基于理論基礎、虛擬仿真、工程實踐三層次的《機場規劃》課程教學模式研究

張亞楠 張宇輝

【摘要】針對《機場規劃》教學內容和課程特點以及教學中遇到的問題，引入三維虛擬仿真互動教學平臺，開展三維環境體驗式教學，增強學生互動性參與性，同時結合理論教學內容和實踐教學方法改進措施，提出基于理論基礎、虛擬仿真、工程實踐三層次遞進式的教學模式設計方案，以實現學生從被動方式向主動學習方式的轉變，提高學生工程能力和創新思維的培養。

【關鍵詞】三維虛擬仿真 教學改革 機場規劃

【中圖分類號】G642.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）30-0026-03

一、引言

《機場規劃》課程主要使學生系統掌握民用機場總體規劃的理論和方法，培養學生機場總體規劃設計的能力和技能，這門課程的學習對學生的空間認知能力、總體規劃能力和三維想象力都有很高的要求，只有充分的理解、完全的吸收和應用的融會貫通，才能為后續的專業課程以及今后從事有關設計和管理工作奠定堅實的基礎。

但是，在實際的教學過程中發現，傳統的課程中通常只講述新建、低等級機場的簡單規劃問題，對于高容量繁忙機場以及改擴建機場規劃方面的內容涉及較少；在教學方式上主要以課堂講述為主，即使采用現代教學演示方法，效果也并不顯著；課程體系缺乏現場實習、課程設計以及案例分析等實踐工作支撐，這些都導致了學生通常只停留在概念階段，無法深入的認知和判斷實體工程中機場規劃的重要性、復雜性與科學性。

因此，本文探索將虛擬仿真互動教學平臺應用于《機場規劃》課程的教學模式改革，通過傳感、通信、仿真、三維等技術構建機場三維立體場景，為學生全面展示機場各部分分區及職能，直觀的將規范參數與具體設計相結合；通過人機交互終端實現讓學生參與到課堂互動與總體設計中來；由此，進一步構建理論基礎、虛擬仿真、工程實踐三層次的教學模式，豐富教學內容與手段，提高學生的認知水平，促進學生學習興趣和工程實踐能力的培養。

二、虛擬仿真互動教學平臺在《機場規劃》課程中的應用

《機場規劃》課程的學習，主要包括使學生掌握民用機場航空業務量預測基本方法，機場飛行區和航站區設計規劃的原則、步驟和方法；機場總體規劃設計流程及整體平面布局；了解飛行程序設計等相關知識。因此，虛擬仿真互動教學平臺的設計主要包括以下幾個方面：

1.三維可視化場景構建

首先將機場內的各個功能區進行模塊化分區，以三維可視化的方式將各部分進行三維模塊化設計，在教學中可直接將這些三維模塊像搭積木一樣將機場總體構型搭建出來，展示機場三維地理信息、總體規劃布局、車輛人員設施、航班運行信息等，還包括機場滑行路徑標志、燈光標識、機場凈空障礙物限制面等信息。

以某機場整體規劃為例，將三維立體虛擬仿真技術應用于教學中：

（1）首先給出傳統教學中機場總體規劃平面圖，將平面圖中各個功能區進行模塊化劃分，如航站樓區、飛行區、保障區等，按照分區進行三維模塊化設計，最后進行總體三維模型拼接。

（2）對各個分區進行詳細三維模型展示，通過與多媒體播放器關聯播放相關教學內容及信息參數。

（3）多視點、多角度、多場景轉換，以及細節展示。

2.交互式操作控制

根據教學應用的特點，采用多點觸控交互進行手勢識別轉化為對視點的交互操作和控制命令。通過這項功能，實現了學生真正的參與到教學互動中來，在上一層次實現三維可視化場景的基礎上，還可以親身參與體驗。

（1）通過多點觸控交互手勢識別，進行縮放、平移、旋轉、顯示、隱藏、細節呈現等操作，實現視景管理和視點控制，使學生多角度多視點的對機場整體三維模型進行進一步認識與觀察。

（2）通過數據引擎，進行多模塊參數設置，使學生能自主操作機場整體規劃設計。例如，教師給出機場預測航空業務量數據以及當地氣象資料，學生計算選擇相應的跑道、滑行道、航站樓等模塊模型進行拼接，完成整體規劃設計。

（3）通過數據接口，與相應程序對接，實現數據處理與計算功能。例如，給出趨勢外推法、計量經濟法等航空業務量數據處理計算接口，使學生在給定參數下，選擇一定計算方法，直接進行機場航空業務量預測，從而進行機場整體規劃設計。

3.機場動態運行功能實現

機場是一個包含人、飛機、車輛等多種因素融合的動態綜合體，真實的展現機場的動態運行也是現有的教學內容以及市場軟件的重要缺失。因此，通過多媒體數據對接，實現各種機場信息數據的虛擬仿真，從而進行機場整體規劃設計特別是高容量繁忙機場的系統評估。

