基于虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂的中職無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試教學(xué)探索

緱夢(mèng)珂 唐嬌 盧堯

摘? 要? 通過(guò)分析無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試課程資源建設(shè)的不足，借助虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)以及線上線下結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，構(gòu)建基于虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂的無(wú)人機(jī)組裝項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施與評(píng)價(jià)體系，旨在提升中職學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，解決因無(wú)人機(jī)專業(yè)裝備數(shù)量不足導(dǎo)致的理論與實(shí)踐分離等問(wèn)題，培養(yǎng)具備創(chuàng)新和實(shí)踐能力的無(wú)人機(jī)專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞? 虛擬仿真；翻轉(zhuǎn)課堂；項(xiàng)目教學(xué)法；中職；無(wú)人機(jī)

組裝與調(diào)試；微課

中圖分類號(hào)：G712? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）09-0047-04

0? 引言

無(wú)人機(jī)行業(yè)的高速發(fā)展需要大批的專業(yè)人才，為了順應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，教育部發(fā)布《職業(yè)教育專業(yè)目錄（2021年）》，將“無(wú)人機(jī)操控與維護(hù)”作為中等職業(yè)教育新增專業(yè)列入裝備制造大類下的航空裝備類，包括無(wú)人機(jī)裝配、無(wú)人機(jī)修理、無(wú)人機(jī)應(yīng)用、無(wú)人機(jī)操控四大方向。無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試作為無(wú)人機(jī)操控與維護(hù)專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，存在教材及實(shí)踐指導(dǎo)匱乏、教學(xué)資源缺乏、教學(xué)方法單一、教學(xué)方式落后等問(wèn)題。目前除了無(wú)人機(jī)培訓(xùn)的市場(chǎng)正逐步完善規(guī)范外，無(wú)人機(jī)組裝、調(diào)試等核心課程都處于相對(duì)空白的狀態(tài)，沒(méi)有規(guī)范的教學(xué)體系，沒(méi)有合適的教學(xué)課件，缺少相應(yīng)的理實(shí)一體化書籍及實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)材料[1]。因此，探索新的教學(xué)模式、教學(xué)方法以及應(yīng)用新興的信息科學(xué)技術(shù)來(lái)改善目前的無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試課程，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試傳統(tǒng)課堂中，理論知識(shí)講解占據(jù)大部分時(shí)間，不僅形式單調(diào)，而且不利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，無(wú)法體現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主體地位。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式和項(xiàng)目教學(xué)法則可以很好地協(xié)調(diào)理論與實(shí)踐的教學(xué)，尤其適用于理實(shí)一體化教學(xué)。此外，無(wú)人機(jī)組裝調(diào)試教學(xué)需要學(xué)生了解無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)、學(xué)會(huì)組裝調(diào)試，現(xiàn)實(shí)卻是無(wú)人機(jī)的價(jià)格比較昂貴，無(wú)人機(jī)設(shè)備數(shù)量有限，很難做到讓每位學(xué)生去學(xué)習(xí)拆裝無(wú)人機(jī)。而通過(guò)虛擬仿真軟件則可以有效解決這方面的問(wèn)題，虛擬仿真營(yíng)造的新型學(xué)習(xí)環(huán)境也有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1? 研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，圍繞無(wú)人機(jī)人才創(chuàng)新與實(shí)踐能力的培養(yǎng)，國(guó)內(nèi)學(xué)者做了很多有益嘗試。例如：周虹等[2]建設(shè)了融入“互聯(lián)網(wǎng)+”的開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)與管理模式，基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行控制實(shí)驗(yàn)；董超[3]進(jìn)行了航拍無(wú)人機(jī)虛擬仿真訓(xùn)練平臺(tái)的選擇、模型的設(shè)計(jì)、交互方式的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了通過(guò)無(wú)人機(jī)建模并進(jìn)行交互的可行性；褚麗娜等[4]以Unity 3D作為虛擬開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)課程交互課件的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)演示、安裝與拆卸等功能；王安成等[5]采用混合式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂變革課堂教學(xué)模式，在無(wú)人機(jī)拆裝訓(xùn)練上，基于15套真實(shí)的多旋翼飛行器套件，搭建了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)拆裝訓(xùn)練平臺(tái)。

