基于項目導向構建高職“飛行控制系統”課程

劉永福 黃建民

摘要：無人機應用技術是高職新興的一門專業，該專業課程體系大多數基于地域職業需求構建課程體系及課程內容。因高職和本科教育理念的巨大差異，高職大部分無人機課程不能直接從本科院校移植，同時因為地域經濟差異也導致高職院校間課程內容存在較大差異。“飛行控制系統”課程在廣東省高職院校中只有本校開設，并且服務于珠三角地區無人機制造業，因此課程內容需全新構建。本文依據珠三角地區無人機產業人才需求，基于項目導向全新構建了無人機應用技術專業的“飛行控制系統”課程。

關鍵詞：無人機應用技術；飛行控制系統；項目導向；課程構建

一、概述

無人機是最近幾年全球的新興產業，其軍民兩用性關系到國家軍事安全和人民生計。由于無人機具有成本低、作業風險低、作業隱蔽、運行效率高、運輸方便等特征，特別是在復雜危險的空中環境作業更具備獨特優勢，其在航拍攝影、農林業監測、工業監測、搶險救災、軍警偵查以及航空測繪等領域得到廣泛應用。隨著無人機應用技術快速發展，國內高職院校紛紛開設了無人機應用技術專業［1］。無人機技術是一項新興的科技技術［2］，高職無人機應用技術課程資料非常缺乏，由于時間緊迫，大部分高職院校臨時采用本科課程內容和企業培訓資料開展教學?！帮w行控制系統”作為一門無人機應用技術專業的核心課程，也是沒有現成的課程資源，因此，構建適合高職師生職業培養目標的課程體系十分緊迫。

二、課程現狀和存在的問題

高職教育以實踐操作為主，理論適度夠用即可。因此在構建課程體系之前，課題組應該通過走訪周邊地區無人機企業，了解企業的崗位需求［3］，把企業崗位工作和可學習內容作為課程改革的重要切入點，引導教學方式和課程內涵的改革。高職無人機應用技術專業的教改雖然已經推進一段時間，《飛行控制系統》逐漸出現了一些教材，但以培養相應崗位的職業能力為目標組織教學內容的教材很少，且在實際教學中還存在著不少問題。

（1）教材中部分理論知識脫胎于本科教材，比較艱深晦澀。實訓內容基于本科的實驗內容，需要有比較強的理論基礎才能理解實訓過程中的機理，在理論基礎上超出學生的理解范疇，在實訓過程中指導教師難以順利推行，導致實訓環節不但不利學生對“飛行控制系統”的學習和理解，還浪費了時間。

（2）傳統的教學是以教師為中心，通過知識分解、原理講解和演示示范，學生被動接受知識，在本科知識體系下高職學生很容易產生厭學情緒，在實訓實驗過程中，也是按照實訓指導書按部就班地完成實訓內容，不能激發學生的學習興趣，也不可能達到高職職業素養的培養目標。

（3）課程考核方式大部分繼承了傳統的試卷考試，學生需要背課程公式和專業術語，在此背景下形成了學生在課堂上無心學習，期末考試臨陣磨槍的不好學風。

因此，基于項目導向全新構建適合高職院校師生的“飛行控制系統”課程勢在必行。

三、課程改革思路和課程構建

基于現有的“飛行控制系統”課程內容多來自本科航空航天院校知識體系，且實驗項目多圍繞課程理論體系展開，明顯不適于高職。因此，課程改革由原來理論為核心轉變為適合高職學生的以操作技術崗位為核心，部分原理夠用即可。在實訓內容上由傳統的零散實驗改為以一個綜合項目來支撐整門課程。在綜合項目下，根據崗位技能和職業素養需求進行子模塊分割。在過程管理中，由教師講為主改為學生做為主；在實訓中由教師對實訓項目攻堅克難為主改為學生攻堅克難為主，教師加以引導和輔助，并允許學生用手機和電腦查資料，允許自由討論和自由測試，課堂組織形式自由開放；教師主要任務由上課講授理論改為課堂項目管理和紀律管理為主；在考核上堅持過程考核，由原來平時作業+期末考試，改為在各子模塊下的項目實踐能力考核和團隊合作精神考核，并結合完成綜合項目的速度和質量進行考核。

（一）綜合項目的確定

為達到培養出滿足企業崗位需求的發展型、復合型和創新型技術技能人才的目標，課題組在珠三角地區對無人機主要企業開展調研，調研企業包括深圳大疆創新、南方數據科學研究院等。通過調研明確了“飛行控制系統”課程在職業崗位上的技能需求和素質要求，并確立了“飛行控制系統”以培養學生掌握無人機飛控二次開發和無人機系統集成為主要技能目標，以“智能飛行系統制作”作為綜合項目，并根據崗位具體細分領域對技能和素質要求對綜合項目進行子模塊劃分和實訓項目劃分。本著以市場人才需求為引導，以綜合實訓項目為支撐，開展“飛行控制系統”課程的改革。

