初中FPV穿越機(jī)校本課程教學(xué)實(shí)踐研究

黃海

【摘要】? FPV穿越機(jī)集光、電、機(jī)械、材料、信息技術(shù)等于一體的高新裝備，是學(xué)校開展STEM教育的重要載體，在青少年中開設(shè)FPV穿越機(jī)課程，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識解決問題的能力，對于培養(yǎng)航空航天科技人才有重要意義。

【關(guān)鍵詞】? 初中 FPV 校本課程

【中圖分類號】? G632.4? ?? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】? A ? ? 【文章編號】? 1992-7711（2020）15-068-02

一、FPV穿越機(jī)介紹

1.穿越機(jī)的特點(diǎn)

穿越機(jī)，屬于四軸飛行器，是多旋翼的一種，常常和FPV（First Person View）聯(lián)系在一起。穿越機(jī)屬于高競速、續(xù)航時(shí)間短的小型無人機(jī)。它們的最高時(shí)速可達(dá)260KM/H，比家用小轎車還快得多。

穿越機(jī)雖然體積小，一般只有巴掌大小，但五臟俱全。一般由軸距較小的機(jī)架，動力系統(tǒng)由4個(gè)電調(diào)、電機(jī)、螺旋槳構(gòu)成，電源系統(tǒng)主要由電池構(gòu)成，飛行系統(tǒng)由微處理器組成，圖像傳輸系統(tǒng)由攝像頭、圖傳接收器和發(fā)射器、顯示器或者FPV視頻眼鏡組成，手動控制設(shè)備由遙控器和接收機(jī)組成。

穿越機(jī)由于體積小，所以速度快，而且有更高的靈活性和更低的慣性，可以輕松穿越一些障礙物，帶來速度與激情的視覺體驗(yàn)。目前國內(nèi)外有很多競賽，這項(xiàng)比賽的魅力是，無論是參賽者還是觀眾都能以第一視角體驗(yàn)整場賽事，體會到在賽道上急速穿梭的速度感，更會有靈魂出竅的感覺。穿越機(jī)競速比賽由于更炫酷更好玩，已經(jīng)進(jìn)入了奧運(yùn)會的表演項(xiàng)目。

2.穿越機(jī)與一般無人機(jī)的區(qū)別

無人機(jī)在生產(chǎn)中的應(yīng)用主要以航拍、監(jiān)測以及物流配送為主，所以必須具有比較大的負(fù)載能力，由于飛行時(shí)間較長，所以續(xù)航能力也要有保障。因而電機(jī)位于機(jī)身上方，目的是使槳葉保持在機(jī)身上方，增加升力和提高電源效率。整個(gè)機(jī)器的重心位于機(jī)器的下方。

對于競速用的穿越機(jī)，由于高速飛行中時(shí)常要進(jìn)行變速和轉(zhuǎn)彎，機(jī)身經(jīng)常有大角度的傾斜，所以對于機(jī)器的穩(wěn)定性要求非常高，所以穿越機(jī)的重心與4個(gè)電機(jī)處于同一水平面，減少在高速旋轉(zhuǎn)和變速運(yùn)動中重心的大幅度變化，從而失去平衡。形象比喻的話，一般無人機(jī) 就象四個(gè)電機(jī)和槳葉吊著重物飛行的直升機(jī)，而穿越機(jī)象是輕巧靈活的戰(zhàn)斗機(jī)。

一般的無人機(jī)就是一臺自動化的機(jī)器人，在定位模式的工作條件下，由于有GPS和視覺傳感器感知位置，就算不進(jìn)行操作，也能在空中穩(wěn)定懸停。但是穿越機(jī)在快速的爬升和俯沖運(yùn)動中，如果仍然使用微處理器進(jìn)行定高，將會影響響應(yīng)速度，因此全部依賴飛控手的技術(shù)。

二、開展FPV穿越機(jī)校本課程的意義

1.作為STEM教育的重要載體

穿越機(jī)集空氣動力學(xué)、電子技術(shù)、機(jī)械學(xué)、通訊、材料學(xué)和信息技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)于一體，綜合性很強(qiáng)。在校本課程中，我們可以進(jìn)行編程教育，通過編程控制穿越機(jī)的起飛模式、飛行軌跡、錄像、錄音等多種任務(wù)。另外，通過穿越機(jī)的安裝和調(diào)試課程，我們可以學(xué)習(xí)穿越機(jī)的結(jié)構(gòu)和飛行原理，學(xué)習(xí)各種工具和儀器、儀表的使用，提高學(xué)生動手能力。

2.開展國防教育

穿越機(jī)屬于高競速無人機(jī)，而無人機(jī)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中具有越來越重要的作用。在學(xué)習(xí)過程中，將國防知識潛移默化地傳授給學(xué)生，讓國防教育真正走進(jìn)課堂，走進(jìn)每一名學(xué)生心中，樹立牢固的國防觀念。

