基于EPIP 教學模式的“無人機技術應用”課程改革的實踐與探索

郝立果 高慧珠 張翔宇 石東宇

（1.天津職業技術師范大學 天津 300222；2.鄂倫春自治旗民族職業高級中學 內蒙古 呼倫貝爾 165450）

一、研究背景

近年來，無人機行業迎來前所未有的發展機遇，無人機的應用幾乎涵蓋了災害救援、街景拍攝、監控巡察、環保檢測、電力巡檢、農業植保等所有領域[1]。伴隨著無人機市場的迅速增長，社會對無人機操控和檢修等方面人才的需求驟增。為滿足行業人才需求，近年來越來越多的本科院校和中高等職業院校開設無人機專業或相關課程，目前有超過30 家本科院校開設了無人駕駛航空器系統工程、無人機系統工程等相關專業，超過200 家中高等職業院校開設無人機應用技術專業。為了進一步規范無人機行業人員的從業行為，人力資源和社會保障部于2021 年頒布《無人機裝調檢修工國家職業技能標準》，為無人機相關專業課程的教材、實驗室建設提供了指南和依據，也為教學內容的設計和相關考核評價標準的制定提供了參考和借鑒。

天津職業技術師范大學作為培養職教師資的師范類大學，為補充中高等職業院校無人機方向師資的缺口，探索開設“無人機技術應用”課程作為輔修課程。學生通過選修本課程拓展相關知識，掌握無人機操控、調試檢修的基本技能，初步具備中高職院校無人機專業相關課程的教學和實習指導能力。在課程實施過程中，教學團隊引入工程實踐創新項目EPIP（Engineering Practice Innovation Project）教學模式，該模式以實際工程為指引，以實踐應用為導向，以創新能力培養為目標，以項目實踐為統領，旨在提高學生的綜合素質，增強工程實踐能力，培養創新精神和創新能力[2]。“工程化、實踐性、創新型、項目式”是EPIP 的核心內涵，“工程化”是EPIP 教學模式的根基，在教學中引入實際工程理念，基于實際生產場景進行“項目式”教學，在項目的實施過程中注重“實踐性”，學生在實踐過程中加強自主學習，通過不斷的探索、嘗試，做到知其原，知其衍，在工程實踐的過程中不斷創新并體會創新的樂趣，實現“創新型”的教學過程[3]。無人機技術具有較強的實踐性和創新性，在項目式教學過程中“無人機技術應用”課程圍繞無人機在實際工程中的應用進行探索與研究，與EPIP 教學模式所倡導的理念完全契合。

二、無人機課程教學現狀

隨著無人機相關專業的開設和課程的實施，各院校在進行無人機專業相關課程的教學過程中，不斷探索并積累了大量的實際經驗，為社會培養出了大量不同層次的無人機應用人才，專業建設取得了較好成績。但在人才培養質量和課程體系建設方面，在不同程度上還存在一些不足。

（一）專業師資力量不足

由于無人機相關專業屬于新開設專業，各相關院校首先面臨師資力量不足的問題。從事無人機相關課程理論教學的教師主要來自航空航天相關專業和機電類專業，實踐教學方面的師資則更多來自從事航模運動的教練員或運動員。而無人機相關專業建設發展所急需的既掌握無人機相關理論知識，又具備嫻熟的操作技能和教學能力的優秀師資則顯得極為稀缺，短時間內難以滿足各院校的急切需求[4]。

（二）實踐教學場地制約

由于無人機室外作業的特點，在進行實踐教學過程中場地通常是無人機操控訓練的一個制約因素。根據我國《低空空域使用管理規定》，我國低空空域是國家重要戰略資源，無人機飛行前需要向相關單位進行空域的申請，城市中大部分空域是禁飛區或限飛區，而訓練所需空域面積較大，一般校園內不具備訓練條件。且無人機飛行過程中一旦出現失控、墜機的現象，都會造成較大的經濟損失，甚至可能帶來人身傷害。為了解決場地制約，部分院校利用共享體育館等空間較大的室內場館開展實踐教學。

（三）課程體系不夠健全

由于無人機技術的推廣應用歷史短、發展快且覆蓋基礎學科領域較廣，所以相應的專業教材少、教學案例不足，課程體系建設過程中缺少成熟體系的借鑒。在課程設計中需要對多學科相關專業的課程內容進行提煉并重新整合，同時還要引入無人機相關應用領域的專業知識，以滿足無人機技術所需的理論支撐。

