基于虚拟仿真技术的无人机课程教改探讨

费 晨，孙翠华

（苏州农业职业技术学院，江苏苏州 215008）

1 无人机应用技术专业的现状

无人机技术的迅猛发展已经在航空、农业、测绘和物流等领域得到广泛应用[1]。因此，培养具备无人机应用能力的专业人才变得迫切而重要。然而，作为一门新兴的专业，无人机应用技术的课程体系建设相对于无人机行业来说还比较滞后，这主要表现在以下几个方面[2]。

1.1 未将岗位标准纳入课程体系

尽管目前已存在“无人机驾驶员”和“无人机装调检修工”等岗位[3]，并且有民航局无人机驾驶员执照（AOPA）等职业技能标准，但这些岗位标准并没有很好地融入课程内容中。学生在学完课程后发现自身技能与企业岗位要求严重脱节，导致学习兴趣下降，教学效果不佳。

1.2 双师型教师数量不足

由于无人机是一门新兴专业，教师多为应届毕业生，掌握的知识多停留在理论层面，对操纵无人机、装调和检修等岗位缺乏实践认知。同时，教师缺乏企业实践经验和无人机前沿技术的培训，无法满足企业对学生所需知识和技能的要求。

1.3 实训室建设和使用困难

实训室在职业技能教学中起着关键作用，但由于无人机价格昂贵，实训室建设存在困难。此外，无人机作为一种飞行器，存在着飞行事故的风险，因此许多学校不能让学生高频率地进行飞行操作。对于装调检修课程而言，无人机在教学过程中的损耗也是一项昂贵的费用。这些因素导致教学环节不够完整。

综上所述，无人机设备的资金投入大、实操教学需求难以满足、受场地限制以及存在一定的安全风险等问题，使得我们需要深入研究和思考。通过将虚拟仿真技术应用于无人机操纵和装调检修实训课程中，我们可以摆脱对昂贵无人机设备的依赖，规避安全风险，并改变“教师讲，学生听”“无人机设备有限且存在危险性，学生操作机会有限”的现实问题。这将有助于激发学生的兴趣，使学生能够通过练习和训练掌握无人机操作技巧，为胜任职业岗位所需的能力打下基础。

2 虚拟仿真技术在无人机教学中的优势

虚拟仿真技术是一种综合交叉技术，基于计算机科学、传感技术和图形图像技术等现代信息技术的发展而来。随着虚拟现实技术的不断发展和成本的降低，几乎可以应用于教育领域的各个方面。目前，虚拟现实在教育中的应用场景主要集中在实验室、图书馆、远程教育、教学和科学研究等领域，其中包括虚拟仪器共享、虚拟场景共享和远程控制等共享特点[4]。在无人机教学中，虚拟仿真技术具有以下优势。

2.1 降低实训室建设成本

传统的无人机实训室建设费用高昂，而且无人机零部件易损耗，很难实现每位学生配备一套实训设备，学生的实际操作机会非常有限。然而，通过采用虚拟仿真技术，只需要一个计算机实训室，学生便可以进行飞行、电力巡检、植保、装调检修和航空摄影等模拟操作。教学不再受制于空域、场地和安全等问题，同时，虚拟仿真技术不会导致器材损耗，有效降低了实训成本。

2.2 提供安全环境和实践机会

虚拟仿真技术提供了一个安全、可控、实时的操作环境，使学生能够在模拟情境中进行实践操作，而无需担心飞行事故或零部件损耗的风险。学生可以通过虚拟仿真体验到实际操作中由于不规范操作而导致的“炸”机情况，并通过反馈和总结来提高自己的技能水平。

2.3 提升学习体验和互动性

虚拟仿真技术可以提供丰富多样的场景和情境，使学生能够在虚拟环境中进行真实感十足的操作体验。学生可以与虚拟无人机进行互动，探索不同的飞行情况和应对策略，从而增强学习的乐趣和动力。此外，虚拟仿真技术还可以提供实时的反馈和评估，帮助学生及时发现和纠正错误，提高学习效果。

因此，虚拟仿真技术在无人机教学中具有显著的优势[5]。它能够降低实训室建设成本，提供安全的操作环境和实践机会，同时提升学习体验和互动性。通过将虚拟仿真技术应用于无人机教学中，可以克服传统教学所面临的种种限制，为学生提供更丰富、更实践的学习体验，进一步培养他们的实践能力和创新精神。

3 教学具体实施

在无人机教学中，虚拟仿真技术的具体实施主要包括飞行仿真和装调检修等方面。飞行仿真涵盖了基础飞行、航线飞行、电力巡检和植保等任务的模拟操作，学生通过仿真软件完成飞行任务，从而提升他们的操控能力。此外，飞行仿真还包括地面站航线规划的模拟，学生可以通过在虚拟环境中设置航点或进行编程，规划飞行航线的仿真操作。装调检修方面主要涉及软件故障，通过设置故障固件的方式，让学生检测陀螺仪、加速度计等传感器的问题。此外，通过虚拟现实设备，学生可以从各个角度观察无人机的拆解和维修过程，实际上进行"动手"组装无人机。虚拟仿真实验教学基本框如图1所示。

