新工科背景下無人機(jī)植保技術(shù)課程教學(xué)改革

高 雪，葉柏松

（常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能控制學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

目前，無人機(jī)市場發(fā)展迅速，無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可完成災(zāi)害評估、航拍航測、農(nóng)業(yè)植保、農(nóng)業(yè)播種施肥和農(nóng)田信息監(jiān)測等多種任務(wù)。植保無人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)智能分析、助力決策、變量噴灑和變量播撒。其本身是一種高效、安全、精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，相對于傳統(tǒng)的人工作業(yè)在一定程度上是生產(chǎn)技術(shù)的革命，新興的植保無人機(jī)作業(yè)飛行速度快、噴灑作業(yè)效率高、應(yīng)對突發(fā)災(zāi)害能力強(qiáng)。無人機(jī)農(nóng)作物植保作為行業(yè)應(yīng)用的重要方向之一，其人才需求缺口巨大，培養(yǎng)合格的植保技術(shù)人才，滿足行業(yè)發(fā)展需求成為關(guān)鍵。

1 課程分析

1.1 課程概述

無人機(jī)植保技術(shù)課程是無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的綜合應(yīng)用型課程，根據(jù)《植保無人飛機(jī)應(yīng)用職業(yè)技能等級標(biāo)準(zhǔn)》1+X 標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范，參照教育部頒布的無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)及課程標(biāo)準(zhǔn)，以工程項(xiàng)目為引領(lǐng)，逐步培養(yǎng)學(xué)生工程應(yīng)用的概念[1-3]。

在深入開展企業(yè)調(diào)研的基礎(chǔ)上，本課程圍繞植保無人機(jī)規(guī)范作業(yè)的技能要求，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)能力、職業(yè)素養(yǎng)和工匠精神。大力推動植保無人機(jī)的宣傳、普及和落地應(yīng)用，特別是應(yīng)對廣大農(nóng)業(yè)集中地區(qū)加大對植保無人機(jī)的應(yīng)用、適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的趨勢，課程教學(xué)分別以市場占有率較高的大疆植保無人機(jī)和極飛植保無人機(jī)兩種機(jī)型作為教學(xué)載體[4-6]。

1.2 教學(xué)基本設(shè)計(jì)

采用層層遞進(jìn)的教學(xué)過程，如圖1 所示，從模塊一“入行階段?農(nóng)田類植?！边f進(jìn)到模塊二“提高階段?果樹類植?！?，再到“綜合素質(zhì)提高與創(chuàng)業(yè)意識培養(yǎng)?案例分享和創(chuàng)業(yè)經(jīng)驗(yàn)”的體系結(jié)構(gòu)，從實(shí)際崗位工作要求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)專業(yè)知識與職業(yè)素養(yǎng)融合。

圖1 層層遞進(jìn)式教學(xué)過程Fig.1 Progressive teaching process

通過本課程的學(xué)習(xí)，熟悉典型農(nóng)作物的生長周期、病蟲草害的相關(guān)知識。能根據(jù)作業(yè)區(qū)塊的溫度、濕度、能見度、風(fēng)向和風(fēng)速等氣象信息設(shè)置正確的作業(yè)參數(shù)，制定作業(yè)方案和應(yīng)急處置預(yù)案；能操縱植保無人機(jī)在視距內(nèi)和超視距場景下進(jìn)行植保作業(yè)；能判斷作業(yè)中出現(xiàn)的常見故障，并進(jìn)行維修；學(xué)會如何承接飛防訂單與任務(wù)分配，培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)業(yè)的意識和能力。

1.3 學(xué)情分析

1.3.1 知識和技能基礎(chǔ)

本課程開設(shè)在第4 學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了電工技術(shù)基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、植保無人機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理和單片機(jī)C 語言程序設(shè)計(jì)等專業(yè)課程，初步具備了將所學(xué)的電工電子、機(jī)械、傳感和控制等相關(guān)專業(yè)知識綜合運(yùn)用于植保無人機(jī)的飛行操控和設(shè)備裝調(diào)的能力。

1.3.2 認(rèn)知實(shí)踐能力

在學(xué)習(xí)本課程之前，學(xué)生已經(jīng)在前導(dǎo)課程植保無人機(jī)的組裝與調(diào)試、植保無人機(jī)飛行技能實(shí)訓(xùn)等課程中學(xué)習(xí)了相關(guān)的實(shí)操技能，如圖2 所示。為全面做好學(xué)情分析，有效完成教學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)行學(xué)前摸底測試，大部分學(xué)生掌握植保無人機(jī)的動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、地面站方面的基礎(chǔ)知識。通過鞏固強(qiáng)化，應(yīng)該能夠完成植保無人機(jī)的操作、排故與維護(hù)。

