STEAM理念下無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育與學(xué)科融合的探索研究

劉城豪

摘 要：無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育具有符合STEAM教育理念的跨學(xué)科性、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性等特點(diǎn)，成為青少年科技教育項(xiàng)目，并進(jìn)入中小學(xué)綜合實(shí)踐、通用技術(shù)等課程。探究無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育在STEAM理念指導(dǎo)下與科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科進(jìn)行深度融合。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī);競(jìng)速;教育;STEAM;融合

一、STEAM教育理念與無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育

“STEAM教育由美國(guó)弗吉尼亞科技大學(xué)學(xué)者Yakman在研究綜合教育時(shí)提出，即加強(qiáng)美國(guó)K12關(guān)于科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)與數(shù)學(xué)教育?！盵1]STEAM是科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的簡(jiǎn)稱，這幾門學(xué)科內(nèi)容融合形成有機(jī)整體，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。在實(shí)踐STEAM理念的教學(xué)中，要有一項(xiàng)符合STEAM理念的具體的教育項(xiàng)目作為載體。

近年來(lái)，得益于多旋翼無(wú)人機(jī)、圖像傳輸、鋰電池等技術(shù)的發(fā)展，世界航模界興起了一種“無(wú)人機(jī)競(jìng)速”的遙控類航模競(jìng)技運(yùn)動(dòng)。它帶來(lái)空中極速的視覺(jué)刺激和無(wú)與倫比的操控體驗(yàn)，吸引了越來(lái)越多的青少年加入這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中來(lái)。它具有趣味性、體驗(yàn)性、情境性等特性，場(chǎng)地要求小，設(shè)備開放。無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育已被越來(lái)越多的中小學(xué)納入綜合實(shí)踐、通用技術(shù)等課程，逐漸成為推廣STEAM教育理念可選擇的有現(xiàn)實(shí)意義的新載體。

二、什么是無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育項(xiàng)目

無(wú)人機(jī)競(jìng)速使用的是四旋翼無(wú)人機(jī)，它舍去定高、巡航等功能，區(qū)別于航拍、表演等無(wú)人機(jī)。機(jī)身安裝了攝像頭和圖像傳輸系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)地將圖像傳輸?shù)筋^戴式視頻眼鏡或屏幕上。無(wú)人機(jī)競(jìng)速運(yùn)動(dòng)員（也稱飛手）通過(guò)觀看第一視覺(jué)的實(shí)時(shí)圖像并操作遙控器，控制無(wú)人機(jī)穿越障礙進(jìn)行競(jìng)速，也稱FPV無(wú)人機(jī)競(jìng)速。它是基于傳統(tǒng)航模和電子競(jìng)技的一種新型運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。無(wú)人機(jī)競(jìng)速有學(xué)科融合的特點(diǎn)，突出動(dòng)手和思維的能力，符合現(xiàn)代科技教育需求，能促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。《教育信息化“十三五”規(guī)劃》的通知中提到跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育形式能夠促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，學(xué)校應(yīng)大力推崇。[2]

三、無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育與各學(xué)科的融合

（一）無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育與數(shù)學(xué)學(xué)科的融合

飛行控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱飛控。一般包括傳感器、機(jī)載計(jì)算機(jī)和伺服作動(dòng)設(shè)備三大部分，實(shí)現(xiàn)的功能主要有無(wú)人機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無(wú)人機(jī)任務(wù)設(shè)備管理和應(yīng)急控制三大類。多旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制無(wú)人機(jī)的姿態(tài)和實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)作。無(wú)人機(jī)自身狀態(tài)依靠機(jī)載傳感器獲得，飛手的實(shí)時(shí)操作通過(guò)接收機(jī)傳遞到機(jī)載計(jì)算機(jī)（也就是飛控）。飛控根據(jù)一定的數(shù)學(xué)算法或模型識(shí)別無(wú)人機(jī)的狀態(tài)和駕駛員的操作信號(hào)，并搭起它們之間溝通的橋梁。應(yīng)用在飛控的數(shù)學(xué)學(xué)科知識(shí)有很多，如坐標(biāo)系、微分方程、卡爾漫濾波算法等知識(shí)。在制作訓(xùn)練用的正六邊形拱門過(guò)程中，要根據(jù)已知正六邊形的高求出它的邊長(zhǎng)?？煞纸饬呅?，根據(jù)“勾股定理”、解方程、平方根表求出結(jié)果。

