新工科理念下無人機平臺的電子信息專業創新模式研究

陸淵章，徐振邦，董天天

(江蘇信息職業技術學院電子信息工程學院， 江蘇 無錫 214153)

0 引言

為響應國家的發展戰略，面向以新技術、新業態、新產業、新模式為代表的新經濟的發展需求，構建創新卓越人才培養體系，實現電子信息產業的超越式發展，新工科理念下的電子信息專業創新模式應運而生[1]。工信部2017年12月發布《民用無人機制造業發展指導意見》，提出到2020年，民用無人機產業持續快速發展，產值達到600億元，年均增速40%以上[2]。支持有條件的普通高校和職業院校設立無人機相關專業，建立多層次多類型的無人機人才培養和服務體系。鼓勵企業引進國內外高層次技術人才，加強技能人才培訓[3]。更是將無人機應用技術的專業培養方向寫入了《普通高等學校高等職業教育(專科)專業目錄(2015年)修訂版》。國內無人機方向進入高等學校人才培養體系較晚，國外的開展的略早些，2013年，美國奧本的GreenRiver College宣布將啟動一個與無人機相關的課程。項目總監George Comollo在KOMO的采訪中說道：“我們將為學生提供如何操作無人機、如何構建無人機以及如何修理無人機等方面的課程?！痹撜n程將于2014年4月開始。2016年Google X 無人機項目與連鎖快餐企業Chipotle、弗吉尼亞理工大學聯手，在本月開展無人機配送墨西哥卷餅的的項目測試[7]。

本文結合電子信息專業實際，在現有人才培養方案、課程體系及實驗實訓條件基礎上，在現有部分課程引入無人機相關技術，例如無人機裝配技術、無人機調試與維護技術、無人機檢修技術和無人機操控技術，有條件開設了無人機的二次開發課程及訓練項目。

1 電子信息專業無人機平臺創新模式設計

1.1 新工科理念下創新人才培養模式

新工科環境下電子信息專業在人才培養特色方面給出了一定的方向，以無人機為平臺構建高職綜合創新實踐平臺。本文重點研究系統實現無人機技術的構思、設計、制造到運營的每個環節，在技能實踐中確立工程系統觀，培養多學科交叉能力，鍛煉團隊管理能力。基于無人機平臺結合理論知識的學習，完成理論知識基礎下的工程驗證，以實踐技能補充課堂知識，隨之實踐引導興趣，利用無人機綜合創新實踐平臺作為載體，滿足應用需求，探索專業前沿，形成多角度、多層次、立體化的創新人才培養模式。[5]

1.2 開放式平臺設計、突出高職教育特色

開放式平臺突出以新工科背景下構建以無人機為平臺的高職綜合實踐平臺，不斷優化專業設置，不斷完善專業教學標準體系。完善電子信息技術現有課程體系，嵌入無人機相關知識點和技能，有利于增強學生的專業學習能力和就業競爭能力，還可以結合創新創業教育，激發學生自主創業的熱情[6]。課程層面模塊化設計實現理論與實踐結合，實現開放式平臺設計，滿足單片機、嵌入式相關課程教學與開發的需求。

2 電子信息技術專業創新模式實施

2.1 優化教學資源，研發專業課程體系

從目前無人機技術的發展以及高職學生的學習能力兩個角度來綜合分析，首先分析無人機的硬件技術門檻；其次分析無人機的軟件技術門檻。以目前高職學生實踐技能強的特點，技術門檻應設置在無人機的組裝與操控層面，在原有課程中嵌入中無人機的基礎知識、無人機組裝、無人機調試、無人機飛行訓練等主要內容進行建設，綜合使用各種案例，提供系統學習內容，把線上線下的課程資源優化學習[4]。由于目前國內高職無人機相關課程尚未系統化，課程體系的建設應從實踐的角度出發，分析大量的國內外文獻調研、技術應用比較等前期工作初步總結出無人機課程建設模式，結合現有教學實際環境，研究并探索出一套行之有效的建設方案，同時主要根據課程建設一系列線上線下資源的引導，在具體的小范圍教學中反復實踐驗證、調整建設方案、教學模式和教學資源，并最終形成以專業能力為主的課程體系優化，如圖1所示。

2.2 項目化實訓案例，跨體系融合專業知識

將無人機作為綜合實踐的平臺載體，根據企業和市場的需求來制定分析實踐項目可靠性，并產生需求規格說明書；根據需求分析進行可行性分析，產生可行性分析報告；由此進行分析案例的主要功能要點，根據要點對產品進行功能需求方面的系統概要設計，建立系統的體系結構和模塊的劃分[5]。

