基于Prepar3D的虚拟仿真技术在民航机务实践教学中的应用①
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（c）-0161-04
Abstract：At present， many maintenance training works are lack of vividness and directness.If the real aircraft is used in the training ，the quantity， the training time and the cost are very serious problems，also it is easy to damage the aircraft.The virtual simulation technology based on Prepar3D provides a good solution to these problems. This paper analyzes the current aviation maintenance practice teaching problems， and introduces the Prepar3D.A virtual simulation technology application based on Prepar3D is used in a civil aviationmaintenance curriculum.In the last， the significance of the technology used on the maintenance practice teaching is be analyzed.
Key Words：Civil Aviation Maintenance Practice Teaching Virtual Simulation Prepar3D
目前机务很多培训工作主要采用教师结合文本、图片讲解，学生到实物上练习的培训模式，缺乏生动性和直接性。另外，当今飞机制造技术发展迅速，新的机型层出不穷，对于机务教学来讲无法投入大量的真实的飞机供学生维修培训。而且，在真机上培训还会受到时间、场地等条件的限制，训练成本高，飞机容易损坏。传统机务实践教学的局限性与教学设备规模严重裸游与迅速增长的学生队伍使得机务教学质量受到严峻挑战[1]。
虚拟仿真技术是一个虚拟环境，能够对各种环境和实物进行高度模拟，当人们进入该环境并与其进行交互时，可产生“身临其境”的感觉[2]。所以基于虚拟仿真技术开发的维护仿真平台一出现就迅速成为了机务培训的重要组成部分。国外专家学者对于虚拟维修培训技术的应用做了大量的研究。新加坡南洋理工大学的Wang等开发了V-REALISM用于虚拟维修的培训[3]。意大利萨勒诺大学的Abate等研究出了一种航空中基于触觉系统的虚拟维修训练方法[4]。国内对于虚拟维修的研究较晚。军械工程学院的郝建平等人提出了一种基于Multi-Agent的虚拟维修训练系统VMTS[5]，对于虚拟维修培训技术的研究有重要意义。
教育部从2008年起颁发了一系列文件指出，实践教学要“大力推动仿真、多媒体课件等数字化教学资源开发”，“重点解决常规的教学手段技术、设施设备难以实现的实习实践问题，主要为了满足有急切需求并覆盖范围广的虚拟仿真实践教学的需求”[6]，这表明了机务实践教学的方向是利用虚拟仿真技术弥补目前教学设备短缺等亟待解决的问题。
2 民航机务维修实践教学存在的问题
2.1 教学内容与教学设备不能紧跟民航机务维修发展的步伐
由于飞机价格昂贵、核心部件受到限制、航空器维修技术更新也非常迅速，我国各民航院校由于教学资金短缺、教学场地有限等多种原因，不能大批量购置的在役飞机供学生用作实践教学。只能使用一些退役飞机用于教学，例如707、运7、伊尔18等。由于实践设备的落后，实践内容也无法跟上民航行业的发展，学生学习后也普遍反映学到的知识与实际工作有很大的差异。
2.2 教学手段较为枯燥
机务维修实践课的教学主要是通过老师通过PPT、展板等形式讲解，学生在一些训练台架上练习的形式进行。这种方法很难直观形象地将系统的结构、原理、系统之间的连接关系讲解清楚，而且这种教学方法的效果也会随着教师授课学生人数的增加而大打折扣。因此我们迫切需要引入新的教学方式，提高教学质量。
2.3 工位严重不足
由于民航院校的实践教学设备普遍不足，实践教学中经常出现“僧多粥少”的情况，从而导致学生排队等候的情况较多，学习效率低下，教师在短时间内多次重复同样内容，也无法达到最佳教学效果。
2.4 实践教学的学时不足
目前，机务教育普遍存在理论与实践教学课时比重失衡的现象，很多民航院校都偏重理论课的教学，实践课程的学时占比偏少。有些专业的人才培养方案中，整个实践教学所占的比重还达不到1/5，远远不能满足实践教学的需要，也与机务教育培养复合型工程技术人才的目标相矛盾。在机务教育相对发达的国家，实践课程能占整个教学任务的一半，甚至要超过理论课时，而我们的实践教学课时量还很少，因此在现有情况下应想办法延长实践教学的时间，提升学生实践的效率。 3 Prepar3D平台