（二）綜合項目子模塊劃分

根據市場人才需求，課題組在確定綜合實訓項目后對課程進行要素分析，課程由智能要素、飛行要素、系統集成要素組成，并由要素進行子模塊構建。

智能要素由各種傳感器技術支撐，使得無人機具備對高度、三維空間坐標、周邊障礙物、飛行姿態、飛行速度、飛行加速度、飛行角度及角加速度的感知能力；同時需要基于機器視覺對目標進行識別和跟蹤，學生需要完成各種傳感器的應用學習。飛行要素由無人機本體支撐，包括無人機的動力系統設計和搭建、無人機機架設計和搭建等；根據飛機續航時間和無人機尺寸要求，學生需要完成對動力系統的電池、分電板、電調、電機和螺旋槳的適配計算和選型。系統集成要素需要以飛控為核心，接入各種傳感器、地面站和遙控器，使之具備自動飛行的條件；在系統集成過程中，學生需要了解各種飛控外設的通信協議，對飛控固件進行二次編程編譯，完成飛控外設的數據采集，并對采集到的數據進行分析，最終完成無人機的對外感知和自主飛行。

考量本專業前置課程有“無人機概論”“C語言程序設計”“無人機模擬飛行”“傳感器技術”“無人機組裝與調試”和“嵌入式系統”等課程；在上述課程知識能力體系下，課題組評估認為學生在專任教師的引導下，能夠設計與制作一個智能的無人機飛行系統。實訓資料采用的是公開的開源平臺（例如全球主流的APM飛控、PIX4飛控、國內主流的Acfly飛控和圓點博士飛控），因此，實訓資料豐富有利于學生自行上網查詢資料，使學生具備自主學習、自主解決問題的基礎條件。

根據崗位需求和要素分解，具體子模塊如表1所示。

（1）為了增強學生對無人機飛行控制系統的全面認知，子模塊1設為：無人機飛控系統概述，給學生展示無人機系統種類，引導學生討論和講述無人機各部件邏輯關系、飛行原理、狀態分析、數據鏈路編碼等基礎知識，教師講述本課程的綜合實訓項目大概內容。實訓項目有無人機通信編碼波形觀察。

（2）在對無人機飛控系統有充分認知的基礎上，子模塊2設為無人機定位導航設備。在該模塊中，學生對無人機的定位知識和設備進行學習和操作實踐，知識內容包括光流定位模塊的使用、GNSS系統分類、北斗衛星系統發展簡史（思政元素）、定高設備分類及其特性（氣壓定高、激光定高、超聲波定高）、RTK高精度定位、導航系統的使用方法等。實訓項目包括光流定位模塊測試（精度測試、干擾測試）、GPS模塊測試（精度測試、干擾測試）、北斗模塊測試（精度測試、干擾測試）、RTK高精度定位測試、氣壓計定高模塊測試、激光定高模塊測試、超聲波定高模塊測試、導航系統應用。通過本模塊學習，學生能為無人機提供多種定位定高的技術手段，并具備排查干擾能力。

（3）在對定位系統有充分認知后，子模塊3設為地面站及任務載荷。在該模塊中學生通過網絡視頻和書本自主學習數傳、圖傳、云臺、攝像頭、遙控器和地面站等基礎知識。實訓項目包括數傳模塊的應用測試和干擾測試、圖傳應用測試和干擾測試、云臺測試、攝像頭連接測試、遙控器配置測試、地面站應用。通過本模塊學習，學生能熟練使用地面站和機載設備的安裝調試，并具備排查干擾能力。

（4）為了提升無人機的感知能力，子模塊4設為傳感器應用。在該模塊中學生自主學習光敏傳感器、熱敏傳感器、溫濕度傳感器、雨水傳感器、IMU模塊的基礎知識。實訓項目包括光敏傳感器測試、熱敏傳感器測試、溫濕度傳感器測試、雨水傳感器測試、IMU姿態模塊測試。通過上述實訓項目的學習和操作實踐，學生基本可以給無人機多種感知能力進行賦能。