圖2 學(xué)情分析Fig.2 Study situation analysis

1.4 思政融入

為實(shí)現(xiàn)能力和素質(zhì)培養(yǎng)雙輪驅(qū)動，需要健全專業(yè)教育與職業(yè)素養(yǎng)相融合的培養(yǎng)體系。專業(yè)課教師自身專業(yè)素養(yǎng)是開展課程思政的基礎(chǔ)，身教勝過言傳。

整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)將航空“6S”素養(yǎng)的養(yǎng)成作為著力點(diǎn)，將實(shí)訓(xùn)過程的勞動教育作為強(qiáng)化點(diǎn)，將植保無人機(jī)的應(yīng)用作為落腳點(diǎn)。

利用國產(chǎn)植保無人機(jī)的應(yīng)用視頻，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科技發(fā)展，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知識和新技能的欲望；利用植保無人機(jī)作業(yè)中操作不當(dāng)造成的事故視頻，增加學(xué)生對于工作崗位的安全責(zé)任意識，培養(yǎng)工匠精神。引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注民生，教育學(xué)生學(xué)好專業(yè)本領(lǐng)，服務(wù)社會。

2 教學(xué)策略

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)、學(xué)情分析、課程資源和教學(xué)重難點(diǎn)，課程采用“4433”教學(xué)策略：以學(xué)生團(tuán)隊(duì)小組為主體，以面向崗位的核心能力為中心，以實(shí)際植保任務(wù)為載體，實(shí)施不同小組各成員扮演不同的崗位角色，選擇不同設(shè)備對接工作任務(wù)、實(shí)現(xiàn)難易要求不同的作業(yè)模式（“4 不同”）；實(shí)現(xiàn)理論探究與項(xiàng)目實(shí)踐相結(jié)合、問題引導(dǎo)與情景啟發(fā)相結(jié)合、個(gè)人主導(dǎo)與團(tuán)隊(duì)協(xié)作相結(jié)合、示范帶動與個(gè)性發(fā)展相結(jié)合教學(xué)實(shí)踐（“4 結(jié)合”）；運(yùn)用資源庫平臺、在線開放課程、問卷星平臺（“3 平臺”），實(shí)現(xiàn)看得懂（明確工作任務(wù)），學(xué)得會（會規(guī)劃、會作業(yè)、會維修），做得精的目標(biāo)（“3 目標(biāo)”）[7-10]。運(yùn)用翻轉(zhuǎn)課堂、在線課程等線上線下結(jié)合式信息化手段，做中學(xué)、學(xué)中做，有效突破重難點(diǎn)，提升教學(xué)成效。教學(xué)策略如圖3 所示。

圖3 “4433”教學(xué)策略Fig.3 "4433" teaching strategy

3 課堂教學(xué)實(shí)施

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、目標(biāo)、對象和重難點(diǎn)的分析，不同任務(wù)、不同課堂形式采取不同教學(xué)方式和教學(xué)活動，并將思政教育融入到課堂教學(xué)中，以實(shí)現(xiàn)高素質(zhì)、高技能人才的培養(yǎng)目標(biāo)。通過資源庫平臺提供豐富可擴(kuò)充的教學(xué)資源，學(xué)生自主選擇、重組、學(xué)習(xí)，以課前測試、調(diào)研、投票等多種形式完成學(xué)情分析，從而采取相應(yīng)教學(xué)方法解決教學(xué)重難點(diǎn)；課中通過情境引導(dǎo)，以示教、實(shí)操、指導(dǎo)和參觀等教學(xué)手段，通過小組匯報(bào)、學(xué)習(xí)示范、角色轉(zhuǎn)換等教學(xué)活動完成教學(xué)內(nèi)容；課后通過大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺的信息查看，教師進(jìn)行教學(xué)過程分析，進(jìn)而針對性調(diào)整教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)過程反思，將修改完善的作品上傳資源庫平臺，以工匠精神爭做示范卓越人才，提升教學(xué)效果?；谠诰€開發(fā)課程的混合式教學(xué)模式如圖4 所示。

圖4 基于在線課程的混合式教學(xué)模式Fig.4 Blended teaching mode based on online courses

4 特色創(chuàng)新

4.1 “1 核心、3 階段”課程教學(xué)改革

以各種形式田塊作業(yè)的工作全過程為主線、校企共育為引領(lǐng)、崗位對接為目標(biāo)，設(shè)計(jì)“1 核心、3 階段”課程教學(xué)改革?！叭胄须A段+提升階段+創(chuàng)業(yè)階段”3 個(gè)階段，以核心崗位能力為引領(lǐng)，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及《植保無人飛機(jī)應(yīng)用職業(yè)技能等級標(biāo)準(zhǔn)》1+X 證書標(biāo)準(zhǔn)，將項(xiàng)目分解為實(shí)現(xiàn)“知原則、會操作，懂規(guī)范、強(qiáng)管理，精作業(yè)、能調(diào)試”能力的子工作任務(wù)。由師德先進(jìn)個(gè)人及企業(yè)工程師組成的雙師型教學(xué)團(tuán)隊(duì)，利用團(tuán)隊(duì)個(gè)人優(yōu)勢分工，企業(yè)工程師提升技能，共建優(yōu)質(zhì)課堂?！? 核心、3 階段”的課程教學(xué)模式，如圖5 所示。

