中小學“無人機”創客課程的意義與實施

鄒衛華

教育部“十三五”規劃強調對學生進行創客教育，全國各地的中小學還在積極地引入STEM課程，筆者結合一線的教學實際，談一下中小學引入無人機項目進行創客教育的意義與實施，以期豐富學校的創客前端課程，提升學校創客教學水平，推進學生的科學創新素養培養，以先進科技提升學生的學習品質，增強學生的綜合素質能力。

● 開設“無人機”創客課程對學生的積極意義

1.以先進科技提升學生的學習品質，增強學生的綜合素質能力

通過先進、完備的科學教具和精心設計的無人機實驗課程，可以使學生掌握基本實踐技能，培養綜合運用各種儀器的能力。無人機創客教育將會給學生提供更先進的設備和技術手段，進一步提高學生的創新意識和創新能力。通過培養學生對社會的責任感，通過知識的學習、技能的掌握和活動的參與，讓學生初步領會科學的方法論，提高觀察能力、思維能力、創造能力和實踐能力，從而促進其科學素質的全面提高。此外，通過無人機創客教育的學習可以激發學生的實驗興趣，調動學生學習的主動性，確保學生在掌握基礎理論和基本技能的基礎上，更進一步增強創新思維和創新能力。

2.“無人機”創客課程對學生的培養目標

知識方面：讓了解無人機這個學術前沿領域的發展和應用狀況，了解無人機的概念和工作原理，提高對無人機的認識，為進一步學習無人機的有關知識打下基礎。

能力方面：①了解無人機的各種傳感器、控制系統及動力裝置的作用，理解體會程序是無人機的靈魂，了解無人機是怎樣在程序的自動控制或者人的指揮下工作的。②學習一種和無人機自動控制相關的計算機編程語言，通過對無人機自動控制算法的了解來訓練科學而高效的思維方式，提高邏輯思維能力、規劃能力，提高分析問題和解決問題的能力。③通過模擬及實戰項目的完成，在組裝與操控無人機的過程中培養動手能力、協作能力和創造能力。

情感方面：①通過介紹高科技領域學科發展前沿和我國空中機器的先進技術培養愛國主義精神、科學精神、頑強拼搏精神，激勵確立正確的世界觀、人生觀和價值觀。②培養對人工智能技術的興趣，真正認識到無人機對社會進步與經濟發展的作用，積極參加無人機設計比賽、無人機競技比賽等各種課外活動，在競賽活動中培養創新意識、團隊意識和競爭意識。

● “無人機”創客課程的實施與能力培養

1.選擇適合教學的無人機

印象中的無人機大多專業性十足，但是并不適合教學：一是對于普通用戶來說上手操作非常有難度;二是設備昂貴，容易損壞;三是整個操作系統是閉源的，也不支持給用戶進行編程使用。

本課程選擇的是Makeblock公司出品的Airblock無人機。Airblock是一款可自己拼裝、編程的模塊化飛行器，模塊間采用磁吸連接，可快速搭建出無人機、氣墊船或更多意想不到的形態。這款無人機不僅能一鍵起航，體驗操縱飛行的快感，還能配合大人小孩都能輕松上手的圖形化編程，自定義更多復雜動作，在游戲中系統地鍛煉編程思維。

2.拼裝與操控，培養學生實踐動手能力

學生對無人機的親手拆解、組裝機械零件、聯通導線、安裝部件等活動可以鍛煉學生的手指靈活性，刺激大腦的發展，為培養未來的能工巧匠打下基礎。無人機也綜合了信息技術、各種傳感器、機械、電子、控制等多個學科知識，操控一臺無人機對學生來說，需要理解無人機飛行的各種知識，克服操控中的各種問題。

在拼裝方面，Airblock的組件構成比較簡單，可以由學生自行組裝。在無人機模式下，只需要將6個動力模塊吸在主控模塊的接口上就好，但要把機頭的動力模塊區分開來，機頭的動力模塊是紅色的，要求放在一號接口。Airblock設計上最巧妙的地方，是模塊安裝的方式，它們是通過磁性來連接的。當把動力模塊接近主控模塊接口時，它們就會瞬間吸附在一起，這種拼裝方式，既提高了學生的搭建樂趣，又能省掉無謂的錯誤或損壞，提升學生成功的體驗度。

