虛實(shí)結(jié)合構(gòu)建新型教學(xué)體系

文/吳金棟 任光輝 劉劍文

隨著民航事業(yè)快速發(fā)展，民航運(yùn)行的系統(tǒng)性和復(fù)雜度日益增強(qiáng)，作為民航運(yùn)行系統(tǒng)核心要素的從業(yè)人員能力水平直接關(guān)系著民航這一高技術(shù)、高風(fēng)險、高投入的復(fù)雜大系統(tǒng)的運(yùn)行安全和效率。其中，對專業(yè)人才實(shí)踐能力的要求，已經(jīng)由簡單的專業(yè)技術(shù)能力轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)思維能力、工程實(shí)踐能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和工作適應(yīng)能力相一致的綜合能力水平，這對人才培養(yǎng)中的實(shí)踐教學(xué)模式改革提出了新要求。民航運(yùn)行的安全標(biāo)準(zhǔn)要求高，可供學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的資源條件極為有限，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系，成為提升人才培養(yǎng)質(zhì)量的必然途徑。為實(shí)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)與現(xiàn)有實(shí)踐條件深度融合，需要從人才培養(yǎng)實(shí)踐體系、資源開發(fā)利用機(jī)制和實(shí)踐教學(xué)管理平臺等多方面入手，綜合施策，方能有效提升實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)能力。

面臨的主要問題

原有實(shí)踐教學(xué)方式難以滿足行業(yè)新技術(shù)快速發(fā)展對人才的需求

隨著信息技術(shù)與航空技術(shù)的不斷融合，民航機(jī)務(wù)維修、空管等領(lǐng)域的專業(yè)工作正在更多地轉(zhuǎn)為依托面向大系統(tǒng)虛擬仿真環(huán)境下進(jìn)行分析、測試、檢驗(yàn)。原有的以解決單一問題、單一環(huán)境、單一對象的實(shí)踐能力培養(yǎng)目標(biāo)需要轉(zhuǎn)變?yōu)榻鉀Q系統(tǒng)問題、復(fù)雜環(huán)境、多對象多任務(wù)狀態(tài)下系統(tǒng)分析及解決問題的綜合實(shí)踐能力。為此，需要建立符合實(shí)際運(yùn)行環(huán)境對人才要求的實(shí)踐教學(xué)體系，改進(jìn)實(shí)踐教學(xué)方式。

圖1 成果研究路徑

既有實(shí)踐教學(xué)資源難以滿足專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)模的要求

民航實(shí)際崗位工作復(fù)雜度高、安全標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)，民航專業(yè)實(shí)踐設(shè)備、耗材資源有限、價值較高，都難以滿足大規(guī)模學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的需求。因此，建設(shè)高仿真度實(shí)踐條件能夠有效解決辦學(xué)資源、辦學(xué)成本與人才培養(yǎng)要求之間的矛盾。

實(shí)踐教學(xué)效率難以滿足互聯(lián)網(wǎng)一代學(xué)生對自主學(xué)習(xí)的需求

互聯(lián)網(wǎng)一代學(xué)生對學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)過程的需求更為靈活，對線上學(xué)習(xí)的方式易于接受和掌握?，F(xiàn)有實(shí)物條件的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，受空間和時間所限，為學(xué)生提供的認(rèn)知資源不足、認(rèn)知效率不高。因此，通過合理配比線上和線下實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)時間，可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)過程重組，有效提升實(shí)踐學(xué)習(xí)效率。

研究的思路

圍繞實(shí)踐教學(xué)方式、資源、效率等問題，學(xué)校在對民航人才培養(yǎng)需求進(jìn)行深入調(diào)研分析的基礎(chǔ)上，按照推進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與信息技術(shù)深度融合的理念，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展，通過構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系，在此基礎(chǔ)上配套建立仿真資源開發(fā)應(yīng)用機(jī)制、建設(shè)實(shí)踐教學(xué)管理平臺，積極推進(jìn)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)資源和裝備條件的建設(shè)，從而有效提升學(xué)生工程實(shí)踐能力。如圖1所示。

