基于虛擬仿真技術的無人機課程教改探討

費 晨，孫翠華

（蘇州農業職業技術學院，江蘇蘇州 215008）

1 無人機應用技術專業的現狀

無人機技術的迅猛發展已經在航空、農業、測繪和物流等領域得到廣泛應用[1]。因此，培養具備無人機應用能力的專業人才變得迫切而重要。然而，作為一門新興的專業，無人機應用技術的課程體系建設相對于無人機行業來說還比較滯后，這主要表現在以下幾個方面[2]。

1.1 未將崗位標準納入課程體系

盡管目前已存在“無人機駕駛員”和“無人機裝調檢修工”等崗位[3]，并且有民航局無人機駕駛員執照（AOPA）等職業技能標準，但這些崗位標準并沒有很好地融入課程內容中。學生在學完課程后發現自身技能與企業崗位要求嚴重脫節，導致學習興趣下降，教學效果不佳。

1.2 雙師型教師數量不足

由于無人機是一門新興專業，教師多為應屆畢業生，掌握的知識多停留在理論層面，對操縱無人機、裝調和檢修等崗位缺乏實踐認知。同時，教師缺乏企業實踐經驗和無人機前沿技術的培訓，無法滿足企業對學生所需知識和技能的要求。

1.3 實訓室建設和使用困難

實訓室在職業技能教學中起著關鍵作用，但由于無人機價格昂貴，實訓室建設存在困難。此外，無人機作為一種飛行器，存在著飛行事故的風險，因此許多學校不能讓學生高頻率地進行飛行操作。對于裝調檢修課程而言，無人機在教學過程中的損耗也是一項昂貴的費用。這些因素導致教學環節不夠完整。

綜上所述，無人機設備的資金投入大、實操教學需求難以滿足、受場地限制以及存在一定的安全風險等問題，使得我們需要深入研究和思考。通過將虛擬仿真技術應用于無人機操縱和裝調檢修實訓課程中，我們可以擺脫對昂貴無人機設備的依賴，規避安全風險，并改變“教師講，學生聽”“無人機設備有限且存在危險性，學生操作機會有限”的現實問題。這將有助于激發學生的興趣，使學生能夠通過練習和訓練掌握無人機操作技巧，為勝任職業崗位所需的能力打下基礎。

2 虛擬仿真技術在無人機教學中的優勢

虛擬仿真技術是一種綜合交叉技術，基于計算機科學、傳感技術和圖形圖像技術等現代信息技術的發展而來。隨著虛擬現實技術的不斷發展和成本的降低，幾乎可以應用于教育領域的各個方面。目前，虛擬現實在教育中的應用場景主要集中在實驗室、圖書館、遠程教育、教學和科學研究等領域，其中包括虛擬儀器共享、虛擬場景共享和遠程控制等共享特點[4]。在無人機教學中，虛擬仿真技術具有以下優勢。

2.1 降低實訓室建設成本

傳統的無人機實訓室建設費用高昂，而且無人機零部件易損耗，很難實現每位學生配備一套實訓設備，學生的實際操作機會非常有限。然而，通過采用虛擬仿真技術，只需要一個計算機實訓室，學生便可以進行飛行、電力巡檢、植保、裝調檢修和航空攝影等模擬操作。教學不再受制于空域、場地和安全等問題，同時，虛擬仿真技術不會導致器材損耗，有效降低了實訓成本。

2.2 提供安全環境和實踐機會

虛擬仿真技術提供了一個安全、可控、實時的操作環境，使學生能夠在模擬情境中進行實踐操作，而無需擔心飛行事故或零部件損耗的風險。學生可以通過虛擬仿真體驗到實際操作中由于不規范操作而導致的“炸”機情況，并通過反饋和總結來提高自己的技能水平。

2.3 提升學習體驗和互動性

虛擬仿真技術可以提供豐富多樣的場景和情境，使學生能夠在虛擬環境中進行真實感十足的操作體驗。學生可以與虛擬無人機進行互動，探索不同的飛行情況和應對策略，從而增強學習的樂趣和動力。此外，虛擬仿真技術還可以提供實時的反饋和評估，幫助學生及時發現和糾正錯誤，提高學習效果。

因此，虛擬仿真技術在無人機教學中具有顯著的優勢[5]。它能夠降低實訓室建設成本，提供安全的操作環境和實踐機會，同時提升學習體驗和互動性。通過將虛擬仿真技術應用于無人機教學中，可以克服傳統教學所面臨的種種限制，為學生提供更豐富、更實踐的學習體驗，進一步培養他們的實踐能力和創新精神。

3 教學具體實施

在無人機教學中，虛擬仿真技術的具體實施主要包括飛行仿真和裝調檢修等方面。飛行仿真涵蓋了基礎飛行、航線飛行、電力巡檢和植保等任務的模擬操作，學生通過仿真軟件完成飛行任務，從而提升他們的操控能力。此外，飛行仿真還包括地面站航線規劃的模擬，學生可以通過在虛擬環境中設置航點或進行編程，規劃飛行航線的仿真操作。裝調檢修方面主要涉及軟件故障，通過設置故障固件的方式，讓學生檢測陀螺儀、加速度計等傳感器的問題。此外，通過虛擬現實設備，學生可以從各個角度觀察無人機的拆解和維修過程，實際上進行"動手"組裝無人機。虛擬仿真實驗教學基本框如圖1所示。

