人工智能技術(shù)下沉浸式教學(xué)模式在無人機教學(xué)中的應(yīng)用探索

[摘 要] 人工智能的飛速發(fā)展為沉浸式教學(xué)模式的應(yīng)用帶來了更多的可能性，不斷改變高校人才的培養(yǎng)模式和培養(yǎng)策略。無人機專業(yè)是一個富有現(xiàn)代人工智能技術(shù)元素的新興專業(yè)，通過設(shè)計工作任務(wù)單、制定任務(wù)規(guī)則、組織結(jié)構(gòu)化活動、完成任務(wù)單元、挑戰(zhàn)創(chuàng)意情景和創(chuàng)新任務(wù)、展示任務(wù)成果、任務(wù)評價等幾個方面教學(xué)設(shè)計，在VR和AR技術(shù)支持下實現(xiàn)了沉浸式教學(xué)模式的應(yīng)用，在無人機課程教學(xué)中取得了良好的效果。

[關(guān)鍵詞] 人工智能;VR;AR;沉浸式教學(xué)模式;無人機教學(xué)

[基金項目] 2019年度廣東省攀登計劃項目資助（pdjh2019b0678）

[作者簡介] 徐恩華（1980—），男，碩士研究生，廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院民航經(jīng)營管理學(xué)院航空機械專業(yè)副教授，主要從事航空機械自動化控制、無人機技術(shù)研究。

[中圖分類號] H195.3? ? [文獻標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0283-02? ? [收稿日期] 2019-10-30

一、背景和現(xiàn)狀

高職院校傳統(tǒng)教學(xué)培養(yǎng)模式不可避免地存在學(xué)習(xí)興趣缺失、實訓(xùn)教學(xué)形式單一、學(xué)習(xí)參與度低、創(chuàng)造和創(chuàng)新能力不足等問題，高職學(xué)生生源數(shù)量增加而質(zhì)量下降也是必須面對的現(xiàn)狀。無人機專業(yè)是21世紀(jì)新興專業(yè)，富有現(xiàn)代化人工智能技術(shù)的元素，傳統(tǒng)教學(xué)模式難以滿足新科技信息革命對人才培養(yǎng)的需求。

美國心理學(xué)家于20世紀(jì)70年代提出的沉浸式理論，是通過科技信息技術(shù)建立一種接近真實的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生在沉浸狀態(tài)中完成知識和理論的建構(gòu)。學(xué)生在沉浸式教學(xué)過程中，全身心地投入到當(dāng)前的學(xué)習(xí)情境中，在虛擬的環(huán)境中感受到真實，從而幫助學(xué)生更有深度和高效的學(xué)習(xí)。沉浸式教學(xué)的優(yōu)勢，在于能幫助教師更便捷地傳授知識，幫助學(xué)生更直觀切實地感受和理解知識的內(nèi)涵，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

二、人工智能技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用及關(guān)鍵問題

隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，VR和AR作為當(dāng)前最具活力和前景的技術(shù)，已經(jīng)成為教學(xué)模式改革創(chuàng)新中的利器。

（一）VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

VR技術(shù)可以模擬自然狀態(tài)的現(xiàn)實環(huán)境、歷史環(huán)境、未來環(huán)境，給受眾帶來極致的感官體驗。在課堂內(nèi)采用VR可以充分利用虛擬手段實現(xiàn)數(shù)字、文字、圖像、動畫以及音效等多重因素的互相融合，具有豐富的教學(xué)資源體驗和互動效果，豐富知識內(nèi)容，增強師生的人機交互、場景式學(xué)習(xí)層面，豐富沉浸式教學(xué)的內(nèi)涵，對培養(yǎng)手眼一致、精于操作、富于創(chuàng)造力和執(zhí)行力的人才大有裨益。

（二）AR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

AR技術(shù)是通過計算機軟件生成虛擬情景無縫嵌入到真實世界中，實現(xiàn)可視化和交互化，在教學(xué)中，師生通過AR眼鏡、數(shù)據(jù)手套等特殊設(shè)備進入該環(huán)境進行人機交互，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實信息增強的效果。在VR的基礎(chǔ)上，AR讓物理場景和數(shù)字化虛擬情景更好地融為一體，有更強的真實感，3D建模的工作量也大大降低，實時交互效率明顯提高，對需要快速反饋、及時追蹤的教學(xué)工作技術(shù)優(yōu)勢明顯。

（三）教學(xué)模式中的關(guān)鍵問題

1.教學(xué)目標(biāo)的變化。無人機模擬飛行這門課程，傳統(tǒng)課堂中教學(xué)的目標(biāo)是讓學(xué)生被動接受老師講授的知識。沉浸式教學(xué)模式下，我們設(shè)計的教學(xué)目標(biāo)，是以知識要點為載體，側(cè)重于學(xué)生對方法的理解和應(yīng)用的培養(yǎng)。因為知識是不限的，而方法是融會貫通的，掌握并能夠應(yīng)用方法，學(xué)生才能舉一反三、自主學(xué)習(xí)，實現(xiàn)知識的持續(xù)遷移和更新。高職院校的定位決定了我們的教學(xué)不能以理論知識為終極目標(biāo)，而是要學(xué)以致用，學(xué)生在現(xiàn)實中如何運用這些知識更重要。因此，無人機模擬飛行這門課要培養(yǎng)學(xué)生獨立制定飛行計劃、獨立操作完成飛行任務(wù)、獨立撰寫飛行報表，以用為上。

