无人机安防技术应用课程的教学设计与实践

杨润丰

东莞职业技术学院 广东东莞 523808

1 行业背景

近年来，对于公共安全的需求高涨，安全防范系统迫切需要真正实现“实时监控，即时反应”，在最大程度上阻止危险事件的发生，并对突发事件做出应急响应。视频监控在安全防范中的地位日益突出，视频监控系统在闹市、住宅小区、科技产业园、交通、安检以及军事设施等领域的安全防范等方面有着非常广泛的应用。然而，在没有视频监控的覆盖点或视频监控的盲区点，安全管理部门无法通过实时捕获现场第一手信息资料和现场问题并做出快速反应，使现场问题得不到及时、妥善的解决。随着无人机技术的快速发展，无人机开始在安全防范中得到重要应用，如在科技产业园区应用无人机巡更，在大型户外活动应用无人机现场监控等。无人机具有在狭小空间和复杂环境中垂直起降和悬停等能力，利用无人机与视频监控技术集成，对监控现场全方位整体情况通过信号实时传输到视频终端，这不仅提高了巡逻效率，而且规避了人工巡逻的盲区，特别是在应对和处理突发事件时，安全管理部门通过实时捕获现场第一手信息资料并做出快速反应，使现场问题得到及时、妥善的解决[1,2]。

2 课程定位

目前，众多高校开设的无人机专业课程主要是无人机的硬件平台、通信与测控、指挥控制等方面，对于无人机安防技术应用的教学较少。为满足我校“培养高素质创新型技术技能人才”的人才培养目标总定位和技术技能人才多元个性成长需要的人才培养方案需求，将电子信息专业群设置无人机安防技术应用作为一门创新班组课程，同时它也是一门专业交叉课程供其他理工科专业群的学生选修。课程体现工学结合、知行合一的职业教育特征[3]。

3 教学设计

3.1 教学目标

设置无人机安防技术应用课程的目的是使学生了解无人机飞行原理、民用航空法规，熟悉无人机系统的组成和维护，掌握无人机飞行控制和巡更，能对采集的视频和图片中安全规范行为和事件进行基本分析等。培养认真、刻苦、勇于实践的工作作风，养成规范、严谨的工作态度。具备基本的创新素质，将专业知识与设备应用有机地结合起来，以适应社会的需求。

3.2 教学内容

理论知识是支撑起无人机操控技能学习的重要基础，课程的理论教学将航空法规、气象学、空气动力学、多旋翼无人机系统组成及飞行原理、电子巡更以及任务规划等理论知识组建成一个全面的知识系统，确保学生在完善的理论知识基础上开展进一步对无人机安防巡更操控技能的学习。实践教学主要包括组装维护、模拟和真实飞行训练、校园电子巡更、校园无人机巡更等(见表1)。

课程教学从认识无人机项目开始，认识无人机的发展简史、无人机机型分类、无人机的优缺点、无人机的应用领域，使学生形成对无人机的宏观认识；还通过学习民用航空法规的各项条文规定树立安全意识和法律意识，保证作业过程合法合规。在项目2中认识无人机的飞行气象条件与飞行环境对无人机的飞行起着重要的影响作用，学生了解全面的气象知识，能准确判断各种气象现象，应对不同飞行环境下的飞行任务；通过掌握空气动力学、伯努利定律等无人机飞行原理，理解无人机各个飞行姿态和飞行动作。另外，通过掌握不同无人机的速度、高度、续航、机动性能，认识无人机各部件的协作运行。从项目3开始增加了实践动手的学时，学习无人机组装的基本程序，要求必须遵循规定的步骤，任何一个安装环节的混淆都将可能影响无人机各零部件的协调运作，甚至导致无人机飞行时的安全事故；在无人机拆卸、维修环节培养学生对无人机故障问题的判断及解决能力，掌握无人机故障处理、日常养护的技能；另外，学生还学习电池、充电器和遥控器的使用等。接着是实际操作训练项目，分为2个阶段：模拟飞行练习和真机实际操作训练，学生从零基础循序渐进地掌握无人机的飞行技能。无人机操作通道多，对于初学者容易发生误操作，所以真机飞行训练前必须进行模拟飞行训练，通过模拟真实的驾驶情景锻炼学员的方向感和操作手感，提高飞行的安全性。实际操作训练会根据学生的驾驶水平进行分组训练，针对性做出技术指导。项目6的内容电子巡更系统可以了解安全防范科技手段，从而为项目7的校园无人机巡更打下良好基础。在开展校园无人机巡更项目教学中，主要学习无人机校园巡更路线规划、控制无人巡逻机通过运用GPS航点定位飞行、航向锁定等原理功能，先后到教学实践基地和校园现场进行全方位巡航[4]，利用摄像头将园区整体情况通过信号实时传输到视频终端计算机，并能够进行对地面监控视频数据采集和安全情况分析。最后是课程考核，以分组汇报项目和实践报告为主要考核方式。

4 教学策略与方法

本课程实施翻转课堂教学模式，由课前学习资料准备、学生自主学习、课堂实践活动、课程考核评价4个部分组成，以任务体现“教、学、做”一体化的教学模式[5]，将理论知识的学习、专业技能的训练和职业素养的养成融入具体的项目任务中，注重实践操作和自主创新能力的培养。教师在课前制作学习资源和操作手册，学生在课内外积累知识和动手技能。学生在课外时间自主安排学习和飞行训练，组成团队协作分配任务，完成实践任务，并与教师和学生进行交流和研讨。在课堂实践环节，教师对实践项目安排进行详细说明后，学生进行分组实践，通过创设情境激发学生对课程内容产生兴趣，开发学生的潜在动机资源，吸引学生对无人机在安防技术应用的学习兴趣。在实践过程中，教师观察学生的实践情况、手把手地做示范，并指导学生完成实践项目报告。课程结束后，对学生的学习情况进行评估，一方面评估学生在实践环节完成的效果；另一方面对翻转课堂进行教学反思，从而不断调整翻转课堂教学的策略与方法。

表1 无人机安防技术应用课程内容

5 教学评价

针对学生综合能力评价，主要围绕技能培养和技能测试，由于本课程共分为7个学习项目，每个项目结束后按项目考核评价表和项目报告进行考核评价，最后累加项目成绩得出课程总成绩，不单独设置考试环节。学生基于此教学方案和教学模式开展课内外学习，积极自主学习，自学能力得到逐步提升，课堂教学取得满意效果。学生还积极投身于实践创新应用中，拓展学生对无人机应用的技能技巧，也促进了学生的就业，如无人机电力巡线、无人机测绘、无人机航拍等。

6 结语

本课程教学围绕每个教学项目的知识要求和技能要求，有选择性地进行科学的实践教学，力求把无人机和安全防范技术应用结合起来。此外，课程致力于培养学生学习的兴趣和独立思考的能力与习惯，增强学生更进一步掌握科学的研究方法和使学生提高对新技术的学习能力。该课程的教学项目的实践内容使学生的动手能力与独立思考能力获得了很好的提高，确保目标、能力、技能、课程的有机统一。