虛擬仿真技術賦能無人機實訓教學的實踐探究

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2025）20-0119-05

隨著信息技術的深入發展，“信息技術+教育”成了教育領域深度發展的主流趨勢，也是我國實現教育現代化的主要手段。在此背景下，我國教育事業近年來發生了深刻的變革，尤其是職業教育領域，在信息技術的加持下，無論是教育理論還是教育方式都發生了很大的變化。信息技術賦能實訓教學，有效解決了實訓設備不足、實訓效果低下、部分專業實訓危險性較高等問題，有效提高了我國職業教育的發展質量。虛擬仿真技術是現代信息技術發展的成果之一，也是推進職業教育教學改革的重要技術手段。虛擬仿真技術以其經濟性、可重復性等優勢，可在無人機訓練中發揮重要的輔助作用，可以極大地降低無人機試飛風險，提高科研和訓練效率[1]。

一、虛擬仿真技術在職業教育中的應用情況

虛擬仿真技術是一種通過計算機生成多源信息融合的交互式三維動態視景，從而構建逼真虛擬環境并實現用戶自然交互的綜合性技術。目前，該技術廣泛運用于教育教學領域，使學生能夠在虛擬環境中進行各類操作和實驗，獲得身臨其境的學習體驗。特別是在實訓教學中，虛擬仿真技術的運用能有效降低訓練和測試的成本，提升實操安全性，同時便于教師對學生的學習數據進行科學分析，從而為學生制訂個性化學習方案。在無人機實訓教學中，教師可借助虛擬仿真技術模擬各種各樣的操作環境，學生在這種情境中操作遙控器，可以有效沉浸到知識、技能的學習中，自然地實現與虛擬環境的人機交互[2，從而大大提高無人機實訓教學的效果。

近年來，國內學者、專家、職業學校教師對虛擬仿真技術在職業教育的運用進行了深入研究，取得了較為豐碩的研究成果。為了充分了解研究成效，筆者分別以“虛擬仿真+職業教育”“虛擬仿真 + 實訓教學\"“虛擬仿真 + 無人機專業”為主題，在中國知網上進行搜索。搜索結果如下：以“虛擬仿真+職業教育”為主題進行搜索，得到1420條結果（從2005年至2025年5月28日），其中與二者均有關聯的約有1415篇文章；以“虛擬仿真 + 實訓教學”為主題進行搜索，得到1141條結果（從2001年至2025年5月28日），其中與二者均有關聯的文章約有1135篇；以“虛擬仿真+無人機專業”為主題進行搜索，得到84條結果（從2017年至2025年5月28日），其中與二者均有關聯的文章約有75篇。從搜索結果可知，虛擬仿真技術已經被廣泛運用于職業教育教學。

對上述搜索結果進行整理、分析，筆者發展研究主要集中在以下三個方面。其一，探討如何利用虛擬仿真技術進行實訓基地建設，如嚴世濤、梁彩芬等以道路橋梁技術虛擬仿真實訓基地建設為例，在分析基地建設必要性、現實困境的基礎上，提出具體的建設思路以及建設“虛實結合”的實訓環境條件、建設“虛實結合”的實訓環境條件等具體有效的措施[3]。其二，探討開發虛擬仿真實訓教學資源的舉措，如黃海平、李瑋謙等結合教育數字化的發展背景，在深入分析虛擬仿真實訓教學資源建設現狀、應用意義的基礎上，提出硬件先行構建研究條件、育訓結合創新教學模式等建設思路，同時提出虛擬仿真實訓教學資源開放共享機制和改革路徑[4]。其三，探討虛擬仿真技術在具體教學實踐中的應用，如王蓉結合建筑工程技術專業的教學現狀，以及虛擬仿真技術應用于建筑工程技術專業綜合實訓的特色亮點，論述虛擬仿真技術在建筑工程技術專業的教學實踐[5]。在這三類研究成果中，虛擬仿真技術在具體專業教學中的應用研究是最廣泛的，成果是最豐富的。

