基于虚拟仿真与翻转课堂的中职无人机组装与调试教学探索

缑梦珂 唐娇 卢尧

摘  要  通过分析无人机组装与调试课程资源建设的不足，借助虚拟仿真教学平台以及线上线下结合的翻转课堂教学模式，构建基于虚拟仿真与翻转课堂的无人机组装项目教学法的实施与评价体系，旨在提升中职学生学习的主动性，解决因无人机专业装备数量不足导致的理论与实践分离等问题，培养具备创新和实践能力的无人机专业人才。

关键词  虚拟仿真；
翻转课堂；
项目教学法；
中职；
无人机

组装与调试；
微课

中图分类号：G712    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）09-0047-04

0  引言

无人机行业的高速发展需要大批的专业人才，为了顺应社会发展的需求，教育部发布《职业教育专业目录（2021年）》，将“无人机操控与维护”作为中等职业教育新增专业列入装备制造大类下的航空装备类，包括无人机装配、无人机修理、无人机应用、无人机操控四大方向。无人机组装与调试作为无人机操控与维护专业的专业基础课程，存在教材及实践指导匮乏、教学资源缺乏、教学方法单一、教学方式落后等问题。目前除了无人机培训的市场正逐步完善规范外，无人机组装、调试等核心课程都处于相对空白的状态，没有规范的教学体系，没有合适的教学课件，缺少相应的理实一体化书籍及实训指导材料[1]。因此，探索新的教学模式、教学方法以及应用新兴的信息科学技术来改善目前的无人机组装与调试课程，具有重要的现实意义。

无人机组装与调试传统课堂中，理论知识讲解占据大部分时间，不仅形式单调，而且不利于培养学生的实践能力，无法体现学生学习的主体地位。翻转课堂教学模式和项目教学法则可以很好地协调理论与实践的教学，尤其适用于理实一体化教学。此外，无人机组装调试教学需要学生了解无人机的结构、学会组装调试，现实却是无人机的价格比较昂贵，无人机设备数量有限，很难做到让每位学生去学习拆装无人机。而通过虚拟仿真软件则可以有效解决这方面的问题，虚拟仿真营造的新型学习环境也有助于激发学生的学习兴趣。

1  研究现状

近年来，围绕无人机人才创新与实践能力的培养，国内学者做了很多有益尝试。例如：周虹等[2]建设了融入“互联网+”的开放型实验仿真平台与管理模式，基于项目驱动进行无人机飞行控制实验；
董超[3]进行了航拍无人机虚拟仿真训练平台的选择、模型的设计、交互方式的设计，验证了通过无人机建模并进行交互的可行性；
褚丽娜等[4]以Unity 3D作为虚拟开发平台，设计并实现了无人机课程交互课件的开发，实现了无人机结构演示、安装与拆卸等功能；
王安成等[5]采用混合式教学和翻转课堂变革课堂教学模式，在无人机拆装训练上，基于15套真实的多旋翼飞行器套件，搭建了无人机系统拆装训练平台。

目前，无人机专业的教学改革仍处于探索中，尚未形成体系化的教学模式、教学方法，特别是对于无人机组装与调试课程的开发建设非常少。在无人机专业教学中，项目教学法和翻转课堂显示出较好的效果，虚拟仿真技术作为辅助教学的技术手段，多应用于无人机的飞行操控，与无人机组装教学的结合较少。本文将虚拟仿真技术、翻转课堂教学模式和项目教学法结合，以中职无人机组装与调试课程中的四旋翼无人机组装为例，构建基于虚拟仿真与翻转课堂的项目教学法实施与评价体系，为无人机专业教学提供参考。

2  基于虚拟仿真与翻转课堂的项目教学法构建

2.1  搭建虚拟仿真教学平台

在Cinema 4D三维建模软件中建好无人机三维模型，四旋翼无人机三维模型视图如图1所示，最终导出模型为.FBX格式。将Cinema 4D中导出的模型和贴图文件放到Unity工程文件夹下的assets文件夹中，在Unity 3D中实现无人机的动态装配与交互控制。

