摘要：传统的实验教学模式存在理论与实践课程难以融合等问题，科技化教学媒体的出现给课程实验教学的改革带来了新的契机。针对课程实验教学进行研究，在提出传统实验教学模式不足的基础上，引入虚拟现实技术构建模拟实验平台，“虚实结合”以建立综合型实验课程体系。分析了虚拟现实在实验教学中的应用现状，将虚拟现实与模拟机实验结合起来应用于民航的人才培养中，构建虚实结合的民航实验教学平台，以实例说明如何改革现有的教学模式。
关键词：虚实结合；课程改革；实验教学；人才培养；虚拟现实      教育教学论坛
The course experiment Teaching based on the combination of deficiency and reality and its Application in the training of Civil Aviation talents
 
Shao Quan Zhou language
 
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Jiangsu Nanjing 210016
 
Absrtact: the traditional experimental teaching mode is difficult to integrate theory and practice courses, and the appearance of sci-tech teaching media brings a new opportunity to the reform of experimental teaching. Based on the research of the course experiment teaching, this paper introduces the virtual reality technology to construct the simulation experiment platform, and establishes the comprehensive experiment course system based on the deficiency of the traditional experiment teaching mode. This paper analyzes on the application of virtual reality in experimental teaching, applies virtual reality and simulator experiment to the training of civil aviation talents, constructs an experimental teaching platform for civil aviation experiment combining virtual reality and reality, and illustrates with an example how to reform the existing teaching.The pattern of learning.
 
Keywords: combination of deficiency and reality; Curriculum reform; Experimental teaching; Talent training; Virtual reality
 
 
 