上述研究成果為筆者運用虛擬仿真技術開展無人機實訓教學提供了理論指導和實踐經驗。然而，在過去的教學實踐中，筆者發現無人機實訓教學存在實訓方式單一、學生實操機會少、容易造成環境污染等問題。近年來，筆者在借鑒上述研究成果的基礎上，同時結合廣西崇左市廣泛種植甘蔗的實際，嘗試運用虛擬仿真技術開展植保無人機精準噴灑技術實訓教學，讓學生在虛擬仿真的環境中進行植保無人機精準噴灑訓練，目的是逐步提高學生的專業技能。

二、利用虛擬仿真技術開展植保無人機精準噴灑技術實訓教學

基于市場需求，國內有些高職院校、中職學校設置了與無人機相關的專業，開設了相關課程，如無人機飛行原理與模擬操作、無人機結構與系統、無人機測繪基礎、無人機飛行控制技術、無人機行業應用技術等，目的是培養掌握無人機飛行原理、飛控技術、檢測維護等知識，具備無人機組裝、調試、任務作業和故障檢測與維護等能力，能夠從事無人機裝配調試、飛行操控、行業應用、檢測維護等工作的技術技能人才。

近年來，我國持續深化“藏糧于地、藏糧于技”戰略，構建谷物自給率超過 95% 、口糧 100% 自給的安全體系。而要實現這一宏偉目標，就要推進智慧農業、精準農業的深入發展。在此背景下，現代科學技術與農業生產的融合日益緊密，如無人機技術自前已被廣泛運用于農業生產的多個領域，包括作物生長監測、病蟲害防治等植保任務，是推進精準農業發展的重要技術手段。廣西崇左市是我國的甘蔗和糖料生產基地，目前正在積極推行精準農業，特別是在植保無人機的應用方面取得了顯著成效。但是，如何進一步提升無人機噴灑作業的精確性，確保農藥精準地作用于目標區域，避免對非目標區域造成污染，依然是一個亟待解決的問題。為此，筆者將YOLO算法（即YouOnlyLookOnce算法）與虛擬仿真技術相結合，以此開展植保無人機精準噴灑技術的實訓教學，目的是在不斷提升學生精準噴灑技術的同時，降低農業污染的風險。

（一）利用YOLO算法進行甘蔗病害識別數據集構建，為開展虛擬仿真教學提供數據基礎

YOLO算法是一種深度學習目標檢測技術，以快速、簡潔和高效而著稱。YOLO算法通過將圖像分割成多個單元格來檢測物體，每個單元格負責識別其中的目標，并預測目標存在的概率。這種算法，因易于定制和優化，已經衍生出多個改進型號，并且因具有很強的實時目標識別和分類能力，目前已經被廣泛運用于各種生產場景。如在農業生產領域，YOLO算法運用于無人機操作，可以實時識別農作物病蟲害，實現農藥精準噴灑。這既提升了農藥的利用效率，又減少了對環境的污染。

因此，在正式開展植保無人機精準噴灑技術實訓教學前，為了確保教學能夠達到預期效果，讓學生切實掌握利用先進技術進行農業植保的核心技能，筆者采用YOLO算法開展甘蔗病害識別數據集的采集與標注工作。在整個教學流程中，這一工作無疑是確保教學效果的關鍵且首要的一步，為后續實訓教學的順利開展打下堅實基礎。

首先，數據采集必須做到全面且多樣化。筆者選取玉米、大豆、甘蔗等主要農作物作為重點觀察對象。選擇這些作物的原因在于，它們在我國農業生產中占據重要地位，且在生長過程中易受多種病蟲害侵襲，具有較高的研究價值。筆者持續采集這些作物從播種到成熟各個生長周期的圖像。作物會經歷不同的生長階段，每個階段都可能呈現出獨特的病害特征。例如，在幼苗期，作物更易受到某些真菌病害的侵襲，葉片上會出現特定的斑點或變色；而在成熟期，則可能遭受害蟲啃食，導致果實受損。采集不同階段的圖像，能夠全面捕捉作物在不同生長時期可能出現的病害表現，為后續的病害識別提供豐富的素材。

