建設(shè)無人機植保場景化教學(xué)的路徑探析

職業(yè)教育肩負著為國家培養(yǎng)高素質(zhì)技能人才的重任。無人機植保因其具有高效智能、防治效果好、成本低、安全性高等優(yōu)點，已成為農(nóng)林植保的主要方式。但因無人機植保技術(shù)涉及無人機、農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)等多個學(xué)科內(nèi)容，跨學(xué)科師資力量薄弱，且教學(xué)起步相對較晚、經(jīng)驗缺乏，培養(yǎng)效果亟待增強，急需無人機植保方面的高素質(zhì)專業(yè)化人才。培養(yǎng)模式還在探索階段。河南機電職業(yè)學(xué)院工作人員提出場景化教學(xué)模式，探析實施路徑，以期為無人機植保教學(xué)提供一些參考借鑒。

一、行業(yè)人才需求和培養(yǎng)現(xiàn)狀的矛盾分析

（一）行業(yè)背景與人才需求分析

2022年，全國國土變更調(diào)查結(jié)果顯示，全國共有耕地面積12 758.0萬km2。我國耕地面積僅占世界耕地面積的1/10，卻生產(chǎn)了占全世界1/4的糧食，其中一個很重要原因就是科技生產(chǎn)力的不斷提升。然而，我國每年因病蟲害損失的糧食就達4000萬t，加強病蟲害統(tǒng)防統(tǒng)治是進一步“藏糧于地、藏糧于技”的突破方向。近年，隨著無人機植保技術(shù)的出現(xiàn)，全面革新了傳統(tǒng)的病蟲害防治模式。無人機防治技術(shù)是將藥液霧化為50～300μm霧滴粒徑，再加之旋翼的向下氣流將藥液快速沉積到靶標上，提高了防治效果，減少了農(nóng)藥使用量，是典型新質(zhì)生產(chǎn)力的代表。這一防治模式在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中得到快速推廣和應(yīng)用，截至2024年底，我國植保無人機保有量達22萬架。隨之而來的是，這一領(lǐng)域?qū)o人機植保人才的需求，2010年以來，職業(yè)院校積極適應(yīng)新技術(shù)、新商業(yè)模式，開設(shè)無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的高職院校已從20所增至391所。但因無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)開設(shè)時間不長，屬于新興技能專業(yè)，可借鑒的成果經(jīng)驗少，人才培養(yǎng)質(zhì)量與產(chǎn)業(yè)需求矛盾突出。

（二）高素質(zhì)人才培養(yǎng)現(xiàn)狀調(diào)查

無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)作為一門新興學(xué)科，大部分院校無人機植保課程還處在摸索起步階段，無人機植保人才培養(yǎng)問題主要集中在師資力量薄弱、教學(xué)手段落后、實訓(xùn)實踐開展困難等方面。

1.師資力量薄弱。無人機植保是一門跨學(xué)科的綜合應(yīng)用課程，涉及植物保護、農(nóng)藥農(nóng)學(xué)、無人機操控等多個學(xué)科。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，職業(yè)院校較少為無人機植保設(shè)立專門學(xué)院，大部分是依托機械工程類或農(nóng)林植物類學(xué)院開設(shè)無人機植保專業(yè)。這就導(dǎo)致師資力量方面存在畸輕畸重問題，導(dǎo)致培養(yǎng)的學(xué)生知識的寬度和深度不足，理論與實踐結(jié)合能力相對缺乏。

2.教學(xué)手段落后。目前，無人機植保教學(xué)資源相對匱乏，教學(xué)仍以課堂理論講授為主。筆者對河南省的多所學(xué)校高職生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，職業(yè)院校學(xué)生基礎(chǔ)文化知識相對薄弱，專業(yè)興趣普遍不高，無人機植?？鐚W(xué)科知識學(xué)習(xí)難度較大，因此，如果僅靠課堂上教師講授理論這種被動的學(xué)習(xí)方式，難以激發(fā)學(xué)生探索新知、解決實際問題的激情，實踐應(yīng)用和創(chuàng)新能力難以得到有效提升。

3.實訓(xùn)實踐開展困難。無人機植保與機械設(shè)備、電子電路、電器工程等依靠生產(chǎn)流水線開展實訓(xùn)實踐的專業(yè)相比，無人機植保因時效性強、窗口期短、病蟲害的發(fā)生具有偶發(fā)性、不確定性等因素，難以做到理論與實踐及時銜接，給實訓(xùn)實踐帶來較大困難。建設(shè)實踐教學(xué)基地是連通學(xué)生需求和行業(yè)需要的重要途徑，但實踐基地建設(shè)投入大，需要政府、企業(yè)、學(xué)校等各部門的共同參與，建設(shè)難度較大。

二、場景教學(xué)模式的概念及理論依據(jù)