 
课程实验对于学生全面地掌握学科知识，培养学生实践操作能力、逻辑思维能力、创新能力和各方面素质等具有不可替代的作用。然而，受传统实验教学思想的影响，加之目前高校中实验场地、设备的限制，课程实验教学在创新型、实用型人才培养方面的作用仍发挥不够^[1]。虚拟实验平台等现代科技化教学媒体的出现，给课程实验教学的改革带来了新的契机。更新教育观念，将现代科技融入传统实验教学中，提升教育教学的整体质量，已成为大多数人的共识。
一、传统实验教学模式的不足
随着我国教育事业的蒸蒸日上，各大高校的学生不仅需要学习大量的多学科理论课程，而且还急需相应的实践课程。然而，在传统的实验教学中，除了岗位技能实训以外，学生难以全面理解和系统掌握相关专业知识。学生在动手操作前只有理论方面的抽象概念，缺乏具体的认识，导致学生进入实训现场后无从下手，只有依靠教师的反复讲解示范，实验效率低，操作性弱，仪器设备的安全性也难以保证^[2]。面对规模日益扩大的公司业务及日益复杂的企业运营状况，学生平时学到的理论知识无法转化为真正实用的知识，实践操作能力较差，日后在各大企业中的竞争力也相当薄弱。这充分体现出目前理论课程的内容、学习方式与实践课程的需求不对接，两类课程在实施过程中各自独立，缺少一个桥梁使两者整合交融。理论课程没能真正服务于实践，实践课程又缺少理论的引领，最终也就难以改善教育的品质问题。 另外，在传统的实验课程教学过程中，由于教师教学认识及专业素养的局限性，常常出现照本宣科的现象，无法兼顾课程经验的整体统一，使得大部分课程内容都是离散的，相互之间没有联系^[3]。长此以往，实验课程体系形成了一种离散的结构。学生无法有效地关联前面或后面的学习内容，无法在脑中建构个体化的认知和经验结构，不能具有综合化的问题解决能力，这样下去会在后续的学习中导致越来越多的认知漏洞。
二、“虚实结合”以构建综合型实验课程体系
学科的知识体系是按照该学科各方面知识之间的内在关系组成的结构系统，其各个知识点之间既存在着横向拓展，也具有纵向联系。为了将离散的实验课程有效地融合起来，需要建立一种综合型的课程结构体系，在考虑学生认知基础的前提下，用多元的教学方法来促进学生认知和能力提升。这要求每一课时教学方法的多元综合，而且要求特定阶段的课型的综合搭配。采用不同课型的组合搭配，即让专业实验课程中既有理论课程，又有实践课程，两者相互配合，促进学生良好的专业知识结构的形成。为了让理论课程与实践课程更好地交融，引入新兴的虚拟现实技术，构建模拟实验平台，使其作为桥梁，通过对学生所学专业领域的工作进行整体运行流程的虚拟化，完成难以实际操作的实训教学，“虚实结合”以提升教学效果。通过“虚实结合”，把传统实验中的教学内容、实验设备、教师指导、学生操作等与虚拟实验平台融为一体，起到优化实验教学资源和教学过程的作用，实现教学手段的多元化。在虚拟实验平台上，学生可以按照自己的要求开展自主学习。在学生学习一些专业概念时，不仅要在理论课上完成对概念的初步理解目标，还需要通过实践课程锻炼学生将概念运用到实际情境中的能力。在巩固新知识的时候，既需要拓展练习，也需要综合应用，甚至需要在新的问题情境中进行思维创新，这时，虚实结合的运用便能帮助学生在各种不同的情景中更好地掌握相关专业技能。
三、虚拟现实及其在实验教学中的应用
（一）虚拟现实技术的优势。虚拟现实（VR）技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，被广泛应用于医学、艺术、设计及娱乐等众多领域中，被认为是21世纪大有发展前途的科学技术领域^[4]。目前，VR技术正逐渐走进教学领域，它不同于传统教学中抽象的、单一感官的体验方式，通过计算机虚拟出仿佛置身于实景的更加直接、形象化的多重感官刺激，让学生通过与虚拟环境中设置的交互场景，体会现实生活中难以营造的真实环境，使以往晦涩、难以理解的知识点用活泼生动的形式加以表达，极大拓展了学生思维创造能力。虚拟现实的沉浸性和交互性，使学生能够在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入到学习环境中去，这非常有利于学生的技能训练。
（二）虚拟仿真实验教学现状分析。虚拟仿真是虚拟现实的核心技术。自1989年虚拟仿真实验的概念被首次提出后^[5-6]，人们开始认识到虚拟仿真实验平台在教育领域的应用价值，它不仅能辅助各大高校的科研工作，在实验教学方面也具有利用率高、易维护等诸多优点。近年来，国内外许多高校都根据自身科研和教学的需求开展了不同程度的虚拟仿真实验教学。在国外，美国科罗拉多大学开设的PhET交互式虚拟仿真实验^[7]，构建了一个结构化的虚拟实验室，学生通过运行基于物理现象分析的交互式虚拟仿真软件，在高度仿真的虚拟环境中，以个性化学习、自主式实验的方式，启迪创新思维，验证所提出的实验方案和技术构想。英国开放大学应用基于互联网的三维虚拟世界“第二人生”开展教学，通过构建一个与课堂平行且身临其境的三维虚拟环境，使师生既能够实时进行交互、完成学习任务和参与集体活动。在国内，自2013年教育部启动国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来，极大地推动了实验教学示范中心内涵建设的提升和可持续发展，截至2015年9月，全国已建设有200个国家级虚拟仿真实验教学中心，分布在全国155所普通本科院校^[8]。2017年，教育部办公厅发布了关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知，推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，支撑高等教育教学质量全面提高。通过考察国内外高校虚拟仿真实验教学的现状，得知现有的实验教学还可进一步优化，运用虚拟现实技术，将虚拟仿真实验与实际训练结合起来，构建资源优化、运作高效的“虚实结合”实验教学平台。开展虚实结合的实验教学模式，提高信息化条件下学生自主学习、自主实验及自我创新能力，推动人才培养模式的创新。
四、虚实结合实验教学在民航人才培养中的应用
据民航局的统计数据显示，中国民航2017年旅客吞吐量超过11亿人次，货邮吞吐量超过1600万吨，机场主要生产指标保持平稳快速增长^[9]。随着民航业的高速发展，民航企事业单位对民航专业人才的需求日益提高。为民航系统培养更多具备扎实专业知识和出众实践能力的优秀人才，是民航教学工作者的艰巨任务。因此，需要将更先进的虚实结合的实验教学模式应用于民航专业课程中。
（一）构建虚实结合的民航实验教学平台。“虚实结合”的实验教学培训是一种依托虚实结合优势互补的新颖形式的综合教学活动，是知识能力和行为的串联培训，使知识行为化、行为再固化，最后复盘总结夯实成效，从而达到培养学生处理的习惯、镇静的头脑、娴熟的操作的培训目标^[10]。本文将虚拟现实技术与模拟机实验结合起来，应用于民航专业课程的实验教学中，实现“虚实结合”的实验教学培训。构建民航模拟实验平台，使学生不仅能掌握关键岗位的专业技能，还能够沉浸入民航系统运行的全过程，全面了解民航系统运行的关键环节，使之能够将所学的理论知识和专业技能较为完美的融合起来。该实验平台能够运用虚拟现实技术模拟民航多个关键岗位的运行操作，培训的科目包括机场运行控制、签派、地面服务、空中管制、飞行驾驶等，使学生熟悉与民航管理、运行、安全有关的各种操作程序和方法，提高学生的综合素质水平。之后，学生再进入模拟机实训现场完成实践课程教学，进行飞行模拟、空中管制员模拟等具体流程操作，体验更为真实的视觉效果与触感，熟悉并掌握民航关键岗位的关键技能，大幅度提高学生的动手操作能力，为将来的工作奠定良好的基础。
（二）民航模拟实验平台的组成
民航模拟实验平台分为6个功能模块，各模块主要作用如下：
（1）数据准备与分析模块。用于生成民航系统操作模拟场景、资源数据，编制模拟训练练习，对模拟训练情况进行记录与分析，并对已完成的培训进行综合评估。
（2）系统运行控制模块。用于模拟教学培训分组和教学培训进程的管理与控制，以及模拟练习运行数据记录的输出与再现等。
（3）现场指挥调度实训模块。现场指挥实训模拟室包含了涉及航空公司、机场、空管单位的多个席位，包括签派席位、机务席位、机场运控席位、指挥协调席位等，该模块用于模拟航空公司、机场、空管协同联动的现场指挥应当具备的各种功能，包括现场指挥调度工作环境、指挥调度工具和必要的辅助信息显示等，为现场指挥调度实训的学生提供尽可能逼真的教学实训环境。
（4）3D模拟现场运行模块。用于模拟场面运行态势、空中运行管制、地面运行管制等训练，实现对现场的实时可控处理，满足现场管理人员的3D虚实结合场景训练需求。
（5）模拟驾驶实训模块。用于模拟飞行驾驶、车辆驾驶活动的控制，实现对民航关键活动的接近真实、灵活和简便的操作，满足教学实训对于驾驶员与航空器、车辆交互的要求。
（6）模拟通信模块。用于模拟现场指挥调度、空中管制、地面运行管制等各模块的信息交流与接报上报流程，满足模拟民航系统管控和协同调度管理对于通信的各种要求。
该平台的系统结构示意图如图1所示。

