新工科理念下无人机平台的电子信息专业创新模式研究

陆渊章，徐振邦，董天天

(江苏信息职业技术学院电子信息工程学院， 江苏 无锡 214153)

0 引言

为响应国家的发展战略，面向以新技术、新业态、新产业、新模式为代表的新经济的发展需求，构建创新卓越人才培养体系，实现电子信息产业的超越式发展，新工科理念下的电子信息专业创新模式应运而生[1]。工信部2017年12月发布《民用无人机制造业发展指导意见》，提出到2020年，民用无人机产业持续快速发展，产值达到600亿元，年均增速40%以上[2]。支持有条件的普通高校和职业院校设立无人机相关专业，建立多层次多类型的无人机人才培养和服务体系。鼓励企业引进国内外高层次技术人才，加强技能人才培训[3]。更是将无人机应用技术的专业培养方向写入了《普通高等学校高等职业教育(专科)专业目录(2015年)修订版》。国内无人机方向进入高等学校人才培养体系较晚，国外的开展的略早些，2013年，美国奥本的GreenRiver College宣布将启动一个与无人机相关的课程。项目总监George Comollo在KOMO的采访中说道：“我们将为学生提供如何操作无人机、如何构建无人机以及如何修理无人机等方面的课程。”该课程将于2014年4月开始。2016年Google X 无人机项目与连锁快餐企业Chipotle、弗吉尼亚理工大学联手，在本月开展无人机配送墨西哥卷饼的的项目测试[7]。

本文结合电子信息专业实际，在现有人才培养方案、课程体系及实验实训条件基础上，在现有部分课程引入无人机相关技术，例如无人机装配技术、无人机调试与维护技术、无人机检修技术和无人机操控技术，有条件开设了无人机的二次开发课程及训练项目。

1 电子信息专业无人机平台创新模式设计

1.1 新工科理念下创新人才培养模式

新工科环境下电子信息专业在人才培养特色方面给出了一定的方向，以无人机为平台构建高职综合创新实践平台。本文重点研究系统实现无人机技术的构思、设计、制造到运营的每个环节，在技能实践中确立工程系统观，培养多学科交叉能力，锻炼团队管理能力。基于无人机平台结合理论知识的学习，完成理论知识基础下的工程验证，以实践技能补充课堂知识，随之实践引导兴趣，利用无人机综合创新实践平台作为载体，满足应用需求，探索专业前沿，形成多角度、多层次、立体化的创新人才培养模式。[5]

1.2 开放式平台设计、突出高职教育特色

开放式平台突出以新工科背景下构建以无人机为平台的高职综合实践平台，不断优化专业设置，不断完善专业教学标准体系。完善电子信息技术现有课程体系，嵌入无人机相关知识点和技能，有利于增强学生的专业学习能力和就业竞争能力，还可以结合创新创业教育，激发学生自主创业的热情[6]。课程层面模块化设计实现理论与实践结合，实现开放式平台设计，满足单片机、嵌入式相关课程教学与开发的需求。

2 电子信息技术专业创新模式实施

2.1 优化教学资源，研发专业课程体系

从目前无人机技术的发展以及高职学生的学习能力两个角度来综合分析，首先分析无人机的硬件技术门槛；其次分析无人机的软件技术门槛。以目前高职学生实践技能强的特点，技术门槛应设置在无人机的组装与操控层面，在原有课程中嵌入中无人机的基础知识、无人机组装、无人机调试、无人机飞行训练等主要内容进行建设，综合使用各种案例，提供系统学习内容，把线上线下的课程资源优化学习[4]。由于目前国内高职无人机相关课程尚未系统化，课程体系的建设应从实践的角度出发，分析大量的国内外文献调研、技术应用比较等前期工作初步总结出无人机课程建设模式，结合现有教学实际环境，研究并探索出一套行之有效的建设方案，同时主要根据课程建设一系列线上线下资源的引导，在具体的小范围教学中反复实践验证、调整建设方案、教学模式和教学资源，并最终形成以专业能力为主的课程体系优化，如图1所示。

2.2 项目化实训案例，跨体系融合专业知识

将无人机作为综合实践的平台载体，根据企业和市场的需求来制定分析实践项目可靠性，并产生需求规格说明书；根据需求分析进行可行性分析，产生可行性分析报告；由此进行分析案例的主要功能要点，根据要点对产品进行功能需求方面的系统概要设计，建立系统的体系结构和模块的划分[5]。

