淺談無人機技術及其與高中信息素質教育的銜接

朱悉樂

摘 要：無人機技術是全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的熱點，將無人機技術引入高中信息素質教育，有利于激發(fā)學生對于前沿科技的學習動力，提升學生投身無人機產(chǎn)業(yè)的熱情，進而促進無人機這一國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。本文介紹了無人機的應用領域、關鍵技術和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，探討了無人機對高中信息素質教育的意義、面臨的挑戰(zhàn)和解決方案。

關鍵詞：無人機；信息技術；素質教育

相比于有人機，無人機具有成本較低、無人員傷亡風險、機動性能好、使用方便等優(yōu)點是全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的熱點，在警用安防、農(nóng)林植保、遙感測繪和消費娛樂、防災減災、應急救援等領域得到廣泛應用，[1]是關系國防事業(yè)和人民生活的新興產(chǎn)業(yè)，同樣未來通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向也由無人機指引。

《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》報告中指出，無人機產(chǎn)業(yè)已成為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。近年來，民用無人機發(fā)展迅猛，消費級和工業(yè)級A無人機系統(tǒng)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展態(tài)勢，傳統(tǒng)行業(yè)與無人機系統(tǒng)的逐步深度結合，各種新的產(chǎn)業(yè)隨之產(chǎn)生和發(fā)展，這種深度結合的方式在增強傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)內(nèi)涵價值和助力國民經(jīng)濟方面有著很積極地催化作用。我國民用無人機產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。根據(jù)預測，2020年左右無人機產(chǎn)業(yè)的年均增速40%以上，產(chǎn)值將達到600億元，。國內(nèi)航拍無人機系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)預計可達173億元，農(nóng)業(yè)植保無人機系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將達500億元，電力巡檢無人機系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將達到48億元，安防無人機系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)將達到25億元。[2]

隨著無人機行業(yè)的快速發(fā)展，各種問題也層出不窮，目前常見的問題有：行業(yè)法規(guī)標準體系的不完善、檢測認證的體系不健全、安全監(jiān)管的手段滯后、行業(yè)應用類無人機的部分核心技術發(fā)展不足，這些問題形成了制約無人機行業(yè)發(fā)展的諸多因素，解決這些問題最為根本的途徑是大批專業(yè)人才的培養(yǎng)。而專業(yè)人才的培養(yǎng)關鍵是興趣，興趣形成的關鍵點是落在高中信息素質教育。

將無人機技術引入高中信息素質教育，有利于激發(fā)學生對于前沿科技熱點的學習興趣，促使學生從知識性學習向探索性、創(chuàng)新性學習轉變，提升學生投身無人機產(chǎn)業(yè)的熱情，進而促進無人機這一國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

本文將在無人機技術研究概況的基礎上，進一步探討與高中素質教育的銜接。

1 無人機技術研究概況

1.1 無人機的應用領域

根據(jù)傳統(tǒng)的定義，由控制站管理（包括遠程操縱或自主飛行）的航空器叫做無人機，也可以稱為遠程駕駛航空器。它攜帶有各類有效載荷而不搭載操作人員、利用無線電或機載計算機與導航設備進行飛行控制、可一次性或多次重復使用。

在很多領域，無人機發(fā)揮著不可替代的作用，例如[3][4]：

（1）服務民生。農(nóng)林業(yè)：農(nóng)作物病蟲害可以用無人機進行監(jiān)測與預報、也可以用無人機廣闊的飛行覆蓋面進行農(nóng)藥噴灑等。漁業(yè)：可用于魚群檢測、魚食大面積播撒等。通信：可用于通訊中繼、無線電監(jiān)測等。交通：可用于交通狀態(tài)監(jiān)視等。運輸：可用于物資運輸、急件傳遞等。

（2）資源監(jiān)測和保護。環(huán)境監(jiān)測：可用于環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測。海洋監(jiān)測：可用于監(jiān)測海岸線變化、海冰形成與消融等。地理地質：可用于地形地貌監(jiān)測與繪制、地理信息采集等。遙感監(jiān)測：可用于地遙感測量與數(shù)據(jù)采集、目標定位等。水利：可應用于水源監(jiān)測、灌溉監(jiān)測等。電力：可用于線路巡視、電站與變電所監(jiān)視等。

