飛行員陸空通話仿真訓(xùn)練平臺研制與教學(xué)應(yīng)用

郭小寧，袁長生

（1.中國民航大學(xué) 飛行分校；2.天津和力開拓科技有限公司，天津 300300）

0 引言

陸空通話對于航空安全至關(guān)重要。國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)大量事故及事故征候都與飛行員和管制員之間的語音障礙有關(guān)［1］。美國航空安全報(bào)告系統(tǒng)（Aviation Safety Reporting System，ASRS）數(shù)據(jù)顯示，70%以上的報(bào)告中涉及信息交流不暢的問題?？梢钥闯觯瑹o線電陸空通話錯(cuò)誤是空難中常見的人為因素［2］。

飛行學(xué)員肩負(fù)著“未來的安全”。標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐ㄔ捔鞒獭?zhǔn)確流利的通話語言是飛行程序順利實(shí)施的保障，因此對飛行學(xué)員的專業(yè)英語應(yīng)用能力要求比其他專業(yè)高，其從入學(xué)到進(jìn)入國外航校學(xué)習(xí)的過程要經(jīng)歷從“學(xué)航空英語”到“用航空英語學(xué)習(xí)”的轉(zhuǎn)變，而成功的轉(zhuǎn)變需要在專業(yè)指導(dǎo)下通過反復(fù)、豐富的語言實(shí)踐操練才能達(dá)到。目前國內(nèi)飛行員陸空通話課程教學(xué)環(huán)境基本為普通教室，教學(xué)過程以教師講授為主，輔以教學(xué)內(nèi)容配套練習(xí)，教學(xué)進(jìn)展按飛行階段進(jìn)行劃分。雖然近年來國內(nèi)航空英語課程體系、教學(xué)模式及飛行訓(xùn)練模式均有長足進(jìn)展［3-6］，但學(xué)生對陸空通話學(xué)習(xí)內(nèi)容的認(rèn)知往往與飛行實(shí)際脫節(jié)，知識掌握片面化、機(jī)械化。國外飛行員陸空通話課程講授設(shè)置虛擬飛行實(shí)景，模擬駕駛艙環(huán)境，使學(xué)生有身臨其境之感，對于飛行學(xué)員陸空通話能力的提升有重要作用，值得借鑒［7］。

虛擬仿真平臺作為信息技術(shù)與學(xué)科專業(yè)融合的產(chǎn)物，為教學(xué)信息化改革提供了全新動(dòng)能［8-11］。目前國內(nèi)院校陸空通話課程教學(xué)亟需一套陸空通話仿真訓(xùn)練平臺，該平臺的研發(fā)與應(yīng)用將對教學(xué)模式的創(chuàng)新與教學(xué)質(zhì)量的提高起到扎實(shí)的促進(jìn)作用。

1 仿真訓(xùn)練平臺設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)見圖1，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了以下幾個(gè)方面的問題。

Fig.1 Simulating training system framework圖1 仿真訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 教學(xué)環(huán)境優(yōu)化與創(chuàng)新

對國內(nèi)外機(jī)場飛行運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行分析研究，從機(jī)場設(shè)計(jì)、地面運(yùn)行、航路運(yùn)行等方面進(jìn)行拓展，結(jié)合實(shí)際飛行路徑和飛行計(jì)劃設(shè)計(jì)并完善提供模擬飛行環(huán)境的半實(shí)物仿真系統(tǒng)操作平臺。

1.2 教學(xué)內(nèi)容梳理與精進(jìn)

在現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上突出飛行環(huán)境下的陸空通話訓(xùn)練與拓展，實(shí)現(xiàn)陸空通話基礎(chǔ)教學(xué)與實(shí)際接軌，環(huán)環(huán)相扣，教學(xué)內(nèi)容跟進(jìn)實(shí)踐運(yùn)行環(huán)境的改變，如對于“滑行Taxi”一節(jié)的講解和訓(xùn)練，其中的滑行道名稱、滑行路線、滑行中各式各樣的管制指令均需隨著實(shí)際運(yùn)行環(huán)境設(shè)計(jì)。

1.3 場景規(guī)劃與設(shè)置

為使場景設(shè)置逼真，模擬實(shí)際飛行效果設(shè)置進(jìn)離場空域、航路空域以及兩個(gè)地面運(yùn)行區(qū)域（離場機(jī)場地面區(qū)域和目的地機(jī)場地面區(qū)域）。飛行訓(xùn)練必須遵從時(shí)空一致性原則，國內(nèi)機(jī)場地面運(yùn)行的跑道滑行道停機(jī)坪布局參照北京首都機(jī)場，國外參照希臘雅典機(jī)場。實(shí)踐教學(xué)中，教師起到管制員和指揮員的作用。為提高課堂效率，減少學(xué)員尋找機(jī)場停機(jī)位滑行道等占用時(shí)間，實(shí)踐平臺設(shè)置了地面圖索引，學(xué)員可通過機(jī)場圖圖標(biāo)直接定位到指定位置航路設(shè)置。為防止偏離預(yù)設(shè)路徑，設(shè)置路線鎖定環(huán)，使飛機(jī)可以沿著預(yù)訂路線飛行。