图1 民航模拟实验平台系统结构示意图
（三）民航模拟实验平台的建设内容
民航模拟实验平台将VR技术和模拟机实训教学结合起来，用于民航系统整体运行管理技术及民航协同调度效率的提升，对民航各关键事业岗位的关键技能操作方面开展虚实结合的仿真模拟。该平台的具体建设内容如图2所示。

图2 民航模拟实验平台的具体建设内容
根据实践课程内容，民航专业的学生可以在老师的指导下利用该平台创造不同情景的多种定制化场景，进行现场指挥调度、空中运行管制、签派、飞行驾驶、车辆驾驶、安全检查等各种实践操作，活学活用理论知识，熟悉民航系统各项工作的运行处置流程，掌握各部门相应职责，提高个人的实际操作能力、组织管理能力及业务保障能力。若是设置突发事件场景，让学生进行紧急情况下的现场保障过程协调指挥模拟操作，能进一步培养学生的应变能力和综合知识运用的能力。具体各项模拟实践操作的民航运行3D图如图3所示。
 
图3 民航运行3D图
四、结语
构建“虚实结合”的创新型课程实验教学模式，能够丰富教学内容，大幅度提升学生的学习兴趣，使平常枯燥的课堂教学转变为趣味性、实用性较强的沉浸式学习，有助于课程实验教学保障体系的建立和学生创新精神、实践能力的培养，最终实现高等院校创新型、实用型专业技术人才的培养目标。将虚拟现实技术应用于专业课程的实验教学中，构建综合型的实验课程体系，不仅适用于民航专业的课程教学，还可广泛应用于其他各学科专业，从而培养出更多出类拔萃的优秀人才，使我国的教学模式得以真正的改革。
 
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[10]石惟理,景丽君,付军凤等. “虚实结合”应急演练实训项目的开发与实践[J].石油化工管理干部学院学报,2016,19(5):21-24.
（作者简介：1、邵荃，南京航空航天大学副教授、硕士生导师，研究方向：民航安全管理、突发事件应急决策、机场安全规划与管理。2、周语，南京航空航天大学硕士研究生，研究方向：突发事件应急决策、不正常航班恢复与优化。）
 
收稿日期：2018-6-3