（3）氣象探測。大氣數(shù)據(jù)的采集可以采用無人機、可以通過無人機攜帶催雨彈人工影響天氣、利用無人機進行環(huán)境氣象監(jiān)測等。

（4）自然災害應對?？捎糜趫?zhí)行災后監(jiān)測、搜救、通信、投放物資等任務。

（5）公共安全。利用無人機可以實現(xiàn)大范圍、高層次的邊境巡視和防恐反恐，同樣在緝毒、反走私、國家海洋維權等方面發(fā)揮作用。

（6）科考研究?？捎糜跇O地科考、氣象研究、地球海洋物理研究等。

1.2 無人機關鍵技術

無人機關鍵技術包括[4][5]：

（1）動力技術。為了實現(xiàn)無人機在一定的高度攜帶大量載荷進行長時間巡航高效功能，動力系統(tǒng)的設計是非常關鍵的。油動和電動兩種動力配置裝置是無人機使用的常見動力其中，發(fā)動機、燃料以及螺旋槳等部件組成了油動系統(tǒng)，電動機、電調(diào)、螺旋槳等部件組成了無人機的電動系統(tǒng)。

（2）材料技術。復合材料是現(xiàn)在比較常見的無人機材料，除此之外還有金屬材料、塑料、智能材料等。由于復合材料具有比剛度高、抗振能力強和熱膨脹系數(shù)小等特點，所以在變體飛行器、智能直升機旋翼、仿生撲翼微型飛行器和發(fā)動機等方面有著廣泛的應用。

（3）機體結構設計技術。為了實現(xiàn)結構強度和剛度的連續(xù)性，無人機機體廣泛采用整體結構設計技術。這種結構可以更精確地進行結構設計，從而可以簡化飛機的傳力關系。

（4）導航技術。組合導航技術是應用在無人機上的一種導航技術，除此之外還有包括慣性導航、衛(wèi)星導航、多普勒導航、視覺導航、地磁導航等不同的導航方式。其中能夠實現(xiàn)推算位置進行導航的導航技術叫慣性導航。通常為了無人機能夠在導航中實現(xiàn)全天時的位置、速度和時間信息定位，一般采用衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

（5）通信技術。機載部分和地面部分組成了無人機的數(shù)據(jù)鏈設備。機載數(shù)據(jù)終端和天線被稱作機載部分。地面數(shù)據(jù)終端和天線被稱為地面部分。

（6）飛控系統(tǒng)。作為無人機系統(tǒng)中最核心的部分，飛行性能和飛行品質也由飛控系統(tǒng)的性能進行影響。飛控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度及實時性等方面對無人機產(chǎn)生很重要的影響。一般來說，飛控板、傳感器、舵機、數(shù)傳電臺、遙控器和地面站組成了無人機的飛控系統(tǒng)。

（7）空管技術?？展芗夹g是集成衛(wèi)星和GPS技術開發(fā)的綜合管理平臺，實現(xiàn)無人機的空中資源分配、任務劃分、數(shù)據(jù)注冊、飛行監(jiān)管等任務。

1.3 無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

（1）市場專業(yè)化。在很多行業(yè)中，由于民用無人機技術的一步步成熟，可以產(chǎn)生深遠影響。目前民用無人機相關技術超過一半涉及航拍攝影，其次是采用無人機進行快遞投遞等貨物運輸服務。未來民用無人機市場中，航拍無人機和貨運無人機會在規(guī)模上將呈現(xiàn)出更良性的發(fā)展趨勢。

（2）技術創(chuàng)新化。導航技術作為飛行控制技術中的核心，在無人機的飛行過程中有著重要的影響。由于無人機發(fā)展的需求性，全球定位系統(tǒng)（如GPS、格洛納斯導航衛(wèi)星系統(tǒng)）使用很少，大部分仍然采用慣性導航系統(tǒng)。但采用全球定位系統(tǒng)和慣性導航系統(tǒng)的相關技術也偶有出現(xiàn)，也越來越受到重視，有可能成為未來發(fā)展的大方向。

（3）應用人性化。隨著民用無人機應用場景的擴展，對人的生命、財產(chǎn)以及隱私造成的危害也隨之而來。相應地，如何運用法律杠桿，在協(xié)調(diào)好無人機市場秩序的同時兼顧其在天空中的飛行秩序，是政府未來法律制定的重點。

2 無人機技術與高中信息素質教育的銜接

2.1 高中信息素質教育中無人機技術產(chǎn)生的作用

我國《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010.2010年）》提出了“全面提高普通高中學生綜合素質，推動普通高中多樣化發(fā)展”的任務。[6]無人機作為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的熱點，是關系國計民生的新興產(chǎn)業(yè)，代表著未來通用航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。無人機技術覆蓋知識面廣、對知識綜合運用要求高，將無人機技術納入到高中信息素質教育，有助于使中學生的學習從知識性學習向探索性和創(chuàng)新性學習發(fā)展，進一步提高高中生的自主學習能力；有助于使中學生的思維從定向思維向發(fā)散性思維，拓展學生的視野；有利于激發(fā)學生對于前沿科技的學習動力，提升學生投身無人機產(chǎn)業(yè)的熱情，進而促進無人機這一國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2.2 無人機信息技術素質教育在高中教學實踐中面臨的挑戰(zhàn)