相比于理論教學環節，無人機操控實踐教學環節則面臨更大的挑戰。由于受場地及無人機飛行速度快、存在危險性和不確定性等因素的影響，同一時間、空間進行實踐操作的學生人數通常不能超過2 人。在初期訓練過程中，指導教師需要全程指導，一旦學生操作失誤教師需要及時介入糾正，否則可能導致飛行事故。一旦出現墜機、撞機事故，短時間無法修復。如果班級人數較多，人均訓練時長便難以保證，訓練效率較低。為解決此問題，在進行無人機操控訓練時，通常會引入模擬器以降低損耗提高訓練效率，但如何合理恰當地將模擬器訓練和實機訓練相結合，達到虛實互補的訓練效果，也是需要深入研究的課題。

（四）與行業應用缺少對接

在行業應用中，無人機主要作用任務搭載平臺，在不同的行業中需要搭載不同的任務載荷。由于缺少對行業應用的深入了解，除了無人機自身相關內容外，對其他專業領域的教學內容設計不足，造成人才輸送與實際企業需求存在差異。

無人機相關課程設計過程中，必須結合不同行業應用，設計具有工程性的教學項目，在項目實施過程中加強培養學生的工程意識，使每個教學環節貼近實際生產應用。在教學實施過程中加強以學生為主體的模式，引導學生在實踐過程中探索未知，加深對理論知識理解的同時能夠學以致用，并在實踐中發揮主觀能動性，不斷創新。

三、基于EPIP 教學模式的“無人機技術應用”課程設計

基于對無人機相關專業教學現狀的分析，結合無人機相關課程教學現狀，課題組將工程實踐創新項目（EPIP）引入到“無人機技術應用”課程的設計和教學實踐中，以無人機技術為載體，以培養大學生工程意識和創新實踐能力為目標，基于EPIP 教學模式設定合理的課程目標、精選融合課程內容、制定科學考核辦法，進行“無人機技術應用”課程設計。

（一）課程介紹

“無人機技術應用”課程是天津職業技術師范大學面向本科生開設的一門創新型課程。該課程以無人機技術為載體，按照無人機裝調檢修工職業標準的技術要求，通過完成無人機的設計、組裝、編程、調試、檢修、操控等各項任務，培養學生掌握無人機相關知識和技能的同時提升實踐應用能力和創新能力[5]。

采用EPIP 教學模式，結合行業應用，設計若干工程項目；每個項目再分解為若干子任務，將教學目標中的知識點和技能點分解到每個任務中，學生分組在執行任務的實踐過程中，自主學習理論知識、訓練實操技能，在實踐中創新。在項目實踐過程中，教師以示范、答疑等方式起到引導、啟發、推動的作用。

（二）課程設計

結合“無人機技術應用”課程目標，參照工程實踐創新項目（EPIP）的核心內涵[6]，設計了3 個工程實踐項目，共15 個訓練任務，總學時為90 個學時（見表1），利用3 周的實踐訓練教學環節完成課程教學。課程以四旋翼無人機為訓練載體，學生在完成各項任務的過程中掌握無人機相關知識和技能，并注重培養工程意識和實踐創新能力。

表1 “無人機技術應用“課程EPIP 項目設計

（三）考核評價方式

課程最終成績由三個項目的成績加權計算得出，Y=0.4X1+0.3X2+0.3X3（式中：Y 為總成績，X1、X2、X3分別為三個項目的成績），從而形成一整套科學合理的評價體系。

項目一為“無人機操控”，該項目的教學目標是讓學生通過無人機基本操控技能的訓練掌握無人機駕駛技巧，從而對無人機技術產生濃厚興趣。本項目主要是通過訓練提高學生在無人機操控過程中“腦—眼—手”的協調度，與專業背景相關性較弱。結果評價主要考察學生在操作方面的熟練度、精準度、安全規范性。如表2 所示。

表2 “無人機操控”項目考核評價表

項目二為“無人機設計與組裝”，要求學生利用Solidworks 軟件完成無人機機架的設計，操作激光切割機進行木板的加工、組裝并進行調試，操作無人機完成飛行任務。學生需要理解和掌握無人機結構組成等基礎知識，熟練掌握軟件和工具、設備的使用、操作等基本技能。結果評價是分階段對設計合理性、創新性、加工組裝精度、飛行任務完成度進行綜合評價。由于項目二的實踐過程由學生分組完成，所以評價對象面向項目組，每個小組成員成績相同。如表3 所示。