以工作任務驅動方式，將現有課程中常用電子儀器儀表的應用訓練、常用電子元器件的識別與檢測及電子產品的工藝與品質檢測等構成學習的載體。并根據無人機實訓案例的需要選用適合的配件，實現架構和布局的設計，然后以無人機的組裝完成為依據，設計專業課程體系。

最后實現整體系統調試，不斷修正調整，直到符合設計要求。在程序設計開發階段中可以對無人機系統應用進行可行性分析，據此設計軟件方案(二次開發)，軟件方案通常包括內環和外環。內環負責控制飛行姿態，外環負責控制三維空間內飛行運動軌跡[8]。軟件方案通常包括無人機狀態分析，無人機飛行控制算法實現，上位機及無人機具體任務的實現流程和邏輯輔助控制等。

圖1 專業能力課程體系優化

2.3 多課程滲透，構建綜合實踐平臺

根據無人機綜合創新平臺總體方案設計、無人機組裝與調試、程序設計開發、無人機通信、信息處理、無人機飛行控制和無人機技術服務的項目開發流程設計，滲透知識點到相應的課程中，項目驅動重構核心課程，構建“兩縱兩橫”綜合實踐平臺架構，如圖2所示。

圖2 “兩縱兩橫”綜合實踐平臺架構

結合無人機組裝、通信、信息處理、故障維修等方面的技術架構以及高職院校的學生特點、知識點可以滲透到以下內容。

(1)無人機構造與組裝

學生動手將所有部件組裝成一架完成的無人機，通過組裝讓學生了解并熟悉無人機的硬件構造。涉及課程有《電子CAD》、《電路分析與測試》、《電子裝接技術》。

(2)無人機飛控系統調試

無人機飛控系統的調試，設備調試與維護為了讓學生從零件到整機再到飛行整個過程中系統性的學生深入了解無人機的原理。涉及課程有《STM32微處理器應用》、《專業綜合實訓》。

(3)無人機維護與維修

無人機維護檢修，故障檢測是學生學習必不可少的一項環節，當飛機出現無法正常工作的狀況時，借助測試儀器，讓學生快速查出故障點，從而判斷問題的所在。涉及課程有《模擬電子技術應用》、《電子裝接技術》、《電子產品工藝與品質管理》。

(4)無人機飛行控制

學生在無人機實際飛行之前要進行模擬飛行訓練，掌握無人機操控的基本技巧，減少實際飛行中的失誤，通過模擬飛行訓練軟件可以讓初學者選擇各種機型、場景，機型行訓練，也可以以游戲的形式進行練習，在愉快的環境下邊做邊學，掌握實際飛行前所需的技巧[9]。在學生掌握一定的模擬飛行技巧后，可以進行實際操控，將試飛活動安排在實操飛行場地中進行，安全的飛行環境不僅為學生提供更好的保護，同時可以讓學生大膽的飛行訓練。也可以通過練習無人機航拍等。

(5)無人機飛行控制

無人機二次開發為無人機的高級應用開發，國內無人機品牌大疆可以實現無人機脫離遙控器的情況下進行自主解鎖、手勢起飛、懸停，超聲波避障功能，定距巡航，定高懸空、甚至執行自主運輸等復雜動作功能[10]。無人機未來的發展趨勢將是程控智能化，更多的是程序應用控制，而二次開發是為學生提供的功能拓展及創新平臺，可與無人機應用及未來發展緊密貼合。

(6)無人機的DIY制作

DIY制作指自己動手設計和改裝，目前各類定制化服務已經滲透到各行各業，由于不同的無人機領域應用場合，技術要求也千差萬別，產品要全方位的滿足客戶的期望，設計改裝將是未來無人機發展的一個方向。[11]無人機所有軟硬件全部開源，可拓展及改裝性增強，可支持學生 DIY 無人機。 在電子信息專業創新模式項目實踐中，學生可參與操控多旋翼小型無人機組裝、檢修、調試、飛行等步驟，閱讀無人機飛控代碼，基于該平臺可進行二次開發，能夠參與無人機相關技能競賽和創新創業項目，提升學生的就業競爭力[12]。

3 結語

本文以無人機技術綜合創新應用職業能力培養為核心，通過無人機項目研究，以真實產品開發為核心，設計、制作和服務應用為主線進行人才培養計劃，設計好課程、標準課程設計、建設實踐基地、教師團隊提升的專業建設模式。以江蘇省高水平骨干專業建設為契機，嵌入無人機綜合創新實踐平臺的理念，彌補現行課程體系培養的高職畢業生能力和實際企業人才需求之間的區別。從實踐技能角度出發，探討了理論結合技能實踐，實踐過程循序漸進，在豐富的實踐場景導向科研和應用的方式下鼓勵創新，融入平臺模塊化和開源化設計思想，介紹了一種基于新工科背景下的無人機平臺的專業創新模式，尤其是指明了電子信息類高職實踐教育的新出路和新思路。