基于Think-Pair-Share模式的無人機應用類課程探索

馬兆偉 吳立珍 王菖

［摘 要］ 目前無人機的應用已經涉及民用、軍用各個領域，因此在本科教學活動中需要結合無人機的應用開展實踐類教學。目前無人機應用是許多院校無人機專業人才培養的一個重要教學方向，如何提升學員將所學理論知識向實踐應用轉化是亟須思考的問題。結合無人機系統的典型應用問題，將Think-Pair-Share（思考—分組—共享）教學模式引入無人機實踐類教學案例中，總結了此類教學模式組織過程，并分析了組織過程中的注意事項。通過課程實踐，起到提升本科學員對于課程的參與度、學習熱情等效果，達到了無人機實踐類教學的目的。

［關鍵詞］ 無人機實踐教學；“思考—分組—共享”教學模式

［基金項目］ 2021—2023年湖南省普通高等學校教學改革項目“面向人機協同作戰的智能交互教學案例庫建設研究”（2021JGYB006）；2020—2022年國家自然科學基金“面向人機協作任務規劃的認知發展與學習方法研究”（61906203）

［作者簡介］ 馬兆偉（1989—），男，山東淄博人，博士，國防科技大學智能科學學院講師（通信作者），主要從事無人機自主感知研究；吳立珍（1982—），男，江蘇豐縣人，博士，國防科技大學智能科學學院助理研究員，主要從事無人機自主協同控制研究；王 菖（1985—），男，湖北武漢人，博士，國防科技大學智能科學學院講師，主要從事自主無人系統研究。

［中圖分類號］ G640［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）29-0089-04 ［收稿日期］ 2022-10-12

引言

現階段無人機在軍用和民用領域起著非常重要的作用，主要體現在無人機可以用于執行偵察打擊、物資投送、電力巡檢、場景拍攝等任務。目前各種各樣的構型無人機需要在滿足穩定可控的飛行之外，需要搭載不同的任務載荷去滿足不同的任務需求，如偵察任務占據無人機各項任務的重要地位。在民用領域，日常常見以大疆為主的民用消費級無人機可以用于個人航拍作業，用于生成個人的航拍視頻或者航拍照片。面向無人機眾多應用需求，國內眾多高校已經在本科階段開設了無人機的相關課程，其中主要以無人機的建模、無人機控制、無人機任務規劃等作為其主要的核心知識點。另外，在國內目前也開展了許多針對無人機科目的本科生學科競賽。如何結合無人機的基礎理論知識，引導學員探索無人機的應用場景和應用設計，是本科教學過程中重要的一個問題。目前，以我校本科教學課程安排為例，針對無人機課程的實踐時間遠遠少于理論課時間。

現階段民用和軍用無人機在各個領域已經發揮著重要作用，如何在本科教育階段培養無人機方向的運用人才是值得探索和研究的重要課題。本科實踐教學活動中，非常注重學員的參與度、自我學習與合作學習的程度。實踐課程教學過程中要注重利用學員的差異化來提高其認知、心理和社會表現，要強化對于知識的利用能力，分工寫作達到合作共贏的目的。本文針對無人機人才的培養，結合本科教學中的無人機實踐課程，探索一種基于Think-Pair-Share（TPS，思考—分組—共享）模式［1］的無人機應用類實踐課程的授課過程實施。通過TPS教學模式，提升實踐類課程的教學效率。Think-Pair-Share模式在國內教學過程中已經取得了較好的應用效果，如［2-6］等論文；筆者在本科選修課程、物理實踐、醫學類課程中也都有所探索和應用，并取得了較好的課堂效果。在本科教學活動中，尤其是無人機實踐類教學活動的探索較少，本文重點圍繞無人機實踐方向，探索TPS的應用效果。

一、Think-Pair-Share教學模式介紹

Think-Pair-Share模式活動由馬里蘭大學的Frank Lyman教授［1］提出，它是一種相互合作的互動式教學方法，特別適合大班授課，尤其適用于重難點學習任務的突破。它能幫助學員進行獨立且深入的思考，鼓勵學員討論、記錄并復述自己及同伴的觀點，并在與他人的交流合作中進一步提煉完善自己的思想觀點，培養自主學習的能力。

