基于“MOOC+虛擬仿真”教學模式的無人機課程教學改革探析

葉華 李建奇 彭琛 王麗娟 齊庭庭 譚明濤

摘要：傳統工科課程教學模式存在的問題：新工科電氣信息類應用型創新人才培養的成效低、實踐創新教育的實效性差和不能滿足學生主觀性和個性化發展需求。根據無人機課程教學改革目的和內容，開展基于“MOOC+虛擬仿真”教學模式的無人機課程教學改革探析，創建創新人才培養通用路徑；靈活采用“翻轉式”“啟發式”“案例式”“討論式”等教學組織形態，改善實踐創新教育實效性；深化學習交互設計研究，激發學生深度學習，培養學生創新思維和應用實踐綜合能力，保障學生個性化發展需求。本課程改革成果已作為網上MOOC資源和網上虛擬仿真實驗資源，供全國本科、專科和職業技術院校相關專業學生以及行業企業無人機技術相關人才學習，社會效益顯著。

關鍵詞：教學模式；教學組織形態；學習交互設計；智能實訓；深度學習

中圖分類號：G642; G43? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）07-0165-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

0 引言

近年來，國內外無人機相關技術飛速發展，無人機系統種類繁多、用途廣特點鮮明。無人機飛行控制技術課程教學建設也相應取得不少積極成果。但是，其大多數研究仍然以優化傳統教學模式與流程的教學內容為主，輔以教學手段和考核評估方式的改進，沒有根本改善新工科電氣信息類應用型創新人才培養建設成效、實踐創新教育實效性和學生主觀性和個性化發展需求。

現有的應用型人才培養教學改革包括無人機技術教學，其改革方案比較主流的是改進課程大綱設計、提升教師能力、改進教學資源等多方面融合，以提升應用型人才培養包括無人機技術的教學質量[1-3]。其中，有采用啟發式教學法進行無人機技術的課堂教學，即將課程內容歸納提煉，提出問題啟發學生思考[4-5]。有案例式教學法，以生活中的無人機相關技術應用案例貫穿到教學[6-7]。有信息化教學法，即使用多媒體教學，通過播放無人機技術相關理論與相關動畫、視頻，提高互動，激發學生的學習興趣[8-10]。

目前的應用型人才培養教學改革仍然存在以下問題。

第一，新工科電氣信息類應用型創新人才培養建設缺乏通用路徑。通過網絡教學資源共享所傳授的知識及占用的課時并不被高校承認，學生通過網絡上課也并不能獲得相應的學分，高校之間的學分互認政策對互聯網授課的認可度欠缺。

第二，實踐創新教育實效性不夠。信息技術與專業課教學要素并沒有真正有機結合起來，線上線下教學沒有實現一體化運行，以教材、課堂、教師為中心的教學方法沒有根本性改變，教學目標還是過于注重知識傳授，相對忽視了對學生在線上的學習過程。

第三，學生主觀性和個性化發展需求沒有得到重視，教學目標單一化。傳統的教學方法對于教學目標重點在于固化學生的學習任務要求，學生創新能力培養會受到規范化教學的約束[11-14]。

數字技術的發展對高等教育教學質量提出了更高的要求，傳統教學模式無法滿足大學生成長、社會發展的現實需要。目前國家正加快推進虛擬仿真教學的創新[15-16]，虛擬仿真實驗需要打破原來單純的實驗格式，以課程的形式參與到教學組織中去[17-19]。

為推進數字技術與高等教育的深度融合，以實現創新人才培養模式，需要推進和落實虛擬仿真實驗的“體系化、標準化、裝備化、慕課化”。本課題立足于構建“MOOC+虛擬仿真”數字技術支持的無人機課程教學改革，推動實現虛擬仿真實驗空間升艙、虛擬教研室信息平臺搭建、國家級虛擬仿真實驗平臺建設[20]和高等教育教學資源庫搭建，占領虛擬仿真教學創新先機。

1 教學改革方案

1.1 教學改革的目標

根據本課題教學目的和內容，依據教育部虛擬仿真課程更新要求，結合線上、線下混合式“MOOC+虛擬仿真”教學模式，創建創新人才培養通用路徑；靈活采用“翻轉式”“啟發式”“案例式”“討論式”等教學組織形態，改善實踐創新教育實效性；優化教學方式，激發學生課堂深度學習狀態，進行主動學習和主動探索，培養學生創新思維和應用實踐綜合能力，保障學生個性化發展需求。

