無人機安防技術應用課程的教學設計與實踐

楊潤豐

東莞職業技術學院 廣東東莞 523808

1 行業背景

近年來，對于公共安全的需求高漲，安全防范系統迫切需要真正實現“實時監控，即時反應”，在最大程度上阻止危險事件的發生，并對突發事件做出應急響應。視頻監控在安全防范中的地位日益突出，視頻監控系統在鬧市、住宅小區、科技產業園、交通、安檢以及軍事設施等領域的安全防范等方面有著非常廣泛的應用。然而，在沒有視頻監控的覆蓋點或視頻監控的盲區點，安全管理部門無法通過實時捕獲現場第一手信息資料和現場問題并做出快速反應，使現場問題得不到及時、妥善的解決。隨著無人機技術的快速發展，無人機開始在安全防范中得到重要應用，如在科技產業園區應用無人機巡更，在大型戶外活動應用無人機現場監控等。無人機具有在狹小空間和復雜環境中垂直起降和懸停等能力，利用無人機與視頻監控技術集成，對監控現場全方位整體情況通過信號實時傳輸到視頻終端，這不僅提高了巡邏效率，而且規避了人工巡邏的盲區，特別是在應對和處理突發事件時，安全管理部門通過實時捕獲現場第一手信息資料并做出快速反應，使現場問題得到及時、妥善的解決[1,2]。

2 課程定位

目前，眾多高校開設的無人機專業課程主要是無人機的硬件平臺、通信與測控、指揮控制等方面，對于無人機安防技術應用的教學較少。為滿足我校“培養高素質創新型技術技能人才”的人才培養目標總定位和技術技能人才多元個性成長需要的人才培養方案需求，將電子信息專業群設置無人機安防技術應用作為一門創新班組課程，同時它也是一門專業交叉課程供其他理工科專業群的學生選修。課程體現工學結合、知行合一的職業教育特征[3]。

3 教學設計

3.1 教學目標

設置無人機安防技術應用課程的目的是使學生了解無人機飛行原理、民用航空法規，熟悉無人機系統的組成和維護，掌握無人機飛行控制和巡更，能對采集的視頻和圖片中安全規范行為和事件進行基本分析等。培養認真、刻苦、勇于實踐的工作作風，養成規范、嚴謹的工作態度。具備基本的創新素質，將專業知識與設備應用有機地結合起來，以適應社會的需求。

3.2 教學內容

理論知識是支撐起無人機操控技能學習的重要基礎，課程的理論教學將航空法規、氣象學、空氣動力學、多旋翼無人機系統組成及飛行原理、電子巡更以及任務規劃等理論知識組建成一個全面的知識系統，確保學生在完善的理論知識基礎上開展進一步對無人機安防巡更操控技能的學習。實踐教學主要包括組裝維護、模擬和真實飛行訓練、校園電子巡更、校園無人機巡更等(見表1)。

課程教學從認識無人機項目開始，認識無人機的發展簡史、無人機機型分類、無人機的優缺點、無人機的應用領域，使學生形成對無人機的宏觀認識；還通過學習民用航空法規的各項條文規定樹立安全意識和法律意識，保證作業過程合法合規。在項目2中認識無人機的飛行氣象條件與飛行環境對無人機的飛行起著重要的影響作用，學生了解全面的氣象知識，能準確判斷各種氣象現象，應對不同飛行環境下的飛行任務；通過掌握空氣動力學、伯努利定律等無人機飛行原理，理解無人機各個飛行姿態和飛行動作。另外，通過掌握不同無人機的速度、高度、續航、機動性能，認識無人機各部件的協作運行。從項目3開始增加了實踐動手的學時，學習無人機組裝的基本程序，要求必須遵循規定的步驟，任何一個安裝環節的混淆都將可能影響無人機各零部件的協調運作，甚至導致無人機飛行時的安全事故；在無人機拆卸、維修環節培養學生對無人機故障問題的判斷及解決能力，掌握無人機故障處理、日常養護的技能；另外，學生還學習電池、充電器和遙控器的使用等。接著是實際操作訓練項目，分為2個階段：模擬飛行練習和真機實際操作訓練，學生從零基礎循序漸進地掌握無人機的飛行技能。無人機操作通道多，對于初學者容易發生誤操作，所以真機飛行訓練前必須進行模擬飛行訓練，通過模擬真實的駕駛情景鍛煉學員的方向感和操作手感，提高飛行的安全性。實際操作訓練會根據學生的駕駛水平進行分組訓練，針對性做出技術指導。項目6的內容電子巡更系統可以了解安全防范科技手段，從而為項目7的校園無人機巡更打下良好基礎。在開展校園無人機巡更項目教學中，主要學習無人機校園巡更路線規劃、控制無人巡邏機通過運用GPS航點定位飛行、航向鎖定等原理功能，先后到教學實踐基地和校園現場進行全方位巡航[4]，利用攝像頭將園區整體情況通過信號實時傳輸到視頻終端計算機，并能夠進行對地面監控視頻數據采集和安全情況分析。最后是課程考核，以分組匯報項目和實踐報告為主要考核方式。

4 教學策略與方法

本課程實施翻轉課堂教學模式，由課前學習資料準備、學生自主學習、課堂實踐活動、課程考核評價4個部分組成，以任務體現“教、學、做”一體化的教學模式[5]，將理論知識的學習、專業技能的訓練和職業素養的養成融入具體的項目任務中，注重實踐操作和自主創新能力的培養。教師在課前制作學習資源和操作手冊，學生在課內外積累知識和動手技能。學生在課外時間自主安排學習和飛行訓練，組成團隊協作分配任務，完成實踐任務，并與教師和學生進行交流和研討。在課堂實踐環節，教師對實踐項目安排進行詳細說明后，學生進行分組實踐，通過創設情境激發學生對課程內容產生興趣，開發學生的潛在動機資源，吸引學生對無人機在安防技術應用的學習興趣。在實踐過程中，教師觀察學生的實踐情況、手把手地做示范，并指導學生完成實踐項目報告。課程結束后，對學生的學習情況進行評估，一方面評估學生在實踐環節完成的效果；另一方面對翻轉課堂進行教學反思，從而不斷調整翻轉課堂教學的策略與方法。

表1 無人機安防技術應用課程內容

5 教學評價

針對學生綜合能力評價，主要圍繞技能培養和技能測試，由于本課程共分為7個學習項目，每個項目結束后按項目考核評價表和項目報告進行考核評價，最后累加項目成績得出課程總成績，不單獨設置考試環節。學生基于此教學方案和教學模式開展課內外學習，積極自主學習，自學能力得到逐步提升，課堂教學取得滿意效果。學生還積極投身于實踐創新應用中，拓展學生對無人機應用的技能技巧，也促進了學生的就業，如無人機電力巡線、無人機測繪、無人機航拍等。

6 結語

本課程教學圍繞每個教學項目的知識要求和技能要求，有選擇性地進行科學的實踐教學，力求把無人機和安全防范技術應用結合起來。此外，課程致力于培養學生學習的興趣和獨立思考的能力與習慣，增強學生更進一步掌握科學的研究方法和使學生提高對新技術的學習能力。該課程的教學項目的實踐內容使學生的動手能力與獨立思考能力獲得了很好的提高，確保目標、能力、技能、課程的有機統一。