（一）無人機植保場景教學(xué)的概念

無人機植保場景教學(xué)是通過搭建真實的工程場景，把學(xué)生安排在真實或模擬情景中進行知識傳授的一種教學(xué)方法。其特點是以學(xué)生為中心，把需要掌握的無人機使用技巧和植保知識融入場景、嵌入作業(yè)流程，使學(xué)生在場景中構(gòu)建知識體系，在實踐中轉(zhuǎn)化運用，全面培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)理論知識和實踐操作能力。

（二）實施場景教學(xué)的理論依據(jù)

無人機植保教學(xué)改革需要結(jié)合教育發(fā)展規(guī)律，才能更好地實現(xiàn)教與學(xué)的創(chuàng)新。無人機植保場景教學(xué)模式主要基于以下幾種理論。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認為知識是在特定情境中通過活動、體驗和社會互動構(gòu)建出來的，情景學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)習(xí)應(yīng)在真實的社會和實踐中進行，體驗學(xué)習(xí)理論通過體驗、反思和概念化的過程來促進學(xué)習(xí)，增強學(xué)習(xí)的實踐性和應(yīng)用性。因此，依托特定情景、現(xiàn)實場景、真實體驗構(gòu)建的學(xué)習(xí)模式會使學(xué)習(xí)者更容易獲取知識、形成印象、固化技能。

（三）無人機植保場景的建設(shè)思路

開展無人機植保場景教學(xué)應(yīng)以提升學(xué)生應(yīng)用技能為目的，不僅要學(xué)習(xí)得關(guān)知識，還要培養(yǎng)解決實際問題的能力。場景教學(xué)從學(xué)生實際需求出發(fā)，依據(jù)真實任務(wù)場景確定教學(xué)內(nèi)容，分析作業(yè)過程的各要素環(huán)節(jié)確定教學(xué)任務(wù)，使學(xué)生在場景任務(wù)中體驗和實踐，將空洞的理論順利銜接到真實的應(yīng)用，提升學(xué)生的自主探索和主動解決問題的能力。

三、無人機植保場景化教學(xué)實施路徑探析

無人機植保場景建設(shè)可以采取兩種路線，一種是將真實植保場景虛擬化帶入課堂，通過虛擬植保場景，將抽象的理論具體化，使學(xué)生坐在教室也能身臨其境的“走進”農(nóng)田，增強課堂趣味性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)意愿；另一種是將學(xué)生帶進真實的植保項目進行場景化教學(xué)，通過“真實”植保場景，讓學(xué)生將課堂理論通過實際任務(wù)轉(zhuǎn)化為真正技能。

（一）借助科技技術(shù)，創(chuàng)設(shè)虛擬教學(xué)場景

1.虛擬教學(xué)場景的概念與優(yōu)勢。虛擬場景教學(xué)法是指在教學(xué)中運用圖片、視頻、動畫、AR、VR等形式創(chuàng)設(shè)與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的虛擬場景，驅(qū)動學(xué)生自主探討問題的教學(xué)方法。虛擬場景教學(xué)通過模擬作業(yè)場景，可以突破時間和空間限制，解決實踐教學(xué)的不可重復(fù)性問題，根據(jù)學(xué)習(xí)需要，提供自主可變的學(xué)習(xí)模塊，提高技術(shù)訓(xùn)練的熟練性，增強突發(fā)情況處置能力，使學(xué)生的決策判斷、心理素質(zhì)等綜合素質(zhì)得到全面提升，有效解決教學(xué)資源限制、實踐教學(xué)難點等問題。例如，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司、杭州凌動控股集團有限公司等公司推出的仿真無人機噴灑技術(shù)可以實現(xiàn)植保無人機的全自動、AB點以及手動飛行，還可以自由設(shè)定飛行高度、噴灑寬度等，使學(xué)習(xí)者感受逼真的飛行環(huán)境和操控體驗。同時，借助模擬器還能對學(xué)生的學(xué)習(xí)進度及考試成績進行有效管理，隨時掌握學(xué)習(xí)狀態(tài)。

2. 虛擬植保教學(xué)場景建設(shè)路徑。無人機植保場景建設(shè)首先應(yīng)明確教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容，確定需模擬的農(nóng)田環(huán)境和病蟲害種類，然后根據(jù)需要采集真實的農(nóng)田和病蟲害圖片，利用3DMax、Maya等三維建模軟件對農(nóng)田環(huán)境進行建模，包括無人機、農(nóng)作物、土壤、天氣情況等要素，為確保逼真性農(nóng)作物上的病蟲害可以采用真實照片貼圖的方式進行。利用Unity、Unreal Engine等虛擬仿真平臺創(chuàng)建沉浸式的無人機植保教學(xué)場景，根據(jù)真實的無人機植保作業(yè)流程，設(shè)計模擬場景，包括無人機起飛前準備和檢查、農(nóng)藥配置、航線規(guī)劃、無人機起飛、飛行控制、農(nóng)藥噴灑、降落等，環(huán)境方面考慮天氣、光照、風(fēng)效等因素。仿真過程中設(shè)置交互功能，可以通過鼠標、鍵盤或VR手柄對無人機進行飛行控制。

