高校無人機航拍虛擬仿真實踐教學路徑探索

周 菁 張學波 林秀瑜 藍輝強

伴隨著大疆創新等一批無人機企業在無人機研發上的技術創新，讓無人機航拍逐漸取代直升機、熱氣球等超大型空中拍攝設備而被廣泛應用于影視素材拍攝中。不論是影視劇和電視廣告創作，還是新聞視頻及電視直播等領域，無人機航拍都得到了廣泛的。“無人機航拍課程”的教學目標也逐步實現了傳媒專業學生的攝影、攝像技能培養向航拍導演綜合技能的目標轉變。

和地面攝像機的操控相比，航拍作為“無人機飛行和空中云臺拍攝”兩項技能項的疊加，其技術的特殊性、應用的專有性、操控的安全性給無人機航拍師提出了更為專業的操作要求和職業素養能力訴求，圍繞學生的技能培訓、理論提升、規程意識和安全素養的綜合職業能力為目標展開航拍教學就顯得特別重要。加上無人機教學實踐條件受限較大，突破傳統教學模式和教學方法的束縛，引入線上教學就顯得尤為必要。

一、問題的提出：航拍課程要以飛行技能訓練為基礎

在專業的影視拍攝的作業現場，為了保證素材拍攝的流暢度、畫面構圖的審美需要、一次起降的飛行效率以及在各種環境條件下的安全飛行，航拍通常是由飛手和云臺手兩人共同完成的。飛手負責無人機的飛行安全、航線設計；而云臺手則要專注于無人機搭載的攝像機云臺運動，以實現畫面構造，也就是常說的云臺相機的運鏡和拍攝。云臺手必須不斷和飛手配合無人機搖桿的速度和方向以調整畫面形態。

正因為云臺手的工作可以看作是攝像師的空中作業，所以航拍的基礎訓練內容是在安全前提下的飛行操控訓練，其必要性主要體現在以下三個方面：

（一）航拍訓練的規程性

航拍無人機這種全新的攝錄設備在帶給創作者新的攝制角度的同時，也存在著各種潛在突發情況和飛行風險。為了預防飛行事故的發生，飛手和云臺手都必須經過嚴格的規程訓練。中國民用航空局出臺的民用無人機駕駛員管理規定中指出，無人機系統駕駛員就是“對無人機的運行負有必不可少的職責，并在飛行期間適時操縱無人機的人”。［1］

航拍訓練規程內容除了最基本的無人機起降、飛行訓練之外，還包括無人機飛行原理及性能、電池保養、圖傳通信及監看設備、航空氣象基礎和相關法律法規等，上述任何一個環節沒有做到位，都會影響航拍過程中的飛行安全和拍攝結果。

其次，無人機輕便，能輕易打破地空限制采集視頻素材，但它移動的靈活性也特別容易侵犯各種隱私和物權等，無人機航拍師必須經過職業化、規程化訓練，增強職業素養，避免違規。

（二）航拍訓練的復雜性

無人機航拍訓練需要分解成飛行、拍攝兩大技能和“航”“拍”與“航拍”三個階段。一方面因為云臺手上的拍攝設備和飛手一致，都是遙控器。云臺手必須熟練操縱遙控器的搖桿和各種按鈕，才能專注在畫面的構造和運鏡上。尤其是追拍汽車等快速運動的目標時，如果云臺手對搖桿不熟練，云臺相機操控不到位，即便飛手按航線和速度完成作業，畫面也極有可能會丟失拍攝目標。

另一方面，無人機偶爾還會遇到圖傳信號丟失、云臺手的畫面會隨之花屏的情況，這時候云臺手就要及時提醒飛手飛行的距離和高度，調整信號接收的角度，或者提示返航操作才能避免安全事故發生。

云臺手除了在空中要進行運鏡、實現畫面構造之外，還要及時調整畫面的曝光值、快門速度、幀率等拍攝參數。目前無人機單塊電池的續航能力普遍偏低，如果云臺手的云臺操作不熟練，又要花大量時間在調整參數上，就會直接影響拍攝效率。

（三）航拍訓練的特殊性

飛行是拍攝的基礎，而安全是飛行的保障。拍攝有效的素材雖然是攝像課程開設航拍模塊的主要目的，但安全飛行是無人機航拍訓練的首要內容，這是航拍訓練特殊性所決定的。對于初學者來說，循環往復地多次重復飛行訓練是保證安全飛行的最保險、最基礎的方法以及訓練內容。