建設(shè)的主要內(nèi)容

合理規(guī)劃布局，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)新體系

依照“虛實(shí)結(jié)合、相互補(bǔ)充、能實(shí)不虛”的原則，按照不同學(xué)習(xí)階段對實(shí)踐條件和環(huán)境的需求，科學(xué)定位虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在人才培養(yǎng)中的位置和作用，系統(tǒng)規(guī)劃布局，形成覆蓋專業(yè)認(rèn)知、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、專業(yè)實(shí)驗(yàn)、實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)、創(chuàng)新實(shí)踐在內(nèi)的虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)體系。如圖2所示。

1.以虛代實(shí)，建設(shè)面向崗位實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)的虛擬仿真資源。面對民航機(jī)務(wù)、空管等安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)、專業(yè)技術(shù)能力要求高的崗位，將原有崗位實(shí)踐環(huán)節(jié)拓展為“模擬實(shí)習(xí)+崗位實(shí)習(xí)”的實(shí)踐培養(yǎng)模式。針對該環(huán)節(jié)學(xué)生實(shí)習(xí)實(shí)踐學(xué)時多、學(xué)生實(shí)踐重復(fù)率高的現(xiàn)實(shí)需求，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，規(guī)劃建設(shè)了多功能機(jī)務(wù)維護(hù)模擬系統(tǒng)、空中交通管理雷達(dá)管制模擬系統(tǒng)、360度視景塔臺管制模擬系統(tǒng)等一系列大場景、一體化的綜合實(shí)踐系統(tǒng)，為學(xué)生提供高仿真度實(shí)習(xí)環(huán)境，較大程度上代替了真實(shí)崗位的實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)。

2.以虛補(bǔ)實(shí)，建設(shè)面向?qū)I(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)級仿真實(shí)驗(yàn)。針對大量應(yīng)用真實(shí)航材的實(shí)驗(yàn)項目所面臨的實(shí)驗(yàn)條件成本高、消耗大、更新慢，且部分實(shí)驗(yàn)由于航材本身為國外原裝封閉組件而導(dǎo)致的無法在真實(shí)環(huán)境中進(jìn)行分析檢測等問題，建設(shè)了大批面向?qū)I(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的航空器系統(tǒng)級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)條件，將原有“單系統(tǒng)、單環(huán)節(jié)”專業(yè)實(shí)驗(yàn)拓展為“多系統(tǒng)、聯(lián)動式”的綜合性實(shí)驗(yàn)，有效提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

3.以虛驗(yàn)實(shí)，建設(shè)面向基礎(chǔ)類實(shí)驗(yàn)的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。針對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)量大面廣、開放資源有限的問題，開展基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)項目虛擬資源建設(shè)，開發(fā)自主實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)平臺，將原有實(shí)物實(shí)驗(yàn)為主拓展為“虛擬實(shí)驗(yàn)庫+實(shí)物實(shí)驗(yàn)”方式，使學(xué)生能夠在虛擬平臺上自主設(shè)計完成實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)提供便利。

4.以虛展實(shí)，建設(shè)面向?qū)I(yè)認(rèn)知的立體化體驗(yàn)教學(xué)資源。面向新進(jìn)入專業(yè)學(xué)習(xí)學(xué)生，建設(shè)民航立體化教學(xué)中心，利用虛擬仿真技術(shù)，動態(tài)真實(shí)展現(xiàn)民航專業(yè)領(lǐng)域工作場景和工作流程，通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使學(xué)生能夠動手感知運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境。從而通過“認(rèn)知+體驗(yàn)”學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生對行業(yè)整體了解和專業(yè)認(rèn)知，提升行業(yè)和專業(yè)認(rèn)同感。

圖2 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)踐教學(xué)體系

圖3 虛擬仿真資源開發(fā)利用全生命周期激勵機(jī)制

5.以虛測實(shí)，建設(shè)面向大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐的虛擬驗(yàn)證條件。面向大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)踐需求，建設(shè)了“OpenCockpit”綜合驗(yàn)證平臺、空管聯(lián)動運(yùn)行驗(yàn)證平臺等開放式實(shí)驗(yàn)開發(fā)驗(yàn)證平臺，為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目提供實(shí)踐檢驗(yàn)環(huán)境和條件，推動學(xué)生在大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目中形成“自主創(chuàng)新+驗(yàn)證”的研究式學(xué)習(xí)方式，提升學(xué)生面向工程實(shí)踐的創(chuàng)新能力。