2.2  線上线下结合的翻转课堂教学模式

翻转课堂是一种应用广泛的教学模式，翻转是指师生角色、课堂授课和课后内化的翻转[6]。在翻转课堂式教学模式下，学生在课前或课外借助网络资源等方式自主学习，教师占用更少的课堂时间传授理论知识，教室可以成为学生与教师之间相互交流的好地方。

无人机专业是一个实践性非常强的专业，若在课堂中分配过多的时间进行理论讲解，不仅减少了学生实践的时间，还容易造成理论与实践的分离。在无人机专业教学中引入线上线下结合的翻转课堂教学模式，课前，学生通过各种网络学习平台自主学习，教师则可以借助这些平台和学生建立线上的教学联系，如在学习通上发放作业、测试、教学微视频、无人机相关理论介绍。课前，学生自主学习完成无人机的理论知识学习，清楚自己的知识困惑点，有利于课堂针对性学习；
教师通过分析线上学生完成作业和测试情况，也可以了解学生对于无人机理论知识的掌握程度。在学生具备一定的理论知识后，教师在课堂上借助仿真软件为学生展示无人机的零部件，让学生了解无人机的基本构造、构件的功能和无人机的组装过程，使得学生对于无人机的结构与系统有更清楚更形象的认识，在课堂上更多地进行组装练习。

2.3  基于虚拟仿真与翻转课堂的项目教学法

项目教学法是师生通过共同实施一个完整的项目工作而进行的教学活动[7]。项目教学法的核心是在教师的指导下，学生去寻找得到结果的途径，最终得到这个结果并进行展示和自我评价。学生学习的重点在学习过程而非学习结果，在这个过程中锻炼各种能力。无人机项目的实践性较强，在项目教学过程中应该以教师线下授课为辅，以开展课堂单人特训与小组活动为主；
以教师指导为辅，以学生自我探究分析为主。中等职业院校所开设的无人机专业包含无人机组装与调试课程，通过无人机组装让学生真正理解无人机理论知识，培养学生的实际动手操作能力。

基于仿真技术的项目驱动式教学，教学互动性强，仿真实验设计灵活，仿真效果接近工程实际，没有实验条件的制约，可以极大地激发学生的学习兴趣，拓展学习思路，为学生探索式、主动式自主学习提供可靠的帮助与平台[8]。将翻转课堂教学理念融入项目式教学，可以使学生通过课前对网络课件的自主学习来减少教师课堂讲授时间，增加学生课堂参与项目实践的时间[9]。将仿真技术、翻转课堂和项目教学法三者相结合，有助于促进中职无人机专业的教学。

3  基于虚拟仿真与翻转课堂的项目教学法的实施与评价

以中职无人机组装与调试课程中四旋翼无人机组装为例，基于虚拟仿真与翻转课堂教学模式进行项目教学法的实施与评价。

3.1  四旋翼无人机组装项目教学实施

四旋翼无人机组装项目教学要为学生提供真实的或模拟的职业实践环境。本文基于虚拟仿真与翻转课堂进行项目教学的实施步骤设计，如图2所示。

课前，学生完成教师在学习通上传的学习任务，观看无人机微课并完成相应测试，观看无人机零部件三维模型和无人机组装三维动画，掌握无人机结构与組装的基础知识；
教师选取四旋翼无人机组装的教学项目，依据教学安排分配课时，准备好教学虚拟仿真环境，依据学生程度组建小组，使得每组学习能力水平相当，选出组长，为组内成员分配任务。课堂上，教师先进行知识技能答疑，提出项目要求，每位学生在电脑上利用Unity仿真模拟四旋翼无人机装配。在了解无人机组装方法后，让学生以课前分好的小组为单位开展合作讨论，在仿真软件上完成四旋翼无人机的模型设计与组装并进行小组成果展示。

