周 栋，郭子玥

（北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100083）

随着计算机技术的飞速发展，虚拟仿真技术已经成为人类认识自然世界、开发先进技术的重要手段[1]。基于虚拟仿真技术的实验教学，能以直观、形象的方式再现科学原理，使学生主动参与仿真过程，并进行开放式探索实验，可以有效提升学生对所学知识的掌握，培养学生分析问题并解决问题的能力[2-3]，也符合信息时代高等教育的教学要求[4]，目前已经在众多学科的教学中广泛应用[5-6]。总体而言，基于虚拟仿真的教学方式有两种：①基于计算机的虚拟仿真教学。以计算机显示屏为交互界面，学生通过操作鼠标键盘来完成虚拟仿真教学内容，这种方式在目前的虚拟仿真教学中较为普遍。②利用虚拟现实技术等先进手段，学生通过头戴式显示器、大型多通道立体显示系统、手柄设备与虚拟仿真环境进行交互。这种教学方式能够让学生在感官上获得更强的沉浸感，提升学生对实验内容的学习兴趣和认同感。目前，这种教学方式在国内外已经得到了一定的研究和应用[7-9]。

1 虚拟维修仿真课程的必要性分析

航空航天类专业属于高新技术领域，其课程覆盖面广，内容专业性强，对于本科生和研究生培养提出了较高的要求[10]。“维修性设计与分析”作为航空航天专业的一门专业课程，也存在着同样的特点。维修性是飞行器质量的一个重要特性，其含义为产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法进行维修时，保持或恢复其规定状态的能力[11]。作为航空航天类专业的一个知识组成部分，传统的“维修性设计与分析”课程的教学中，往往存在着如下几个问题：

（1）工程应用性强，学生难于深入理解。维修性工程学科有很强的工程应用背景，本科生和研究生由于没有接触实际工程项目的经验，对于维修性理论课堂上讲授的内容，只能了解其基本概念与内涵，而很难学以致用。

（2）实际航空航天产品的维修现场难以接近，且成本较高、存在一定的危险性。对于航空航天产品来说，由于其敏感性和特殊性，日常的使用、维护、贮存都有着严格的程序规定，在校学生很难接触到。此外，航空航天产品多属于复杂的机、电、液产品，其拆卸维护成本较高，且维护过程存在着一定危险性。因此，对于本科生及研究生教学来说，进行实物教学存在着诸多不便。

（3）缺乏有效教学手段，提升学生理解程度。维修性是产品的固有属性，它对产品的影响要在维修的过程中才能体现。维修是一个人机交互过程，且航空航天产品结构复杂，仅依靠教师进行理论授课，难以提升学生的理解。因此，需要一种直观形象的手段去提升课堂教学质量。

虚拟仿真技术的快速发展为上述维修性课程教学问题带来了有效的解决途径。目前，很多工业流程仿真软件都能够对生产、制造、维护的各个环节进行较高准确度的仿真。这些软件能够通过三维化的图形界面，再现工业过程，例如装配、维护等，用户可以直观形象地观察到整个过程的运行状况，并且利用仿真软件提供的分析工具对维护过程进行初步分析，发现存在的设计问题。对于维修性设计与分析的实验教学来讲，充分利用虚拟仿真技术可以让学生在教师的指导下，通过虚拟仿真平台软件，选取合适的案例，进行维修方案设计、维修过程实现、维修性评价等一系列仿真活动，进一步增进学生对维修性相关理论的理解，并培养学生解决实际工程问题的能力。

2 虚拟维修仿真实验课程的建设

2.1 建设思路

维修性是产品的一种固有属性，它在产品的设计阶段所决定，在产品的使用维护阶段所体现。在维修性理论课堂的教学中，学生会对维修性的基本概念知识进行了解和掌握。然而，考虑到维修性侧重应用的特点，学生往往对维修性如何影响产品的使用维护缺乏深刻的理解，无法利用所学的维修性知识解决工程实际问题。虚拟仿真技术可以逼真形象地再现产品的维修过程，通过让学生使用仿真平台模拟产品的维修过程，分析评估维修性方面存在的问题，教师可以培养学生的工程视野与自主探索的能力。

然而，虚拟仿真技术虽提供了一种非常有效的教学手段与工具，但如何利用好这一工具进行教学，需要授课教师对仿真实验课的教学方案进行认真思考与设计。利用虚拟仿真来为维修性相关课程服务，不单单是为了让学生能够完成对产品维修过程的模拟，增强对相关知识的理解，更在于培养学生的专业兴趣以及自主解决工程问题的能力。这就需要授课教师精心设计仿真实验课程的具体内容，达到理论与实际相结合，操作与分析相结合，根据学科的知识特点及学生的认知特点，设计合理的仿真实验方案以及考核方式，以最大化提升虚拟维修仿真实验课的教学效果。

最后，考虑到基于虚拟仿真的维修性设计属于多学科交叉领域，涉及飞行器设计、计算机仿真技术、人机工程学等方面知识，存在着学科覆盖面广、专业性强的特点，因此对于本科学生的教学，除了仿真实验课的正式内容外，可以充分利用各种资源，如视频、多媒体课件、讲座等，提前为学生介绍相关知识，拓宽学生的视野，激发学生的自主学习兴趣。