在采集過程中，筆者不僅注重收集多種病蟲害類型的數據，如真菌、細菌、病毒和害蟲等各類對作物健康構成威脅的數據，還充分考慮了各種可能影響病害識別的環境因素。不同的光照條件下，作物病害的特征表現可能會有所不同：在強光下，病害圖像的顏色可能更加鮮艷，而在弱光下則可能變得模糊不清。拍攝角度的差異也可能導致病害在圖像中的呈現方式發生變化，正面拍攝可能清晰地展現病害全貌，而側面拍攝則可能僅顯示部分特征。背景的復雜程度同樣會對病害識別產生影響，如果背景過于雜亂，可能會干擾識別，增加識別難度。因此，筆者設計了采集方案，確保在各種不同的光照條件、拍攝角度和背景環境下進行圖像采集，力求使數據模型能夠準確識別各種可能影響作物健康的病害和環境因素，從而提高模型的泛化能力和準確性。

其次，科學做好圖像標注工作。這項工作需要在圖像上精確標出農作物受病害影響的邊界，這是后續進行模型訓練和病害識別的關鍵依據。通常，通過在圖像上繪制矩形框來標注病害區域，這種方式簡單直觀，便于后續數據處理和分析。然而，在實際操作中，僅繪制矩形框可能不夠精確，對形狀不規則的病害區域，可能要采用更復雜的標注方式，如多邊形標注，以更準確地勾勒病害邊界。為提高標注速度和精確度，筆者使用自動化或半自動化標注軟件。這些軟件憑借強大算法和智能功能，能快速進行初步標注，大幅減輕人工標注的負擔。同時，這些軟件的內置算法可以確保標注結果的一致性和可靠性，避免人工標注的誤差和不一致性。然而，自動化或半自動化工具并非萬能的，在實際運用中可能遇到復雜情況，如病害區域邊界模糊、與其他物體相互遮擋等，這些情況往往難以僅靠算法準確處理。因此，在標注過程中，筆者還邀請專家參與。農業專家和植物病理學家憑其深厚的專業知識和豐富的實踐經驗，提供病害識別的專業指導，確保標注準確性和可靠性。例如，對一些看似相似的病害，專家能憑經驗準確區分，并給出正確標注的建議。專家參與不僅能有效提高標注質量，還能憑專業見解解釋和解決復雜問題，為標注工作順利進行提供有力保障。

通過上述兩個步驟，筆者成功構建了甘蔗病害識別數據集。這一數據集不僅包含了豐富多樣的病害圖像數據，還經過了科學準確的標注，為后續開展植保無人機精準噴灑技術虛擬仿真實訓教學做好了充分鋪墊。它將成為學生學習和實踐的重要資源，幫助學生更好地掌握植保無人機精準噴灑技術。

（二）基于YOLO模型進行植保無人機精準噴灑技術的虛擬仿真實訓

YOLO模型訓練是一個復雜的過程，涉及多個步驟和參數的調整，加上學生難以經常深入田間地頭進行操作實踐，因此嚴重影響了植保無人機精準噴灑技術實訓教學的效果。為此，筆者結合YOLO模型訓練的特點、內容與要求，利用虛擬仿真技術開展植保無人機精準噴灑技術的實訓教學。在開始訓練之前，筆者先是對數據集進行標注，包括將分類好的圖片分別放入訓練集和驗證集文件夾中（通常這些文件夾位于項目目錄中的datasets目錄下）。

在完成全面且系統的數據準備工作后，正式進入模型訓練的關鍵階段。這一階段是學生在虛擬仿真實訓室進行植保無人機精準噴灑實訓的關鍵階段，是學生提高自身技能的重要教學環節。參數優化是這一教學階段的起始環節。參數優化并非一蹴而就，而是一個充滿挑戰的試錯與迭代過程。其中，學習速率、批次尺寸、迭代輪數是參數的主要組成內容。學習速率作為模型學習的關鍵參數，其取值大小對模型學習效果影響顯著：取值過大，模型可能遺漏關鍵特征；取值過小，則可能會導致訓練過程冗長且效率低下。批次尺寸決定了每次輸入模型進行訓練的數據量，合適的批次尺寸能夠在計算資源與模型收斂速度之間取得平衡。迭代輪數即模型對整個訓練數據集進行遍歷的次數，次數過多易引發過擬合，次數過少則可能導致模型欠擬合。為了更好地優化參數，筆者利用虛擬仿真實訓室進行多次實驗，在實驗中不斷調整各項參數，力求使模型達到最優性能。

