“無人機飛行原理”課程“理實一體化”教學設計研究＊

王 浩，虞君錨

（浙江安防職業技術學院智能安防學院，浙江 溫州325000）

近年來，隨著民用無人機市場的快速發展，無人機在各行業的應用表現出顯著的增長趨勢，例如航拍、測繪、植保、電力巡檢、安防、應急等各行業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年新設立無人機應用技術專業，經過2年發展，浙江安防職業技術學院該專業的建設與人才培養逐漸完善。其中“無人機飛行原理”作為本專業核心課程，理論性強而且學習難度較大，是學生比較“畏懼”的課程，為提升教學效果，教學團隊經過調研與實踐，結合學院具體情況，進行了“理實一體化”的教學改革設計，極大提升了學生的學習興趣與學習效果，逐漸成為受學生歡迎的課程，取得了比較好的教改效果。

1 課程基本情況

無人機應用技術是中國普通高等學校專科專業，“無人機飛行原理”是該專業的核心基礎課程。該課程以無人機飛行基本理論和分析方法為學習對象，要求學生掌握力學分析在飛行原理當中的應用，旨在提高學生的科學素質，提升理論聯系實踐、全面分析和解決問題的能力，能為后續其他專業課程的學習奠定基礎。在教學安排中，該課程開設在大一上學期，學生在學完本課程以后，要求學生在知識上能夠掌握無人機飛行的基本原理，飛行力學的基本分析方法，了解基礎的飛行性能；技能上可以查閱相關資料，進行獨立思考，理論指導實踐，深入鉆研無人機相關穩定飛行與安全飛行問題；思想上可以繼承和發揚中國的航空精神。

傳統航空類專業“飛行原理”課程，常以空氣動力學特性在飛機上的應用為主線，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知識為基礎，重點講解不同無人機平臺的飛行原理。在課程結構上，主要分為空氣動力學基礎和飛行原理2個模塊。空氣動力學基礎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容包括運動方程、飛行性能、平衡性、穩定性以及操縱性等，通過包含不同飛行平臺的飛行原理，構成了完整的“無人機飛行原理”課程體系。

2 教學存在的問題

“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容所決定的，無論何種平臺的無人機，其飛行原理的基礎均為受力分析，該力主要為飛行中的空氣動力，因此教學內容必須以空氣動力學理論為基礎[4-5]。難度大體現在知識結構環環相扣，互相聯系，并且需要較深的數學基礎才能對基礎理論有全面認識，因此學習難度較大。圍繞這2個特點，通過學情分析，對該課程的教學現狀進行梳理，發現以往教學效果不理想的主要原因體現在以下幾個方面。

2.1 課程知識抽象，難以理解

空氣動力學基礎模塊公式多，涉及到較難的微積分，一些結論比較抽象，學習起來枯燥乏味。此外由于課程內容連貫性較強，而學生的基礎和接受程度不一，部分學生跟不上課堂節奏，就容易分神導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內容，比如平衡性和穩定性等比較抽象的知識，在教學中是學生難理解的內容，學完后，部分學生一知半解，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“飛行原理”的教學方法，課堂以講授理論知識為主，強調公式，學生容易疲勞，而且興趣不高，并且發現一些學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學生探索飛行原理的興趣，也不利于培養學生的創造性發散思維。此外，教師過多的講授在一定程度上抑制了學生的主觀能動性，導致學生在課前課后往往不愿意再主動學習，導致課堂效果的進一步下降。

2.3 實踐環節缺失，重理輕實

由于無人機專業設立時間較短，相應的實訓環節建設尚不完善，包括實訓室的建設、實訓環節的設計、實訓指導書的編寫、實訓過程管理等。通過與學生溝通交流，發現大部分學生對實踐環節更感興趣，更愿意在實踐中進行學習。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節，但在授課中往往也以講授為主，忽視了學生的興趣點，也忽略了實踐的重要地位。

2.4 評價環節不完善，導向性差

學習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，但缺乏對教學全程的關注。學生采用死記硬背的方式往往更容易通過考試，這就導致其對平時課程不在意，更多是考前突擊，而知識的綜合應用和實踐能力幾乎得不到提升[6]。

3 “理實一體化”教學設計

結合專業培養目標和課程目標，針對教學過程中存在的問題，設計了“理實一體化”的課堂教學，即理論實踐一體化的教學模式。該方式在一定程度上解決了理論與實踐脫節現象，強調發揮教師的主導作用，在課堂授課時設定教學任務和目標，教、學、做同步進行，使理論教學與實踐教學相互融合，從而提高教學效果。在整個課程教學過程中，理論教學和學生實操交替進行，抽象和直觀交錯出現，使學生始終保持好奇心和學習興趣。此外，在實踐教學中以分小組比賽的方式更能激發學生的主動性[2]，將比賽成績計入課程考核評價成績，能全面反映學生的知識掌握和應用能力，使課程學習脫離死記硬背。具體教學設計體現在以下幾個方面。