三、目前存在問題

1.忽略飛行原理學(xué)習(xí)，只重視飛行體驗(yàn)

傳統(tǒng)的無人機(jī)的學(xué)習(xí)大多數(shù)停留在飛行控制和簡單的組裝上，從知識的獲取來看，失去了應(yīng)有的意義。由于無人機(jī)大多數(shù)編程等知識，又不是大多數(shù)初中生甚至高中生能掌握的，所以編程學(xué)習(xí)也變成了空談。從學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)考慮，挖掘穿越機(jī)所包含的跨學(xué)科知識，特別是飛行原理的學(xué)習(xí)，才不至于本末倒置。

2.輕視飛行控制的現(xiàn)實(shí)意義

很多人從傳統(tǒng)統(tǒng)的無人機(jī)的觀點(diǎn)去看穿越機(jī)，覺得操控只是簡單的技能，只是娛樂體驗(yàn)，浪費(fèi)時(shí)間。從穿越機(jī)和無人機(jī)的區(qū)別，我們可以看出，無人機(jī)的操控都由電腦控制，而穿越機(jī)競速全是由飛控手的技術(shù)決定的，反應(yīng)在毫秒級，是激烈而精彩的體育競技。

四、FPV穿越機(jī)校本課程思路

學(xué)生以自主探究、分組學(xué)習(xí)的形式，學(xué)習(xí)掌握飛行的知識、原理，以循序漸進(jìn)的方式體驗(yàn)飛行、學(xué)習(xí)操控技術(shù)。通過多種飛行器和穿越機(jī)的設(shè)計(jì)制作、組裝和維護(hù)，綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識解決真實(shí)問題，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力。在學(xué)習(xí)中培養(yǎng)學(xué)生的國防觀念，激發(fā)學(xué)生熱愛祖國航空航天事業(yè)的熱情。

五、FPV穿越機(jī)課程目標(biāo)

1.總體目標(biāo)

我校FPV校本課程團(tuán)隊(duì)通過分析調(diào)研，制訂了如下的教學(xué)目標(biāo)：（1）培養(yǎng)學(xué)生對航天航空技術(shù)的興趣和愛好;（2）培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用技術(shù)解決問題的能力;（3）在實(shí)踐中培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

2.具體目標(biāo)

（1）知識技能目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生模型制作的基礎(chǔ)知識、實(shí)際操作能力，提高學(xué)生識圖、制作能力;培養(yǎng)學(xué)生在運(yùn)用學(xué)過的知識和技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新組合、大膽創(chuàng)新的能力。

（2）方法情感目標(biāo)：采取自主學(xué)習(xí)與小組合作探究相結(jié)合的活動方式，培養(yǎng)學(xué)生合作創(chuàng)新意識;培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、思考力、動手操作能力，培養(yǎng)技術(shù)素養(yǎng)和科學(xué)素養(yǎng)。

六、課程內(nèi)容與實(shí)施

我校采用每周三下午全校校本課程時(shí)間進(jìn)行教學(xué)，時(shí)間是兩節(jié)課，由學(xué)生自選課程。教學(xué)計(jì)劃如下表：

七、教學(xué)與訓(xùn)練手段實(shí)踐研究

1.加強(qiáng)原理學(xué)習(xí)

學(xué)生通過從空氣動力學(xué)，力學(xué)，機(jī)械學(xué)，運(yùn)動學(xué)等角度理解飛行器的原理后，在操控上會有更深刻的認(rèn)識和更自覺的調(diào)控、提升，必須重點(diǎn)學(xué)習(xí)。根據(jù)中學(xué)生的知識基礎(chǔ)，我們主要從以下內(nèi)容進(jìn)行：

根據(jù)我們的實(shí)踐表明，如果忽視這部份內(nèi)容，那么學(xué)生將失去學(xué)習(xí)理論知識和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的極好機(jī)會，這樣的學(xué)習(xí)就有可能僅僅停留在好玩的層面了。如果我們能夠結(jié)合學(xué)生的學(xué)科知識，以最近發(fā)展區(qū)為目標(biāo)，就有可能讓學(xué)生在跨學(xué)科的學(xué)習(xí)中獲得知識，同時(shí)培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)和探究能力。例如，以穿越機(jī)懸念、上升、下降和油門的關(guān)系為例，我們先向?qū)W生講授、復(fù)習(xí)力改變物體運(yùn)動狀態(tài)、二力平衡的知識，讓學(xué)生分組討論，然后每小組展示受力分析情況，由學(xué)生得出結(jié)論：無論在何處懸停，升力大小一定等于重力，從而得出油門變化的規(guī)律。學(xué)生在理論上理解后，在實(shí)踐中會自覺進(jìn)行調(diào)整，學(xué)習(xí)效率大大提高。