如果飛行的基礎不過硬，云臺手甚至無法和飛手溝通最佳的航線、最好的拍攝角度、拍攝光線以及合理的構圖。

基于對航拍課程教學的安全性、規程性和特殊性的考慮，建構以飛行技能訓練為基礎、開發并應用虛擬仿真軟件，實現線上線下混合式實踐教學設計就顯得尤為必要了。

二、路徑探索：基于ASFC的虛擬仿真實踐教學設計

已有近60年歷史的中國航空運動協會(簡稱ASFC,Aero Sports Federation of China)是代表中國參加國際航空運動聯合會及相應活動的唯一合法組織，其飛行訓練體系是一個由易到難難的梯級訓練系統，且涵蓋多旋翼、固定翼、直升機和穿越機等多種機型培訓和考核的內容和技術等級標準，對于規范初學者的操作以及訓練評價有特別明確的指引，如果將其作為影視航拍訓練和考核內容的參照系，是一種全新的實踐教學路徑。

華南師范大學教育信息技術學院承擔建設的國家級精品資源共享課《電視教材編導與制作》自2017年開設航拍模塊以來，航拍教學團隊就開始進行廣泛調研和深入的教學教研探討，聘請校外專家和ASFC教練對學生進行多旋翼航模飛機的飛行培訓和操作技能考核。

2018年，團隊開設的《無人機拼裝及飛行實踐》《無人機飛行及航拍》等兩門課程獲批校級非正式課程，開始了校內團隊主講“結構拼裝、理論提升、基礎技能”，ASFC教練團隊訓練“高級技能、崗位能力”的教學模式探索，著力探討從技能培訓和理論提升兩個方向設計面向影視從業者的無人機航拍教學內容和實施過程。

2019年，對接各類國際、國內無人機培訓方法和執業標準，打通影視課程的攝影、制作等模塊，提出從提高學生核心素養出發、基于ASFC訓練梯級考核模式的《無人機云臺手虛擬仿真實驗項目》立項，自主研發了為學生提供真實VR環境沉浸式航拍訓練的虛擬仿真軟件，探索“能實不虛 虛實結合”的線上線下混合式實踐教學路徑。

2020年，《無人機云臺手虛擬仿真實驗項目》完成了自主研發的訓練軟件的手機端（含Android和IOS）和PC端口三個運行平臺的技術測試，并投入使用，探討從課程設計、教法實施到訓練環境等各方面開展教學改革的新思路，由此獲批國家級一流首批虛擬仿真實驗項目。

（一）引入航模運動訓練體系，重構教學內容

由于實踐條件有限，多數學生的飛行啟蒙訓練是在模擬訓練系統里完成的。但當學生具備了一定的搖桿操作要領和手感以后，還必須進一步提升飛行技能才能進入專業航拍學習。航模運動涉及設計、制作、飛行、調修全過程，航拍課程一旦引入航模訓練體系，對“基礎技能訓練+知識理論導入+崗位能力提升”的教學目標的達成具有重要的促進作用。因為“航模運動作為一項競技的運動,卻不僅僅只是競技這么簡單。航模的設計、制作,都離不開創新”［2］。

“在無人機的發展歷程中,固定翼飛機和模型直升機一直是無人機應用的主力,直到2009年,技術人員通過組裝四軸機架、無刷電機和槳,利用無線電遙控器的混控程序實現四旋翼無人機的操控。多旋翼無人機因其操控性能優良、起降方便,自主巡航、定點懸浮等功能優點迅速成為航拍和航模運動領域的新星”［3］。ASFC于2018年12月發布的《遙控航空模型飛行員技術等級標準實施辦法》附件中詳細公布了《遙控航空模型飛行員技術等級標準》,其中對于遙控多旋翼飛行器（代碼：X類）有著特別明確的訓練內容和技能指標（詳見表1）。系尚未建立是航拍課程開課的最大挑戰之一，運用虛擬仿真軟件可以避開上述障礙，使學生在有限的課程時長里迅

表1 《遙控航空模型飛行員技術等級標準》X類技能指標與高校航拍訓練內容對照表

從其技能指標不難看出，模型飛行員在飛行時都要求在關閉GPS、超聲波裝置、摒棄預先設置等程序等前提下全手動完成，這就使得學生不得不反復高強度練習才能獲得扎實的技術和手感。同時，初級和中級的訓練動作基本都是航拍飛行時最能體現無人機航拍美感的動作，如繞點飛行、各方向勻速位移、四位懸停等。對照此標準設計航拍飛行訓練內容，對規范和矯正學生的動作、提升學生的安全意識、方位感以及培養學生對于遙控器搖桿的手感都很有幫助。

（二）開發虛擬仿真軟件，改革教學手段

無人機航拍飛行實踐的場地有限、課堂內安全保障體速提高學生遙控器的手感練習效率。

市場上已經有多個針對飛行訓練的軟件，但都沒有針對云臺手的訓練內容進行訓練模擬。華南師范大學國家級一流實驗課程團隊針對航拍的特殊化訓練內容，基于AR增強現實技術自主研發了具有知識產權的云臺手虛擬仿真訓練軟件。這個軟件涵蓋了“基本航拍操控”“云臺手能力提升”“場景適應練習”和“AR飛手操作訓練”四大技能板塊、無人機配件拼裝等8個重要實驗內容、航拍前、中、后三個階段的11個單項能力訓練步驟，保證學生從線上虛擬訓練到線下真實場景實操的一貫性。