TPS教學模式針對的教學課堂一般為人數較多（≥20人）的課堂。在課程教學活動開展過程中，教員一般很難把握大班課堂中每名學員對知識的掌握程度。但是，教員又需要學員積極參與到教學課堂中，充分發揮學員頭腦風暴或知識分享的優勢，達到掌握課程教學重要知識點的目的。當教學中班級人數越多，TPS在大班授課越能體現出重要優勢。

Think-Pair-Share教學模式的教學流程如下。

（一）課程活動思考環節

教員需要根據教學活動的目標，首先發布課程中需要涉及學員學習、思考或討論的知識點或學習任務，給予全班學員針對此項學習任務一定的個人思考或準備時間，由個人完成對于學習任務的準備或思考。此項活動若涉及資料的大量調研，也可以在課前讓學員進行籌劃組織實施。

（二）課程教學班級人員分組

教員在討論活動開始前，需要對教學班級中的學員進行分組。組內人員數量和學員的知識水平等級盡量保持均衡。學員在學習開始前，首先推薦組長，組長確定后不再更改，組員一般可以自由交換和結合。例如，若班級人數為30人，那么就分成6個組，每組5人，每個組設置一名組長，便于管理或組織組內成員完成教學學習任務。組內人員按照教學任務要求，開展組內研討，分享每個人的意見，此活動開展過程中，需要組長對人員進行組織，對每個人的觀點梳理總結。組內討論在固定時間內完成討論，并形成本組的最終研討成果。在此項環節中，教員可以流動至各個組，對組內的問題進行針對性指導。

（三）學習成果分享

學習成果共享環節主要由教員組織全體人員結合學習任務完成學習成果共享，主要由每個組的組長分享組內的學習成果。這個環節可以以最少的人數以最快的時間讓全體學員領會到所有人對問題的思考和考慮。

通過這種分組教學模式可以看到，分的組越多，在進行分享環節或頭腦風暴時，就越能集思廣益、活躍氣氛、開放思維，學員給出的答案和方案也越豐富，極大地拓寬應用類課程的知識維度。

二、TPS模式在無人機應用課程實踐探索

（一）TPS模式適用性分析

無人機應用類實踐課程注重的是本科學員對于無人機應用能力的培養，具有重實踐、輕理論的課程特色。但此類課程的授課的儲備知識是本科學員已經具備了對于無人機平臺與飛行控制、無人機任務載荷與任務控制站、無人機系統自主性與運行管控等無人機系統的整體基礎理論知識的掌握，故課程中不再側重于理論知識的講授，而是結合無人機的實物或無人機部分元器件等開展授課。課程期望學員具備在軟硬件方面分析、設計、運用并研發無人機系統的能力，為畢業后從事無人機相關的技術研究、操作使用和技術管理等工作打下理論基礎。所以此類應用實踐課程可以充分發揮學員對無人機應用設計的頭腦風暴，適合采用TPS教學模式。

（二）針對無人機避障任務的一次課程TPS設計實踐示例

1.實踐課程基礎。實踐課程需要學員在前期對無人機平臺與動力、導航制導控制、發射與回收、任務載荷、數據鏈路、任務控制站等基本概念和方法有所掌握和了解，能夠闡述無人機飛行和控制原理，具備由理論知識向無人機運用轉化的能力。

2.教學目標。通過無人機避障任務牽引，期望學員能夠結合前期所學無人機構型設計、無人機機載傳感器、無人機導航制導與控制等理論知識，設計完成此項任務的無人機軟硬件結構組成。主要完成幾個問題的探討，如：無人機系統可能采用的硬件組件、軟件算法有什么？無人機執行此項任務的工作流程是什么？

3.課程設計。（1）避障任務發布。需設計無人機，使其全自主完成場地中穿越交錯墻、穿越隧道、穿越迷宮、穿越大圓環、穿越多個小圓環等五個避障任務，如圖1所示。飛行過程中需嚴格按照順序完成任務。每個組按照此任務設計無人機的實踐方案，結合教學目標，梳理出本組的實踐成果。（2）教學班TPS模式設計。針對無人機避障任務實踐，課程教學班按照一個學時課程準備，總共45分鐘。某教學班的人數為25人，以5人為單位，共分為5組。根據TPS模式的實施方案，課內的時間劃分如表1所示。

