虚实结合的飞机仪表显示系统实践教学研究

李静昭, 张 迪

(中国民航大学 工程技术训练中心, 天津 300300)

虚实结合的飞机仪表显示系统实践教学研究

李静昭, 张 迪

(中国民航大学 工程技术训练中心, 天津 300300)

为解决飞机仪表显示系统实践教学资源不足、教学内容单一、教学模式陈旧等问题,构建了航空机电式和电子式仪表虚拟维修平台,扩展了教学资源、丰富了教学内容、提高了实践教学质量、降低了成本和风险。以航空伺服高度表维修中高度表精确度测试为例,介绍采用先虚拟仿真训练、再进行实物操作的虚实结合的实践教学方法。虚实结合的教学模式激发了学生的学习兴趣和创造性,教学效果明显提高。

飞机仪表显示系统； 实践教学改革； 虚拟仿真

机务类专业是中国民航大学的三大特色专业之一,专门培养民航机务维修高级工程技术人才和管理人才[1-2]。飞机仪表显示系统实习是中国民航大学机务维修类电子专业本科生必修的实践课程,主要是进行专业基础技能训练,使学生掌握航空机电式、飞机电子式仪表指示器的结构、工作原理、测试程序和排除故障的基本方法。在以往实践教学过程中,因受航材件价格昂贵、数量少、学生独立操作时间短等因素的限制,实践教学受到一定影响；学生的重复操作也会对航材件造成不同程度的损坏。受上述因素影响,该课程只能进行基础维护操作训练,不能开展深度维修实践项目。因此,建立飞机仪表显示系统虚拟维修平台[3-4],采用虚实结合的实践教学模式对飞机仪表显示系统机务维护实践教学进行改革与创新,是十分必要的。

1 实践教学的问题与虚拟仿真技术的优势

1.1 飞机仪表显示系统实践教学问题分析

中国民航大学飞机仪表显示系统的实习课程教学内容侧重于飞机仪表的使用、维护和修理。现阶段飞机仪表显示系统实践教学存在以下问题:

(1) 教学资源不足,成本高。中国民航大学工程中心有一些飞机资源,如波音707、727、737/200以及国产Y-7等,但多数飞机已老化,部件缺失较多。由于真实航材件价格昂贵,实习过程中可能会因操作不当或重复操作造成航材件不同程度的损坏,影响实践课程的正常进行。此外,现有的实习用飞机大多安装航空机电式仪表,而航空公司现在运营的飞机大多为飞机电子式仪表,不能满足学生实习对飞机电子式仪表的需求。

(2) 教学内容简单。学生利用现有飞机或航材件,只能熟悉部件的位置和进行简单的基础操作,而深度维修项目如系统测试、排故、分解/组装等,则因操作复杂、难度大、部分项目存在安全隐患而无法进行,使教学内容过于简单。如通电测试项目,测试时需要用到115 V/400 Hz高电压,学生一旦操作失误可能发生意外事故。

(3) 缺乏设计性和创新性实践项目。以往飞机仪表显示系统的实践教学,先由教师讲解系统工作原理,然后通过真实飞机或真实航材件使学生熟悉仪表的位置和操作方法,最后通过飞机维护手册掌握系统基本维护流程。在整个实践教学过程中,教学互动性不强,学生只要参照工卡就可以完成大部分实习项目,没有更深入的探究学习,不利于学生扩展思维、实践和创新能力的提高。

1.2 虚拟仿真技术在实践教学中的优势

将虚拟仿真技术引入飞机仪表显示系统实践教学中,用虚拟维修平台[5-7]进行飞机仪表显示系统实践教学具有以下优势:

(1) 以虚扩实,扩大教学资源,丰富教学内容。采用虚拟仿真技术可以降低实践教学成本,建立多样化的教学资源,营造安全、可靠的实践教学环境,拓展学生的知识面。在改进、完善传统实习项目的基础上,增加有助于提高学生研究、创新能力和动手能力的实习项目,包括机电式航空伺服高度表和机载陀螺仪表的虚拟维修、波音737NG和空客320飞机采用的电子式仪表显示系统的虚拟维修,以及更先进的波音787飞机多功能仪表显示系统的虚拟维修。