根據(jù)萊夫的情境認(rèn)知學(xué)習(xí)理論，我們在實(shí)踐中把穿越機(jī)的原理學(xué)習(xí)結(jié)合組裝、調(diào)試、維護(hù)和維修進(jìn)行，這樣學(xué)生興趣更大，學(xué)習(xí)效率更高。例如，穿越機(jī)最容易出故障的是槳葉和電機(jī)，在學(xué)生學(xué)習(xí)更換槳葉和電機(jī)時(shí)，我讓學(xué)生結(jié)合空氣動力學(xué)的知識，討論正反的槳葉為什么要對角一致，無刷電機(jī)和有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)和區(qū)別。

2.分組進(jìn)行模擬器課程有利于提高學(xué)習(xí)效率

運(yùn)用模擬器先行訓(xùn)練是所有航模學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，也是外場飛行之前的必修課程。使用模擬器有兩個(gè)作用：一是避免摔壞飛行器，因?yàn)楹侥Ｆ鞑耐ǔ１容^輕巧，不耐碰撞，并且貴重，以模擬器進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高技術(shù)水平，確保飛行實(shí)踐成功率提高。二是提高學(xué)習(xí)效率。根據(jù)我們的實(shí)踐，分組輪流效果比單人單機(jī)更好。教師可以巡視、點(diǎn)撥、同學(xué)展示、分享學(xué)習(xí)心得，學(xué)習(xí)氣氛濃烈。

3.飛行實(shí)踐課程要循序漸進(jìn)

飛行課程要循序漸進(jìn)，注意人機(jī)安全。在實(shí)踐中，很多學(xué)生即使模擬器課程學(xué)得不錯(cuò)，但實(shí)操時(shí)仍然對操縱欠缺感覺，油門和方向舵分不清，心理緊張，手忙腳亂，造成機(jī)器摔壞，針對這種情況，我們采取以下辦法：

（1）首先以普通無人機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)練習(xí)起降、對尾、側(cè)懸、對頭、自旋等動作。我們選取大約2平方米的操作臺面，以2人為一組，輪流進(jìn)行。學(xué)生在桌面上學(xué)習(xí)起降等動作，高度在桌面以上1米左右，范圍不能走過桌面邊界。這樣的小范圍練習(xí)，保證了學(xué)生動作的精準(zhǔn)，也避免了機(jī)器摔壞。而且，集體訓(xùn)練時(shí)，場面有序，方便教師指導(dǎo)和管理，也方面同學(xué)之間觀摩學(xué)習(xí)，互相促進(jìn)。

（2）使用穿越機(jī)實(shí)踐。帶上視頻眼鏡后，很多學(xué)生對高度和方位失去判斷，我們采用兩個(gè)一組，學(xué)員佩戴視頻眼鏡，助手先手拿飛機(jī)在前方不同方位轉(zhuǎn)動，讓學(xué)生學(xué)會找參照物，判斷高度和方向。在掌握后開始真正的飛行，教師仍然要反復(fù)提醒學(xué)生通過參照物判斷自己的方位。

4.學(xué)習(xí)必備的維護(hù)技能

在學(xué)習(xí)飛行過程中，由于穿越機(jī)高速飛行，以極大的加速度進(jìn)行各種變速運(yùn)動，所以各種機(jī)件最容易出現(xiàn)故障，作為教師和學(xué)生必須學(xué)會維修簡易的故障，學(xué)會進(jìn)行調(diào)試，一方面可以加深理解機(jī)器的工作原理，另一方面，在外場訓(xùn)練和競賽時(shí)，可以緊急進(jìn)行處理，避免訓(xùn)練競賽受影響。學(xué)會排查和檢修是航模課程必不可少的內(nèi)容。

八、教學(xué)成效

根據(jù)一年的實(shí)踐，我校的穿越機(jī)航模隊(duì)在理論學(xué)習(xí)、安裝調(diào)試和飛行實(shí)踐中進(jìn)步很快，學(xué)校成立了穿越機(jī)表演隊(duì)，在校內(nèi)和校外的各種大型活動中進(jìn)行航模表演，受到熱烈歡迎。在各類型比賽中也取得了優(yōu)異成績。

九、結(jié)語

在初中校本課程中，開設(shè)FPV穿越機(jī)航模課程，學(xué)習(xí)空氣動力學(xué)、力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、信息技術(shù)等跨學(xué)科知識，實(shí)施跨學(xué)科教學(xué)，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效途徑。

[ 參? 考? 文? 獻(xiàn) ]

[1] 張飛，張佳，胡敏.基于無人機(jī)創(chuàng)客空間的課程體系研究.以江蘇省徐州技師學(xué)院為例[J].科技風(fēng)，2019年第12期.