基于虛擬仿真與翻轉課堂的中職無人機組裝與調試教學探索

緱夢珂 唐嬌 盧堯

摘? 要? 通過分析無人機組裝與調試課程資源建設的不足，借助虛擬仿真教學平臺以及線上線下結合的翻轉課堂教學模式，構建基于虛擬仿真與翻轉課堂的無人機組裝項目教學法的實施與評價體系，旨在提升中職學生學習的主動性，解決因無人機專業裝備數量不足導致的理論與實踐分離等問題，培養具備創新和實踐能力的無人機專業人才。

關鍵詞? 虛擬仿真；翻轉課堂；項目教學法；中職；無人機

組裝與調試；微課

中圖分類號：G712? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2023）09-0047-04

0? 引言

無人機行業的高速發展需要大批的專業人才，為了順應社會發展的需求，教育部發布《職業教育專業目錄（2021年）》，將“無人機操控與維護”作為中等職業教育新增專業列入裝備制造大類下的航空裝備類，包括無人機裝配、無人機修理、無人機應用、無人機操控四大方向。無人機組裝與調試作為無人機操控與維護專業的專業基礎課程，存在教材及實踐指導匱乏、教學資源缺乏、教學方法單一、教學方式落后等問題。目前除了無人機培訓的市場正逐步完善規范外，無人機組裝、調試等核心課程都處于相對空白的狀態，沒有規范的教學體系，沒有合適的教學課件，缺少相應的理實一體化書籍及實訓指導材料[1]。因此，探索新的教學模式、教學方法以及應用新興的信息科學技術來改善目前的無人機組裝與調試課程，具有重要的現實意義。

無人機組裝與調試傳統課堂中，理論知識講解占據大部分時間，不僅形式單調，而且不利于培養學生的實踐能力，無法體現學生學習的主體地位。翻轉課堂教學模式和項目教學法則可以很好地協調理論與實踐的教學，尤其適用于理實一體化教學。此外，無人機組裝調試教學需要學生了解無人機的結構、學會組裝調試，現實卻是無人機的價格比較昂貴，無人機設備數量有限，很難做到讓每位學生去學習拆裝無人機。而通過虛擬仿真軟件則可以有效解決這方面的問題，虛擬仿真營造的新型學習環境也有助于激發學生的學習興趣。

1? 研究現狀

近年來，圍繞無人機人才創新與實踐能力的培養，國內學者做了很多有益嘗試。例如：周虹等[2]建設了融入“互聯網+”的開放型實驗仿真平臺與管理模式，基于項目驅動進行無人機飛行控制實驗；董超[3]進行了航拍無人機虛擬仿真訓練平臺的選擇、模型的設計、交互方式的設計，驗證了通過無人機建模并進行交互的可行性；褚麗娜等[4]以Unity 3D作為虛擬開發平臺，設計并實現了無人機課程交互課件的開發，實現了無人機結構演示、安裝與拆卸等功能；王安成等[5]采用混合式教學和翻轉課堂變革課堂教學模式，在無人機拆裝訓練上，基于15套真實的多旋翼飛行器套件，搭建了無人機系統拆裝訓練平臺。

目前，無人機專業的教學改革仍處于探索中，尚未形成體系化的教學模式、教學方法，特別是對于無人機組裝與調試課程的開發建設非常少。在無人機專業教學中，項目教學法和翻轉課堂顯示出較好的效果，虛擬仿真技術作為輔助教學的技術手段，多應用于無人機的飛行操控，與無人機組裝教學的結合較少。本文將虛擬仿真技術、翻轉課堂教學模式和項目教學法結合，以中職無人機組裝與調試課程中的四旋翼無人機組裝為例，構建基于虛擬仿真與翻轉課堂的項目教學法實施與評價體系，為無人機專業教學提供參考。

2? 基于虛擬仿真與翻轉課堂的項目教學法構建

2.1? 搭建虛擬仿真教學平臺

在Cinema 4D三維建模軟件中建好無人機三維模型，四旋翼無人機三維模型視圖如圖1所示，最終導出模型為.FBX格式。將Cinema 4D中導出的模型和貼圖文件放到Unity工程文件夾下的assets文件夾中，在Unity 3D中實現無人機的動態裝配與交互控制。

