“無(wú)人機(jī)飛行原理”課程“理實(shí)一體化”教學(xué)設(shè)計(jì)研究＊

王 浩，虞君錨

（浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能安防學(xué)院，浙江 溫州325000）

近年來(lái)，隨著民用無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)在各行業(yè)的應(yīng)用表現(xiàn)出顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，例如航拍、測(cè)繪、植保、電力巡檢、安防、應(yīng)急等各行業(yè)均對(duì)無(wú)人機(jī)有一定的使用需求[1]。無(wú)人機(jī)相較于有人駕駛飛機(jī)，簡(jiǎn)單的操縱方式大大降低了其使用門(mén)檻。在這一新形式下，浙江省于2019年新設(shè)立無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)，經(jīng)過(guò)2年發(fā)展，浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院該專(zhuān)業(yè)的建設(shè)與人才培養(yǎng)逐漸完善。其中“無(wú)人機(jī)飛行原理”作為本專(zhuān)業(yè)核心課程，理論性強(qiáng)而且學(xué)習(xí)難度較大，是學(xué)生比較“畏懼”的課程，為提升教學(xué)效果，教學(xué)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)研與實(shí)踐，結(jié)合學(xué)院具體情況，進(jìn)行了“理實(shí)一體化”的教學(xué)改革設(shè)計(jì)，極大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)效果，逐漸成為受學(xué)生歡迎的課程，取得了比較好的教改效果。

1 課程基本情況

無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)是中國(guó)普通高等學(xué)校專(zhuān)科專(zhuān)業(yè)，“無(wú)人機(jī)飛行原理”是該專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課程。該課程以無(wú)人機(jī)飛行基本理論和分析方法為學(xué)習(xí)對(duì)象，要求學(xué)生掌握力學(xué)分析在飛行原理當(dāng)中的應(yīng)用，旨在提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)，提升理論聯(lián)系實(shí)踐、全面分析和解決問(wèn)題的能力，能為后續(xù)其他專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。在教學(xué)安排中，該課程開(kāi)設(shè)在大一上學(xué)期，學(xué)生在學(xué)完本課程以后，要求學(xué)生在知識(shí)上能夠掌握無(wú)人機(jī)飛行的基本原理，飛行力學(xué)的基本分析方法，了解基礎(chǔ)的飛行性能；技能上可以查閱相關(guān)資料，進(jìn)行獨(dú)立思考，理論指導(dǎo)實(shí)踐，深入鉆研無(wú)人機(jī)相關(guān)穩(wěn)定飛行與安全飛行問(wèn)題；思想上可以繼承和發(fā)揚(yáng)中國(guó)的航空精神。

傳統(tǒng)航空類(lèi)專(zhuān)業(yè)“飛行原理”課程，常以空氣動(dòng)力學(xué)特性在飛機(jī)上的應(yīng)用為主線，著重講解固定翼飛機(jī)的飛行原理[2-3]，而該課程的特點(diǎn)是以空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)，重點(diǎn)講解不同無(wú)人機(jī)平臺(tái)的飛行原理。在課程結(jié)構(gòu)上，主要分為空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)和飛行原理2個(gè)模塊?？諝鈩?dòng)力學(xué)基礎(chǔ)模塊主要分為大氣知識(shí)、低速氣流特性、翼型空氣動(dòng)力、螺旋槳空氣動(dòng)力4部分的內(nèi)容。飛行原理模塊包括3個(gè)子模塊，分別為固定翼飛行原理、單旋翼飛行原理以及多旋翼飛行原理，每個(gè)子模塊的具體內(nèi)容包括運(yùn)動(dòng)方程、飛行性能、平衡性、穩(wěn)定性以及操縱性等，通過(guò)包含不同飛行平臺(tái)的飛行原理，構(gòu)成了完整的“無(wú)人機(jī)飛行原理”課程體系。

2 教學(xué)存在的問(wèn)題

“無(wú)人機(jī)飛行原理”課程具有理論性強(qiáng)、難度大2個(gè)特點(diǎn)。理論性強(qiáng)主要是由課程內(nèi)容所決定的，無(wú)論何種平臺(tái)的無(wú)人機(jī)，其飛行原理的基礎(chǔ)均為受力分析，該力主要為飛行中的空氣動(dòng)力，因此教學(xué)內(nèi)容必須以空氣動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)[4-5]。難度大體現(xiàn)在知識(shí)結(jié)構(gòu)環(huán)環(huán)相扣，互相聯(lián)系，并且需要較深的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)才能對(duì)基礎(chǔ)理論有全面認(rèn)識(shí)，因此學(xué)習(xí)難度較大。圍繞這2個(gè)特點(diǎn)，通過(guò)學(xué)情分析，對(duì)該課程的教學(xué)現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)以往教學(xué)效果不理想的主要原因體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 課程知識(shí)抽象，難以理解

