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，隨著民用無人機市場的快速發(fā)展，無人機在各行業(yè)的應(yīng)用表現(xiàn)出顯著的增長趨勢，例如航拍、測繪、植保、電力巡檢、安防、應(yīng)急等各行業(yè)均對無人機有一定的使用需求[1]。無人機相較于有人駕駛飛機，簡單的操縱方式大大降低了其使用門檻。在這一新形式下，浙江省于2019年新設(shè)立無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，經(jīng)過2年發(fā)展，浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院該專業(yè)的建設(shè)與人才培養(yǎng)逐漸完善。其中“無人機飛行原理”作為本專業(yè)核心課程，理論性強而且學(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)團隊經(jīng)過調(diào)研與實踐，結(jié)合學(xué)院具體情況，進行了“理實一體化”的教學(xué)改革設(shè)計，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

無人機應(yīng)用技術(shù)是中國普通高等學(xué)校專科專業(yè)，“無人機飛行原理”是該專業(yè)的核心基礎(chǔ)課程。該課程以無人機飛行基本理論和分析方法為學(xué)習(xí)對象，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)系實踐、全面分析和解決問題的能力，能為后續(xù)其他專業(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)生在知識上能夠掌握無人機飛行的基本原理，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，進行獨立思考，理論指導(dǎo)實踐，深入鉆研無人機相關(guān)穩(wěn)定飛行與安全飛行問題；思想上可以繼承和發(fā)揚中國的航空精神。

傳統(tǒng)航空類專業(yè)“飛行原理”課程，常以空氣動力學(xué)特性在飛機上的應(yīng)用為主線，著重講解固定翼飛機的飛行原理[2-3]，而該課程的特點是以空氣動力學(xué)知識為基礎(chǔ)，重點講解不同無人機平臺的飛行原理。在課程結(jié)構(gòu)上，主要分為空氣動力學(xué)基礎(chǔ)和飛行原理2個模塊。空氣動力學(xué)基礎(chǔ)模塊主要分為大氣知識、低速氣流特性、翼型空氣動力、螺旋槳空氣動力4部分的內(nèi)容。飛行原理模塊包括3個子模塊，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，每個子模塊的具體內(nèi)容包括運動方程、飛行性能、平衡性、穩(wěn)定性以及操縱性等，通過包含不同飛行平臺的飛行原理，構(gòu)成了完整的“無人機飛行原理”課程體系。

2 教學(xué)存在的問題

“無人機飛行原理”課程具有理論性強、難度大2個特點。理論性強主要是由課程內(nèi)容所決定的，無論何種平臺的無人機，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力，因此教學(xué)內(nèi)容必須以空氣動力學(xué)理論為基礎(chǔ)[4-5]。難度大體現(xiàn)在知識結(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)才能對基礎(chǔ)理論有全面認(rèn)識，因此學(xué)習(xí)難度較大。圍繞這2個特點，通過學(xué)情分析，對該課程的教學(xué)現(xiàn)狀進行梳理，發(fā)現(xiàn)以往教學(xué)效果不理想的主要原因體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 課程知識抽象，難以理解

空氣動力學(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)起來枯燥乏味。此外由于課程內(nèi)容連貫性較強，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)致無法形成完整的知識體系，久而久之跟不上進度就失去對課程的興趣。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，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，無法解決實際中遇到的一些問題。

2.2 課堂以講授為主，效果不佳

借鑒了一些本科專業(yè)“飛行原理”的教學(xué)方法，課堂以講授理論知識為主，強調(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)生記筆記時會忽略教師講解，也會降低課堂效果。事實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，教師過多的講授在一定程度上抑制了學(xué)生的主觀能動性，導(dǎo)致學(xué)生在課前課后往往不愿意再主動學(xué)習(xí)，導(dǎo)致課堂效果的進一步下降。

2.3 實踐環(huán)節(jié)缺失，重理輕實

由于無人機專業(yè)設(shè)立時間較短，相應(yīng)的實訓(xùn)環(huán)節(jié)建設(shè)尚不完善，包括實訓(xùn)室的建設(shè)、實訓(xùn)環(huán)節(jié)的設(shè)計、實訓(xùn)指導(dǎo)書的編寫、實訓(xùn)過程管理等。通過與學(xué)生溝通交流，發(fā)現(xiàn)大部分學(xué)生對實踐環(huán)節(jié)更感興趣，更愿意在實踐中進行學(xué)習(xí)。例如，飛行原理模塊中的無人機的操縱性完全依賴于實踐環(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，也忽略了實踐的重要地位。