(2) 以虚助实,提高教学质量。引入虚拟仿真技术,方便增加多种设计性实习项目,如测试和排除故障,让学生自己设计符合要求的测试和排故方案,激发学生的创造性,发挥学生的主观能动性,培养学生的自主学习能力和科研能力。引入虚拟仿真技术,增加多种操作复杂的实习项目(如分解与组装),能够激发学生的兴趣、增加操作体验和教学的互动性,有利于培养学生的动手操作能力,并形成一种积极、生动、活泼的教学模式[8-10]。

2 虚拟维修平台的构建

中国民航大学国家级虚拟仿真中心已搭建了航空机电式仪表虚拟维修平台(如:航空伺服高度表虚拟维修平台、机载陀螺仪表虚拟维修平台)和飞机电子式仪表虚拟维修平台(如波音737NG、空客320和波音787飞机仪表显示系统虚拟维修平台)。

2.1 航空伺服高度表虚拟维修平台

航空伺服高度表虚拟维修平台可进行高度表分解、组装、测试与排故的熟练性和规范性操作训练(见图1)。平台由航空伺服高度表外部线路测试台、航空伺服高度表功能测试实习台、维修工具包等组成。

航空伺服高度表外部线路测试台实现伺服高度表外部线路故障设置、分析和定位操作功能,可以人工设置伺服高度表外部线路的典型故障。

航空伺服高度表功能测试实习台可进行伺服高度表组件通电、检查和测试操作,可以通过软件测试,也可以通过软件配合手动测试。

维修工具包可进行伺服高度表维修工艺基本操作,包括组件的分解和组装。

图1 航空伺服高度表虚拟维修平台功能结构

2.2 机载陀螺仪表虚拟维修平台

机载陀螺仪表虚拟维修平台可进行垂直陀螺仪监控电路测试和排故的熟练性和规范性操作训练(见图2)。它根据部件维修手册建立三维监控电路平台,平台上可设置15个测试点,通过数据采集卡输出测试点的电压控制信号,通过电压转换模块变换为与实际相符合的电压信号,用于虚拟测量和测试。

图2 机载陀螺仪表虚拟维修平台

该平台还可以设置5个典型元器件和线路故障模块,显示相应的故障现象,通过电压转换模块输出与实际相符合的电压信号,用于故障定位和排除训练。

2.3 电子式仪表显示系统虚拟维修平台

波音737NG、空客320和波音787飞机采用电子式仪表显示系统。电子式仪表显示系统虚拟维修平台可进行飞机电子式仪表的操作、测试和排故的熟练性和规范性操作训练(见图3)。该平台主要由控制管理平台和3D驾驶舱平台组成,能够设置完整的指示系统操作、测试和排故任务。

控制管理平台主要功能是设定、管理和取消实训任务,包括正常操作任务和故障任务,确认训练任务完成并评价学生训练效果、监控系统工作状态。

3D驾驶舱平台主要功能是接收数据,提供驾驶舱仪表显示、正常和故障情况下的仪表参数显示和操作界面的管理,提供自检、故障隔离和测试操作平台,提供有硬件仿真控制面板(MCP)/飞行控制组件(FCU)、电子飞行仪表系统(EFIS)控制面板、多功能控制显示组件(MCDU)和警告板。

图3 波音737NG等飞机电子式仪表显示系统虚拟维修平台

3 虚实结合教学探索实践

3.1 构建虚实结合的教学模式

中国民航大学基于虚拟维修平台创建的虚实结合的教学模式，以学生为中心,以培养学生的工程能力、动手能力为目标,促进学生实习的多元化[11-12]。

该实习模式以教学大纲为主线,将真实航材件教学和虚拟维修平台教学结合起来。学生通过真实飞机和航材件熟悉仪表的外观和位置；通过虚拟维修平台熟悉仪表的显示、组成和功用；利用维修文件指导操作,在虚拟维修平台上进行仪表的维修操作训练；再将