1.2 具體研究內容

1.2.1 教學組織形態

課題組與MOOC開發團隊共同對MOOC視頻、虛擬仿真實驗內容進行分析，提煉出虛擬仿真實驗的運行場景，和學生學習無人機技術的必備知識點，然后對這些知識點進行重組重構，將必要知識點進行視頻化、虛擬化包裝，采用“翻轉式”“啟發式”“案例式”“討論式”等教學組織形態，融入無人機課程教學。

1.2.2 “MOOC+虛擬仿真”數字技術支持

結合虛擬仿真實驗課程實景呈現的技術優勢，在MOOC設計過程中，深度融合已經建設的虛擬仿真資源，形成場景真實、運行虛擬的智能實訓課題教學。在視頻課程播放的過程中，設置虛擬仿真互動按鈕，通過實景渲染使得學生產生沉浸式互動，進入深度學習狀態，改變傳統視頻課互動性差的情況。同時在重點章節，結合虛擬仿真實驗，設置考核點，將虛擬仿真資源潤物細無聲地配置進MOOC課程中去。

1.2.3 資源的推廣和未來的應用

結合國家慕課西行的政策，通過東西部高校課程共享聯盟的唯一指定運營服務商-智慧樹網做連接，以全國唯一的一門“MOOC+虛擬仿真”無人機課程推廣為契機，實施智能實訓教學，創建人才培養通用路徑，幫扶西部高校，開設相應課程。讓智能實訓課程真正走出校門，補充西部高校師資、設備不足。

1.3 無人機課程學習交互設計

傳統的自動控制技術和無人機實驗教學以教師為主體，以傳授實驗操作方法為主要目標，學生模仿教師進行無人機飛行控制操作、讀數和記錄，對實驗現象理解不夠全面，缺乏對無人機飛控機理的深入理解。

無人機虛擬仿真實驗強調互動啟發式實驗教學方法，將無人機認知與安裝實驗、無人機倉庫盤點的飛行控制實驗加載有機結合起來，圍繞實驗教學難點、實驗條件局限性等問題，有效地創設情境，在教學演示、實操練習和模擬考核等設計交互環節，將學習空間全景呈現。在視頻課程播放的過程中，通過設置的虛擬仿真互動按鈕，允許學生自主選擇，多次體驗。同時在重點章節，結合虛擬仿真實驗，設置考核點，將虛擬仿真資源潤物細無聲地配置進MOOC課程中。利用在線“MOOC+虛擬仿真”教學系統，實施教學演示、實操練習和模擬考核模塊在MOOC和虛擬仿真平臺的個性化跳轉。如圖1所示的模塊跳轉示例，學生在MOOC演示環節，可以隨時跳轉到虛擬仿真平臺的實驗演示、實驗實操和模擬考核；其他模塊跳轉，在圖中省略。課題組設計的“MOOC+虛擬仿真”實驗教學項目基于三維建模的虛擬實驗環境及虛擬實驗對象，不需消耗類或易損類實驗材料，項目以真實環境和飛行場景為依托，姿態變化、飛行軌跡、運動參數的動態過程與真實飛機基本一致。學生可以自主設計實驗流程，選擇相應參數，實施無人機自主飛行控制，滿足無人機課程學習交互教學需求。

1.4 構建“MOOC+虛擬仿真”支持的課堂深度學習

課題組全面組織實施課題研究，進行學生問卷調查，對知識點重組重構，提出地方高校電氣信息類創新型人才培養存在的問題，確立建設目標，總結無人機飛行控制技術應用案例，錄制無人機飛行控制技術視頻課程內容。結合學校已有的分布式電推進飛行器控制技術重點實驗室和無人機應用技術研究所的實際案例，制定三層遞階“信息類基礎能力-工程應用能力-綜合創新能力”的無人機飛行控制技術實踐教學建設方案，把線上線下混合式教學模式和虛擬仿真手段運用到課程教學中，如圖2所示。“MOOC+虛擬仿真”數字技術支持的無人機智能實訓課堂，可保障學生從錯誤認知進階到掌握知識以及創新應用，改變傳統視頻課無法深度互動、學生無法達到課堂深度學習的狀態。

