虛擬現實技術下的空中交通管理課程教學

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摘要：“高度”和“空間”概念在空中交通管理課程中成為關鍵角色，受困于工具的局限，學生在概念掌握和實習實踐方面難以獲得滿意效果，虛擬現實技術的出現很好地解決了空中管理課程的教學難點。該文針對課程特點，分析了虛擬現實技術用于空中交通管理課程的意義和應用模式，為民航人才培養和教育模式改革創新提供了借鑒和參考。

關鍵詞：虛擬現實；空中交通管理；教學研究

在高校教學改革中，民航類專業課程授課從現實中的PPT、短視頻等多媒體教學，到借助超星、雨課堂等互聯網平臺工具進行教學，都在逐步實現推進，新技術的應用為課程的建設和發展帶來了深刻改變。近年來，虛擬現實技術出現并獲得快速發展，它在課堂教學中得到了越來越多的應用，為高校民航類專業課程教學模式改革與創新，帶來了積極深遠的影響。虛擬現實技術（VirtualReality，VR）通過計算機技術，讓用戶進入一個仿真的現實虛擬世界中，獲得相應的體驗[1]，將該技術與空中交通管理課程實踐教學相結合，是創新人才培養、滿足行業人才需求的重要嘗試和探索。

1空中交通管理課程教學存在的問題

空中交通管理是航空宇航科學、交通運輸科學、信息科學、控制科學、管理科學等多學科的綜合交叉應用，包括空中交通服務、空域管理和空中交通流量管理三部分，其任務是有效地維護和促進空中交通安全、維護空中交通秩序、保障空中交通暢通[2]。空中交通管理課程是飛行、空管、簽派、機務等高校民航類專業的核心課程之一，是學生進行專業學習的一門重要先導課程。和公路、鐵路、水運等“地面”交通類課程不同，“高度”“空間”等概念在空中交通管理課程中成為關鍵角色，為深入掌握知識內容，需要學生在腦海中呈現三維甚至多維的空間想象，但二維圖像、三維模型等普通教學輔助手段根本無法讓學生得到真實的反饋。因此，空中交通管理課程常規課堂教學受困于工具的局限，學生在對知識點的接受和深層理解上，以及對學生創造力的培養和開發上，都很難獲得滿意的效果。在理論教學的基礎上，通過分析空中交通管理經典案例，到空管局、機場、航空公司等一線單位實地考察實踐，是空中交通管理課程一種較為理想的教學方式，但實際上此種方式難以得到良好實現。飛行、空管、簽派、機務等民航一線工作專業性強，運行安全標準要求高，為了防止各種事件對民航工作的正常運行造成影響，空管局、機場、航空公司等一線單位不會輕易接受學生考察實踐。即使經過多方協調，學生得到了實地考察機會，但由于行業規章制度要求，學生也無法獲得“上機”實踐的機會，最終戶外實踐變成“走馬觀花”式的現場參觀，實踐教學功能難以實現。因此，在有限的資源條件下，為更好地讓學生理解“高度”“空間”概念，增強空中交通管理課程的教學質量，需對傳統的課程教學模式進行革新和調整。

2虛擬現實技術用于空中交通管理課程教學的意義

虛擬現實技術通過計算機能夠生成逼真的視、聽、觸一體化的多維信息虛擬環境，使用者通過使用適當設備，可以在特定環境內，通過語言、手勢等自然的方式，與虛擬世界中的客體進行實時交互，人們不僅能夠感受到在客觀物理世界中所經歷的“身臨其境”的逼真性，而且還能突破空間、時間以及其他客觀限制，感受到真實世界中無法親身經歷的體驗，這是對知識的進一步升華，實現了理論與實踐的有機結合[3-5]。

2.1彌補教學的不足

實地考察與實踐難以落實，傳統的飛行、簽派、空管等實驗實訓和模擬設備造價高，教學條件難以保證等制約了高校民航專業教學質量的提升。利用虛擬現實技術，把傳統實驗中的教學內容、實驗設備、教師指導、學生操作等與虛擬實驗平臺融為一體，模擬包括機場運行控制、簽派、地面服務、空中管制、飛行駕駛等多個崗位的運行操作，使學生在學校內即可進行接近真實的實踐操作，能夠有效提高教學效率，優化學生體驗，解決學校現實困難。

2.2避免真實實踐帶來的危險

由于民航從業環境的特殊性，課程中涉及的簽派、管制、應急救援等知識內容，如果在真實的環境中訓練，不僅成本高，而且無法保證安全。虛擬現實技術的應用，能夠在滿足基本實踐課程要求的基礎上，將教學內容拓展到在現實條件下因為安全問題而無法進行實踐的重要領域，如飛機機械故障、人為危險、人員糾紛、天氣、雷達系統故障等，通過課程的深入學習，滿足更多民航類專業應用型人才的培養需求。

