摘要：傳統(tǒng)工科課程教學(xué)模式存在的問題：新工科電氣信息類應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的成效低、實(shí)踐創(chuàng)新教育的實(shí)效性差和不能滿足學(xué)生主觀性和個(gè)性化發(fā)展需求。根據(jù)無人機(jī)課程教學(xué)改革目的和內(nèi)容，開展基于“MOOC+虛擬仿真”教學(xué)模式的無人機(jī)課程教學(xué)改革探析，創(chuàng)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)通用路徑；靈活采用“翻轉(zhuǎn)式”“啟發(fā)式”“案例式”“討論式”等教學(xué)組織形態(tài)，改善實(shí)踐創(chuàng)新教育實(shí)效性；深化學(xué)習(xí)交互設(shè)計(jì)研究，激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和應(yīng)用實(shí)踐綜合能力，保障學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需求。本課程改革成果已作為網(wǎng)上MOOC資源和網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，供全國(guó)本科、?？坪吐殬I(yè)技術(shù)院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生以及行業(yè)企業(yè)無人機(jī)技術(shù)相關(guān)人才學(xué)習(xí)，社會(huì)效益顯著。

關(guān)鍵詞：教學(xué)模式；教學(xué)組織形態(tài)；學(xué)習(xí)交互設(shè)計(jì)；智能實(shí)訓(xùn)；深度學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G642; G43" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2024）07-0165-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)外無人機(jī)相關(guān)技術(shù)飛速發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)種類繁多、用途廣特點(diǎn)鮮明。無人機(jī)飛行控制技術(shù)課程教學(xué)建設(shè)也相應(yīng)取得不少積極成果。但是，其大多數(shù)研究仍然以優(yōu)化傳統(tǒng)教學(xué)模式與流程的教學(xué)內(nèi)容為主，輔以教學(xué)手段和考核評(píng)估方式的改進(jìn)，沒有根本改善新工科電氣信息類應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)建設(shè)成效、實(shí)踐創(chuàng)新教育實(shí)效性和學(xué)生主觀性和個(gè)性化發(fā)展需求。

現(xiàn)有的應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學(xué)改革包括無人機(jī)技術(shù)教學(xué)，其改革方案比較主流的是改進(jìn)課程大綱設(shè)計(jì)、提升教師能力、改進(jìn)教學(xué)資源等多方面融合，以提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)包括無人機(jī)技術(shù)的教學(xué)質(zhì)量[1-3]。其中，有采用啟發(fā)式教學(xué)法進(jìn)行無人機(jī)技術(shù)的課堂教學(xué)，即將課程內(nèi)容歸納提煉，提出問題啟發(fā)學(xué)生思考[4-5]。有案例式教學(xué)法，以生活中的無人機(jī)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用案例貫穿到教學(xué)[6-7]。有信息化教學(xué)法，即使用多媒體教學(xué)，通過播放無人機(jī)技術(shù)相關(guān)理論與相關(guān)動(dòng)畫、視頻，提高互動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣[8-10]。

目前的應(yīng)用型人才培養(yǎng)教學(xué)改革仍然存在以下問題。

第一，新工科電氣信息類應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)建設(shè)缺乏通用路徑。通過網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源共享所傳授的知識(shí)及占用的課時(shí)并不被高校承認(rèn)，學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)上課也并不能獲得相應(yīng)的學(xué)分，高校之間的學(xué)分互認(rèn)政策對(duì)互聯(lián)網(wǎng)授課的認(rèn)可度欠缺。

第二，實(shí)踐創(chuàng)新教育實(shí)效性不夠。信息技術(shù)與專業(yè)課教學(xué)要素并沒有真正有機(jī)結(jié)合起來，線上線下教學(xué)沒有實(shí)現(xiàn)一體化運(yùn)行，以教材、課堂、教師為中心的教學(xué)方法沒有根本性改變，教學(xué)目標(biāo)還是過于注重知識(shí)傳授，相對(duì)忽視了對(duì)學(xué)生在線上的學(xué)習(xí)過程。

第三，學(xué)生主觀性和個(gè)性化發(fā)展需求沒有得到重視，教學(xué)目標(biāo)單一化。傳統(tǒng)的教學(xué)方法對(duì)于教學(xué)目標(biāo)重點(diǎn)在于固化學(xué)生的學(xué)習(xí)任務(wù)要求，學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)會(huì)受到規(guī)范化教學(xué)的約束[11-14]。