以工作任务驱动方式，将现有课程中常用电子仪器仪表的应用训练、常用电子元器件的识别与检测及电子产品的工艺与品质检测等构成学习的载体。并根据无人机实训案例的需要选用适合的配件，实现架构和布局的设计，然后以无人机的组装完成为依据，设计专业课程体系。

最后实现整体系统调试，不断修正调整，直到符合设计要求。在程序设计开发阶段中可以对无人机系统应用进行可行性分析，据此设计软件方案(二次开发)，软件方案通常包括内环和外环。内环负责控制飞行姿态，外环负责控制三维空间内飞行运动轨迹[8]。软件方案通常包括无人机状态分析，无人机飞行控制算法实现，上位机及无人机具体任务的实现流程和逻辑辅助控制等。

图1 专业能力课程体系优化

2.3 多课程渗透，构建综合实践平台

根据无人机综合创新平台总体方案设计、无人机组装与调试、程序设计开发、无人机通信、信息处理、无人机飞行控制和无人机技术服务的项目开发流程设计，渗透知识点到相应的课程中，项目驱动重构核心课程，构建“两纵两横”综合实践平台架构，如图2所示。

图2 “两纵两横”综合实践平台架构

结合无人机组装、通信、信息处理、故障维修等方面的技术架构以及高职院校的学生特点、知识点可以渗透到以下内容。

(1)无人机构造与组装

学生动手将所有部件组装成一架完成的无人机，通过组装让学生了解并熟悉无人机的硬件构造。涉及课程有《电子CAD》、《电路分析与测试》、《电子装接技术》。

(2)无人机飞控系统调试

无人机飞控系统的调试，设备调试与维护为了让学生从零件到整机再到飞行整个过程中系统性的学生深入了解无人机的原理。涉及课程有《STM32微处理器应用》、《专业综合实训》。

(3)无人机维护与维修

无人机维护检修，故障检测是学生学习必不可少的一项环节，当飞机出现无法正常工作的状况时，借助测试仪器，让学生快速查出故障点，从而判断问题的所在。涉及课程有《模拟电子技术应用》、《电子装接技术》、《电子产品工艺与品质管理》。

(4)无人机飞行控制

学生在无人机实际飞行之前要进行模拟飞行训练，掌握无人机操控的基本技巧，减少实际飞行中的失误，通过模拟飞行训练软件可以让初学者选择各种机型、场景，机型行训练，也可以以游戏的形式进行练习，在愉快的环境下边做边学，掌握实际飞行前所需的技巧[9]。在学生掌握一定的模拟飞行技巧后，可以进行实际操控，将试飞活动安排在实操飞行场地中进行，安全的飞行环境不仅为学生提供更好的保护，同时可以让学生大胆的飞行训练。也可以通过练习无人机航拍等。

(5)无人机飞行控制

无人机二次开发为无人机的高级应用开发，国内无人机品牌大疆可以实现无人机脱离遥控器的情况下进行自主解锁、手势起飞、悬停，超声波避障功能，定距巡航，定高悬空、甚至执行自主运输等复杂动作功能[10]。无人机未来的发展趋势将是程控智能化，更多的是程序应用控制，而二次开发是为学生提供的功能拓展及创新平台，可与无人机应用及未来发展紧密贴合。

(6)无人机的DIY制作

DIY制作指自己动手设计和改装，目前各类定制化服务已经渗透到各行各业，由于不同的无人机领域应用场合，技术要求也千差万别，产品要全方位的满足客户的期望，设计改装将是未来无人机发展的一个方向。[11]无人机所有软硬件全部开源，可拓展及改装性增强，可支持学生 DIY 无人机。 在电子信息专业创新模式项目实践中，学生可参与操控多旋翼小型无人机组装、检修、调试、飞行等步骤，阅读无人机飞控代码，基于该平台可进行二次开发，能够参与无人机相关技能竞赛和创新创业项目，提升学生的就业竞争力[12]。

3 结语

本文以无人机技术综合创新应用职业能力培养为核心，通过无人机项目研究，以真实产品开发为核心，设计、制作和服务应用为主线进行人才培养计划，设计好课程、标准课程设计、建设实践基地、教师团队提升的专业建设模式。以江苏省高水平骨干专业建设为契机，嵌入无人机综合创新实践平台的理念，弥补现行课程体系培养的高职毕业生能力和实际企业人才需求之间的区别。从实践技能角度出发，探讨了理论结合技能实践，实践过程循序渐进，在丰富的实践场景导向科研和应用的方式下鼓励创新，融入平台模块化和开源化设计思想，介绍了一种基于新工科背景下的无人机平台的专业创新模式，尤其是指明了电子信息类高职实践教育的新出路和新思路。