Lockheed martin（洛克希德马丁，F35，F22制造商）在2010年正式发布了Prepar3D。它的设计和架构更加偏向于专业教学及评估使用，功能面向的对象也主要是一些有规模的商业组织、军方及科研机构。开发人员可以使用Prepar3D的环境，在最先进的平台上创造新的培训解决方案，在该平台下开发的Demo如图1所示。在兼容Windows 7和Visual Studio 2010中，它提供了一个Windows Presentation Foundation（WPF）的用户界面，外部仿真功能，提供增强的仿真代码的控制，新的软件更新的代码示例开发工具包（SDK）文档，并支持最新的的3DStudio最大工具，开发人员可以在环境中开发自己需要的功能。
Simdirector作为Prepare3D3.4的新功能发布。在此之前，开发Prepare3D任务只能通过编写文字代码完成，Simdirector将之前通过特定函数实现的任务流程以可视化对象展现，通过流程图方式直观表现函数之间的关系，大幅减少了任务开发的工作量，如图2所示。
4 基于Prepar3D的虚拟仿真技术在民航机务实践教学中的应用
以《飞机及发动机勤务》课程为例，基于Prepar3D平台虚拟仿真技术在课程中的应用包括以下几方面。
4.1 课程内容方面
根据课程的实践内容，设置737NG飞机前起落架检查、左侧前段机身区域检查、机头区域检查、右侧前段机身区域检查、右发动机区域检查、右机翼区域检查、右起落架及右主轮舱区域检查、右侧后段机身区域检查、飞机尾部区域检查、左侧后段机身区域检查、左起落架及左主轮舱区域检查、左机翼区域检查、左发动机区域检查、硬着陆迹象检查、轮胎压力检查以及结束绕行检查等实践步骤，学生可完成每个项目的虚拟仿真练习，掌握737NG飞机的具体航后检查内容，根据课程需求开发的教学应用如图3所示。
4.2 课程安排方面
通过虚拟仿真平台可以使实践教学不再局限于课堂内完成。现有的实践练习只能在固定的时间和机坪固定的场地，出于安全的考虑，非上课时间停机坪不允许学生随意进入。利用虚拟仿真平台和学校的Bb平台可以使学生在课前了解勤务课程授课内容，提升课堂内的学习效率，对一些不容易理解的内容课后还可进行巩固练习，直到完全掌握实践内容。
4.3 利用虚拟仿真平台进行实践考核
大多数实践课程都缺少一个比较好的考核方式，很多项目无法利用短暂的考核时间让学生重复所有的操作。?拟仿真平台提供了一个很好的考核方式，教师可以通过设置考核模块，学生在虚拟仿真平台上操作整个过程、输入检查结果、并完成相关的问题，系统记录学生的考试情况，并将结果作为整个课程部分考核成绩。这种考核方法能比较客观反应学生对课程讲授的掌握情况，可以与目前纯笔试或者选取部分内容操作的考核办法结合，从而更加全面、客观地对学生做出评价。
5 基于Prepar3D的虚拟仿真技术应用在机务实践教学中的意义
将基于Prepar3D虚拟仿真技术应用于机务维修实践课程的教学中，能让学生增加新的学习途径，多方位、浸入式的进行学习，对于民航的机务实践教学有非常大的好处。
5.1 提高效率
虚拟仿真的联系过程虽然不能代替真实学生到真实的飞机和发动机上练习，但它能够让学生在到真实飞机上进行操作前对整个飞机和发动机的结构特点、检查流程、注意事项等都有比较全面的了解，学生再到飞机和发动机上操作后能做到胸有成竹，这大大提高了课堂教学的效率，学生花更少的时间能掌握更多的实践内容。
5.2 降低损耗
实践教学过程中的教学设备损坏主要有两种原因，一是学生积累的经验不足，由于操作失误造成的非正常损坏；二是短时间内重复操作导致的正常损耗。在现有的实践教学模式下，学生进行实践前往往并不清楚检查的要点和注意事项，这极易造成第一种原因的非正常损坏。同时，为了更好地掌握所学知识，学生需要在设备上反复练习，这就更加剧了设备的磨损和耗材的使用。而利用虚拟仿真平台，学生可先在平台上反复练习，掌握课程的重点难点和注意事项后再进行实际操作就不容易造成飞机和发动机的损坏。
5.3 增加安全可靠性
学生在Prepar3D平台下使用虚拟仿真实践系统出现误操作时，完全不会造成设备的损坏和对学生人身的伤害。通过虚拟仿真实践后，学生可以很好地掌握各项目的重点难点操作流程、所包含的原理以及注意事项，在实践课程中遇到时可以从容的解决这些问题。
5.4 考评结合，提升教学效果
利用Prepar3D开发的虚拟仿真实践平台可以完成对学生进行考核，每个学生在平台上单独完成项目的虚拟检查，并回答相关问题，输入检测结果，而且平台能比较客观反应学生对检查步骤的掌握情况，检验学生对检查过程中的注意事项是否掌握，这对于提升实践教学质量有很大的帮助。
6 结语
现有的机务维修实践教学完全依赖飞机和发动机等设备实物，造成了实践教学中存在很多问题。该文介绍的基于Prepar3D虚拟仿真技术能够较好地丰富现有民航机务实践教学环节，能够改善实践教学设备落后、教学手段枯燥、工位不足、教学时间不足等缺点，具有学习效率高、过程无损耗、全程安全可靠、考评结合等优点，可以极大的提高民航院校机务实践教学质量和机务类学生的工程应用能力。