完成參數優化后，筆者將虛擬仿真實訓室作為學生實踐與成長的平臺。為使學生全面掌握植保無人機相關技術，筆者設計了多種情境。在病蟲害監測情境中，筆者通過虛擬仿真實訓室模擬了各類病蟲害在農作物上的表現，涵蓋從細微葉片斑點到大面積植株枯萎等不同癥狀，讓學生置身虛擬的農田中，運用所學知識準確識別病蟲害。在植保無人機農藥噴灑情境中，筆者設置了不同地形和農作物種植密度的場景，學生需根據實際情況調整無人機的飛行高度、飛行速度和噴灑量，確保農藥均勻且精準地覆蓋目標區域。同時，筆者利用虛擬仿真技術模擬了大風、大雨等極端天氣操作情境，以考驗學生在復雜環境下的應變能力和操作技巧。學生在這些多樣化的情境中，逐步熟悉YOLO模型的各項功能，提升對植保無人機的操控水平。

學生完成虛擬仿真訓練后，筆者在虛擬仿真實訓室布置了一項具有挑戰性的實訓任務。任務場景設定為：一小片不規則形狀的甘蔗地出現嚴重傳染性病害，需使用無人機進行農藥噴灑；然而，此時正值烈日高照，高溫和強光不僅影響農藥藥效，還增加了無人機操作難度。筆者要求學生自由組成學習小組，共同設計農藥精準噴灑方案，并利用虛擬仿真實訓室進行實踐操作，確保精準噴灑。學生組成若干學習小組，各小組成員共同討論方案設計思路，有的負責分析甘蔗地地形和病害分布，有的研究無人機在不同天氣條件下的飛行特性，有的思考如何優化農藥噴灑量和路徑。經過激烈討論和反復推敲，各小組完成設計方案并上傳至虛擬仿真實訓平臺。

筆者與各小組代表登錄虛擬仿真實訓平臺，對各小組提交的方案進行審核。審核過程中，筆者充分肯定了各小組方案的優點，如部分小組考慮到風向對農藥飄散的影響，設計了逆風噴灑路徑；部分小組采用分段噴灑方式，提高了噴灑精準度。同時，筆者也指出了各小組方案中存在的不足，如部分小組對農藥用量估算不準確，可能導致噴灑過量或不足；部分小組未充分考慮無人機續航能力，可能出現中途電量不足的情況。各小組根據教師給出的審核意見，完善方案并再次進行討論和修改。完善方案后，各小組依據方案完成實訓任務。在實訓過程中，小組成員分工明確，有的負責操控無人機，有的負責實時監測噴灑效果，有的負責記錄數據。遇到問題時，小組成員共同協作尋找解決方案。通過此次虛擬仿真實訓，學生不僅有效掌握了植保無人機農藥精準噴灑技術，還在團隊合作中培養了團隊精神，在解決實際問題過程中激發了創新意識，從而為未來職業發展奠定了堅實的基礎。

（三）布置課后虛擬仿真實訓任務，不斷鞏固學生的專業技能

為深化學生對課堂理論知識的理解，強化學生的無人機實操技能，同時結合國家農業技術專業人才培養目標，筆者設計了“調研一設計一實訓一優化”的閉環式課后作業完成路徑。基于此，筆者在虛擬仿真實訓平臺上給學生布置了這樣一個課后學習任務：請你與同學自由組成學習小組，利用周末或假期時間進行田間調研，選擇某一種作物作為調研對象，觀察其常見病蟲害，并撰寫調研報告，根據報告設計農藥精準噴灑方案，然后將調研報告和農藥噴灑方案上傳至虛擬仿真實訓平臺。由于農作物的生長周期均比較長，為了確保學生能夠更加有效、深入地完成這一探究任務，筆者將探究任務完成時間設定為3-4個月。