3.1 理論教學

在課堂教學過程中重新梳理知識結構，弱化公式的推導，加強理論的來源和應用講解。尤其是在講解空氣動力學基礎知識時，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容豐富飽滿。例如：在學習低速氣流特性時，引入“吹紙”試驗、“吹硬幣”試驗，使連續性定理和伯努利定理的講解生動起來；布置開放性作業，足球運動中的“香蕉球”如何用學過的原理解釋，用一些生活中常見的現象進一步增強學生對知識的遷移和應用能力；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效果。

此外，在理論教學的課程設計中，采用“課證融通”為設計理念。為使課程內容能夠進一步對接無人機駕駛員證書，將課程內容進行梳理，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教學任務，便組織學生進行相關的理論考試題庫練習，以作業形式和課堂測評進行學習效果檢查，及時查漏補缺，有利于學生考取相應的職業技能證書。

3.2 實踐教學

該部分重在加強學生的理論應用能力、動手實踐能力和創新能力，對于理論與實踐聯系比較緊密的知識點，重新設計與課程緊密相關的實訓環節，本課程共設計4個實訓環節。

第一個實訓為折紙飛機競賽，安排在空氣動力學基礎知識講授之后，具體要求是根據所學知識制作紙飛機參加相應賽道的比賽，共4個賽道分別為：①拋出紙飛機后，飛行直線距離遠；②拋出紙飛機后，滯空時間久；③拋出紙飛機后，經盤旋一周，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。同學們通過折紙的形式，結合空氣動力學知識，綜合考慮紙飛機的重心布局，翼面形狀來設計不同性能的紙飛機。通過比賽的方式，可以很好地調動學生的學習積極性和創造性[7]。采用這種以賽促學的形式，進一步提升了實踐教學環節的質量。

第二個實訓為固定翼無人機模擬器飛行練習，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飛行科目，可以練習固定翼無人機的起飛和著陸技巧，直線飛行技巧以及轉彎技巧。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，那么學生就能聯系所學的升力公式對這一現象進行解釋；轉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的副翼發生了偏轉，進一步通過可以判斷左右兩側機翼升力的大小，從而將飛機的操縱行為與力學分析相聯系，做到理實一體化教學。

第三個實訓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，具體要求是根據所學知識分小組制作一架航模，進行調試試飛，并結合模擬器的練習，最終完成組裝航模的五邊航線飛行。該實訓環節屬于綜合性教學內容，也可作為課程的大作業，主要包括3個部分：KT板航模的設計與組裝、電子系統的安裝與調試及五邊航線的飛行與測試。該實訓環節成績由學生進行投票評價進行賦分，分別由同學們為各組的作品進行評分，結果能夠相對公正地評判同學們的實踐能力與綜合應用能力。

第四個實訓為多旋翼無人機模擬器飛行練習，安排在多旋翼無人機飛行原理講授之后，具體要求是根據所學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，在完成相應的理論學習后，迅速進入實訓的環節可以使學生及時發現學習問題，知識掌握程度迅速加深，這些環節極大調動了學生的學習熱情。

3.3 課堂思政

在飛行原理教學過程中，還深入挖掘了與飛行原理相關的課堂思政，通過講解原理背后蘊含的思政元素，使學生掌握技能的同時，思想認識也能得到升華，進一步提升了教學效果。由于航空領域發生事故代價成本非常高，因此很重視總結相關經驗教訓，從而避免空難的再次發生，所以本課程思政的切入點是空難事故分析。空難視頻對學生的震撼力強，理清空難背后原理因激發學生的學習動力，也能培養學生具備無人機安全操縱的意識。教學中，針對不同的知識內容安排播放不同的空難視頻，學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，讓學生了解了事故原因，由于大部分飛行事故都跟飛行環境或者跟操作不當相關，通過層層分析最終引入到飛行原理當中，會給學生留下深刻印象。這種精神也會指引學生進一步地去學習，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合，會讓教學內容變的更加豐富，更加有吸引力。

3.4 考核評價

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

4 結論與討論

通過對“無人機飛行原理”課程的“理實一體化”設計，解決了理論知識抽象，難理解的難題，對課堂內容的重新設計提升了學生的學習興趣與參與度，使學生對知識的理解和接受程度均大幅提升，實踐教學的實施使課程目標實現得到進一步加強，全面的考核評價體系使學生的注意力始終與課程保持同步，這些措施促使教學效果得到了全面提升。