势为航空专业技术人才培训提供了更高层次的服务，让学生在安全可控、可重复、可数据化的系统中进行操作，能有效提高学生的操作能力、团队协作能力和应对突发事件的处理能力，解决传统实训教学受多种因素限制的问题，增强学生的学习效果，拓宽航空专业技术人才培养途径。1.2"虚拟现实技术在国外教学中的应用国外众多顶尖院校已布局虚拟仿真实验教学并逐步推广，虚拟仿真实验室的搭建技术成熟，将虚拟现实、增强现实和混合现实技术应用于教学，得到广泛认可。例如：美国斯坦福大学建成金融投资虚拟仿真实验室供投资银行、基金管理、对冲基金相关实训使用，平台具备数据分析、市场交易、投资回测等功能，学生能随时调取使用多项信息分析工具；耶鲁大学注重发展虚拟实验室的可移动性和即时性，学生借助平板电脑就能完成分子生物学、发育生物学和细胞生物学等实训课程的学习；英国开放大学面向全体学生开放所有在线实验室的实验功能，学生借助遥控设备就能实现远程真实实验，实训教学不再受到时间和地点的限制。1.3"虚拟现实技术在国内教学中的应用随着虚拟现实技术的不断成熟和关键核心技术的突破，国内科研机构、企业和高等院校已经进行相关研究并取得一系列成果，虚拟现实技术已经逐步渗透进基础教育、职业教育和高等教育领域。例如：南京航空航天大学国家重点实验室将“虚拟现实+互联网”技术融入学生实验教学，并面向飞行器制造工程专业实现应用，其搭建的实训平台如图1所示；沈阳航空航天大学刘震磊等[7]基于虚拟现实技术，搭建飞机制造准确度检测虚拟仿真实验平台，突破高精密仪器单台（套）、实验耗材成本高、实验过程难评估的限制；北京师范大学沈阳等[8]提出将虚拟现实技术中的力反馈应用到K12物理实验教学场景之中，显著提高学生交互的效率和参与度；中国矿业大学任志成等[9]研究虚拟现实技术在煤矿安全管理中的应用；江西现代职业技术学院张宗亮等[10]面向旅游交通相关专业，模拟旅游安全事故发生过程，将理论知识与实践应用有效结合在一起。截至2023年10月，国家虚拟仿真实验教学课程共享平台iLab实验平台上已经接入3524项共享实验项目，其中国家一流课程1194个，省级一流课程1307个，其他实验课程1023个，覆盖5559门课程，28710个知识点，2691所高校。2"虚拟现实技术应用于航空类职业院校的""优势2.1"提高安全性和成本效益在航空特色专业群人才教育领域，特别是涉及飞机维护/维修、数控加工等高风险环境的实际操作中，学生的操作失误可能带来严重后果，不仅可能造成昂贵设备的损坏和生产成本的增加，还可能危及人身安全。虚拟现实技术通过模拟真实的操作环境，为学生构建一个安全的虚拟仿真学习平台，是学生培养技能的关键方式之一。特别是在飞机维护/维修领域，在实际维修中错误的操作可能导致飞机严重故障，而借助虚拟仿真平台，学生可以模拟各种维修场景，从而熟悉维修流程和操作步骤，提前面对可能发生的问题和挑战，为职业发展打下坚实的基础。同时，虚拟现实技术为学生提供了多次实践的机会，避免因错误操作导致的资源浪费。学生可以在虚拟环境中多次重复练习，直到熟练掌握操作技能，高效的练习方式可以最大限度地减少资源的消耗。2.2"提供沉浸式学习体验航空类职业院校强调学生的实践操作能力，学生需要在复杂的实际环境中完成飞机结构装配、航空结构件检测、飞机维护/维修等任务，这对学生的操作能力要求极高。由于专业的特殊性，实践教学容易受到时间和空间限制，实训教学占用空间大，设备有限，无法实现多人同时学习，往往导致学生只能远观，不能实操，缺乏理论联系实际的实践机会，难以满足个性化的学习需求。虚拟现实技术的应用为航空类职业院校提供了新的途径，通过模拟真实的操作环境，借助头戴式显示器、手柄等设备，学生能够在虚拟场景中进行飞机装配、检测、维修/维护等沉浸式操作体验。