1.4 考核和練習(xí)模式設(shè)置

建立考核和練習(xí)兩種工作模式。設(shè)計(jì)好人機(jī)界面的交互功能，注意不同單元內(nèi)容的設(shè)置和訓(xùn)練參數(shù)的選擇，以滿足知識點(diǎn)考查、測試等要求?；谔摂M仿真教學(xué)資源，學(xué)生可以進(jìn)行在線學(xué)習(xí)和訓(xùn)練操作，教師可在觀察、講解及互動(dòng)時(shí)考核學(xué)生，以隨時(shí)評估學(xué)生對相關(guān)知識掌握的程度，如學(xué)員進(jìn)行復(fù)誦指令練習(xí)時(shí)，平臺能自動(dòng)轉(zhuǎn)存給教師查閱。練習(xí)模式則是在不同環(huán)境條件下進(jìn)行各種訓(xùn)練操作。

2 虛擬仿真平臺研發(fā)與測試

2.1 平臺研發(fā)

基于3D 模擬飛行的半實(shí)物陸空通話訓(xùn)練仿真平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 Structure of simulating platform system圖2 仿真平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用3DMAX 軟件對機(jī)場和飛行器進(jìn)行三維建模，使用UNITY 軟件進(jìn)行交互及語音識別開發(fā)，通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)完成所有數(shù)據(jù)信息的輸入與輸出。系統(tǒng)采用多場景建模方法，以大化小、分而治之，避免使用過大的場景，縮短了系統(tǒng)在線響應(yīng)時(shí)間。編程時(shí)注重合理劃分各單元節(jié)段，避免各節(jié)段畫面流程過長、模塊文件字節(jié)過大而影響實(shí)驗(yàn)?zāi)K網(wǎng)絡(luò)加載速度。該系統(tǒng)需具有界面友善、功能齊全、可操作性強(qiáng)、能進(jìn)行二次開發(fā)等特點(diǎn)，其功能模塊嚴(yán)格遵循實(shí)際飛行訓(xùn)練各項(xiàng)功能要求設(shè)計(jì)。在線交互設(shè)計(jì)使構(gòu)建的虛擬系統(tǒng)功能更豐富、使用更順暢。

圖3 為半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成圖。半實(shí)物仿真是一種將實(shí)物設(shè)備連接到系統(tǒng)仿真中的組合仿真方法，在系統(tǒng)性能測試、驗(yàn)證和技術(shù)評估等方面起到重要作用。課題組利用實(shí)驗(yàn)室原有資源，同時(shí)購入飛行搖桿、油門、方向舵踏板等零部件，通過綜合設(shè)計(jì)提升了仿真平臺的實(shí)用功能。訓(xùn)練時(shí)學(xué)員在完成教師的指令復(fù)誦后，還可進(jìn)行指令對應(yīng)的下一步實(shí)際操作。對于學(xué)員而言，這是對其是否真正理解指令的實(shí)際檢驗(yàn)。這個(gè)訓(xùn)練過程包含學(xué)員對實(shí)際場景中飛機(jī)飛行過程各環(huán)節(jié)的操作，從教師發(fā)出指令→學(xué)員接收復(fù)誦→確認(rèn)執(zhí)行，若學(xué)員尚未完全理解指令而導(dǎo)致實(shí)踐操作出錯(cuò)，與實(shí)際飛行操作程序一樣，教師可糾正并要求再次復(fù)誦，平臺教學(xué)可以驗(yàn)證學(xué)員是否能真正聽懂教師指令并能正確執(zhí)行。

Fig.3 Composition of semi-physical simulating system圖3 半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成

該實(shí)訓(xùn)平臺初步具備了“教、學(xué)、練、考、評”5 個(gè)基本功能，學(xué)員可以選擇不同的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)模式，并完成相應(yīng)的在線考核。平臺中的實(shí)驗(yàn)及訓(xùn)練內(nèi)容見表1。

Table 1 Radiotelephony experiment and training content表1 陸空通話實(shí)驗(yàn)及訓(xùn)練內(nèi)容