2.2? 線上線下結合的翻轉課堂教學模式

翻轉課堂是一種應用廣泛的教學模式，翻轉是指師生角色、課堂授課和課后內化的翻轉[6]。在翻轉課堂式教學模式下，學生在課前或課外借助網絡資源等方式自主學習，教師占用更少的課堂時間傳授理論知識，教室可以成為學生與教師之間相互交流的好地方。

無人機專業是一個實踐性非常強的專業，若在課堂中分配過多的時間進行理論講解，不僅減少了學生實踐的時間，還容易造成理論與實踐的分離。在無人機專業教學中引入線上線下結合的翻轉課堂教學模式，課前，學生通過各種網絡學習平臺自主學習，教師則可以借助這些平臺和學生建立線上的教學聯系，如在學習通上發放作業、測試、教學微視頻、無人機相關理論介紹。課前，學生自主學習完成無人機的理論知識學習，清楚自己的知識困惑點，有利于課堂針對性學習；教師通過分析線上學生完成作業和測試情況，也可以了解學生對于無人機理論知識的掌握程度。在學生具備一定的理論知識后，教師在課堂上借助仿真軟件為學生展示無人機的零部件，讓學生了解無人機的基本構造、構件的功能和無人機的組裝過程，使得學生對于無人機的結構與系統有更清楚更形象的認識，在課堂上更多地進行組裝練習。

2.3? 基于虛擬仿真與翻轉課堂的項目教學法

項目教學法是師生通過共同實施一個完整的項目工作而進行的教學活動[7]。項目教學法的核心是在教師的指導下，學生去尋找得到結果的途徑，最終得到這個結果并進行展示和自我評價。學生學習的重點在學習過程而非學習結果，在這個過程中鍛煉各種能力。無人機項目的實踐性較強，在項目教學過程中應該以教師線下授課為輔，以開展課堂單人特訓與小組活動為主；以教師指導為輔，以學生自我探究分析為主。中等職業院校所開設的無人機專業包含無人機組裝與調試課程，通過無人機組裝讓學生真正理解無人機理論知識，培養學生的實際動手操作能力。

基于仿真技術的項目驅動式教學，教學互動性強，仿真實驗設計靈活，仿真效果接近工程實際，沒有實驗條件的制約，可以極大地激發學生的學習興趣，拓展學習思路，為學生探索式、主動式自主學習提供可靠的幫助與平臺[8]。將翻轉課堂教學理念融入項目式教學，可以使學生通過課前對網絡課件的自主學習來減少教師課堂講授時間，增加學生課堂參與項目實踐的時間[9]。將仿真技術、翻轉課堂和項目教學法三者相結合，有助于促進中職無人機專業的教學。

3? 基于虛擬仿真與翻轉課堂的項目教學法的實施與評價

以中職無人機組裝與調試課程中四旋翼無人機組裝為例，基于虛擬仿真與翻轉課堂教學模式進行項目教學法的實施與評價。

3.1? 四旋翼無人機組裝項目教學實施

四旋翼無人機組裝項目教學要為學生提供真實的或模擬的職業實踐環境。本文基于虛擬仿真與翻轉課堂進行項目教學的實施步驟設計，如圖2所示。

課前，學生完成教師在學習通上傳的學習任務，觀看無人機微課并完成相應測試，觀看無人機零部件三維模型和無人機組裝三維動畫，掌握無人機結構與組裝的基礎知識；教師選取四旋翼無人機組裝的教學項目，依據教學安排分配課時，準備好教學虛擬仿真環境，依據學生程度組建小組，使得每組學習能力水平相當，選出組長，為組內成員分配任務。課堂上，教師先進行知識技能答疑，提出項目要求，每位學生在電腦上利用Unity仿真模擬四旋翼無人機裝配。在了解無人機組裝方法后，讓學生以課前分好的小組為單位開展合作討論，在仿真軟件上完成四旋翼無人機的模型設計與組裝并進行小組成果展示。