突出激勵支持，建立仿真資源開發(fā)應(yīng)用新機(jī)制

虛擬教學(xué)資源的開發(fā)工作量大，研發(fā)周期長，需要系統(tǒng)的政策引導(dǎo)和支持，規(guī)劃好、開發(fā)好、使用好、轉(zhuǎn)化好虛擬教學(xué)資源是實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，為此學(xué)校建立了基于虛擬仿真教學(xué)資源開發(fā)利用全生命周期的激勵機(jī)制。具體如圖3所示。

1.建立虛擬仿真資源開發(fā)的支持機(jī)制。學(xué)校設(shè)立實(shí)驗(yàn)技術(shù)創(chuàng)新基金，支持各級虛擬仿真中心通過兩級項目管理體系，以“中心預(yù)研、校級認(rèn)定、重點(diǎn)項目投入、產(chǎn)業(yè)開發(fā)扶持”的逐級提升方式，持續(xù)投入資源開發(fā)工作。出臺團(tuán)隊激勵政策，按照“專業(yè)教學(xué)能力+技術(shù)開發(fā)能力+創(chuàng)新實(shí)踐能力”的要求，借助國家級、省部級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺，推動跨學(xué)科組建團(tuán)隊，建立團(tuán)聘團(tuán)考機(jī)制，鼓勵團(tuán)隊內(nèi)部合理分工，專注從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、虛擬仿真資源開發(fā)、產(chǎn)品轉(zhuǎn)化推廣等工作，協(xié)同創(chuàng)新，多出成果。

2.建立虛擬仿真資源利用的轉(zhuǎn)化機(jī)制。通過加強(qiáng)“校企合作”、“校研合作”，支持專業(yè)教師與校外虛擬仿真技術(shù)研究機(jī)構(gòu)、軟件開發(fā)企業(yè)合作，提高開發(fā)效率，提升開發(fā)質(zhì)量，以滿足大規(guī)模學(xué)生在實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)中的學(xué)習(xí)需要。同時，積極推動與其他專業(yè)院校、航空企業(yè)在技術(shù)推廣上的合作，推進(jìn)開發(fā)裝備轉(zhuǎn)化應(yīng)用，發(fā)揮更大社會效益。目前，與學(xué)校在機(jī)務(wù)、空管、機(jī)場、航空安全等領(lǐng)域建立長期合作關(guān)系的技術(shù)開發(fā)機(jī)構(gòu)和應(yīng)用企業(yè)達(dá)68家。

3.建設(shè)虛擬仿真資源共享的促進(jìn)機(jī)制。構(gòu)建了資源開發(fā)共享平臺，共享技術(shù)開發(fā)工具、虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)資源、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項目等，教師可根據(jù)實(shí)驗(yàn)庫或數(shù)字資源的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，開展各類資源開發(fā)建設(shè)、更新及擴(kuò)充。學(xué)?，F(xiàn)已投入建設(shè)的用于虛擬仿真資源開發(fā)的技術(shù)平臺，包括圖像處理、模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)測試等工具平臺121個。

4.建設(shè)虛擬仿真資源效能的評價機(jī)制。虛擬仿真教學(xué)資源的使用有效度和學(xué)生基于虛擬仿真資源開展教學(xué)的實(shí)際效果是衡量資源開發(fā)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，為此將對虛擬資源開發(fā)團(tuán)隊的考核納入人事分配制度考核體系中，將學(xué)生對虛擬仿真資源的使用效果評價納入課程質(zhì)量評價中，將資源開發(fā)投入與評價結(jié)果相掛鉤。