在操控方面，Airblock飛行主控制器圍繞著六個電機，以此保證其充沛的升力和靈活性，中間是一個多面體，內部包含電源和控制單元，整個飛行器結構簡單而又緊湊。但學生操控Airblock時，需要對機器的飛行姿態保持相對平穩。學生需要學會常規飛行的所有功能，在智能手機或平板的藍牙控制下，指揮它懸停、向任意方向平移，并且按照規劃的路徑飛行。雖然看似平常，然而實際上，涉及學生對Airblock的動力原理和對飛行動力學的理解與實施。

3.自定義編程，培養學生邏輯思維能力

創客教學中的無人機，跟像常規無人機一樣需要進行手動操控，但對于培養學生信息素養來說，它的價值是編寫控制代碼。我們可以讓學生通過自定義飛控編程，來分析解決實際問題，這既能培養學生的計算機編輯能力，又能讓學生掌握更多的知識、算法和程序思考方法，逐漸培養起對信息技術的興趣。

Airblock無機人通過手機或平板來進行編程操作，只需要下載Makeblock APP，這個編程平臺源自Scratch2.0圖形編程平臺，這也正是如今小學生學習的編程軟件。Airblock支持螺旋槳模塊配合編程，把對飛行器的控制做成了可視化的拖拽模式。例如，在運動模式編程中，可以發現這里沒有復雜的英文代碼，一切都是圖形模式，簡單易懂，可以非常直觀地看到在一個事件中的各類參數，如可以設置每一個螺旋槳動力控件的馬力。這個原理非常簡單，就是發揮自己的創意，將螺旋槳動力模塊以不同的角度鏈接至中心主控模塊，作為推進器或者鼓風機使用，通過圖形變成為電機設置不同轉速，來獲得不同方向的推進力或者風力。

圖形化、積木式拖拽編程，易于上手，不僅可以讓學生自定義酷炫的飛行特技，還可以系統地鍛煉學生的邏輯思維能力。對于部分變量，學生只需要替換成自己想要的，就能實現對飛行器任意的復雜控制。在娛樂和游戲的過程中，學生就能潛移默化地學會程序語言背后的邏輯。這樣的無人機自定義編程飛控，可以輕輕松松地引導學生從小樹立編程思想，寓學于樂。

4.創意改造，培養學生創新創造能力

Airblock無人機不僅操作簡單還可以DIY！這可以讓學生充分發揚創客精神進行創新性實踐。例如，由于Airblock的六個旋轉電機以及包圍的保護罩與機身之間是通過磁性材料互相吸引連接的，學生可以隨意取下或拼回。如果學生只拼接三個帶有保護罩的電機，6旋翼飛行器就變成3旋翼飛行器。學生還可以把電機旋轉90度或者180度之后再拼接，如兩個電機朝下，另外四個電機朝前或者朝后，Airblock就變成了氣墊船，兩個朝下的電機讓氣墊船與地面或水面之間形成氣體隔離，另外四個電機控制方向和速度，這樣Airblock就能以水陸兩棲的方式在地面或水面上隨意移動。

由于Airblock的模塊化設計，學生還可以組合出更多的形態如摩托車，還可以和樂高進行組合，只要想象力夠豐富，Airblock可以變成各種形態。總的來說，Airblock的可塑性很高，而且由于體積小，操控簡單，學生隨時都可以用iPad連接操作，連接的方式也非常簡單，打開藍牙將iPad貼近主控模塊，就可以快速建立連接，啟動時先點按操作界面上的開機鍵，然后左邊搖桿負責高低，右邊負責方向，想怎么控制都可以。

這樣的無人機創新活動，也為學生提供了全面接觸、學習信息科技，理解信息科技內涵的智能化學習平臺，有利于中小學生信息素養、想象力、創造力的全面提高。無人機完全靠學生運用自己的聰明才智去制作，有利于培養學生的開放性思維。

● 學校“無人機”創客課程的課程設計

學校進行“無人機”創客教學，除了依靠采用的無人機平臺本身的教學特性外，還必須建立一整套基于學生知識認知規律的循序漸進的教學課程，上頁表1是筆者建議的一些課程與教學進度，表2是部分課程內容舉例。

創客教育理念在于強調“做中學”。當前，無人機集計算機語言、通信、網絡、傳感技術、自動化技術、人工智能多種技術于一體，無人機創客教育過程中融入了創客的精神內涵，能充分發展學生的創新精神和動手實踐能力，能將學生培養成為有創客精神的人。