圖5 “1 核心和3 階段”教學(xué)模式Fig.5 "One core and three stages" teaching mode

4.2 創(chuàng)新教學(xué)模式

創(chuàng)新工程應(yīng)用型實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)模式，采用“3 不同、3 結(jié)合”教學(xué)方法，如圖6 所示，實(shí)現(xiàn)分層化、個(gè)性化教學(xué)。根據(jù)不同品牌的植保無人機(jī)，合理選擇產(chǎn)品型號，激發(fā)學(xué)生探究選用機(jī)型的考量要素；根據(jù)不同的項(xiàng)目和不同地塊，選用不同的作業(yè)模式和藥劑；小組成員承擔(dān)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中飛手、觀察員、地勤人員等不同角色，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，角色輪換，掌握不同崗位職責(zé)和技能。

圖6 “3 不同、3 結(jié)合”教學(xué)方法Fig.6 "Three different and three combined" teaching method

4.3 課堂形式創(chuàng)新

學(xué)生走出課堂，進(jìn)入農(nóng)田實(shí)地作業(yè)，在企業(yè)工程師的帶領(lǐng)下，了解農(nóng)藥的基本知識及常見的病蟲草害，學(xué)習(xí)飛防植保的規(guī)范流程及植保無人機(jī)的維護(hù)和保養(yǎng)，并分組在小麥田和櫻花園使用大疆植保無人機(jī)和極飛植保無人機(jī)進(jìn)行手動作業(yè)和全自主作業(yè)的實(shí)戰(zhàn)演練。

4.4 培養(yǎng)創(chuàng)業(yè)思維

企業(yè)導(dǎo)師分享作業(yè)案例，介紹公司運(yùn)營模式，講授如何承接飛防訂單及如何進(jìn)行人員分配等實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，為畢業(yè)后有創(chuàng)業(yè)意愿的同學(xué)傳授經(jīng)驗(yàn)。

5 教學(xué)反思

5.1 增加真實(shí)場景訓(xùn)練

在實(shí)際的教學(xué)作業(yè)過程中，遇到前方障礙物、塑料膜卷住槳葉、下雨等突發(fā)情況時(shí)，由于學(xué)生的飛行經(jīng)驗(yàn)不足，判斷失誤和處理不夠冷靜和果斷，導(dǎo)致植保無人機(jī)碰撞到障礙物，出現(xiàn)損壞需要維修的情況。但是在實(shí)際的植保作業(yè)中，進(jìn)行植保作業(yè)往往是高強(qiáng)度的短期作業(yè)，機(jī)器一旦出現(xiàn)問題，就很可能錯過打藥期，損失嚴(yán)重。改進(jìn)的方法是盡可能增加真實(shí)場景訓(xùn)練的機(jī)會，練就扎實(shí)的操作技能。

5.2 提升職業(yè)技能覆蓋

積極關(guān)注《植保無人飛機(jī)應(yīng)用職業(yè)技能等級標(biāo)準(zhǔn)》“1+X”證書制度工作的推進(jìn)情況，逐步擴(kuò)大職業(yè)技能等級證書中涉及的基本知識、職業(yè)素養(yǎng)、技能要求等在教學(xué)中的覆蓋程度，繼續(xù)以“1+X”證書制度試點(diǎn)工作為抓手，進(jìn)一步深化人才培養(yǎng)方案改革，構(gòu)建基于“崗課賽證、課證融通”的課程體系，推進(jìn)“三教改革”，切實(shí)做好高素質(zhì)技術(shù)技能人才的培養(yǎng)工作。

5.3 利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

隨著5G 技術(shù)的普及、人工智能的推廣，在未來的課程改革中，擬利用增強(qiáng)技術(shù)將虛擬場景與真實(shí)場景深度融合，利用視頻捕捉系統(tǒng)全程錄制學(xué)生表現(xiàn)，及時(shí)反饋和分析問題，提高教學(xué)質(zhì)量。

6 結(jié)束語

無人機(jī)植保技術(shù)課程大力推動無人機(jī)的宣傳、普及和落地應(yīng)用?；谥脖＜夹g(shù)人員的崗位技能標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)校、行業(yè)、企業(yè)聯(lián)合定制人才培養(yǎng)計(jì)劃，在課程、師資、實(shí)踐方面引入外部資源，打通教學(xué)平臺，以工作過程為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)“專業(yè)基礎(chǔ)能力培養(yǎng)、專業(yè)核心能力強(qiáng)化、專業(yè)綜合能力提升”的3 段式能力遞進(jìn)，達(dá)到培養(yǎng)符合市場和行業(yè)發(fā)展需求的高素質(zhì)人才的最終目標(biāo)。