学生在虚拟仿真环境中掌握无人机的组装后，通过校企合作，为企业组装无人机。师生走进企业参观学习，了解企业的需求，确定无人机的定位、选型、选材，确定项目作品样本。小组对整个项目进行分层，设立子项目，制定项目完成的时间，开始项目作品制作。学生以小组为单位给无人机设计造型，之后以小组为单位去市场购买零部件。小组按照组装步骤，遵循组装工艺组装机架、机臂、螺旋桨、保护罩、连接导线等。

在学生进行无人机组装项目的过程中，要坚持学生主体，让学生来制作完成，教师发挥主导作用，适时地给予学生指导与协助。学生完成无人机的组装后将无人机交给企业进行质量检查，在企业给予反馈意见后进行修改完善，直到达到企业的标准要求为止。学生按照企业的标准和要求完成项目任务，既能培养自信心和责任心，也可以在学习过程中培养工匠精神。若学校未接到企业的项目，则无人机组装的项目主要在虚拟仿真软件中进行。项目不要求必须是完整的产品，其选取不应过多依赖苛刻的实践条件，更不一定要求是来自真实的企业，只要能达到提高教学质量的目的，模拟项目也可以，真实与模拟相结合可以增加项目来源[10]，有助于无人机组装项目教学的顺利实施。

3.2  项目教学法教学评价

教学评价是项目教学的重要环节，对教学起到评估与导向作用。教学过程包括教师的教与学生的学，教学评价的对象既包括学生，也包括教师。表1和表2通过数据模拟，在评价内容、评价指标、评价主体上分别对学生和教师进行评价，总分数采用加权百分制。此外，在评价方法上，教师要尊重学生个体差异，进行分层评价，加大弱势评价，促进全面发展。表1是学生考核评价表示例，家长和企业不参与对学生课堂实践表现的评价。该组学生组装成果良好，积极参与课堂实践，要鼓励其积极考取职业技能证书。表2是教师考核评价表示例，该教师的教学能力和科研能力较好，师德师风良好，但产学研融合度不高，校企合作度不高。

4  结束语

翻转课堂教学模式下，学生课前自主进行无人机组装项目的相关理论学习，课堂上用更多的时间进行实践；
教师在课堂上以项目驱动引导学生在虚拟仿真环境中进行四旋翼无人机组装设计，之后与企业合作，以实际的四旋翼无人机组装项目为任务，让学生通过小组合作最终做出实物作品。通过校企合作，将学生小组合作设计组装的无人机直接应用于无人机企业，激发学生学习和创新的积极性，培养其职业精神。运用基于虚拟仿真和翻转课堂的项目教学法，线上线下结合，让学生从仿真到实物、从校园到企业，以项目促进专业技能的培养，真正做到以学生为主体，促进教与学。

5  参考文献

[1] 刘永学.无人机组装调试课程资源的建设与教学实践[J].科技视界，2021（5）：57-58.

[2] 周虹，曹达敏.新工科背景下“飞行控制仿真”开放性实践教学思考[J].中国多媒体与网络教学学报，2020（11）：114-115，135.

[3] 董超.航拍无人机虚拟仿真实验的开发与实践[D].江苏：扬州大学，2019.

[4] 褚丽娜，李建增，谢志刚.基于Unity3D的无人机交互式课件开发[J].现代计算机（专业版），2015（24）：39-42.

[5] 王安成，李建胜，郭雨岩，等.无人机技术与应用课程实践教学模式探索与实践[J].测绘通报，2022（S1）：119-122.

[6] 吴方，何尾莲.基于虚拟仿真与翻转课堂项目教学法在单片机课程中的应用[J].福建医科大学学报（社会科学版），2022，23（1）：71-75.

[7] 王雨峰，冯园.项目教学法在无人机维修课程教学中的应用[J].职业，2021（19）：58-60.

[8] 沈文娟，黄芬，李任青.基于Proteus仿真平台单片机技术项目教学法的应用研究[J].电子世界，2020（1）：71-72.

[9] 宋朝霞，俞启定.基于翻转课堂的项目式教学模式研究[J].远程教育杂志，2014，32（1）：96-104.

[10] 邱飞岳，吴游丽，赵立影.关于项目课程在中职学校中 实施现状的调查[J].职教论坛，2011（6）：75-80.