（1）航班信息數據。采集機場的航班信息數據，輸入數據庫系統，以此實現機場的航班動態運行，同時收集對航班、車輛、人員以及事件進行詳細業務分析的各種多媒體數據，可以實現對航班計劃進行評估。

（2）機場跑滑系統數據。機場的跑道、滑行道設計是機場飛行區平面設計中的重要一環，其設計的合理性直接影響了投入使用之后機場系統的動態運行。根據航班信息數據，動態模擬飛機推出、推進、起飛和降落時在跑道、滑行道系統中的路徑和時間，以此為依據，進行跑道和滑行道系統的合理性驗證和進一步優化設計分析。

三、理論基礎、虛擬仿真、工程實踐三層次教學模式構建

教學模式單一化是現在高校課程普遍存在的問題之一，怎樣豐富教學手段，構建多層次遞進式的教學模式，是本文研究的主要課題，在傳統教學理論學習的基礎上，引入虛擬仿真互動教學平臺，加強工程實踐能力培養，形成理論基礎、虛擬仿真、工程實踐三層次遞進式的教學模式。

1.打好堅實的理論學習基礎

無論哪種類型的課程，理論學習是最主要的教學內容，針對目前本課程存在的問題，提出了教學內容理論學習改革的兩方面措施。

（1）確保理論教學內容的先進性。近幾年來，新一代大型飛機逐漸投入使用、國家行業標準和規范的陸續更新和出臺，使得機場規劃的戰略、手段發生深刻變化，課程內容出現鮮明的時代性，對課程教學內容的安排提出了更高要求。在理論學習過程中，教師應該注重保持理論教學內容的先進性，及時補充更新最前沿的理論內容，避免所講述課程與實際應用脫節。

（2）以對象引領教學內容。針對本科階段學生的學習的特點，講述機場規劃設計的基礎知識、基本理論以及基本規劃設計方法，通過理論學習與工程實踐，培養學生的實際應用能力，為本科畢業走上工作崗位奠定一定的基礎。同時，針對不同專業學生方向，講述內容應有所偏重。例如，面對交通工程專業學生，后續課程中安排有《機場凈空管理》等更多民航專業化課程，將本課程涉及教學內容進行更系統化的學習，而面對土木工程專業學生，此類后續課程安排較少，因此，在教學中應更注重基本知識的講述和基本概念的理解，使學生在宏觀上對機場各職能分區以及總體設計有一個清晰的認識。

2.引入虛擬仿真互動教學平臺豐富教學手段

教學方法必須適應教學內容，由于本門課程內容的抽象性、空間性、復雜性等特點，使得現代化教學手段的使用成為一種必然趨勢。本文采用的虛擬仿真互動教學平臺主要有以下幾方面特點。

（1）將以往的圖片、文字類平面教學展示提升為三維立體全景展示，多視點多角度的為學生展現機場整體布局以及細節構造。

（2）注重教學互動模式，使學生由被動接收變為主動體驗，提高學生自主參與程度和學習興趣。

（3）在虛擬教學平臺中，教學內容可以持續更新，避免課程學習與技術應用的脫節，同時有利于激發學生的求新以及創新意識。

（4）通過多媒體數據對接，實現多系統融合實現機場動態運行控制，使學生從之前的單一完成規劃設計到完成整體規劃設計、自我評估及進一步優化設計。

3.加強工程實踐注重能力培養

實踐教學在現在的本科教學中，特別是在民航領域內，是培養人才的重要環節。在本課程的教學中應該加強工程實踐教學，注重學生分析能力以及動手操作技能和創新思維力的培養。

（1）形成完善的課程設計體系。在傳統的教學中，課程設計主要是根據各自的課程的內容而展開的。課程之間聯系性不強。對此，我們可以提高課程設計的內容的系統性，在進行相關的課程設計時，使用統一設計參數，進而開展課程設計，形成較為完善的課程設計體系。

（2）與社會實踐相結合，提高實踐能力。教師可以針對本門課程所講述內容，制定出一套指導學生參加社會實踐的計劃書，將課堂所學知識具體運用到實踐中去，讓學生在假期能夠獨自完成實踐工作，填補校內課堂實踐學習時間少的情況，從而提高學生的機場工程基礎專業的實踐能力，達到實踐教學的目的。

四、結論

隨著科學技術的不斷發展，虛擬仿真技術具有在教學中的應用得到不斷的推廣，其立體型、互動性、先進性以及多樣性都符合現代化教學的課程要求，同時給學生更多的自主學習空間，能更好的掌握機場整體知識和總體規劃設計。本文提出的基于理論基礎、虛擬仿真、工程實踐三層次遞進式的教學模式設計方案，豐富了教學內容和教學方法，促進學生向自主學習方式的轉變，以及將理論知識理解消化、融會貫通，培養創新思維，提高工程能力，為今后走向工作崗位打下堅實的基礎，為學生的素質教育開啟了嶄新的平臺。

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