空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)模塊公式多，涉及到較難的微積分，一些結(jié)論比較抽象，學(xué)習(xí)起來(lái)枯燥乏味。此外由于課程內(nèi)容連貫性較強(qiáng)，而學(xué)生的基礎(chǔ)和接受程度不一，部分學(xué)生跟不上課堂節(jié)奏，就容易分神導(dǎo)致無(wú)法形成完整的知識(shí)體系，久而久之跟不上進(jìn)度就失去對(duì)課程的興趣。飛行原理模塊涉及較多的飛行力學(xué)內(nèi)容，比如平衡性和穩(wěn)定性等比較抽象的知識(shí)，在教學(xué)中是學(xué)生難理解的內(nèi)容，學(xué)完后，部分學(xué)生一知半解，無(wú)法解決實(shí)際中遇到的一些問(wèn)題。

2.2 課堂以講授為主，效果不佳

借鑒了一些本科專(zhuān)業(yè)“飛行原理”的教學(xué)方法，課堂以講授理論知識(shí)為主，強(qiáng)調(diào)公式，學(xué)生容易疲勞，而且興趣不高，并且發(fā)現(xiàn)一些學(xué)生記筆記時(shí)會(huì)忽略教師講解，也會(huì)降低課堂效果。事實(shí)上這種方式不利于激發(fā)學(xué)生探索飛行原理的興趣，也不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性發(fā)散思維。此外，教師過(guò)多的講授在一定程度上抑制了學(xué)生的主觀能動(dòng)性，導(dǎo)致學(xué)生在課前課后往往不愿意再主動(dòng)學(xué)習(xí)，導(dǎo)致課堂效果的進(jìn)一步下降。

2.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)缺失，重理輕實(shí)

由于無(wú)人機(jī)專(zhuān)業(yè)設(shè)立時(shí)間較短，相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)建設(shè)尚不完善，包括實(shí)訓(xùn)室的建設(shè)、實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)的編寫(xiě)、實(shí)訓(xùn)過(guò)程管理等。通過(guò)與學(xué)生溝通交流，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)更感興趣，更愿意在實(shí)踐中進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如，飛行原理模塊中的無(wú)人機(jī)的操縱性完全依賴(lài)于實(shí)踐環(huán)節(jié)，但在授課中往往也以講授為主，忽視了學(xué)生的興趣點(diǎn)，也忽略了實(shí)踐的重要地位。

2.4 評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)不完善，導(dǎo)向性差

學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)采用閉卷考試的單一方式進(jìn)行，這種評(píng)價(jià)模式簡(jiǎn)單、高效，但缺乏對(duì)教學(xué)全程的關(guān)注。學(xué)生采用死記硬背的方式往往更容易通過(guò)考試，這就導(dǎo)致其對(duì)平時(shí)課程不在意，更多是考前突擊，而知識(shí)的綜合應(yīng)用和實(shí)踐能力幾乎得不到提升[6]。

3 “理實(shí)一體化”教學(xué)設(shè)計(jì)

結(jié)合專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和課程目標(biāo)，針對(duì)教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了“理實(shí)一體化”的課堂教學(xué)，即理論實(shí)踐一體化的教學(xué)模式。該方式在一定程度上解決了理論與實(shí)踐脫節(jié)現(xiàn)象，強(qiáng)調(diào)發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，在課堂授課時(shí)設(shè)定教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)，教、學(xué)、做同步進(jìn)行，使理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相互融合，從而提高教學(xué)效果。在整個(gè)課程教學(xué)過(guò)程中，理論教學(xué)和學(xué)生實(shí)操交替進(jìn)行，抽象和直觀交錯(cuò)出現(xiàn)，使學(xué)生始終保持好奇心和學(xué)習(xí)興趣。此外，在實(shí)踐教學(xué)中以分小組比賽的方式更能激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性[2]，將比賽成績(jī)計(jì)入課程考核評(píng)價(jià)成績(jī)，能全面反映學(xué)生的知識(shí)掌握和應(yīng)用能力，使課程學(xué)習(xí)脫離死記硬背。具體教學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 理論教學(xué)