課程將學習資源全面開放，通過實驗加載進程的推進，實時展現曲線變化，實時提出在線互動題，不斷啟發學生將理論知識與實踐聯系，更深入地理解實驗過程中出現的現象從而挖掘無人機飛行控制的深層次機理，在輕松的學習氛圍下掌握理論課中的難點，克服實體實驗中學生專注于測試記錄而忽視實驗現象的問題。

除了讓學生高效完成課前預習之外，還可以幫助學生完成因資源缺乏的原因而無法完成的實驗，更全面地掌握物聯網技術和無人機飛行控制的基本原理，同時更有效地利用重復的在線數據與線下實驗數據相互比較，增強學生學習的積極性、主動性與自覺性，提高教學效果。教師和學生通過線上虛擬仿真實驗和線下基于虛擬儀器的實時加載及時討論、互動，學生在自主學習過程中可以隨時感受到教師的啟發和引導。線上線下混合式教學方法，有效地提高了學生課堂深度學習的學習體驗，更全面深入地掌握知識，提高學生的理解能力。

1.5 教學改革的實施

由課題組主持開發的無人機室內自主飛行控制虛擬仿真實驗，目前已經運行16個教學周期，累計選修人數超過10 000人，已經被評為省級一流虛擬仿真實驗課程。在虛擬仿真和mooc支持的無人機課程教學改革上，積累了經驗、收獲了成績。

1.5.1 提升學生認知水平

通過完成“MOOC與虛擬仿真”虛擬實驗任務，能有效調動學生學習的積極性，既讓學生較為真實地感受到無人機進行倉庫盤點實驗的全過程、生動形象地再現無人機飛控變化規律，幫助學生全面掌握相關理論知識和認知能力。

1.5.2 提高學生創新實踐能力

“MOOC與虛擬仿真”虛擬實驗中不斷出現的互動操作和實時問答環節，極大地鍛煉了學生動手能力和應變能力，更深入更主動地掌握理論和實踐知識。

本實驗成功應用到自動化大三學生的虛擬仿真實驗，推行兩屆的線上線下混合式教學模式深受學生歡迎，2018級本科生在實驗報告中感嘆：“仿真系統可以準確展示、還原和重復試驗中的各個細節……，改變了以往試驗課做實驗時似懂非懂的迷茫。”2019級本科生也認為：“在虛擬仿真平臺上可以對實驗內容預習，幫助我們認識實驗內容，減少實體實驗中一些可以避免的錯誤，尤其是無人機炸機風險，我認為開展虛擬仿真實驗益處很大”。

本虛擬仿真實驗平臺還成功應用到飛行器競賽訓練、無人機電子設計競賽等賽前輔導。受訓學生榮獲大學生電子設計競賽“挑戰杯”全省一等獎多項，顯著提高了學生的創新實踐能力。

本課程已經作為學校的專業技術實踐課程，面向自動化、建筑電氣與智能化、通信工程、計算機科學與應用等專業，以專業選修課程、校選課程開設，每年受益學生達到500人。該課程還作為網上MOOC資源和網上虛擬仿真實驗資源，推廣供全國本科、專科和職業技術院校相關專業學生學習，以及行業企業無人機技術相關人才學習。

2 結論

課題組針對相關工作的理論研究、方案研制、實施過程、效果總結等，形成一系列的教育教學理論成果。完成無人機自主飛行控制技術的教學改革方案設計，在完成教學設計的過程中緊密與教學活動相結合，搭建了創新人才培養通用路徑；完成在智慧樹等國家級平臺上的無人機自主飛行控制技術在線開放課程的建設，提高了實踐創新教育實效性；在自動化、建筑電氣與智能化、通信工程、電氣工程及其自動化等專業開設的虛擬仿真實訓課程教學中，完成本次教學改革的實踐過程，保障了學生個性化發展需求。作為網上MOOC+虛擬仿真實驗的數字技術支持的教學改革資源，供全國本科、專科和職業技術院校相關專業學生、行業企業無人機技術相關人才學習，每年受益人數將達到1萬人以上，社會效益顯著。

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【通聯編輯：梁書】