在高中信息素質教育中開展無人機技術教育面臨的挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在：

（1）涉及知識面廣，創(chuàng)新和實踐能力要求高，學生短期內(nèi)難以掌握。無人機技術涉及動力、材料、結構、導航、通信、飛控、空管等諸多知識。無人機技術知識量太大，短期內(nèi)學生學習難度較大，但有利于加深學生對數(shù)學、物理、工程、信息等基礎知識的理解。無人機自主飛行的編程開發(fā)需要學生具有一定的編程能力和動手能力，雖然有利于提升學生創(chuàng)新能力和實踐能力，但是對于能力積累和成長的要求高，同樣存在短期內(nèi)難以學習和掌握的困難。

（2）師資要求高，教師短期內(nèi)難以駕馭該課程。高中教師的強項在于基礎知識教學，對于前沿科技的把握相對薄弱，同時還要掌握大量無人機相關知識和技能，以便對學生進行針對性指導，使得一般高中教師難以在短期內(nèi)駕馭該課程。

（3）實踐環(huán)境要求高，一般高中難以具備。無人機實踐活動受到低空飛行管制，而且操作不當會出現(xiàn)墜機事故，存在一定安全隱患。高中校園一般不具備相應的無人機飛行實踐環(huán)境，在安全方面是一個大的問題

2.3 高中無人機信息技術素質教育的解決方案

針對上述挑戰(zhàn)，筆者認為在高中信息素質教育中開展無人機技術教育的解決方案如下：

（1）將無人機教育貫穿于高中高年級學習和實踐活動。將無人機教育作為一門延續(xù)性、社團性課程，貫穿在高中高年級信息素質課題教學和相關社會實踐中。通過開展相應的課程，可以讓學生逐步掌握相關知識和技術。在課外能力素質培養(yǎng)方面可以形成學習社團、培養(yǎng)良好的學習氛圍。在無人機培訓和交流之中可以使學生相互學習、主動學習、共同成長。

（2）讓高校教師與高中教師結對工作。通過高校教師進高中講學、培訓、交流等方式，使高校教師與高中教師協(xié)同工作，有利于高中教師迅速掌握無人機相關知識和技術體系，以便更好地引導和指導學生。

（3）建立規(guī)范、共享的實踐環(huán)境。集中資源建立可多校共享的、規(guī)范安全的無人機實踐環(huán)境，以校間競賽形成推進無人機信息素質教育。也可讓高中與大學的主動對接，通過舉辦無人機方面的賽事或夏令營形式的走入高校學習交流，協(xié)助相關實驗室進行測試等方式來實現(xiàn)無人機與高中信息素質教育的對接。

3 結論

將無人機技術納入到高中信息素質教育，對于提高學生自主學習能力、擴展視野，激發(fā)學生投身無人機產(chǎn)業(yè)的熱情、促進經(jīng)濟社會發(fā)展，具有深遠意義?？梢酝ㄟ^長期性教學、與高校對接、建立規(guī)范共享實踐環(huán)境等方式，解決高中無人機信息素質教學面臨的學生學習難題、師資困境、實踐環(huán)境匱乏問題。

參考文獻：

[1]DAMIEN WOLF，宋丙坤，譚春波.2018年無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢[J].中國新通信

，2018，2：64.68.

[2]“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃.國發(fā)[2016]67號文件.

[3]祁圣君，井立，王亞龍.無人機系統(tǒng)及發(fā)展趨勢綜述[J].飛航導彈，2018，4：15.18.

[4]昂海松.無人機系統(tǒng)概念和關鍵技術[J].無人系統(tǒng)技術，2018，1：104.

[5]牛軼峰，肖湘江，柯冠巖.無人機集群作戰(zhàn)概念及關鍵技術分析[J].國防科技，2013，34（5）：37.43.

[6]李衛(wèi)紅，王濟民.普通高中信息素質教育教學體系的構建[J].現(xiàn)代教育科學.普教研究，2014，4（5）：5.8.

[7]吳建華，郭靜，孫靜.我國信息素質教育的主要問題、成員與對策分析[J].情報科學，2011，34（2）：968.971.

[8]劉秀峰.淺談面向素質教育的高中信息技術[J].中國教育信息化，2009，3（16）：14.18.