分組討論環節，每個組圍繞著布置的問題，討論組內的無人機設計方案和任務飛行流程，并將討論的結果以思維導圖的形式總結，并在分享環節結束后，作為本組內的成果提交給教員，作為組內的成績評定依據。教員在總結環節主要針對每一組的成果及課程的教學任務需求，總結和評價每一組的成果，并結合此問題給出教員的方案設計，作為參考設計方案和答案。（3）課程教學效果分析。引入TPS模式之后，以無人機避障應用作為一次課程的切入點，開展授課內容實踐，達到了以下的效果。首先，充分發揮了學員在課堂教學過程中的主觀能動性，讓學員加入課堂研討，提升課堂的活躍度和參與度，教學班內學員對于此類教學模式非常認可。其次，增加了課程知識點的掌握程度，學員間通過互相交換個人觀點，可以加強在課堂時間內完成對于知識點的有效交流和知識強化。教學班中的學員通過此項活動，將所學知識關聯起來，在方案設計中提出了自己的部分想法。比如學員提出的避障傳感器選擇有激光雷達、雙目相機、相機等不同的設計方案；軟件設計上，部分學員已經利用機器人操作系統架構，樹立了算法邏輯關系等。最后，提升了教員與學員之間知識間的快速交流和促進提升，學員的集思廣益、發散式思維拓寬了課堂教學的知識面，增加了教員對學員的知識水平認知，便于更有方向性地引導學員。

3.TPS教學模式的反思。（1）選題的恰當程度影響學員討論效果。課程中設置的研討的教學任務需要結合學員的前序知識水平和后續課程的學習期望來設置，研討任務過于簡單或過于困難都會降低學員的參與度。例如，題目過于簡單會導致學員之間不再聚焦課程教學任務，而產生課堂內聊天的反面效果。（2）課程分組的人員角色會影響組間的成果水平。小組內人員分組最好是根據學員的知識水平分組，使得各組間的差異性不會太大。如果采用學員自己組隊，有可能會導致各組的知識水平不均等，組內學員組織、知識發散等很難達到預期目的。（3）考核的公平性需要設置基準參考。由于TPS模式會讓學員產生思維發散、提升學員的積極參與程度等優勢，但是教員在課程任務考核時仍需要給出基準答案作為基礎分值，公平考核每一組的成果，在此基礎上可適當加入創新分值，給予部分學員獎勵分值。

結語

本文探索了基于TPS模式用于無人機實踐課的具體實操案例，提出了該種模式的適用范圍和操作流程，并通過具體案例實操，利用該模式達到提升課程授課的參與度等效果。該模式可以推廣至理論教學中案例研討、課程實踐等各個環節，對于提升本科課堂教學質量有較大的促進作用。

參考文獻

［1］Lyman F.Think-pair-share，thinktrix，thinklinks，and weird facts： An interactive system for cooperative thinking［J］. Enhancing thinking through cooperative learning，1992： 169-181.

［2］李芳.基于Think-Pair-Share模式專業選修課教學的探索［J］.大學教育，2017（3）：18-19+23.

［3］李娟琴，談寧馨.Think-pair-share模式在物理化學課堂教學過程管理中的應用：美國亞利桑那州立大學物理化學教學的借鑒［J］.大學教育，2014（18）：22-23.

［4］尹麗，孫慶惠，夏乾峰.浸潤式合作學習基本理念及應用［J］.中國高等醫學教育，2022（5）：120-121+123.

［5］梁嵐.Think-Pair-Share模式在“課程思政”中的應用［J］.基層醫學論壇，2022，26（10）：122-126.

［6］尹麗.基于TPS的合作學習及借助雨課堂的實現［J］.中國教育技術裝備，2020（22）：113-115.

Exploration of UAV Application Courses Based on Think-Pair-Share Mode

MA Zhao-wei， WU Li-zhen， WANG Chang

（College of Intelligence Science and Technology， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： At present， the application of UAV has involved civil and military fields. So it is necessary to carry out practical teaching in combination with the application of UAV in undergraduate teaching activities. At present， UAVs application is an important teaching direction of major in UAV in many colleges and universities. How to promote students to transform their theoretical knowledge into practical application is an urgent problem to consider. Combined with the typical application problems of UAV system， this paper introduces the Think-Pair- Share teaching mode in the UAV practical teaching cases， summarizes the organization process of this teaching mode， and analyzes the matters needing attention in the organization process. Through the course practice， the undergraduate students participation in the course， learning enthusiasm and other effects have been improved， and the purpose of UAV practice teaching has been achieved.

Key words： teaching of UAVs practice; Think-pair-share teaching mode