數(shù)字技術(shù)的發(fā)展對(duì)高等教育教學(xué)質(zhì)量提出了更高的要求，傳統(tǒng)教學(xué)模式無法滿足大學(xué)生成長(zhǎng)、社會(huì)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需要。目前國(guó)家正加快推進(jìn)虛擬仿真教學(xué)的創(chuàng)新[15-16]，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)需要打破原來單純的實(shí)驗(yàn)格式，以課程的形式參與到教學(xué)組織中去[17-19]。

為推進(jìn)數(shù)字技術(shù)與高等教育的深度融合，以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，需要推進(jìn)和落實(shí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的“體系化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝備化、慕課化”。本課題立足于構(gòu)建“MOOC+虛擬仿真”數(shù)字技術(shù)支持的無人機(jī)課程教學(xué)改革，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)空間升艙、虛擬教研室信息平臺(tái)搭建、國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)[20]和高等教育教學(xué)資源庫(kù)搭建，占領(lǐng)虛擬仿真教學(xué)創(chuàng)新先機(jī)。

1 教學(xué)改革方案

1.1 教學(xué)改革的目標(biāo)

根據(jù)本課題教學(xué)目的和內(nèi)容，依據(jù)教育部虛擬仿真課程更新要求，結(jié)合線上、線下混合式“MOOC+虛擬仿真”教學(xué)模式，創(chuàng)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)通用路徑；靈活采用“翻轉(zhuǎn)式”“啟發(fā)式”“案例式”“討論式”等教學(xué)組織形態(tài)，改善實(shí)踐創(chuàng)新教育實(shí)效性；優(yōu)化教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生課堂深度學(xué)習(xí)狀態(tài)，進(jìn)行主動(dòng)學(xué)習(xí)和主動(dòng)探索，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和應(yīng)用實(shí)踐綜合能力，保障學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需求。

1.2 具體研究?jī)?nèi)容

1.2.1 教學(xué)組織形態(tài)

課題組與MOOC開發(fā)團(tuán)隊(duì)共同對(duì)MOOC視頻、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析，提煉出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行場(chǎng)景，和學(xué)生學(xué)習(xí)無人機(jī)技術(shù)的必備知識(shí)點(diǎn)，然后對(duì)這些知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行重組重構(gòu)，將必要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行視頻化、虛擬化包裝，采用“翻轉(zhuǎn)式”“啟發(fā)式”“案例式”“討論式”等教學(xué)組織形態(tài)，融入無人機(jī)課程教學(xué)。

1.2.2 “MOOC+虛擬仿真”數(shù)字技術(shù)支持

結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程實(shí)景呈現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在MOOC設(shè)計(jì)過程中，深度融合已經(jīng)建設(shè)的虛擬仿真資源，形成場(chǎng)景真實(shí)、運(yùn)行虛擬的智能實(shí)訓(xùn)課題教學(xué)。在視頻課程播放的過程中，設(shè)置虛擬仿真互動(dòng)按鈕，通過實(shí)景渲染使得學(xué)生產(chǎn)生沉浸式互動(dòng)，進(jìn)入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)，改變傳統(tǒng)視頻課互動(dòng)性差的情況。同時(shí)在重點(diǎn)章節(jié)，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)置考核點(diǎn)，將虛擬仿真資源潤(rùn)物細(xì)無聲地配置進(jìn)MOOC課程中去。

1.2.3 資源的推廣和未來的應(yīng)用

結(jié)合國(guó)家慕課西行的政策，通過東西部高校課程共享聯(lián)盟的唯一指定運(yùn)營(yíng)服務(wù)商-智慧樹網(wǎng)做連接，以全國(guó)唯一的一門“MOOC+虛擬仿真”無人機(jī)課程推廣為契機(jī)，實(shí)施智能實(shí)訓(xùn)教學(xué)，創(chuàng)建人才培養(yǎng)通用路徑，幫扶西部高校，開設(shè)相應(yīng)課程。讓智能實(shí)訓(xùn)課程真正走出校門，補(bǔ)充西部高校師資、設(shè)備不足。

1.3 無人機(jī)課程學(xué)習(xí)交互設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的自動(dòng)控制技術(shù)和無人機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)以教師為主體，以傳授實(shí)驗(yàn)操作方法為主要目標(biāo)，學(xué)生模仿教師進(jìn)行無人機(jī)飛行控制操作、讀數(shù)和記錄，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象理解不夠全面，缺乏對(duì)無人機(jī)飛控機(jī)理的深入理解。