飞机仪表维修技能应用到真实飞机或航材件的维修上,解决实际问题。在这一过程中,学生将全面了解航空仪表的维修方法、维修流程和工作规范,提高解决实际工程问题的能力,并具备航空维修基本技能。

3.2 虚实结合教学实例

航空伺服高度表维修是飞机仪表显示系统教学的重要内容。在实践教学中,教师根据航空伺服高度表内场维修的要求,给出一个具体的工作任务,如航空伺服高度表高度精确度测试、气压设置与电位器输出准确值测试、航空伺服高度表分解与组装等。学生根据相关技术资料独立学习高度表的理论知识,制订维护方案,制作工卡,然后在虚拟维修平台进行维修实践。图4为虚拟航空伺服高度表高度精确度测试界面。

图4 航空伺服高度表高度精确度测试界面

学生进行分组操作,以3～4人为一个小组,对照工卡进行航空伺服高度表的测试操作。学生在操作中若遇到问题,可以随时通过虚拟仿真实验寻求解决问题的方法,也可以得到教师的指导、同学的协作。尤其是学生之间相互交流共同解决问题,更有利于提升分析问题和解决问题的能力。

学生经过虚拟练习、掌握了航空伺服高度表维护基本技能以后,教师再将真实的航空伺服高度表提供给学生进行部分测试,加深学生对高度表的理解。最后,通过虚拟维修平台复习高度表维护的基本知识,解决实物操作出现的问题,并将所学习到的理论知识和实际操作技能做一次全面的复习与总结,提升综合运用知识的能力,达到教学大纲所要求的教学效果。表1为航空伺服高度表高度精确度测试实践教学过程和主要内容。

表1 航空伺服高度表高度精确度测试实践教学过程和主要内容

表1(续)

中国民航大学12级电子信息工程本科实践教学课程采用了虚实结合的飞机仪表显示系统虚拟仿真实践教学模式。该课程实践教学得到了学生的高度认可,主要评价是:教学设计新颖、可自由发挥；教学内容丰富,能进行复杂危险的实践项目；演示效果好,互动性强。学生对该课程表现出较大的兴趣。

4 结语

将虚拟仿真技术引入飞机仪表显示系统实践教学中,降低了实践教学成本,解决了用真实航材件教学实验的困难,拓展了实践教学的深度及广度,提高了教学质量和教学效果。虚实结合的教学模式使学生有更好的操作体验,使被动学习变为主动学习,增强了实践教学的互动性,培养了学生的创新精神和实践能力。

References)

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Research on of practical teaching of aircraft instrument display system based on virtual-real combination

Li Jingzhao, Zhang Di

(Engineering Technical Training Center, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

To solve the problems of practical teaching of the aircraft instrument display system that teaching resources are not adequate, the teaching contents are single and the teaching mode is old, the virtual maintenance platform for aviation electromechanical and electronic instrument is established, which could reduce cost and risk, extend teaching resources, enrich teaching contents and improve teaching quality. Taking altitude accuracy test in the maintenance of served altitude indicator as an example, this article puts forward a “virtual-real combination” practical teaching mode, which is the use of virtual simulation training, and then the physical operation. With application of the “virtual-real combination” teaching mode, it can not only stimulate students’ interest and creativity, but also full play the subjective initiative of students. Teaching effect is obviously improved and both the teachers and students give high recognition.

aircraft instrument display system; practical teaching reform; virtual simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.035

2016-06-29 修改日期：2016-09-08

国家级大学生创新创业训练项目(201510059034)；中国民航大学教育教学改革研究课题立项项目(D01-0807)；中国民航大学实验技术创新

(15-14-03)

李静昭(1985—),女,天津,硕士,讲师,主要研究方向为航空电子.

E-mail：jz-li@cauc.edu.cn

V241；TP391.9

: A

: 1002-4956(2016)12-0142-04