目前，無(wú)人機(jī)專業(yè)的教學(xué)改革仍處于探索中，尚未形成體系化的教學(xué)模式、教學(xué)方法，特別是對(duì)于無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試課程的開(kāi)發(fā)建設(shè)非常少。在無(wú)人機(jī)專業(yè)教學(xué)中，項(xiàng)目教學(xué)法和翻轉(zhuǎn)課堂顯示出較好的效果，虛擬仿真技術(shù)作為輔助教學(xué)的技術(shù)手段，多應(yīng)用于無(wú)人機(jī)的飛行操控，與無(wú)人機(jī)組裝教學(xué)的結(jié)合較少。本文將虛擬仿真技術(shù)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式和項(xiàng)目教學(xué)法結(jié)合，以中職無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試課程中的四旋翼無(wú)人機(jī)組裝為例，構(gòu)建基于虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目教學(xué)法實(shí)施與評(píng)價(jià)體系，為無(wú)人機(jī)專業(yè)教學(xué)提供參考。

2? 基于虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目教學(xué)法構(gòu)建

2.1? 搭建虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)

在Cinema 4D三維建模軟件中建好無(wú)人機(jī)三維模型，四旋翼無(wú)人機(jī)三維模型視圖如圖1所示，最終導(dǎo)出模型為.FBX格式。將Cinema 4D中導(dǎo)出的模型和貼圖文件放到Unity工程文件夾下的assets文件夾中，在Unity 3D中實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的動(dòng)態(tài)裝配與交互控制。

2.2? 線上線下結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式

翻轉(zhuǎn)課堂是一種應(yīng)用廣泛的教學(xué)模式，翻轉(zhuǎn)是指師生角色、課堂授課和課后內(nèi)化的翻轉(zhuǎn)[6]。在翻轉(zhuǎn)課堂式教學(xué)模式下，學(xué)生在課前或課外借助網(wǎng)絡(luò)資源等方式自主學(xué)習(xí)，教師占用更少的課堂時(shí)間傳授理論知識(shí)，教室可以成為學(xué)生與教師之間相互交流的好地方。

無(wú)人機(jī)專業(yè)是一個(gè)實(shí)踐性非常強(qiáng)的專業(yè)，若在課堂中分配過(guò)多的時(shí)間進(jìn)行理論講解，不僅減少了學(xué)生實(shí)踐的時(shí)間，還容易造成理論與實(shí)踐的分離。在無(wú)人機(jī)專業(yè)教學(xué)中引入線上線下結(jié)合的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，課前，學(xué)生通過(guò)各種網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)自主學(xué)習(xí)，教師則可以借助這些平臺(tái)和學(xué)生建立線上的教學(xué)聯(lián)系，如在學(xué)習(xí)通上發(fā)放作業(yè)、測(cè)試、教學(xué)微視頻、無(wú)人機(jī)相關(guān)理論介紹。課前，學(xué)生自主學(xué)習(xí)完成無(wú)人機(jī)的理論知識(shí)學(xué)習(xí)，清楚自己的知識(shí)困惑點(diǎn)，有利于課堂針對(duì)性學(xué)習(xí)；教師通過(guò)分析線上學(xué)生完成作業(yè)和測(cè)試情況，也可以了解學(xué)生對(duì)于無(wú)人機(jī)理論知識(shí)的掌握程度。在學(xué)生具備一定的理論知識(shí)后，教師在課堂上借助仿真軟件為學(xué)生展示無(wú)人機(jī)的零部件，讓學(xué)生了解無(wú)人機(jī)的基本構(gòu)造、構(gòu)件的功能和無(wú)人機(jī)的組裝過(guò)程，使得學(xué)生對(duì)于無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)有更清楚更形象的認(rèn)識(shí)，在課堂上更多地進(jìn)行組裝練習(xí)。