無人機(jī)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)強(qiáng)調(diào)互動(dòng)啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，將無人機(jī)認(rèn)知與安裝實(shí)驗(yàn)、無人機(jī)倉(cāng)庫(kù)盤點(diǎn)的飛行控制實(shí)驗(yàn)加載有機(jī)結(jié)合起來，圍繞實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)、實(shí)驗(yàn)條件局限性等問題，有效地創(chuàng)設(shè)情境，在教學(xué)演示、實(shí)操練習(xí)和模擬考核等設(shè)計(jì)交互環(huán)節(jié)，將學(xué)習(xí)空間全景呈現(xiàn)。在視頻課程播放的過程中，通過設(shè)置的虛擬仿真互動(dòng)按鈕，允許學(xué)生自主選擇，多次體驗(yàn)。同時(shí)在重點(diǎn)章節(jié)，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)置考核點(diǎn)，將虛擬仿真資源潤(rùn)物細(xì)無聲地配置進(jìn)MOOC課程中。利用在線“MOOC+虛擬仿真”教學(xué)系統(tǒng)，實(shí)施教學(xué)演示、實(shí)操練習(xí)和模擬考核模塊在MOOC和虛擬仿真平臺(tái)的個(gè)性化跳轉(zhuǎn)。如圖1所示的模塊跳轉(zhuǎn)示例，學(xué)生在MOOC演示環(huán)節(jié)，可以隨時(shí)跳轉(zhuǎn)到虛擬仿真平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)實(shí)操和模擬考核；其他模塊跳轉(zhuǎn)，在圖中省略。課題組設(shè)計(jì)的“MOOC+虛擬仿真”實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目基于三維建模的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境及虛擬實(shí)驗(yàn)對(duì)象，不需消耗類或易損類實(shí)驗(yàn)材料，項(xiàng)目以真實(shí)環(huán)境和飛行場(chǎng)景為依托，姿態(tài)變化、飛行軌跡、運(yùn)動(dòng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)過程與真實(shí)飛機(jī)基本一致。學(xué)生可以自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，選擇相應(yīng)參數(shù)，實(shí)施無人機(jī)自主飛行控制，滿足無人機(jī)課程學(xué)習(xí)交互教學(xué)需求。

1.4 構(gòu)建“MOOC+虛擬仿真”支持的課堂深度學(xué)習(xí)

課題組全面組織實(shí)施課題研究，進(jìn)行學(xué)生問卷調(diào)查，對(duì)知識(shí)點(diǎn)重組重構(gòu)，提出地方高校電氣信息類創(chuàng)新型人才培養(yǎng)存在的問題，確立建設(shè)目標(biāo)，總結(jié)無人機(jī)飛行控制技術(shù)應(yīng)用案例，錄制無人機(jī)飛行控制技術(shù)視頻課程內(nèi)容。結(jié)合學(xué)校已有的分布式電推進(jìn)飛行器控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所的實(shí)際案例，制定三層遞階“信息類基礎(chǔ)能力-工程應(yīng)用能力-綜合創(chuàng)新能力”的無人機(jī)飛行控制技術(shù)實(shí)踐教學(xué)建設(shè)方案，把線上線下混合式教學(xué)模式和虛擬仿真手段運(yùn)用到課程教學(xué)中，如圖2所示。“MOOC+虛擬仿真”數(shù)字技術(shù)支持的無人機(jī)智能實(shí)訓(xùn)課堂，可保障學(xué)生從錯(cuò)誤認(rèn)知進(jìn)階到掌握知識(shí)以及創(chuàng)新應(yīng)用，改變傳統(tǒng)視頻課無法深度互動(dòng)、學(xué)生無法達(dá)到課堂深度學(xué)習(xí)的狀態(tài)。

課程將學(xué)習(xí)資源全面開放，通過實(shí)驗(yàn)加載進(jìn)程的推進(jìn)，實(shí)時(shí)展現(xiàn)曲線變化，實(shí)時(shí)提出在線互動(dòng)題，不斷啟發(fā)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐聯(lián)系，更深入地理解實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象從而挖掘無人機(jī)飛行控制的深層次機(jī)理，在輕松的學(xué)習(xí)氛圍下掌握理論課中的難點(diǎn)，克服實(shí)體實(shí)驗(yàn)中學(xué)生專注于測(cè)試記錄而忽視實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的問題。

除了讓學(xué)生高效完成課前預(yù)習(xí)之外，還可以幫助學(xué)生完成因資源缺乏的原因而無法完成的實(shí)驗(yàn)，更全面地掌握物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無人機(jī)飛行控制的基本原理，同時(shí)更有效地利用重復(fù)的在線數(shù)據(jù)與線下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相互比較，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動(dòng)性與自覺性，提高教學(xué)效果。教師和學(xué)生通過線上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)和線下基于虛擬儀器的實(shí)時(shí)加載及時(shí)討論、互動(dòng)，學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中可以隨時(shí)感受到教師的啟發(fā)和引導(dǎo)。線上線下混合式教學(xué)方法，有效地提高了學(xué)生課堂深度學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，更全面深入地掌握知識(shí)，提高學(xué)生的理解能力。