2.4 評價環(huán)節(jié)不完善，導(dǎo)向性差

學(xué)習(xí)評價采用閉卷考試的單一方式進行，這種評價模式簡單、高效，但缺乏對教學(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考試，這就導(dǎo)致其對平時課程不在意，更多是考前突擊，而知識的綜合應(yīng)用和實踐能力幾乎得不到提升[6]。

3 “理實一體化”教學(xué)設(shè)計

結(jié)合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和課程目標(biāo)，針對教學(xué)過程中存在的問題，設(shè)計了“理實一體化”的課堂教學(xué)，即理論實踐一體化的教學(xué)模式。該方式在一定程度上解決了理論與實踐脫節(jié)現(xiàn)象，強調(diào)發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，在課堂授課時設(shè)定教學(xué)任務(wù)和目標(biāo)，教、學(xué)、做同步進行，使理論教學(xué)與實踐教學(xué)相互融合，從而提高教學(xué)效果。在整個課程教學(xué)過程中，理論教學(xué)和學(xué)生實操交替進行，抽象和直觀交錯出現(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)生的主動性[2]，將比賽成績計入課程考核評價成績，能全面反映學(xué)生的知識掌握和應(yīng)用能力，使課程學(xué)習(xí)脫離死記硬背。具體教學(xué)設(shè)計體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 理論教學(xué)

在課堂教學(xué)過程中重新梳理知識結(jié)構(gòu)，弱化公式的推導(dǎo)，加強理論的來源和應(yīng)用講解。尤其是在講解空氣動力學(xué)基礎(chǔ)知識時，引入大量試驗增強課程趣味性，先理后實或先實后理均能使課堂內(nèi)容豐富飽滿。例如：在學(xué)習(xí)低速氣流特性時，引入“吹紙”試驗、“吹硬幣”試驗，使連續(xù)性定理和伯努利定理的講解生動起來；布置開放性作業(yè)，足球運動中的“香蕉球”如何用學(xué)過的原理解釋，用一些生活中常見的現(xiàn)象進一步增強學(xué)生對知識的遷移和應(yīng)用能力；在講解翼型壓力分布時，采用虛擬仿真的手段，利用計算流體力學(xué)軟件計算出不同的翼型和在不同迎角下的壓力分布云圖，通過讀取翼型在不同位置處的壓力幫助學(xué)生理解，使抽象的知識變得直觀具體；在講解翼型升力時，采用簡易的風(fēng)洞裝置，演示空氣流速對翼型升力的影響；在講解飛行原理時引入模擬飛行軟件，通過模擬飛行使學(xué)生對理論知識的運用有直接的感受等措施來保證課堂教學(xué)效果。

此外，在理論教學(xué)的課程設(shè)計中，采用“課證融通”為設(shè)計理念。為使課程內(nèi)容能夠進一步對接無人機駕駛員證書，將課程內(nèi)容進行梳理，按照民航局無人機駕駛員證書類型把課程劃分出3個主要模塊：固定翼無人機飛行原理、單旋翼無人機飛行原理和多旋翼無人機飛行原理。在授課過程中，每完成一個模塊的相關(guān)教學(xué)任務(wù)，便組織學(xué)生進行相關(guān)的理論考試題庫練習(xí)，以作業(yè)形式和課堂測評進行學(xué)習(xí)效果檢查，及時查漏補缺，有利于學(xué)生考取相應(yīng)的職業(yè)技能證書。

3.2 實踐教學(xué)

該部分重在加強學(xué)生的理論應(yīng)用能力、動手實踐能力和創(chuàng)新能力，對于理論與實踐聯(lián)系比較緊密的知識點，重新設(shè)計與課程緊密相關(guān)的實訓(xùn)環(huán)節(jié)，本課程共設(shè)計4個實訓(xùn)環(huán)節(jié)。

第一個實訓(xùn)為折紙飛機競賽，安排在空氣動力學(xué)基礎(chǔ)知識講授之后，具體要求是根據(jù)所學(xué)知識制作紙飛機參加相應(yīng)賽道的比賽，共4個賽道分別為：①拋出紙飛機后，飛行直線距離遠(yuǎn)；②拋出紙飛機后，滯空時間久；③拋出紙飛機后，經(jīng)盤旋一周，能夠用手接回；④拋出紙飛機后，用推板可以推著懸浮的紙飛機前進。同學(xué)們通過折紙的形式，結(jié)合空氣動力學(xué)知識，綜合考慮紙飛機的重心布局，翼面形狀來設(shè)計不同性能的紙飛機。通過比賽的方式，可以很好地調(diào)動學(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，進一步提升了實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。