2.3? 基于虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目教學(xué)法

項(xiàng)目教學(xué)法是師生通過(guò)共同實(shí)施一個(gè)完整的項(xiàng)目工作而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)[7]。項(xiàng)目教學(xué)法的核心是在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生去尋找得到結(jié)果的途徑，最終得到這個(gè)結(jié)果并進(jìn)行展示和自我評(píng)價(jià)。學(xué)生學(xué)習(xí)的重點(diǎn)在學(xué)習(xí)過(guò)程而非學(xué)習(xí)結(jié)果，在這個(gè)過(guò)程中鍛煉各種能力。無(wú)人機(jī)項(xiàng)目的實(shí)踐性較強(qiáng)，在項(xiàng)目教學(xué)過(guò)程中應(yīng)該以教師線下授課為輔，以開(kāi)展課堂單人特訓(xùn)與小組活動(dòng)為主；以教師指導(dǎo)為輔，以學(xué)生自我探究分析為主。中等職業(yè)院校所開(kāi)設(shè)的無(wú)人機(jī)專業(yè)包含無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試課程，通過(guò)無(wú)人機(jī)組裝讓學(xué)生真正理解無(wú)人機(jī)理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力。

基于仿真技術(shù)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，教學(xué)互動(dòng)性強(qiáng)，仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)靈活，仿真效果接近工程實(shí)際，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)條件的制約，可以極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展學(xué)習(xí)思路，為學(xué)生探索式、主動(dòng)式自主學(xué)習(xí)提供可靠的幫助與平臺(tái)[8]。將翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念融入項(xiàng)目式教學(xué)，可以使學(xué)生通過(guò)課前對(duì)網(wǎng)絡(luò)課件的自主學(xué)習(xí)來(lái)減少教師課堂講授時(shí)間，增加學(xué)生課堂參與項(xiàng)目實(shí)踐的時(shí)間[9]。將仿真技術(shù)、翻轉(zhuǎn)課堂和項(xiàng)目教學(xué)法三者相結(jié)合，有助于促進(jìn)中職無(wú)人機(jī)專業(yè)的教學(xué)。

3? 基于虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施與評(píng)價(jià)

以中職無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試課程中四旋翼無(wú)人機(jī)組裝為例，基于虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)法的實(shí)施與評(píng)價(jià)。

3.1? 四旋翼無(wú)人機(jī)組裝項(xiàng)目教學(xué)實(shí)施

四旋翼無(wú)人機(jī)組裝項(xiàng)目教學(xué)要為學(xué)生提供真實(shí)的或模擬的職業(yè)實(shí)踐環(huán)境。本文基于虛擬仿真與翻轉(zhuǎn)課堂進(jìn)行項(xiàng)目教學(xué)的實(shí)施步驟設(shè)計(jì)，如圖2所示。

課前，學(xué)生完成教師在學(xué)習(xí)通上傳的學(xué)習(xí)任務(wù)，觀看無(wú)人機(jī)微課并完成相應(yīng)測(cè)試，觀看無(wú)人機(jī)零部件三維模型和無(wú)人機(jī)組裝三維動(dòng)畫，掌握無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)與組裝的基礎(chǔ)知識(shí)；教師選取四旋翼無(wú)人機(jī)組裝的教學(xué)項(xiàng)目，依據(jù)教學(xué)安排分配課時(shí)，準(zhǔn)備好教學(xué)虛擬仿真環(huán)境，依據(jù)學(xué)生程度組建小組，使得每組學(xué)習(xí)能力水平相當(dāng)，選出組長(zhǎng)，為組內(nèi)成員分配任務(wù)。課堂上，教師先進(jìn)行知識(shí)技能答疑，提出項(xiàng)目要求，每位學(xué)生在電腦上利用Unity仿真模擬四旋翼無(wú)人機(jī)裝配。在了解無(wú)人機(jī)組裝方法后，讓學(xué)生以課前分好的小組為單位開(kāi)展合作討論，在仿真軟件上完成四旋翼無(wú)人機(jī)的模型設(shè)計(jì)與組裝并進(jìn)行小組成果展示。

學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中掌握無(wú)人機(jī)的組裝后，通過(guò)校企合作，為企業(yè)組裝無(wú)人機(jī)。師生走進(jìn)企業(yè)參觀學(xué)習(xí)，了解企業(yè)的需求，確定無(wú)人機(jī)的定位、選型、選材，確定項(xiàng)目作品樣本。小組對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行分層，設(shè)立子項(xiàng)目，制定項(xiàng)目完成的時(shí)間，開(kāi)始項(xiàng)目作品制作。學(xué)生以小組為單位給無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)造型，之后以小組為單位去市場(chǎng)購(gòu)買零部件。小組按照組裝步驟，遵循組裝工藝組裝機(jī)架、機(jī)臂、螺旋槳、保護(hù)罩、連接導(dǎo)線等。