1.5 教學(xué)改革的實(shí)施

由課題組主持開發(fā)的無人機(jī)室內(nèi)自主飛行控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，目前已經(jīng)運(yùn)行16個(gè)教學(xué)周期，累計(jì)選修人數(shù)超過10 000人，已經(jīng)被評(píng)為省級(jí)一流虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程。在虛擬仿真和mooc支持的無人機(jī)課程教學(xué)改革上，積累了經(jīng)驗(yàn)、收獲了成績(jī)。

1.5.1 提升學(xué)生認(rèn)知水平

通過完成“MOOC與虛擬仿真”虛擬實(shí)驗(yàn)任務(wù)，能有效調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，既讓學(xué)生較為真實(shí)地感受到無人機(jī)進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)盤點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的全過程、生動(dòng)形象地再現(xiàn)無人機(jī)飛控變化規(guī)律，幫助學(xué)生全面掌握相關(guān)理論知識(shí)和認(rèn)知能力。

1.5.2 提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力

“MOOC與虛擬仿真”虛擬實(shí)驗(yàn)中不斷出現(xiàn)的互動(dòng)操作和實(shí)時(shí)問答環(huán)節(jié)，極大地鍛煉了學(xué)生動(dòng)手能力和應(yīng)變能力，更深入更主動(dòng)地掌握理論和實(shí)踐知識(shí)。

本實(shí)驗(yàn)成功應(yīng)用到自動(dòng)化大三學(xué)生的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，推行兩屆的線上線下混合式教學(xué)模式深受學(xué)生歡迎，2018級(jí)本科生在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中感嘆：“仿真系統(tǒng)可以準(zhǔn)確展示、還原和重復(fù)試驗(yàn)中的各個(gè)細(xì)節(jié)……，改變了以往試驗(yàn)課做實(shí)驗(yàn)時(shí)似懂非懂的迷茫?！?019級(jí)本科生也認(rèn)為：“在虛擬仿真平臺(tái)上可以對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容預(yù)習(xí)，幫助我們認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，減少實(shí)體實(shí)驗(yàn)中一些可以避免的錯(cuò)誤，尤其是無人機(jī)炸機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，我認(rèn)為開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)益處很大”。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還成功應(yīng)用到飛行器競(jìng)賽訓(xùn)練、無人機(jī)電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽等賽前輔導(dǎo)。受訓(xùn)學(xué)生榮獲大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽“挑戰(zhàn)杯”全省一等獎(jiǎng)多項(xiàng)，顯著提高了學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

本課程已經(jīng)作為學(xué)校的專業(yè)技術(shù)實(shí)踐課程，面向自動(dòng)化、建筑電氣與智能化、通信工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用等專業(yè)，以專業(yè)選修課程、校選課程開設(shè)，每年受益學(xué)生達(dá)到500人。該課程還作為網(wǎng)上MOOC資源和網(wǎng)上虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，推廣供全國(guó)本科、?？坪吐殬I(yè)技術(shù)院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)，以及行業(yè)企業(yè)無人機(jī)技術(shù)相關(guān)人才學(xué)習(xí)。

2 結(jié)論

課題組針對(duì)相關(guān)工作的理論研究、方案研制、實(shí)施過程、效果總結(jié)等，形成一系列的教育教學(xué)理論成果。完成無人機(jī)自主飛行控制技術(shù)的教學(xué)改革方案設(shè)計(jì)，在完成教學(xué)設(shè)計(jì)的過程中緊密與教學(xué)活動(dòng)相結(jié)合，搭建了創(chuàng)新人才培養(yǎng)通用路徑；完成在智慧樹等國(guó)家級(jí)平臺(tái)上的無人機(jī)自主飛行控制技術(shù)在線開放課程的建設(shè)，提高了實(shí)踐創(chuàng)新教育實(shí)效性；在自動(dòng)化、建筑電氣與智能化、通信工程、電氣工程及其自動(dòng)化等專業(yè)開設(shè)的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)課程教學(xué)中，完成本次教學(xué)改革的實(shí)踐過程，保障了學(xué)生個(gè)性化發(fā)展需求。作為網(wǎng)上MOOC+虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)字技術(shù)支持的教學(xué)改革資源，供全國(guó)本科、?？坪吐殬I(yè)技術(shù)院校相關(guān)專業(yè)學(xué)生、行業(yè)企業(yè)無人機(jī)技術(shù)相關(guān)人才學(xué)習(xí)，每年受益人數(shù)將達(dá)到1萬人以上，社會(huì)效益顯著。

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【通聯(lián)編輯：梁書】