（二）無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育與工程制作的融合

無(wú)人機(jī)的組裝要求學(xué)生深入了解無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)、零件和飛控，是一項(xiàng)電子制作的系統(tǒng)工程。組裝者不僅要對(duì)飛控、電調(diào)、電機(jī)、機(jī)架、槳葉、電池等進(jìn)行選擇，而且要熟練掌握焊接、拼裝、參數(shù)的設(shè)置等。在訓(xùn)練期間學(xué)生會(huì)經(jīng)常遇到更換零件、維護(hù)機(jī)架、焊接線路等工程制作的操作。學(xué)生會(huì)使用到的工具有臺(tái)鉗、電烙鐵、螺絲筆、刀等。需要掌握的技巧有上錫、焊盤、卸焊、布線、組裝等。還可以制作教學(xué)輔助材料。掌握這些小技巧需要多練習(xí)，很有趣味性和體驗(yàn)感。

（三）無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育與藝術(shù)學(xué)科的融合

無(wú)人機(jī)競(jìng)速使用的設(shè)備很多都可以進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如無(wú)人機(jī)外觀、機(jī)架、搭件、圖標(biāo)、概念無(wú)人機(jī)等。利用三維創(chuàng)意軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)制作，獲得自己設(shè)計(jì)的塑料構(gòu)件。利用三維創(chuàng)意軟件設(shè)計(jì)機(jī)架，交給專業(yè)人員進(jìn)行激光切割，獲得自己設(shè)計(jì)的碳纖維機(jī)架。利用繪圖軟件，繪制出自己構(gòu)思的圖標(biāo)和未來(lái)概念無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)競(jìng)速與仿真游戲設(shè)計(jì)的結(jié)合，可以讓玩家足不出戶就能體驗(yàn)到無(wú)人機(jī)競(jìng)速的樂(lè)趣。

（四）無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育與科學(xué)、技術(shù)的融合

“STEM素養(yǎng)包含科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)，同時(shí)又不是四者的簡(jiǎn)單組合：它包含運(yùn)用這四門學(xué)科的相關(guān)能力、把學(xué)習(xí)到的零碎知識(shí)與機(jī)械過(guò)程轉(zhuǎn)變成探究真實(shí)世界相互聯(lián)系的不同側(cè)面的綜合能力?！盵3]無(wú)人機(jī)競(jìng)速的出現(xiàn)和發(fā)展，是以科學(xué)理論為基礎(chǔ)，以技術(shù)進(jìn)步為促進(jìn)的。目前，鋰電池制作工藝、無(wú)線電圖像傳輸、高清信號(hào)轉(zhuǎn)播等成為無(wú)人機(jī)競(jìng)速發(fā)展的瓶頸。這些技術(shù)難題既是無(wú)人機(jī)競(jìng)速發(fā)展中亟待逾越的一座高山，更是促進(jìn)技術(shù)和教育進(jìn)步的一塊墊腳石。

四、結(jié)語(yǔ)

在無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育的實(shí)踐過(guò)程中要注意不能陷入過(guò)度重視趣味性的誤區(qū)，避免出現(xiàn)泡沫化的苗頭，始終以教育為目標(biāo)，開發(fā)校本課程，形成有效評(píng)價(jià)機(jī)制和優(yōu)化機(jī)制，將基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)融入教學(xué)中去。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣宗禮.科學(xué)構(gòu)建課程體系 提高專業(yè)教育水平[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2012（3）：8-11.

[2]王巍，袁磊.幼小銜接階段基于項(xiàng)目的STEAM課程教學(xué)模式研究[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2018（3）：51-58.

[3]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學(xué)科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-22.

注：本文系2019年廣東教育學(xué)會(huì)教育科研規(guī)劃小課題《STEM理念下的無(wú)人機(jī)競(jìng)速教育項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐研究》的研究成果。

編輯 趙飛飛