图1 无人机虚拟仿真教学基本框架

3.1 飞行仿真

无人机飞行仿真教学使用的虚拟仿真技术需要配备计算机、遥控器和虚拟现实眼镜等硬件设备。学生通过遥控器控制飞行器，并通过显示器或虚拟现实眼镜观察飞行器和飞行环境。教学系统提供多种模式供学生训练，包括飞行考试、农林植保、电力巡检等，以适应不同的飞行环境和任务，每种模式都包含训练模式和考核模式，如图2所示。训练模式供学生进行课上和课后的练习，学生可以通过小地图进行飞行训练，感受舵量控制。考核模式用于教师考察学生的训练情况，模拟软件会根据学生的飞行表现自动评分，并提供相应的飞行参数。教师可以通过这些数据帮助学生找出问题所在，提高他们的飞行技巧。

图2 飞行仿真教学软件

飞行仿真技术可以丰富学生的飞行经验，提升他们应对突发情况的能力，并以极小的成本获取大量的飞行训练时间。

3.2 地面站仿真

在植保作业中，需要通过打点等方式完成地块的划分和作业航线的规划，通过地面站的仿真模式可以帮助学生掌握植保作业中的技巧。

地面站仿真教学配备计算机和教学用无人机等硬件设备。仿真前需要将无人机的飞控连接地面站，通过在地面站中将机型改为“GPS仿真”，即可实现航线规划等仿真，如图3所示。在地面站仿真中，学生可以通过添加航点和编程的方式来实现航线规划。

图3 航线规划

3.3 装调维修

在装调维修方面，通过虚拟仿真练习，学生可以在实际进行实体机装调维修之前，对无人机的各个部位结构和零件有一个基本的认识。学生可以通过虚拟现实眼镜观察零件，并通过手柄进行拾取和组装操作，如图4所示。通过这样的练习，学生可以初步了解零件的安装位置和方法，从而大大减少在实体机装调维修中可能出现的零件损坏和丢失问题。

图4 无人机组装仿真界面

通过以上虚拟仿真教学的实施，学生可以在安全、成本较低的环境中进行多样化的无人机操作和任务模拟，提升他们的技能水平和实践能力。

4 其他教改措施

4.1 整合教学资源及内容

为了提高教学效果，可以设计制作教案、课件和题库，针对课程的重点和难点，设计制作直观的动画和视频等辅助教材。教学设计中应包括教学目标、教学对象和分析、教学知识点、教学内容、课程思政元素等内容。同时，精心设计和制作课件、动画和视频，将思政元素融入到专业知识中，以更好地引导学生的学习。此外，布置作业也是重要的一环，作业可以分为客观题和开放性的主观题，客观题可以帮助学生掌握基础知识，开放性主观题则可以促进学生的思考和能力发展。

4.2 借助信息化手段，线上线下混合教学

充分利用信息化手段，如超星泛雅教学平台，开展线上线下混合教学。教师可以利用平台进行班级管理，进行线上教学并监控学生任务的完成情况，发布讨论论题，并回答学生在学习过程中的问题。同时，利用线上平台进行作业批阅，对学生提交的线上作业进行评价和反馈。对于一些测试题和学生的飞行考核、装调考核等，可以通过结合人工智能评分和教师手动评分的方式进行评价。

课程中可以采用线下教学的方式，通过讲解、提问、练习和检查等多种方式帮助学生掌握相关内容。而无人机飞行的实践教学可以在线下进行自定义练习阶段的实施，以确保教学目标的清晰和高效。学生可以利用超星泛雅教学平台浏览课件或电子书稿，完成课前预习和课后练习，同时还可以利用平台完成签到和线上互动等。

4.3 多元化考核模式

本课程的考核环节可以包括过程考核和期末考试2个部分，其中过程考核占总成绩的70%，期末考试占30%。过程考核可以由课堂考勤、作业成绩和课堂表现组成。课堂表现的评价可以采取多元化的方式，包括课前自学、任务完成情况和自我评价等因素。各项评价的比重可以分别为20%、60%、10%和10%，以确保学生在全过程中全方位地学习，并掌握每个项目的知识要点和操作要点，促进教学改革的深入实施。

4.4 课程思政

在教学改革中，课程思政是一个重要的方面。通过将思政元素融入课程中，可以培养学生的思想道德素养、社会责任感和国家意识，使他们具备正确的世界观、人生观和价值观。在无人机教学中，部分课程思政如表1所示。

表1 课程中蕴含的部分思政资源

通过将课程思政融入无人机教学中，可以使学生在专业知识的学习过程中，培养正确的价值观和社会观，形成良好的道德品质和行为习惯。同时，也能够培养学生的社会责任感和创新精神，使他们成为有担当、有情怀的新时代青年人才。

通过以上教改措施的实施，可以提升教学效果，增强学生的学习动力和参与度，培养学生的综合能力和实践能力，促进教育教学的质量提高。

5 结语

本文提出了基于虚拟仿真技术的无人机相关课程教改探讨，强调了虚拟仿真技术在无人机教学中的应用前景。通过采用虚拟仿真技术，学生可以在安全、实时的环境中进行实践操作，提高学习效果和培养实践能力。然而，虚拟仿真技术在教学中仍面临一些挑战，需要进一步研究和探索。未来的教学改革应该关注虚拟仿真技术的不断创新和发展，以促进无人机相关课程的优化和提高学生的综合素质。