（5）為了測試和整合前面所學的子模塊內容，我們需要一臺合適的無人機作為資源整合平臺和驗證平臺。因此，子模塊5設為裝機及程控飛行。在該子模塊中學生需要組裝一套無人機，對飛控的固件程序進行學習；掌握如何更新固件、燒錄固件和程控飛行測試，懂得如何調用API函數、如何設置程序源碼的參數。實訓內容包括無人機測試平臺組裝（整合前面所學的傳感器模塊和定位定高模塊）、飛控固件更新、飛控固件燒錄、飛控參數調試、調整和編譯飛控固件、程控航線測試。通過該模塊的學習，學生完全掌握如何整合傳感器到飛機上，并且讓飛機按照學生自己編寫的程序進行固定航線飛行，為全智能飛行打下良好基礎。

（6）在子模塊5中，程控飛行雖然能根據學生預設的航線軌跡進行自動飛行，但是缺乏智能識別跟蹤能力，還算不上智能飛行系統。因此，模塊6設為視覺識別和智能飛行，為無人機增加一雙眼睛。要系統學習視覺識別的理論知識，對高職學生是不現實的。課題組對該問題進行了調查，發現對于無人機系統集成企業或者應用型企業的技術崗位，只需員工能讓無人機具備識別跟蹤功能就行，而對應市場上也有很多視覺模塊提供完整的功能API接口，要完成某個圖像識別功能只需要掌握如何調用其API函數即可。因此，課題組采用的是市面上比較流行通用的視覺識別模塊，以降低學生的學習難度。教學上課題組使用了OpenMV模塊，教師引導學生完成圖像識別的基礎知識（包括直方圖、顏色系統、圖像二值化等）。實訓內容包括形狀識別、顏色識別、目標標定、二維碼識別。完成基本的圖像識別模塊學習后，引導學生根據視覺模塊標定的目標，引導無人機飛控系統完成對特定目標跟蹤飛行。通過該模塊學習，學生完全掌握無人機的智能跟蹤飛行，綜合項目也到此結束。課程改革后項目實踐情況如下圖所示。

（三）過程考核

考慮到“飛行控制系統”課程的獨特改革，其評價和考核過程也和傳統的不一樣。傳統考核經常用期末考試作為課程的重要考量。而本門課程則以過程評價考核為重心，取消期末紙質考試?；A知識學習、實踐項目操作和過程考核都以分組形式開展，其中過程考核內容為課堂紀律、子模塊中各實訓項目完成情況、團隊合作精神和整系統完成質量，過程考核具體內容和占比情況見表2。

結語

通過綜合項目的分解和實施，學生對知識的檢索能力、實踐操作技能都得到充分應用及鍛煉，相對之前零散和模糊的知識也得到整合和驗證并形成體系，知識的系統性得到增強。通過課堂師生之間主次的變化，顯著提高了學生解決問題的能力和團隊合作精神。因為每個實訓項目都具有良好的實踐性和可視性，所以學生學習積極性得到顯著提高。綜合實訓項目并非每一組學生都可以順利完成，真實項目遇到的問題多種多樣，突發問題也多，這些困難因素和企業工作崗位所遇到的困難很好地保持了一致性，因此通過這樣的課程改革也起到提升學生承壓能力的目的。

當然，改革也帶入一些新問題，原來以教師為中心、以理論為主的形式，一個教師可以輕松解決課堂上的問題。改革后，各組學生能力參差不齊、實訓設備故障、各組實訓項目進度不一、項目測試場地要求增多等原因，導致課程中經常會集中出現各種問題，給教師有效組織課程改革增加了難度。因此，課題組提出改進措施：（1）改革后課程需要更多的師資力量的投入，使得課堂上學生面臨的技術難題得到及時的引導，促使實訓項目有效推進；（2）由于設備和耗材使用頻次增加，設備維護工作量和耗材損耗量也增加，因此在實訓設備和耗材經費的投入也要提前做好預算，確保實訓所需軟硬件得到保障；（3）每個項目都要相應地設計制作環境和測試環境，不少原有環境不能滿足需求，因此，實訓環境如何進行優化也需要提前考慮。

參考文獻：

［1］馬曉玉.高職《無人機結構與系統》課程教學改革探索［J］.產業與科技論壇，2021，20（14）：132133.

［2］王文滔.基于企業需求的無人機課程改革研究與實踐——以測繪專業為例［J］.居業，2020（06）：179180.

［3］余林江，高巖.“崗課賽證”融通背景下課程改革思考——以《無人機操控技術》為例［J］.創新教學，2022（19）：124126.

資助項目：2021年廣東開放大學（廣東理工職業學院）教學建設與改革項目（項目編號：2021A002）；2019年廣東理工職業學院教學質量與教學改革工程項目（項目序號：21）

作者簡介：劉永福（1981—），男，廣東肇慶人，碩士研究生，研究方向：通信技術、無人機應用技術。