學生在虛擬仿真環境中掌握無人機的組裝后，通過校企合作，為企業組裝無人機。師生走進企業參觀學習，了解企業的需求，確定無人機的定位、選型、選材，確定項目作品樣本。小組對整個項目進行分層，設立子項目，制定項目完成的時間，開始項目作品制作。學生以小組為單位給無人機設計造型，之后以小組為單位去市場購買零部件。小組按照組裝步驟，遵循組裝工藝組裝機架、機臂、螺旋槳、保護罩、連接導線等。

在學生進行無人機組裝項目的過程中，要堅持學生主體，讓學生來制作完成，教師發揮主導作用，適時地給予學生指導與協助。學生完成無人機的組裝后將無人機交給企業進行質量檢查，在企業給予反饋意見后進行修改完善，直到達到企業的標準要求為止。學生按照企業的標準和要求完成項目任務，既能培養自信心和責任心，也可以在學習過程中培養工匠精神。若學校未接到企業的項目，則無人機組裝的項目主要在虛擬仿真軟件中進行。項目不要求必須是完整的產品，其選取不應過多依賴苛刻的實踐條件，更不一定要求是來自真實的企業，只要能達到提高教學質量的目的，模擬項目也可以，真實與模擬相結合可以增加項目來源[10]，有助于無人機組裝項目教學的順利實施。

3.2? 項目教學法教學評價

教學評價是項目教學的重要環節，對教學起到評估與導向作用。教學過程包括教師的教與學生的學，教學評價的對象既包括學生，也包括教師。表1和表2通過數據模擬，在評價內容、評價指標、評價主體上分別對學生和教師進行評價，總分數采用加權百分制。此外，在評價方法上，教師要尊重學生個體差異，進行分層評價，加大弱勢評價，促進全面發展。表1是學生考核評價表示例，家長和企業不參與對學生課堂實踐表現的評價。該組學生組裝成果良好，積極參與課堂實踐，要鼓勵其積極考取職業技能證書。表2是教師考核評價表示例，該教師的教學能力和科研能力較好，師德師風良好，但產學研融合度不高，校企合作度不高。

4? 結束語

翻轉課堂教學模式下，學生課前自主進行無人機組裝項目的相關理論學習，課堂上用更多的時間進行實踐；教師在課堂上以項目驅動引導學生在虛擬仿真環境中進行四旋翼無人機組裝設計，之后與企業合作，以實際的四旋翼無人機組裝項目為任務，讓學生通過小組合作最終做出實物作品。通過校企合作，將學生小組合作設計組裝的無人機直接應用于無人機企業，激發學生學習和創新的積極性，培養其職業精神。運用基于虛擬仿真和翻轉課堂的項目教學法，線上線下結合，讓學生從仿真到實物、從校園到企業，以項目促進專業技能的培養，真正做到以學生為主體，促進教與學。

5? 參考文獻

[1] 劉永學.無人機組裝調試課程資源的建設與教學實踐[J].科技視界，2021（5）：57-58.

[2] 周虹，曹達敏.新工科背景下“飛行控制仿真”開放性實踐教學思考[J].中國多媒體與網絡教學學報，2020（11）：114-115，135.

[3] 董超.航拍無人機虛擬仿真實驗的開發與實踐[D].江蘇：揚州大學，2019.

[4] 褚麗娜，李建增，謝志剛.基于Unity3D的無人機交互式課件開發[J].現代計算機（專業版），2015（24）：39-42.

[5] 王安成，李建勝，郭雨巖，等.無人機技術與應用課程實踐教學模式探索與實踐[J].測繪通報，2022（S1）：119-122.

[6] 吳方，何尾蓮.基于虛擬仿真與翻轉課堂項目教學法在單片機課程中的應用[J].福建醫科大學學報（社會科學版），2022，23（1）：71-75.

[7] 王雨峰，馮園.項目教學法在無人機維修課程教學中的應用[J].職業，2021（19）：58-60.

[8] 沈文娟，黃芬，李任青.基于Proteus仿真平臺單片機技術項目教學法的應用研究[J].電子世界，2020（1）：71-72.

[9] 宋朝霞，俞啟定.基于翻轉課堂的項目式教學模式研究[J].遠程教育雜志，2014，32（1）：96-104.

[10] 邱飛岳，吳游麗，趙立影.關于項目課程在中職學校中?實施現狀的調查[J].職教論壇，2011（6）：75-80.