在課堂教學(xué)過(guò)程中重新梳理知識(shí)結(jié)構(gòu)，弱化公式的推導(dǎo)，加強(qiáng)理論的來(lái)源和應(yīng)用講解。尤其是在講解空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)時(shí)，引入大量試驗(yàn)增強(qiáng)課程趣味性，先理后實(shí)或先實(shí)后理均能使課堂內(nèi)容豐富飽滿。例如：在學(xué)習(xí)低速氣流特性時(shí)，引入“吹紙”試驗(yàn)、“吹硬幣”試驗(yàn)，使連續(xù)性定理和伯努利定理的講解生動(dòng)起來(lái)；布置開(kāi)放性作業(yè)，足球運(yùn)動(dòng)中的“香蕉球”如何用學(xué)過(guò)的原理解釋?zhuān)靡恍┥钪谐Ｒ?jiàn)的現(xiàn)象進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的遷移和應(yīng)用能力；在講解翼型壓力分布時(shí)，采用虛擬仿真的手段，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件計(jì)算出不同的翼型和在不同迎角下的壓力分布云圖，通過(guò)讀取翼型在不同位置處的壓力幫助學(xué)生理解，使抽象的知識(shí)變得直觀具體；在講解翼型升力時(shí)，采用簡(jiǎn)易的風(fēng)洞裝置，演示空氣流速對(duì)翼型升力的影響；在講解飛行原理時(shí)引入模擬飛行軟件，通過(guò)模擬飛行使學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的運(yùn)用有直接的感受等措施來(lái)保證課堂教學(xué)效果。

此外，在理論教學(xué)的課程設(shè)計(jì)中，采用“課證融通”為設(shè)計(jì)理念。為使課程內(nèi)容能夠進(jìn)一步對(duì)接無(wú)人機(jī)駕駛員證書(shū)，將課程內(nèi)容進(jìn)行梳理，按照民航局無(wú)人機(jī)駕駛員證書(shū)類(lèi)型把課程劃分出3個(gè)主要模塊：固定翼無(wú)人機(jī)飛行原理、單旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理和多旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理。在授課過(guò)程中，每完成一個(gè)模塊的相關(guān)教學(xué)任務(wù)，便組織學(xué)生進(jìn)行相關(guān)的理論考試題庫(kù)練習(xí)，以作業(yè)形式和課堂測(cè)評(píng)進(jìn)行學(xué)習(xí)效果檢查，及時(shí)查漏補(bǔ)缺，有利于學(xué)生考取相應(yīng)的職業(yè)技能證書(shū)。

3.2 實(shí)踐教學(xué)

該部分重在加強(qiáng)學(xué)生的理論應(yīng)用能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，對(duì)于理論與實(shí)踐聯(lián)系比較緊密的知識(shí)點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)與課程緊密相關(guān)的實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，本課程共設(shè)計(jì)4個(gè)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。

第一個(gè)實(shí)訓(xùn)為折紙飛機(jī)競(jìng)賽，安排在空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)講授之后，具體要求是根據(jù)所學(xué)知識(shí)制作紙飛機(jī)參加相應(yīng)賽道的比賽，共4個(gè)賽道分別為：①拋出紙飛機(jī)后，飛行直線距離遠(yuǎn)；②拋出紙飛機(jī)后，滯空時(shí)間久；③拋出紙飛機(jī)后，經(jīng)盤(pán)旋一周，能夠用手接回；④拋出紙飛機(jī)后，用推板可以推著懸浮的紙飛機(jī)前進(jìn)。同學(xué)們通過(guò)折紙的形式，結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，綜合考慮紙飛機(jī)的重心布局，翼面形狀來(lái)設(shè)計(jì)不同性能的紙飛機(jī)。通過(guò)比賽的方式，可以很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性[7]。采用這種以賽促學(xué)的形式，進(jìn)一步提升了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。

第二個(gè)實(shí)訓(xùn)為固定翼無(wú)人機(jī)模擬器飛行練習(xí)，安排在固定翼無(wú)人機(jī)飛行原理講解過(guò)程中，具體要求是根據(jù)固定翼操縱性知識(shí)完成固定翼無(wú)人機(jī)五邊航線飛行。五邊航線飛行是一項(xiàng)基礎(chǔ)飛行科目，可以練習(xí)固定翼無(wú)人機(jī)的起飛和著陸技巧，直線飛行技巧以及轉(zhuǎn)彎技巧。通過(guò)實(shí)際的操縱，可以對(duì)理論知識(shí)有直觀的體會(huì)，例如：起飛過(guò)程如果飛機(jī)飛行速度過(guò)小，拉升降舵很難使飛機(jī)起飛，那么學(xué)生就能聯(lián)系所學(xué)的升力公式對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行解釋?zhuān)晦D(zhuǎn)彎的過(guò)程需要操控副翼，利用模擬器可以觀察到機(jī)翼左右兩側(cè)的副翼發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，進(jìn)一步通過(guò)可以判斷左右兩側(cè)機(jī)翼升力的大小，從而將飛機(jī)的操縱行為與力學(xué)分析相聯(lián)系，做到理實(shí)一體化教學(xué)。