第二個實訓(xùn)為固定翼無人機模擬器飛行練習(xí)，安排在固定翼無人機飛行原理講解過程中，具體要求是根據(jù)固定翼操縱性知識完成固定翼無人機五邊航線飛行。五邊航線飛行是一項基礎(chǔ)飛行科目，可以練習(xí)固定翼無人機的起飛和著陸技巧，直線飛行技巧以及轉(zhuǎn)彎技巧。通過實際的操縱，可以對理論知識有直觀的體會，例如：起飛過程如果飛機飛行速度過小，拉升降舵很難使飛機起飛，那么學(xué)生就能聯(lián)系所學(xué)的升力公式對這一現(xiàn)象進行解釋；轉(zhuǎn)彎的過程需要操控副翼，利用模擬器可以觀察到機翼左右兩側(cè)的副翼發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，進一步通過可以判斷左右兩側(cè)機翼升力的大小，從而將飛機的操縱行為與力學(xué)分析相聯(lián)系，做到理實一體化教學(xué)。

第三個實訓(xùn)為固定翼航模的制作[8]，安排在固定翼無人機飛行原理講授之后，具體要求是根據(jù)所學(xué)知識分小組制作一架航模，進行調(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個部分：KT板航模的設(shè)計與組裝、電子系統(tǒng)的安裝與調(diào)試及五邊航線的飛行與測試。該實訓(xùn)環(huán)節(jié)成績由學(xué)生進行投票評價進行賦分，分別由同學(xué)們?yōu)楦鹘M的作品進行評分，結(jié)果能夠相對公正地評判同學(xué)們的實踐能力與綜合應(yīng)用能力。

第四個實訓(xùn)為多旋翼無人機模擬器飛行練習(xí)，安排在多旋翼無人機飛行原理講授之后，具體要求是根據(jù)所學(xué)知識能夠完成多旋翼的懸停、圓軌跡飛行、8字飛行等動作。多旋翼無人機的飛行原理理論相對簡單，在完成相應(yīng)的理論學(xué)習(xí)后，迅速進入實訓(xùn)的環(huán)節(jié)可以使學(xué)生及時發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)問題，知識掌握程度迅速加深，這些環(huán)節(jié)極大調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3.3 課堂思政

在飛行原理教學(xué)過程中，還深入挖掘了與飛行原理相關(guān)的課堂思政，通過講解原理背后蘊含的思政元素，使學(xué)生掌握技能的同時，思想認(rèn)識也能得到升華，進一步提升了教學(xué)效果。由于航空領(lǐng)域發(fā)生事故代價成本非常高，因此很重視總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗教訓(xùn)，從而避免空難的再次發(fā)生，所以本課程思政的切入點是空難事故分析?？针y視頻對學(xué)生的震撼力強，理清空難背后原理因激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，也能培養(yǎng)學(xué)生具備無人機安全操縱的意識。教學(xué)中，針對不同的知識內(nèi)容安排播放不同的空難視頻，學(xué)生往往會因好奇和緊張而提高注意力，更想要了解事故背后所蘊藏的知識。然后通過空難事故分析，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)，通過層層分析最終引入到飛行原理當(dāng)中，會給學(xué)生留下深刻印象。這種精神也會指引學(xué)生進一步地去學(xué)習(xí)，挖掘背后的原理。將飛行原理知識點和航空空難故事原因相結(jié)合，會讓教學(xué)內(nèi)容變的更加豐富，更加有吸引力。

3.4 考核評價

為了客觀公正地對學(xué)習(xí)效果進行評價，設(shè)計了全面的考核方式，主要包括30%的平時成績、40%的實訓(xùn)成績和30%的筆試成績3個部分。平時成績包括出勤率、課堂表現(xiàn)及作業(yè)3方面；實訓(xùn)成績以競賽結(jié)果賦分，競賽結(jié)果由教師和學(xué)生共同評判，進一步提升學(xué)生參與感和責(zé)任感；筆試部分來源為無人機駕駛員題庫、課程基礎(chǔ)知識、擴展應(yīng)用等。這種考核方式可以貫穿整個教學(xué)環(huán)節(jié)，避免了部分學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中渾水摸魚，實現(xiàn)了集中考核向過程性考核的遷移[4]。

4 結(jié)論與討論

通過對“無人機飛行原理”課程的“理實一體化”設(shè)計，解決了理論知識抽象，難理解的難題，對課堂內(nèi)容的重新設(shè)計提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與參與度，使學(xué)生對知識的理解和接受程度均大幅提升，實踐教學(xué)的實施使課程目標(biāo)實現(xiàn)得到進一步加強，全面的考核評價體系使學(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。