圖1 無人機虛擬仿真教學基本框架

3.1 飛行仿真

無人機飛行仿真教學使用的虛擬仿真技術需要配備計算機、遙控器和虛擬現實眼鏡等硬件設備。學生通過遙控器控制飛行器，并通過顯示器或虛擬現實眼鏡觀察飛行器和飛行環境。教學系統提供多種模式供學生訓練，包括飛行考試、農林植保、電力巡檢等，以適應不同的飛行環境和任務，每種模式都包含訓練模式和考核模式，如圖2所示。訓練模式供學生進行課上和課后的練習，學生可以通過小地圖進行飛行訓練，感受舵量控制?？己四Ｊ接糜诮處熆疾鞂W生的訓練情況，模擬軟件會根據學生的飛行表現自動評分，并提供相應的飛行參數。教師可以通過這些數據幫助學生找出問題所在，提高他們的飛行技巧。

圖2 飛行仿真教學軟件

飛行仿真技術可以豐富學生的飛行經驗，提升他們應對突發情況的能力，并以極小的成本獲取大量的飛行訓練時間。

3.2 地面站仿真

在植保作業中，需要通過打點等方式完成地塊的劃分和作業航線的規劃，通過地面站的仿真模式可以幫助學生掌握植保作業中的技巧。

地面站仿真教學配備計算機和教學用無人機等硬件設備。仿真前需要將無人機的飛控連接地面站，通過在地面站中將機型改為“GPS仿真”，即可實現航線規劃等仿真，如圖3所示。在地面站仿真中，學生可以通過添加航點和編程的方式來實現航線規劃。

圖3 航線規劃

3.3 裝調維修

在裝調維修方面，通過虛擬仿真練習，學生可以在實際進行實體機裝調維修之前，對無人機的各個部位結構和零件有一個基本的認識。學生可以通過虛擬現實眼鏡觀察零件，并通過手柄進行拾取和組裝操作，如圖4所示。通過這樣的練習，學生可以初步了解零件的安裝位置和方法，從而大大減少在實體機裝調維修中可能出現的零件損壞和丟失問題。

圖4 無人機組裝仿真界面

通過以上虛擬仿真教學的實施，學生可以在安全、成本較低的環境中進行多樣化的無人機操作和任務模擬，提升他們的技能水平和實踐能力。

4 其他教改措施

4.1 整合教學資源及內容

為了提高教學效果，可以設計制作教案、課件和題庫，針對課程的重點和難點，設計制作直觀的動畫和視頻等輔助教材。教學設計中應包括教學目標、教學對象和分析、教學知識點、教學內容、課程思政元素等內容。同時，精心設計和制作課件、動畫和視頻，將思政元素融入到專業知識中，以更好地引導學生的學習。此外，布置作業也是重要的一環，作業可以分為客觀題和開放性的主觀題，客觀題可以幫助學生掌握基礎知識，開放性主觀題則可以促進學生的思考和能力發展。

4.2 借助信息化手段，線上線下混合教學

充分利用信息化手段，如超星泛雅教學平臺，開展線上線下混合教學。教師可以利用平臺進行班級管理，進行線上教學并監控學生任務的完成情況，發布討論論題，并回答學生在學習過程中的問題。同時，利用線上平臺進行作業批閱，對學生提交的線上作業進行評價和反饋。對于一些測試題和學生的飛行考核、裝調考核等，可以通過結合人工智能評分和教師手動評分的方式進行評價。

課程中可以采用線下教學的方式，通過講解、提問、練習和檢查等多種方式幫助學生掌握相關內容。而無人機飛行的實踐教學可以在線下進行自定義練習階段的實施，以確保教學目標的清晰和高效。學生可以利用超星泛雅教學平臺瀏覽課件或電子書稿，完成課前預習和課后練習，同時還可以利用平臺完成簽到和線上互動等。

4.3 多元化考核模式

本課程的考核環節可以包括過程考核和期末考試2個部分，其中過程考核占總成績的70%，期末考試占30%。過程考核可以由課堂考勤、作業成績和課堂表現組成。課堂表現的評價可以采取多元化的方式，包括課前自學、任務完成情況和自我評價等因素。各項評價的比重可以分別為20%、60%、10%和10%，以確保學生在全過程中全方位地學習，并掌握每個項目的知識要點和操作要點，促進教學改革的深入實施。

4.4 課程思政

在教學改革中，課程思政是一個重要的方面。通過將思政元素融入課程中，可以培養學生的思想道德素養、社會責任感和國家意識，使他們具備正確的世界觀、人生觀和價值觀。在無人機教學中，部分課程思政如表1所示。

表1 課程中蘊含的部分思政資源

通過將課程思政融入無人機教學中，可以使學生在專業知識的學習過程中，培養正確的價值觀和社會觀，形成良好的道德品質和行為習慣。同時，也能夠培養學生的社會責任感和創新精神，使他們成為有擔當、有情懷的新時代青年人才。

通過以上教改措施的實施，可以提升教學效果，增強學生的學習動力和參與度，培養學生的綜合能力和實踐能力，促進教育教學的質量提高。

5 結語

本文提出了基于虛擬仿真技術的無人機相關課程教改探討，強調了虛擬仿真技術在無人機教學中的應用前景。通過采用虛擬仿真技術，學生可以在安全、實時的環境中進行實踐操作，提高學習效果和培養實踐能力。然而，虛擬仿真技術在教學中仍面臨一些挑戰，需要進一步研究和探索。未來的教學改革應該關注虛擬仿真技術的不斷創新和發展，以促進無人機相關課程的優化和提高學生的綜合素質。