第三個(gè)實(shí)訓(xùn)為固定翼航模的制作[8]，安排在固定翼無(wú)人機(jī)飛行原理講授之后，具體要求是根據(jù)所學(xué)知識(shí)分小組制作一架航模，進(jìn)行調(diào)試試飛，并結(jié)合模擬器的練習(xí)，最終完成組裝航模的五邊航線飛行。該實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)屬于綜合性教學(xué)內(nèi)容，也可作為課程的大作業(yè)，主要包括3個(gè)部分：KT板航模的設(shè)計(jì)與組裝、電子系統(tǒng)的安裝與調(diào)試及五邊航線的飛行與測(cè)試。該實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)成績(jī)由學(xué)生進(jìn)行投票評(píng)價(jià)進(jìn)行賦分，分別由同學(xué)們?yōu)楦鹘M的作品進(jìn)行評(píng)分，結(jié)果能夠相對(duì)公正地評(píng)判同學(xué)們的實(shí)踐能力與綜合應(yīng)用能力。

第四個(gè)實(shí)訓(xùn)為多旋翼無(wú)人機(jī)模擬器飛行練習(xí)，安排在多旋翼無(wú)人機(jī)飛行原理講授之后，具體要求是根據(jù)所學(xué)知識(shí)能夠完成多旋翼的懸停、圓軌跡飛行、8字飛行等動(dòng)作。多旋翼無(wú)人機(jī)的飛行原理理論相對(duì)簡(jiǎn)單，在完成相應(yīng)的理論學(xué)習(xí)后，迅速進(jìn)入實(shí)訓(xùn)的環(huán)節(jié)可以使學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)問(wèn)題，知識(shí)掌握程度迅速加深，這些環(huán)節(jié)極大調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3.3 課堂思政

在飛行原理教學(xué)過(guò)程中，還深入挖掘了與飛行原理相關(guān)的課堂思政，通過(guò)講解原理背后蘊(yùn)含的思政元素，使學(xué)生掌握技能的同時(shí)，思想認(rèn)識(shí)也能得到升華，進(jìn)一步提升了教學(xué)效果。由于航空領(lǐng)域發(fā)生事故代價(jià)成本非常高，因此很重視總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，從而避免空難的再次發(fā)生，所以本課程思政的切入點(diǎn)是空難事故分析。空難視頻對(duì)學(xué)生的震撼力強(qiáng)，理清空難背后原理因激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，也能培養(yǎng)學(xué)生具備無(wú)人機(jī)安全操縱的意識(shí)。教學(xué)中，針對(duì)不同的知識(shí)內(nèi)容安排播放不同的空難視頻，學(xué)生往往會(huì)因好奇和緊張而提高注意力，更想要了解事故背后所蘊(yùn)藏的知識(shí)。然后通過(guò)空難事故分析，讓學(xué)生了解了事故原因，由于大部分飛行事故都跟飛行環(huán)境或者跟操作不當(dāng)相關(guān)，通過(guò)層層分析最終引入到飛行原理當(dāng)中，會(huì)給學(xué)生留下深刻印象。這種精神也會(huì)指引學(xué)生進(jìn)一步地去學(xué)習(xí)，挖掘背后的原理。將飛行原理知識(shí)點(diǎn)和航空空難故事原因相結(jié)合，會(huì)讓教學(xué)內(nèi)容變的更加豐富，更加有吸引力。

3.4 考核評(píng)價(jià)

為了客觀公正地對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，設(shè)計(jì)了全面的考核方式，主要包括30%的平時(shí)成績(jī)、40%的實(shí)訓(xùn)成績(jī)和30%的筆試成績(jī)3個(gè)部分。平時(shí)成績(jī)包括出勤率、課堂表現(xiàn)及作業(yè)3方面；實(shí)訓(xùn)成績(jī)以競(jìng)賽結(jié)果賦分，競(jìng)賽結(jié)果由教師和學(xué)生共同評(píng)判，進(jìn)一步提升學(xué)生參與感和責(zé)任感；筆試部分來(lái)源為無(wú)人機(jī)駕駛員題庫(kù)、課程基礎(chǔ)知識(shí)、擴(kuò)展應(yīng)用等。這種考核方式可以貫穿整個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，避免了部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中渾水摸魚(yú)，實(shí)現(xiàn)了集中考核向過(guò)程性考核的遷移[4]。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)“無(wú)人機(jī)飛行原理”課程的“理實(shí)一體化”設(shè)計(jì)，解決了理論知識(shí)抽象，難理解的難題，對(duì)課堂內(nèi)容的重新設(shè)計(jì)提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與度，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和接受程度均大幅提升，實(shí)踐教學(xué)的實(shí)施使課程目標(biāo)實(shí)現(xiàn)得到進(jìn)一步加強(qiáng)，全面的考核評(píng)價(jià)體系使學(xué)生的注意力始終與課程保持同步，這些措施促使教學(xué)效果得到了全面提升。