教學(xué)時，教師可以將虛擬場景投影到大屏幕上，并結(jié)合大屏幕對植保過程進行講解、演示。練習(xí)時，學(xué)生可以佩戴VR眼鏡進入虛擬無人機植保教學(xué)場景，進行身臨其境的學(xué)習(xí)體驗。課下，學(xué)生可以通過在線教學(xué)平臺登錄植保虛擬場景，在平臺上進行自主學(xué)習(xí)、互動討論及提交作業(yè)。目前“圖知農(nóng)業(yè)病蟲害大模型”、XR病蟲害防治等仿真軟件已在農(nóng)業(yè)廣泛運用，AI深度學(xué)習(xí)能力降低了仿真場景建設(shè)的技術(shù)門檻和建設(shè)成本，為虛擬植保教學(xué)場景建設(shè)提供更多可行路徑。

（二）共創(chuàng)真實教學(xué)場景

虛擬植保教學(xué)場景主要針對學(xué)生的初級階段，幫助學(xué)生實現(xiàn)從“生手”到“新手”的轉(zhuǎn)變。學(xué)生在夯實理論基礎(chǔ)的情況下，知識和技能都需要進一步深化轉(zhuǎn)化，這個時候通過真實場景教學(xué)就會幫助學(xué)生更快實現(xiàn)從“生手”到“熟手”及“能手”的轉(zhuǎn)變。無人機植保受時效性強、窗口期短以及病蟲害的發(fā)生具有偶發(fā)性、不確定性等因素的影響，真實場景的選取與建設(shè)較為困難，因此，需要院校、農(nóng)戶、企業(yè)等各方通力合作，共同參與才能完成。以河南機電職業(yè)學(xué)院場景教學(xué)的實踐為例，探討說明真實場景教學(xué)建設(shè)路徑。

1. 依托場景，確定教學(xué)內(nèi)容。河南機電職業(yè)學(xué)院依據(jù)每年為豫東、豫北平原的小麥主產(chǎn)區(qū)提供無人機植保統(tǒng)防作業(yè)服務(wù)的真實任務(wù)為場景，根據(jù)具體植保場景要素的變化，各項工作任務(wù)實施的難易程度，時間長短，確定課程內(nèi)容及學(xué)分，使學(xué)生在場景任務(wù)中熟練掌握無人機操作、農(nóng)藥的選型與配比以及常見病蟲害的識別與防治。同時，融入課堂思政元素，使學(xué)生充分認識到科技在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中的重要作用，增強對“三農(nóng)”的情感認同和做好“三農(nóng)”工作的信心。

2. 運用場景，實施現(xiàn)場教學(xué)。貫徹場景施教的理念，深入農(nóng)業(yè)一線場景開展教學(xué)，工作的過程就是教學(xué)過程，明確“一線三轉(zhuǎn)”（“一線”指堅持課程思政紅線，在工作場景根據(jù)不同任務(wù)，適時開展思想政治教育。“三轉(zhuǎn)”是指將生產(chǎn)資源轉(zhuǎn)化為教學(xué)資源，將教學(xué)資源轉(zhuǎn)化為人力資源，將人力資源轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)資源的實施路徑。）?；诠ぷ鲌鼍埃虒W(xué)實施的過程中結(jié)合場景變化，適時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容及形式，加強學(xué)生實踐技能的培養(yǎng)，注重培養(yǎng)學(xué)生產(chǎn)、學(xué)、研、創(chuàng)的能力和問題處置的應(yīng)變能力。

3.基于場景，開展教學(xué)評價。根據(jù)職業(yè)教育特點，對接學(xué)業(yè)質(zhì)量水平設(shè)定考評標準，建立科學(xué)的教學(xué)評價體系體現(xiàn)評價主體、評價方式、評價過程的多元化，改變通過“一張試卷定分數(shù)”的傳統(tǒng)評價方法。重點考核學(xué)生在工作場景中的植保作業(yè)實績，將教師評價、學(xué)生互評與自我評價相結(jié)合，校內(nèi)評價與校外評價相結(jié)合，過程性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合。適當吸納相關(guān)行業(yè)、企業(yè)和社會組織參與考核評價，最終以過程性考核綜合進行考核。

四、結(jié)語

無人機植保場景教學(xué)的應(yīng)用，對提升學(xué)生實踐技能、理論知識轉(zhuǎn)化具有重要意義。然而，要將其有效融入教學(xué)并不容易，涉及資金投入、技術(shù)應(yīng)用、實訓(xùn)基地建設(shè)、校企深度融合等多方面。教師需要深度參與項目實踐，定期與行業(yè)專家交流研討，掌握最新的無人機植保市場需求，持續(xù)更新教學(xué)內(nèi)容。

作者簡介：郭雪妮（1991— ），女，河南周口人，碩士，助教，主要從事高校無人機植保教學(xué)與研究工作。

（責(zé)任編輯" "程麗紅）