在學(xué)生進(jìn)行無(wú)人機(jī)組裝項(xiàng)目的過(guò)程中，要堅(jiān)持學(xué)生主體，讓學(xué)生來(lái)制作完成，教師發(fā)揮主導(dǎo)作用，適時(shí)地給予學(xué)生指導(dǎo)與協(xié)助。學(xué)生完成無(wú)人機(jī)的組裝后將無(wú)人機(jī)交給企業(yè)進(jìn)行質(zhì)量檢查，在企業(yè)給予反饋意見(jiàn)后進(jìn)行修改完善，直到達(dá)到企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求為止。學(xué)生按照企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和要求完成項(xiàng)目任務(wù)，既能培養(yǎng)自信心和責(zé)任心，也可以在學(xué)習(xí)過(guò)程中培養(yǎng)工匠精神。若學(xué)校未接到企業(yè)的項(xiàng)目，則無(wú)人機(jī)組裝的項(xiàng)目主要在虛擬仿真軟件中進(jìn)行。項(xiàng)目不要求必須是完整的產(chǎn)品，其選取不應(yīng)過(guò)多依賴苛刻的實(shí)踐條件，更不一定要求是來(lái)自真實(shí)的企業(yè)，只要能達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的，模擬項(xiàng)目也可以，真實(shí)與模擬相結(jié)合可以增加項(xiàng)目來(lái)源[10]，有助于無(wú)人機(jī)組裝項(xiàng)目教學(xué)的順利實(shí)施。

3.2? 項(xiàng)目教學(xué)法教學(xué)評(píng)價(jià)

教學(xué)評(píng)價(jià)是項(xiàng)目教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)教學(xué)起到評(píng)估與導(dǎo)向作用。教學(xué)過(guò)程包括教師的教與學(xué)生的學(xué)，教學(xué)評(píng)價(jià)的對(duì)象既包括學(xué)生，也包括教師。表1和表2通過(guò)數(shù)據(jù)模擬，在評(píng)價(jià)內(nèi)容、評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)主體上分別對(duì)學(xué)生和教師進(jìn)行評(píng)價(jià)，總分?jǐn)?shù)采用加權(quán)百分制。此外，在評(píng)價(jià)方法上，教師要尊重學(xué)生個(gè)體差異，進(jìn)行分層評(píng)價(jià)，加大弱勢(shì)評(píng)價(jià)，促進(jìn)全面發(fā)展。表1是學(xué)生考核評(píng)價(jià)表示例，家長(zhǎng)和企業(yè)不參與對(duì)學(xué)生課堂實(shí)踐表現(xiàn)的評(píng)價(jià)。該組學(xué)生組裝成果良好，積極參與課堂實(shí)踐，要鼓勵(lì)其積極考取職業(yè)技能證書。表2是教師考核評(píng)價(jià)表示例，該教師的教學(xué)能力和科研能力較好，師德師風(fēng)良好，但產(chǎn)學(xué)研融合度不高，校企合作度不高。

4? 結(jié)束語(yǔ)

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式下，學(xué)生課前自主進(jìn)行無(wú)人機(jī)組裝項(xiàng)目的相關(guān)理論學(xué)習(xí)，課堂上用更多的時(shí)間進(jìn)行實(shí)踐；教師在課堂上以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中進(jìn)行四旋翼無(wú)人機(jī)組裝設(shè)計(jì)，之后與企業(yè)合作，以實(shí)際的四旋翼無(wú)人機(jī)組裝項(xiàng)目為任務(wù)，讓學(xué)生通過(guò)小組合作最終做出實(shí)物作品。通過(guò)校企合作，將學(xué)生小組合作設(shè)計(jì)組裝的無(wú)人機(jī)直接應(yīng)用于無(wú)人機(jī)企業(yè)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新的積極性，培養(yǎng)其職業(yè)精神。運(yùn)用基于虛擬仿真和翻轉(zhuǎn)課堂的項(xiàng)目教學(xué)法，線上線下結(jié)合，讓學(xué)生從仿真到實(shí)物、從校園到企業(yè)，以項(xiàng)目促進(jìn)專業(yè)技能的培養(yǎng)，真正做到以學(xué)生為主體，促進(jìn)教與學(xué)。

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