2.2 教学目的

“维修性虚拟仿真与评价”课程的教学目的为：通过“维修性虚拟仿真与评价”实验课的学习，学生进一步掌握维修性工程的相关知识，可以对特定的维修任务自行设计维修方案，实现维修过程的仿真，利用相关分析工具对可视性、可达性、维修人素等维修性要素进行分析，从而提升解决工程实际问题的能力。

2.3 教学内容

本课程主要的教学内容为：

（1）虚拟维修技术在维修性设计分析中的应用。本部分主要内容为由教师讲述虚拟维修的概念和技术方法，以及在维修性设计与分析中应用的案例。

（2）虚拟维修仿真软件的使用。本课程采用法国达索公司的数字化企业互动制造应用软件 DELMIA作为仿真平台。由教师讲授该仿真平台与维修仿真相关的基本介绍与操作。

（3）虚拟维修仿真案例讲解。对维修仿真的产品对象的维修过程进行必要的讲解，使学生熟悉仿真内容。

（4）开放式实验部分。在给定维修场景和维修任务后，学生自行设计维修方案，实现维修过程仿真，并发现分析维修性设计存在的问题。

2.4 实验基本原理

本实验在DELMIA平台下的human task simulation模块中进行。在该模块下，学生可以通过关键帧的编辑来驱动虚拟维修场景中的虚拟人进行一系列的维修操作，并最终完成所有的维修动作。图1为虚拟维修仿真的原理图。具体来讲，对于给定的维修任务，在具体的虚拟维修场景下（维修场景包括维修环境、维修对象、维修工具、辅助工装等），教师要求学生通过对维修任务的分析，将其分解成若干个子任务，并将这些子任务最终分解成具体可执行的维修操作。完成对维修任务的分析后，学生便可以制作维修过程仿真动画。在维修仿真过程完成后，学生可以利用DELMIA提供的一系列分析工具对维修过程中的可视性、可达性、维修姿态、维修时间等作出分析和评价。

图1 虚拟维修仿真原理图

2.5 课堂教学过程

“维修性虚拟仿真与评价”实验课针对北京航空航天大学可靠性与系统工程学院系统工程、安全工程等方向的研究生设置，每年参加课程的人数为 30左右，采用2人一组的上机方式进行教学，计划20学时完成学习。该课程首先由授课教师对虚拟维修技术、实验课内容及注意事项进行必要的讲解，然后学生按照实验指导教程的指导，完成规定的虚拟维修仿真以及维修性评价的实验任务，并由助教对学生所提出的疑问进行解答。在学生通过上述流程熟练掌握虚拟维修技术之后，授课教师将会为学生设置开放式教学环节。在该环节中，学生需要对给定的维修任务自行进行分析，实现维修仿真过程，并在仿真完成后发现维修性设计存在的问题，完成实验报告。为了使课程更加具有工程意义，本课程利用实际工程中的产品案例作为实验教学素材。

本文作者通过历年来对实验课堂的观察发现，在实验课的初始阶段，学生往往对仿真平台的操作、维修任务的理解有较多的问题；但当实验课进行到开放式实验内容阶段后，学生的问题往往较少，软件操作、维修方案设计、维修仿真实现上的大部分问题都能够通过小组内或小组间的讨论得到解决。这说明学生自主发现问题、解决问题的能力得到了提高。

2.6 学生评价与体会

“维修性虚拟仿真与评价”实验课程自开设以来，得到了大量来自学生的意见反馈。大多数学生认为通过对“维修性虚拟仿真与评价”实验课的学习，达到了他们的学习目标，使他们能够通过一个完整的、由自己制作的产品维修过程仿真与维修性评价案例，进一步强化对维修性的相关知识的掌握，更加深入理解维修性对产品效能的影响。开放式实验的学习培养了学生处理实际工程问题的能力。另外，学生对实验课教学质量的进一步提升也提出了不少非常宝贵的建议。例如，有些同学提出，仿真平台的一些性能能否进一步优化，以提高仿真过程的生成效率；实验指导书中对某些操作的描述可否以更加易于理解的方式呈现，以方便同学自行学习；可否用虚拟现实等先进技术，以更加自然、人性化的方式进行维修仿真，以增加实验趣味、提高仿真的逼真度。这些建议对提升仿真实验课的质量有非常大的启发和帮助。

3 虚拟维修仿真课程的思考

总体上讲，为相关专业学生开设的“维修性虚拟仿真与评价”实验课程达到了预期的教学目的，起到了如下作用：

（1）增强了学生对维修性相关知识的理解掌握。相比于学生在理论课上单方面通过教师讲授而被动接受知识，学生利用虚拟仿真平台对维修性工程的相关维修活动进行了模拟，通过三维动画再现了对产品的维修过程，形象直观地感受了维修性工程的相关活动，从而增强了对维修性设计与分析相关知识的理解。