融合線上線下，建設(shè)實(shí)踐教學(xué)管理新平臺

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，拓展了學(xué)生學(xué)習(xí)時空，豐富了教學(xué)資源，實(shí)現(xiàn)線上線下學(xué)習(xí)協(xié)同管理。通過開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)管理平臺，將原有“教師演示—學(xué)生操作”的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ睫D(zhuǎn)變?yōu)椤疤摂M實(shí)驗(yàn)—網(wǎng)上輔導(dǎo)—現(xiàn)場指導(dǎo)”的新實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。學(xué)生在平臺上自主學(xué)習(xí)安全須知，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)理論，自主從虛擬儀器設(shè)備庫選取設(shè)備、設(shè)計實(shí)驗(yàn)、虛擬操作，并通過線上自動評測后，方可進(jìn)入實(shí)物實(shí)驗(yàn)階段，期間教師進(jìn)行線上輔導(dǎo)。在現(xiàn)場實(shí)物實(shí)驗(yàn)中學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程轉(zhuǎn)為注重觀察現(xiàn)象，總結(jié)分析提高。在結(jié)束課內(nèi)實(shí)物實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生還可根據(jù)自身掌握情況，進(jìn)行線上復(fù)習(xí)或答疑。目前建成的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，涵蓋了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)庫、實(shí)驗(yàn)安排、實(shí)驗(yàn)報告、考試考查、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、學(xué)習(xí)論壇等多個模塊，有效提升了實(shí)驗(yàn)組織和管理效率。具體如圖4所示。

圖4 虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

應(yīng)用效果

1.實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量顯著提升

通過系統(tǒng)化構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合實(shí)踐教學(xué)體系，充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)組織、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)評價中靈活度高、重復(fù)性強(qiáng)、成本較低的優(yōu)勢，讓虛擬實(shí)驗(yàn)作為進(jìn)入實(shí)物實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)、作為崗位實(shí)習(xí)的部分替代，充分發(fā)揮其“橋接”功能，有效提升實(shí)踐教學(xué)針對性和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生在實(shí)踐中參與度顯著提高，實(shí)踐質(zhì)量獲得較大提升。

2.形成一批虛擬仿真教學(xué)團(tuán)隊

學(xué)?，F(xiàn)已在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心和其他實(shí)驗(yàn)中心建設(shè)過程中，形成了多支虛擬仿真教學(xué)團(tuán)隊，并培養(yǎng)了一批青年教師。該批教師已開發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源成果近百項，自行開發(fā)的虛擬仿真儀器裝備已推廣至部分航空公司培訓(xùn)中心、部分空管單位培訓(xùn)中心、境內(nèi)航空類院校及臺灣地區(qū)航空院校。通過虛擬仿真教學(xué)團(tuán)隊的建設(shè)，推進(jìn)教師將教學(xué)工作和科研工作有機(jī)融合，為支持教師全面發(fā)展探索了一條新的有效路徑。

3.資源成果有效轉(zhuǎn)化

在實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)和資源開發(fā)過程中，通過知識產(chǎn)權(quán)認(rèn)證等方式形成了一批知識產(chǎn)權(quán)成果。開發(fā)的大批實(shí)驗(yàn)裝備獲得廣泛的推廣應(yīng)用，并在相關(guān)院校和航空企業(yè)的人才培養(yǎng)和專業(yè)技術(shù)人員復(fù)訓(xùn)中產(chǎn)生良好效果，質(zhì)量和水平獲得了廣泛認(rèn)可。項目成果輻射作用顯著，學(xué)校各類虛擬仿真中心每年接待參觀來訪達(dá)2100余人次，在行業(yè)辦學(xué)院校中產(chǎn)生了廣泛影響。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，推進(jìn)實(shí)踐教學(xué)與信息技術(shù)的深度融合成為改革實(shí)踐教學(xué)模式的新的路徑，學(xué)校通過積極推動面向民航專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)開展實(shí)踐教學(xué)資源建設(shè)，有效解決了人才培養(yǎng)中特別是實(shí)踐教學(xué)中許多在原有實(shí)踐條件下不可實(shí)現(xiàn)、不可重復(fù)的教學(xué)難點(diǎn)，為學(xué)生提供了更為自主、更為直觀、更具創(chuàng)新性的實(shí)踐環(huán)境，有效提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)針對性，從而顯著提高了人才培養(yǎng)質(zhì)量，同時也提高了實(shí)踐教師的專業(yè)教學(xué)能力和研究開發(fā)能力。