这样不仅能提升学生的操作能力，而且能有效降低风险和成本，弥补传统教学设备单台（套）、成本高、风险大的不足。2.3"操作过程即时反馈和个性化评估为了客观评估学生操作过程的完整性、操作步骤的正确性、操作时间的合理性，通过建立评价体系对其操作过程进行考核评价，以帮助学生更好地掌握知识和技能。基于虚拟现实技术可以实现虚拟操作过程的及时反馈和个性化评估，学生评价过程不再依赖教师的主观观察，而是基于客观的数据分析，对学生注册/登录数据、虚拟操作数据、场景模型信息、实际操作时间、操作路径等数据进行采集、处理和存储，进而实现客观评价。考虑到学生之间理解能力和实际操作能力的差异性，设置优秀、良好、达标、不达标多个考核等级，以帮助教师更准确地了解学生的技能水平和能力发展，为教学和学习提供有针对性的指导。即时反馈依托传感器技术和人机交互功能，可以实时监测学生的行为数据和环境数据，了解其操作步骤的准确性和操作过程的规范化程度。虚拟现实技术结合视觉和听觉元素，将理论知识与实际操作相结合，使学生更容易理解和掌握飞行原理、飞机结构、飞机维护等相关知识，并将新学到的知识应用于实际操作，通过即时反馈验证理解和掌握的程度。与此同时，学生能够通过深入分析虚拟仿真平台的反馈信息，寻找飞机虚拟装配、检测、虚拟维护/维修等操作中的不足之处，并提出改进的方法。这样有助于提高学生在实践操作过程中思考、判断和决策的能力，并为他们今后面对飞机制造和维护过程中出现的挑战提供更为灵活和高效的思维模式。虚拟仿真平台实训教学组织与实施过程如图2所示。3"虚拟现实技术在航空类职业院校中的应用3.1"飞机数字化虚拟装配飞机装配是飞机制造的重要环节，需要保证零件与零件、零件与工装、工装与工装之间的协调性，保证装配的精度和装配的准确性。基于虚拟现实搭建飞机数字化装配仿真实训平台，依托三维模型搭建技术创建高度真实的飞机虚拟装配环境，可确保装配过程的可靠性，提高飞机装配的准确性和效率。学生依托虚拟装配仿真实训平台，借助头戴式显示器、HTCVIVE手柄及VR数据手套，在虚拟场景中进行漫游、功能区学习、飞机零部件抓取、虚拟装配等沉浸式交互体验。学生可以根据个人操作能力和实际需要进行反复练习，以确保熟练掌握飞机零部件装配方法、装配时长、装配序列和各站位空间规划，缩短学习曲线，提高安装效率，避免实际操作中可能出现的危险和风险；与此同时，结合所学知识解决飞机装配过程中出现的问题，实现虚实结合教学。飞机数字化虚拟装配仿真实训平台架构如图3所示。3.2"飞机虚拟维修训练为了保证飞机维修的可靠性和可行性，要求维修人员具备扎实的理论知识、较强的专业英语水平和实践操作能力，满足飞机维修操作资质要求。传统的飞机维修以理实一体化教学为主，存在实训设备不足、教学成本高、教学环境要求高、理论与实践脱节、维修技术落后、实践操作过程危险性高等多种限制性因素，以及传统的维护手册直观性不够，无法实现学生与模型的交互，手册查询费时费力，学生培训效果不显著等问题。基于虚拟现实技术，以虚拟数字样机为载体，通过模拟飞机实际维护场景，学生依托飞机虚拟维修实训平台，在平台内自主完成飞机维修的全流程，验证维修方案的合理性、操作步骤的正确性、操作过程的安全性。同时，依托电子维修手册学习飞机维护常用工具种类、使用方法和手册查询注意事项，通过旋转、缩放、移动、抓取等按钮可以更加直观地了解飞机内部结构，进行飞机性能参数查询，交互性更强，有效缩短培训周期，提高学生培训质量。4"结论1）虚拟现实技术在实践教学中的应用，解决了传统实训教学高投入、高难度、高风险和难实施、难观摩、难再现等问题，突破了传统实训教学时间和空间限制的壁垒，为职业