尤其是在訓練場景的設計方面，訓練軟件拋棄了市面上仿真軟件使用3D模擬場景的慣用做法，構建了實景VR訓練場景，使得學生雖是在模擬訓練，但是操作界面、云臺運鏡以及畫面構造的要求和真機實踐并無二致，可以促使學生盡快適應真機飛行。

（三）實施“能實不虛 虛實結合”的教學評價，探索混合式教學模式

目標評價模式的倡導者、美國著名的課程論專家、“課程評價之父”拉爾夫·泰勒(Ralph Tyler)認為：“課程評價在實質上是一個確定課程與教學實際達到教育目標的程度的過程。”［5］無人機“按照不同的操作距離，操作人員分為視距內駕駛員、超視距駕駛員、教員三個等級。它主要靠地面操作人員通過遙控器或者地面控制站操控無人機進行飛行，并根據機型和任務的不同選擇不同的操作方式。”［4］這也意味著無人機航拍是一項精細而高難度的工作，課程評價也要依照操作的流程和難易分為模擬飛行、真機飛行和空中拍攝三個階段和等級，循序漸進。

為了盡快幫助初學者找到飛行手感、合適的飛行作業姿態，熟悉飛行前安全檢查和安全降落要領，模擬飛行的學習階段必不可少。這一階段的評價主要是對搖桿操控和拍攝參數調節的熟悉程度，通過線上學習軟件的反復練習，可以加深肌肉記憶。

而在真機飛行學習階段，評價的范圍和內容則參照ASFC的理論和初、中級技能評價要求，對學生的航空常識、機械結構常識、安全飛行要領以及法律法規等進行筆試的同時，規定學生在50米*50米的戶外進行450mm軸距多旋翼無人機教學飛行和操作考核。學生需從飛行前對無人機和環境的檢查、安裝電池和插電、安全起飛到完成定點四面懸停動作和安全降落，老師和教練從其操作過程的熟練度、正確度、動作完成度和安全意識考查學生學生對于無人機操作規程性和安全性的認識、良好的方位感以及快速反應能力。

航拍課程評價的第三個階段是云臺手的空中拍攝考核階段，這一階段評價范圍和內容從飛行技能轉入拍攝技能，考查學生學生對于云臺手職業能力的掌握和應用。虛擬仿真軟件中設計了靜態照片拍攝以及動態視頻錄制的按鈕，學生必須按要求進行“航線飛行”“繞點”“自由創作”等操作，并按通道回傳作品，才視為訓練完成。

三、以航拍導演為培養目標的實踐教學反思

“航拍導演是在天上創造影像藝術，追求和體現自身的人生價值”［6］的人。這就意味著航拍飛手和云臺手的培養不能僅限于技能操作，還需要有意識地將之培養成為影視專業級的“航拍導演”。老師需要有意識地引導學生飛行前重視分鏡腳本的研討和設計工作，做好完整的腳本構思、分鏡創意以及合理的航線規劃，樹立空中影像造型的概念。

空中影像造型受到飛行場地、環境、天氣、光線、信號障礙物、無人機搭載的攝像機及穩定器、鏡頭的選擇等各種因素的影響，設計飛行平臺以及飛手的路線、高度、飛行距離、飛行時間、電池續航能力等，計劃云臺手的運鏡、景別、構圖以及畫幅、曝光、快門速度、幀率都是無人機航拍導演必備技能。

教學實踐證明，不管是虛擬仿真軟件航拍學習階段，還是利用大疆精靈Phantom4Pro、大疆御Mavica2Pro、大疆悟Inspire2等小中型真機飛行平臺的航拍學習階段，學生覺得每個階段的學習目標清晰，學習積極性普遍較高。尤其是在無人機航拍普遍運用于各類影視作品創作的當下，大家對于無人機航拍的學習認知和重視程度都讓課程教學看到了可行性和緊迫性。

目前，DIY拼裝的穿越機搭載輕型攝影機組合而成的新興航拍方式，由于其靈活、速度快、沉浸體驗感強、可以實現“空中翻滾”“破水平”“自由落體”等獨特角度的自由拍攝等特點，給多旋翼無人機、固定翼無人機航拍美學語言進行了補充。隨著穿越機可承受的重量不斷加大，可搭載的攝影機級別和清晰度也越來越高，無人機航拍教學還有許多的探索空間，課程培養要不斷吸收新鮮的航拍視覺表達方式，不斷對學生的技術水平和職業能力提出更高的培養要求，大膽創新，才能適應不斷變化的影視創意創作的需求。