此外，為了讓學生更好地完成課后探究任務，筆者與作物栽培、植物保護、農業機械等不同專業方向的教師合作，讓各專業方向的學生自由組成由4—6人組成的學習小組。通過混合編組，既促進學生跨學科交流，又模擬真實農業技術團隊的工作模式。分組完成后，各小組需提交團隊分工表，明確調研員、數據分析員、方案設計師等角色職責。學生完成組隊后，筆者將探究任務分為實地調研和報告撰寫兩個階段。一是實地調研階段。筆者要求學生利用周末或假期深入田間地頭，選擇水稻、玉米等當地主要糧食作物或經濟作物作為調研對象。調研內容包含作物生長周期觀察、病蟲害種類識別（重點記錄5種以上常見病蟲害）發生規律分析（時間分布、空間分布）危害程度評估等。為確保調研質量，筆者提供標準化調研手冊，包含病蟲害圖譜、記錄表格、取樣規范等工具。二是報告撰寫階段。筆者要求調研報告包含作物基本信息、病蟲害發生情況、防治現狀分析、典型案例記錄等模塊。特別強調數據支撐，要求至少包含3組對比數據（如不同田塊病蟲害發生率、防治效果差異等），并配發現場照片、視頻等多媒體資料。

在此基礎上，筆者要求學生完成以下三個方面的工作。首先，學生要根據觀察研究結果，運用課堂所學的癥狀識別法、病原檢測法等，對調研發現的病蟲害進行科學診斷。其次，學生根據實際情況從筆者提供的50余種藥劑中選擇合適的藥劑，并說明用藥理由。最后，學生結合無人機或地面機械的作業特點，設置噴灑高度（1.5- -3m 、速度 3-6km/h 流量 （0.8-1.5L/min） 等關鍵參數。完成這些操作后，學生需要設計農藥精準噴灑方案，上傳至虛擬仿真實訓平臺。筆者則通過平臺對各小組上傳的方案進行審核，并提出改進意見。學生根據意見，對方案做進一步的優化。然后，學生根據改進后的方案，在虛擬仿真實訓室進行實訓。與此同時，筆者要求每個學習小組派出1一2名學生，與筆者一起組成評審團，對各組學生完成的調研報告、農藥精準噴灑方案及在虛擬仿真實訓室進行實訓的情況和效果進行評價。主要評價調研報告撰寫是否規范、相關數據是否科學有效、方案設計是否科學合理、實操是否到位、專業技術是否掌握，并評價學生的創新精神、合作精神、探究精神等。按照 30% 的比例從學生的方案中選出優秀案例進行展示；按 40% 的比例評選出優秀小組和優秀學生個人，獲得優秀的學生可獲得一個期末愿望。

通過采取“調研—設計一實訓一優化”的課后作業實施路徑完成這樣的課后探究任務，學生不僅系統掌握了利用植保無人機進行農藥精準噴灑的技術，掌握了一定的農作物病蟲害防治技術，而且培養了數據采集分析、方案優化迭代、團隊協作等能力。據后續跟蹤調查，約有 85% 的學生表示這樣的課后作業顯著提升了其解決實際問題的能力，為后續頂崗實習奠定了堅實基礎。

上述教學實踐證明，采用虛擬仿真技術進行無人機實訓教學具有顯著優勢，主要體現在有效降低實訓教學的成本（學校不需要再購置大量昂貴無人機及相關設備，也不用再花錢進行設備維護、維修），有效提升實訓效果和提高實訓教學的安全性等三個方面。同時，教師通過數據分析，能更精準地把握學情，制訂個性化教學方案，進一步提升教學效果。另外，由于學生都是在虛擬仿真實訓平臺進行實操訓練，不用再到田間地頭實訓，這就減少了使用農藥進行實訓的機會，從而降低了農藥污染的風險，保護了環境。如今，虛擬仿真技術在職業教育中的運用越來越廣泛，已經成為提升教學質量和效果的重要手段。未來，隨著技術的不斷進步，虛擬仿真技術在職業教育中的應用將更加深入，為培養高素質技術人才提供有力支撐。

參考文獻

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[3]嚴世濤，梁彩芬，王宇冰.職業教育示范性虛擬仿真實訓基地建設與實踐研究：以道橋技術虛擬仿真實訓基地為例[J].科技風，2025（14）：154-156.

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[5王蓉.虛擬仿真技術在建筑工程技術專業綜合實訓教學中的應用[J].電腦知識與技術，2025，21（11）：112-114.

（責編蒙秀溪）