（2）降低了维修性实验课的教学成本，提高了授课的安全性。虚拟仿真平台为学生提供维修性设计与分析方面的实验课程，大大降低了实物教学所需经济成本及人力成本，并且有效减少了复杂机、电、液产品可能对学生造成的伤害。

（3）提高了学生自主解决实际问题的能力。“维修性设计与分析”是一门解决实际产品设计中维修性问题的课程，因此在教学过程中教师应该重视培养学生自主解决实际问题的能力。虚拟维修仿真实验课通过让学生利用仿真平台对特定的维修任务自行设计维修方案、实现维修过程并进行分析评价的教学形式，可以激发学生的自主创新能力与解决实际问题的能力。有多位参与实验课的学生在实验报告中写道：“实验过程中，不能对指导书上的内容过于死板地运用。”实验课上不同组别的相互探讨，以及主动思考问题并获得解决方案，往往可以培养学生的专业兴趣和自主解决问题的能力，使仿真实验课取得更好的教学效果。

（4）培养学生系统工程的思维逻辑。系统工程是解决复杂系统问题的重要工具，而维修性设计与分析是在航空航天领域中系统工程思想的一种具体体现，是未来从事航空航天设计、管理工作应具备的一种重要思维方式。因此，在日常教学中必须要重视学生系统工程思想的培养。虚拟维修仿真实验课通过为学生展示实际的工程案例，针对一个维修性任务，让学生从顶层到底层进行分解，从整体到局部、从宏观到微观、从理论到实践，在使学生打下维修性理论基础的同时，培养他们利用系统工程改造客观世界的思维逻辑。

同时，为了进一步提高虚拟维修仿真实验课的教学效果，应当考虑从下述几个方面进一步改进：

（1）不断优化实验指导教程，丰富教学资源。对于虚拟仿真类实验课来说，除了实验指导教师的讲解之外，实验指导教程是学生开展仿真实验课程学习的重要材料。指导教程就是一部教材，要让学生充分理解掌握实验所需的知识与操作技能，就要力求教程的编写尽量简洁明了，覆盖学生所需的知识要点。在多年来的授课过程中，每年都会有学生提出针对实验指导教程的修改建议，这些建议对完善指导教程、提高学生的接受程度有非常重要的作用。此外，增加除实验指导教程以外的教学资源，如视频、多媒体课件等可以有效提升学生的学习效率，提高学生主动学习的兴趣和能力。

（2）不断完善仿真平台。虚拟仿真技术作为计算机技术的重要分支，近来年飞速发展，新老技术的交替日益加快。对于虚拟维修实验的教学来说，教师应该及时关注最新技术动向，适时对教学所使用的仿真平台进行升级，提高学生实验的效率，以保证学生在有限的时间内，学习到尽可能多的知识。例如，在学生进行虚拟维修动画制作时，经常会出现虚拟人体在运动中穿透其他与之接触物体的现象，这会降低仿真动画的效果与准确性。学生为了消除这种穿透情况，在仿真软件中的调整过程往往需要花费大量时间，而这种时间花费实则是没有意义的，影响了虚拟仿真实验课的效率。

（3）革新实验手段，提高学生的认知程度。最新研究表明，对于教学、培训来说，如果受训人员主观上越觉得培训演示系统是可信赖的，那么培训演示系统所产生的教育培训效果就越被人所接受认可[12]。目前，虚拟维修仿真课采取学生操作计算机的方式进行实验，这种方式虽然大大提高了形象、直观的程度，但是仍然不能够让学生有身临其境地参与到维修过程中的沉浸式体验感。随着虚拟现实技术的发展，未来的虚拟仿真实验课程可以使用虚拟现实技术，为学生提供穿戴式设备，让学生亲自与沉浸式虚拟维修环境进行交互，来完成维修过程。虚拟现实技术所带来的感官上的高度沉浸体验感，可以大大加深学生对维修性工程的相关知识、维修活动的认知程度。

（4）培养学生自主探索能力，设置自主探索性实验内容。以往虚拟仿真类实验课的开设，学生只要按照实验指导教程的步骤操作，就能够得到预想的实验结果。这种教学模式虽然能够强化学生对相关知识的理解，但是不利于对学生主动思考问题、解决问题能力的培养。这种实验课方式只会让学生变成熟练的“操作工”，而不是面对问题能提出解决方案的“工程师”。这违背了实验课培养学生动手能力以及解决实际问题能力的初衷。因此，在虚拟仿真实验课的开设过程中，应当不断探索开放式实验的教学方法，在学生熟练掌握虚拟仿真技能后，设置开放式实验任务，让学生自主探索，从而培养学生的工程师素养。

4 结束语

航空航天专业作为最先进、最高端的工程技术类专业之一，关乎国家安全和工业现代化水平。在“中国制造2025”的大背景下，国家对航空航天类人才的培养提出了更高的要求。虚拟仿真实验课是航空航天专业的重要教学形式之一，要重视其在新形势新背景下的教学探索与改革。本文在这一背景下，分析了“维修性虚拟仿真与评价”实验课开设的必要性，阐述了课程建设的思路，对课程建设进行总结，并提出了课程今后的发展方向，为其他航空航天类高校开设相关实验课程提供借鉴。