2.3優化師資隊伍建設

由于飛行技術、交通運輸（民航方向）、機務工程等民航相關專業博士點匱乏，很多民航類專業博士教師都非民航專業出身，導致其在管制、簽派、飛行等實踐知識和技能方面有所欠缺。高校常采用委派教師到航空公司、飛機維修廠、民航管理局、民航監管局等單位實習或掛職鍛煉來彌補教師在實踐技能上的不足。利用虛擬現實技術，能夠幫助教師在不影響正常教學和科研任務的情況下，在學校內即可完成類似學習，提高自身教學能力，解決教學中出現的相關問題。

3虛擬現實技術在空中交通管理課程教學中的應用

沉浸感是虛擬現實技術最核心的特性，用戶通過虛擬現實技術進入虛擬世界后認為自己是虛擬環境中的一部分，從而真正地參與進去，更好地沉浸在這一虛擬環境活動中[6-7]。結合虛擬現實技術這一主要特征，空中交通管理課程虛擬現實教學方式主要有以下幾種。

3.1沉浸式課堂教

一是利用虛擬現實技術將生活中難以隨處觀察到的相關自然現象或事物的變化過程在課堂上生動地展現出來，增強學生學習的趣味性，例如云、降水、雷暴、低空風切變、大氣環流等航空氣象知識等。二是將晦澀難懂的知識理論以虛擬現實的形式轉化成較為直觀、易于理解的畫面，例如針對飛行高度層、空域結構、飛行規則等知識的講解，可讓學生“置身”于大氣空間，感受飛機飛過，降低講解難度。三是通過虛擬現實技術，讓學生隨時建立知識假設模型，虛擬進行飛行組織、交通管制等工作，鍛煉學生的實踐能力。3.2虛擬角色教學傳統的空中交通管理教學模式受時間和空間的限制，只能在固定的時間、空間授課，虛擬現實技術的利用可以打破此局限。例如，可以讓學生在虛擬世界中虛擬個人角色，讓其在虛擬世界中完成飛行駕駛（飛行員）、雷達管制（管制員）、簽派放行（簽派員）、飛機維修（機務）等職業技能訓練，或者虛擬扮演城市管理者、空管局負責人、航空公司運行部門負責人、飛行教員等角色，思考和構筑“空間”“城市”“公司”“飛行組織”發展進程，培養學生的綜合決策能力、問題分析能力和管理組織能力。

3.3因材施教

高等院校培養的空中交通管理人才是全面多元的，空中交通管理是一門學科，也是一門藝術，藝術需要個性化的表達，不能按照一個標準進行施教。傳統授課中，由于受設備、空間、時間等多方面限制，師生之間基本上是教與學的單向交流，容易出現師生之間的認知偏差，難以做到針對性講授。虛擬現實技術作為一種信息技術，能夠輕易地實現個人學習經歷的冗余備份，教師能夠隨時隨地進入學生的“個人虛擬空間”，觀察其學習經歷并對其進行專門輔導，同時能與學生在虛擬空間中多方位討論、交流和互動，有利于把握學生的發展情況，提升學生的學習興趣，真正做到因材施教。

3.4資料共享

空中交通管理課程內容涉及眾多民航規章，例如《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》《民用航空空中交通管理規則》《一般運行和飛行規則》等，知識點龐雜，知識體系復雜。在傳統的空中交通管理課程教學中，教學的主要載體課本、PPT以及超星學習通、慕課、雨課堂等新形式，在對“運行間隔”“高度層配備”等空間感較強的知識點進行呈現時，顯得“力不從心”。虛擬現實技術的空中交通管理課程教學可以把書本、PPT等無法展現的“空間感”較強的資料轉移到虛擬現實空間中，以資料的形式存在其中，方便共享和查閱。

4結語

新教學模式的建立是一個逐步完善和發展的過程，虛擬現實技術在教育領域的應用目前仍處于初期，但隨著技術的不斷進步和成熟，運用虛擬現實技術教學講授課程可能會逐步成為常態甚至主流。民航是一個注重安全和標準的行業，民航人才培養更為注重技能和實踐。虛擬現實技術在空中交通管理課程中的應用與探索，充分展現了虛擬現實技術和民航教育的有機融合，為民航相關專業人才培養和教育模式改革創新提供了參考和借鑒。

參考文獻

[1]高偉,王昱霖,吳倩蓮,等.基于VR技術的教育游戲在英語教學中的應用與發展前景[J].軟件,2018,39(5):60-65.

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[3]張帥.虛擬現實技術在高校教學中的應用研究[J].宿州教育學院學報,2018,21(3):68-69.

[4]陳冰.運用虛擬現實技術輔助可持續建筑參與式設計[J].建筑師,2015(5):18-22.

[5]曾克明,曹國媛.基于VR虛擬現實技術的建筑設計課程教學研究[J].中外建筑,2019(9):82-84.

[6]蘆冏耀.VR技術在高校實驗室應用初探[J].辦公自動化,2018,33(4):47-48.

[7]杜坤.虛擬現實在高校實驗教學中的應用[J].軟件,2019,40(12):70-72.

作者：張勁松 李廣春 姚飛 孟斌 單位：鄭州航空工業管理學院民航學院