2.教學(xué)主體的變化。傳統(tǒng)課堂以教師理論講授和學(xué)生被動聽課為主，抽象且參與性低，導(dǎo)致學(xué)生上課看手機、打瞌睡的現(xiàn)象屢禁不止。為此，沉浸式教學(xué)模式以學(xué)生為主體，學(xué)生在老師的組織和引導(dǎo)下，以任務(wù)工作單為綱領(lǐng)，沉浸于模擬現(xiàn)實的情景之中，從簡入繁，逐步完成任務(wù)工作單中的任務(wù)單元。

3.教學(xué)過程的變化。傳統(tǒng)課堂基本上要么完全是理論講解，要么完全是實訓(xùn)操作，理論與實訓(xùn)是割裂的。沉浸式教學(xué)模式把“做中學(xué)”和“學(xué)中做”有機相結(jié)合，你中有我、我中有你。以學(xué)生為主體，避免了老師的照本宣科，老師通過任務(wù)工作單中的工作單元引導(dǎo)學(xué)生去探索要完成的工作任務(wù)，VR技術(shù)給出適當(dāng)?shù)姆独?，AR技術(shù)提供探索實踐的情景，邊做邊學(xué)，實現(xiàn)理實一體化教學(xué)。

三、基于VR+AR的教學(xué)平臺構(gòu)建

（一）教學(xué)場景的搭建

VR和AR設(shè)計，是沉浸式教學(xué)模式的數(shù)字開發(fā)主體部分，其設(shè)計要點包括：虛擬環(huán)境配置、教學(xué)資源整合制作、3D模型調(diào)試、多媒體資源開發(fā)制作和交互平臺。虛擬環(huán)境配置是指根據(jù)無人機模擬飛行課程的需求，通過模型調(diào)控實現(xiàn)對模擬環(huán)境因素的調(diào)配，對教學(xué)的開展和應(yīng)用環(huán)境進行檢測評估。教學(xué)資源整合制作是指將必要的理論知識點轉(zhuǎn)換成虛擬現(xiàn)實課件資源，通過掃描、編譯等手段實現(xiàn);同時，系統(tǒng)自主進行知識點與工作任務(wù)單中的任務(wù)單元的匹配。3D模型調(diào)試是指通過系統(tǒng)自動收集“學(xué)生操作→老師引導(dǎo)→學(xué)生反饋→老師校正→學(xué)生操作”循環(huán)作業(yè)數(shù)據(jù)，進行數(shù)字教學(xué)資源庫的內(nèi)容整合和更新。

（二）教學(xué)方法的設(shè)計

我們的課堂完全在無人機模擬飛行實驗室完成，改變了理論課堂的空洞枯燥的PPT模式，學(xué)生融入虛擬情景之中，直觀而深入。

在教學(xué)準(zhǔn)備階段，我們將每一堂課的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化研制成任務(wù)工作單，每個知識點對應(yīng)一個工作單元，還設(shè)計了綜合探索工作單元。我們將工作單元制定了細化規(guī)則，完成目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)等指標(biāo)。在教學(xué)過程中，采用“小組討論→各組匯報→總結(jié)評價”的教學(xué)流程。首先，老師組織學(xué)生分組，將任務(wù)單元分散到每一個小組，展開討論和提出解決方案，并嘗試執(zhí)行方案，達到解決任務(wù)的目的;然后，各組集中展示任務(wù)，各組派出一名代表分享組內(nèi)的成果，學(xué)生之間可以進行互動性評價，同時，老師可以介入評價，教師引導(dǎo)學(xué)生把新學(xué)的知識與之前的知識聯(lián)系在一起，加深印象，堅實知識框架。

（三）教學(xué)質(zhì)量評價機制

教學(xué)質(zhì)量評價包含了師生雙方的教和學(xué)的用戶體驗、反饋和評價三個方面，從“數(shù)字教學(xué)資源應(yīng)用、多媒體課件展示、師生互動、模擬操作、任務(wù)單元訓(xùn)練、資源處理”六個環(huán)節(jié)進行教學(xué)質(zhì)量的評價。評價不僅關(guān)注教學(xué)結(jié)果，也關(guān)注教學(xué)過程。評價的重點是工作任務(wù)單的完成度和學(xué)生單項能力的鞏固與綜合能力的提升。具體評價方法采用學(xué)生自評、教師自評、同行評價相結(jié)合，通過完成任務(wù)單元過程中的設(shè)計、表達、操作、協(xié)作能力的表現(xiàn)情況，給出評價。

四、總結(jié)

基于VR和AR技術(shù)支持下實現(xiàn)的無人機專業(yè)模擬飛行課程沉浸式教學(xué)模式是切實可行的，在教學(xué)中調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性和積極性，激發(fā)了學(xué)生的想象力和創(chuàng)新力，同時，也激發(fā)了教師在教研過程中對人工智能新技術(shù)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用的熱情，提高了教研水平。

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Exploration on the Application of the Immersive Teaching Model in UAV Teaching with Artificial Intelligence Technology

XU En-hua

（School of Civil Aviation Management，Guangzhou Civil Aviation Vocational and Technical College，Guangzhou，Guangdong 510403，China）

Abstract：The rapid development of artificial intelligence has brought more possibilities to the application of the immersive teaching model，and constantly changed the talent training model and strategies in colleges and universities.UAV is a new major rich in modern artificial intelligence technology elements.Assisted by the VR and AR technology，the immersive model is applied in the UAV teaching through designing task lists，formulating task rules，organizing structured activities，completing task units，challenging creative scenarios and innovative tasks，displaying task results，task evaluation and other aspects，and has achieved good results.

Key words：artificial intelligence;VR;AR;immersive teaching model;UAV teaching