2.2 平臺測試

項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)，相關(guān)專業(yè)的3 位老師和23 名學(xué)生共同對該系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行了測試，主要測試指標(biāo)包括系統(tǒng)功能模塊的完整性、軟件畫面的流暢性，以及系統(tǒng)的易用性、可維修性、交互性和穩(wěn)定性［12-15］。系統(tǒng)具體測試結(jié)果見表2，可以看出該系統(tǒng)功能模塊完整，進(jìn)行教學(xué)和訓(xùn)練時(shí)沒有停頓感，畫面比較流暢，具有較強(qiáng)的交互性能。系統(tǒng)整體穩(wěn)定性較高，逼真度和流暢性得到了測試?yán)蠋熀蛯W(xué)生的一致認(rèn)可。

Table 2 System test result表2 系統(tǒng)測試結(jié)果 （%)

平臺驗(yàn)收時(shí)，課題組還邀請了行業(yè)專家指導(dǎo)和訪談，專家對平臺充分肯定的同時(shí)也提出了寶貴意見和建議，主要?dú)w納為以下3 個(gè)方面：①系統(tǒng)的畫面流暢性和可維修性指標(biāo)稍差，基本滿足教學(xué)與訓(xùn)練要求，后期需不斷改進(jìn)完善；②在課程內(nèi)容上，專家認(rèn)為平臺偏重虛擬仿真技術(shù)本身，相關(guān)理論與實(shí)踐內(nèi)容應(yīng)有所取舍，更注重虛擬仿真技術(shù)與實(shí)踐的融合，有些理論部分的學(xué)習(xí)可作為課外補(bǔ)充，提倡“做中學(xué)”；③專家建議適當(dāng)平臺中增加教師培養(yǎng)內(nèi)容，我國虛擬仿真技術(shù)人才數(shù)量短缺嚴(yán)重。

2.3 相關(guān)思考

語言環(huán)境缺失一直是我國外語教學(xué)質(zhì)量提高的瓶頸。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)使教育從“二維平面”走向“三維立體”，具有更強(qiáng)的互動(dòng)性、情境性和沉浸性，是未來教育技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于陸空通話教學(xué)會(huì)引發(fā)一定的教育變革與創(chuàng)新，但創(chuàng)新的核心動(dòng)力依然是教師群體，而不是平臺類技術(shù)產(chǎn)品。教學(xué)設(shè)計(jì)的合理性、技術(shù)平臺的穩(wěn)定性、評價(jià)功能的智能性、學(xué)生對環(huán)境的適應(yīng)性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于語言教學(xué)需重點(diǎn)關(guān)注的方面［16-18］。例如課堂上教師要給學(xué)生一定時(shí)間交流問題，并記錄學(xué)生回答的次數(shù)和水平，用于評判其是否積極參與課堂活動(dòng)，是否有獨(dú)立思考。在平臺上建立教學(xué)與訓(xùn)練多元化考核表，記錄教學(xué)過程中師生互動(dòng)、生生互動(dòng)的方方面面，摒棄以往過程性評價(jià)方案中只含有課堂出勤情況以及課后作業(yè)的方式。

3 平臺在教學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用

虛擬仿真平臺已在相關(guān)專業(yè)展開應(yīng)用，改善了學(xué)員們的上課體驗(yàn)。在逼真的情景下邊學(xué)邊用，學(xué)生有如同親臨其境之感，參與積極性和學(xué)習(xí)自信心提升?；谔摂M仿真平臺可實(shí)現(xiàn)情景式、互動(dòng)體驗(yàn)式、案例式、探究式、討論式等多種教學(xué)模式，增加了師生、生生間的互動(dòng)交流，提高了學(xué)生的表達(dá)能力、思維能力、糾錯(cuò)能力和分析解決問題的能力，從方方面面提高了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量.。

采用平臺進(jìn)行教學(xué)改革后，其提供的多樣化考核方式，如教師即時(shí)的動(dòng)態(tài)點(diǎn)評、討論互動(dòng)時(shí)的互評加強(qiáng)了對學(xué)生學(xué)習(xí)的成長性評價(jià)，細(xì)微體察學(xué)生在學(xué)習(xí)中的階段性進(jìn)步，給教學(xué)活動(dòng)注入了活力。新型考評體系的搭建與實(shí)施使得教學(xué)相長的新格局得以創(chuàng)建。

4 結(jié)語

美國飛行安全學(xué)院有一句名言：“保證安全的最佳工具，就是駕駛艙里訓(xùn)練有素的飛行員?！眰鹘y(tǒng)陸空通話課程教學(xué)模式相對陳舊，不能滿足新時(shí)代背景下的飛行員培養(yǎng)要求。虛擬仿真技術(shù)為傳統(tǒng)教學(xué)模式改革提供了新思路，將虛擬仿真技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)模式相結(jié)合對于學(xué)生理論知識的掌握和實(shí)踐能力的提高均具有積極作用。后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注平臺的性能指標(biāo)，如可恢復(fù)性、可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性等，不斷改進(jìn)完善才能切實(shí)提高陸空通話課程教學(xué)質(zhì)量。