表3 “無人機設計與組裝”項目考核評價表

項目三為“無人機檢測與維修”，該項目的教學目標是通過對無人機檢修、設置、維保，使學生理解和掌握無人機主要組成部件的基本原理，熟練掌握無人機檢測、維修、測試等基本技能。結果評價主要考察學生快速準確檢測無人機故障并進行修復的能力。如表4所示，在考核設備上設置兩處故障，學生需要通過測試，用文字描述出故障現象，能通過檢測找到故障點并進行修復。根據故障現象描述正確性、故障點位置準確性和修復結果進行評分。

表4 “無人機檢測與維修”項目考核評價表

四、“無人機技術應用”課程教學實踐

項目組以天津職業技術師范大學2019 級工程實踐實驗班學生為樣本，利用2021 年暑期進行了為期15 天的“無人機技術應用” 課程的EPIP 教學模式實踐。該班共計20 名學生，專業方向為機械設計，已經過2 年的本科學習，具有相對扎實的專業基礎知識。在課程實施過程中，共開設了3 個教學項目，每個項目利用5 天時間完成。項目實施過程中，需要的理論知識的學習和基本技能的訓練穿插進行，激發了學生的學習興趣和熱情，達到了良好的教學效果，同時為“無人機技術應用”課程體系建設積累了經驗。

整體教學過程注重對學生工程意識和團隊協作意識的培養，將學生分為5 個項目組，每組4 人，各小組自行確定組長和人員分工，共同協作完成每一個項目。在項目實施中，學生是整個教學過程的主體，教師引導學生進行項目規劃、任務分析和執行。在任務執行的過程中，以小組活動為主，教師指導為輔，鼓勵學生自我探究，大膽創新，最終完成各項任務。

（一）理論知識教學過程

“無人機技術應用”涉及廣泛的理論知識，理論教學環節融入工程項目，主要采用翻轉課堂的方式，以項目調研的方式將不同任務分配給不同學習小組，各組學生根據要求進行資料查閱、整理，并集中分享、交流。例如，為了讓學生充分了解無人機在不同領域的應用和發展，在教學過程中按應用領域進行劃分，提出調研重點內容、規定分享展示時間等，將任務布置到各學習小組。如表5 所示。

表5 無人機應用與發展調研方向分工

在項目調研過程中打破時間和空間的限制，各組充分利用課內和課外時間，通過線上搜索收集相關資料，整理制作PPT 文檔，并集中進行展示、交流，教師對每一組的展示成果進行點評和補充。通過時空開放的自主學習方式，學生表現出高漲的學習熱情，收集大量的圖文資料并進行精心整理，設計制作精美的PPT。

學生在探索無人機在不同領域的發展與應用的過程中，對無人機的學習產生了更加深厚的興趣，與此同時也提高了資料收集、整理和表達展示的能力。

（二）實踐教學過程

無人機在實際應用中對操控熟練度有著極高的要求。在操控過程中，敏銳的觀察力和快速反應能力以及穩定的心理狀態極為重要，這些都需要大量科學的訓練才能達到基本要求。除了對無人機的操控，實踐教學環節還包括設計、組裝和檢修三個方面。

1.無人機操控

操控環節需要操作員手眼腦的協調配合，通過長時間訓練形成肌肉記憶。操作員必須能夠準確判斷無人機在空中的方位、姿態和飛行狀態，同時還要觀察飛行空域內及航線周邊的障礙物，并關注風向風力等氣象變化。一旦觀察判斷失誤，則可能會出現迷航、碰撞，導致飛行事故的發生。在飛行過程中操作員需要實時利用手中的遙控器調整無人機的姿態、位置，以保持正確的高度、速度、角度和飛行方向，實現預定的飛行任務。

失控、“炸機”在無人機操控的入門階段是時有發生的。為了降低損耗和保證人身、環境安全，并最大程度滿足多人同時訓練，操控環節的訓練采用模擬飛行和實機飛行相結合的方式。模擬飛行的優點在于可以實現多人同時訓練、避免飛行事故、無損耗、無限續航、環境可控等，通過模擬飛行訓練使操作員對遙控器搖桿產生良好的手感，為形成肌肉記憶打下基礎。

學生通過模擬飛行訓練對遙控器的操作達到基本熟練后，將進行實機的體驗飛行。為了保證訓練的安全性，實機訓練在安全防護網內進行，并且在防護網內只能允許一臺無人機飛行，學生分組依次進行適時的飛行體驗，感受實機與模擬器操控的差別。在之后的飛行訓練項目實施過程中，將基本操作訓練分為若干科目，每個科目都要先通過模擬器的訓練掌握基本操作技巧，在完成模擬器飛行考核后再進行實機的飛行訓練。通過虛實結合的訓練方法，使學生更迅速地掌握無人機的操控技巧。

設計訓練記錄表，對學生訓練過程中的每一個技術細節是否規范或所能達到的技術標準進行記錄。以任務二懸停訓練為例，記錄表如表6 所示，記錄學生每一次訓練從準備到結束的每一個環節中在安全規范、職業素養、技術掌握程度等方面的信息。每次操作訓練時教師都需要觀察學生的操作是否符合規范，并進行記錄評分，讓每個學生對自身存在的問題進行有針對性地強化練習。

表6 無人機操控日常訓練記錄表

2.無人機設計與組裝

無人機設計與組裝包括四旋翼無人機的機械機構設計、制作、組裝等環節，最終將實現一架無人機產品的物化，其教學流程如圖1 所示。在設計環節中，為學生統一提供無人機核心器件，如電機、螺旋槳、飛控、電池、電調等，學生要分組進行零部件測繪，并根據外形尺寸設計機架結構。在機架的設計環節，各小組學生可以根據各自的想法，進行個性化的設計。在此過程中，學生需要利用機械制圖軟件完成實體圖、零件圖和裝配圖的繪制，并根據電動機升力、電池容量等信息，計算機架的強度、重量、外形尺寸等參數。

圖1 無人機設計與制作的教學流程

在完成機架的設計和裝配仿真后，對各組的設計方案進行論證。各組依次進行方案的匯報，由其他小組成員提出建議，對方案進行完善后將進行設計的物化。設計物化過程以3mm 椴木板為原材料，利用激光切割機進行加工，通過組裝、試飛對設計合理性進行驗證。由于缺乏設計經驗，試飛往往難以一次成功，經過對設計方案進行多次的改進最終實現無人機的預設功能。在完成試飛后，要求各組撰寫設計報告，對設計過程和相關數據進行總結，形成完整的工程實踐過程。

3.無人機檢修

無人機檢修項目主要包括電池的使用與維護、機械結構拆裝和電控系統檢修等任務。電池的使用與維護主要包括正確的充電、儲存、放電和電池電量的測量。相關知識的學習和技能訓練融入到無人機操控訓練過程中。

機械拆裝任務有助于加強學生對無人機結構的了解，掌握螺旋槳、起落架、載荷機構等易損部件的正確更換方法。在訓練過程中采用以賽促訓的方法，各組學生在規定時間內進行無人機拆裝競賽，在你追我趕的氛圍中不斷提高拆裝的速度和精度。

電控系統檢測需要具備一定的電子電路基礎知識和儀器儀表的應用能力。電控系統檢測任務主要是對典型電子電路進行檢測、對損壞的元件進行更換等。小組內部成員間互相進行故障設置，模擬真實維修場景，并通過交流討論加深對檢修方法的理解。

（三）教學效果

通過將EPIP 教學模式引入“無人機技術應用”課程教學中，學生對無人機技術產生了濃厚的興趣，并初步了解了無人機相關理論知識、飛行原理和結構組成，能夠主動學習、訓練，在設計過程中能夠創新。通過課程的學習基本掌握了無人機飛行操控和組裝、維修等技能，在各項目的最終考核評價中優秀率達到40%以上，各項目的班級平均成績在85～95 分之間。

課程以模擬實際工程項目為指引，學生在項目實施過程中，機械測繪、機械制圖、激光加工等專業技能得到了強化，電子電路知識和電子檢修技能得到了拓展，對無人機相關知識和操控技能有了一定程度的掌握，實踐能力、創新能力、團隊合作意識均得到了提升，達到了預期的教學效果。

五、反思與展望

通過EPIP 教學模式在“無人機技術應用”課程中的探索應用，學生對課程所涉及的相關知識和技能的掌握程度整體較好，學習主動性提高，對無人機技術表現出了濃厚的興趣，積極性和創造性得到了激發，學習效果明顯優于傳統教學模式。但是，“無人機技術應用”課程在實踐過程中依然存在一些問題，面臨一定的挑戰。如20 人小班成功的教學模式在面向正常班級人數進行推廣時，如何克服實訓場地制約、設備續航時長較短的問題；學生如何充分利用課外時間開展無人機相關研究，參與到無人機相關學科競賽和科研工作中。針對上述問題，課題組認為可通過以下方式解決：聘請具有較好無人機基礎的大學生科技社團成員作為助教，教師集中授課后分組由助教協助指導以解決大班教學師資不足問題；采用多個項目并行的方式解決場地制約問題；加強與相關企業的合作，將企業實際工程項目引入作為師生科研的課題。