“无人机飞行原理”课程“理实一体化”教学设计研究＊

王 浩，虞君锚

（浙江安防职业技术学院智能安防学院，浙江 温州325000）

近年来，随着民用无人机市场的快速发展，无人机在各行业的应用表现出显著的增长趋势，例如航拍、测绘、植保、电力巡检、安防、应急等各行业均对无人机有一定的使用需求[1]。无人机相较于有人驾驶飞机，简单的操纵方式大大降低了其使用门槛。在这一新形式下，浙江省于2019年新设立无人机应用技术专业，经过2年发展，浙江安防职业技术学院该专业的建设与人才培养逐渐完善。其中“无人机飞行原理”作为本专业核心课程，理论性强而且学习难度较大，是学生比较“畏惧”的课程，为提升教学效果，教学团队经过调研与实践，结合学院具体情况，进行了“理实一体化”的教学改革设计，极大提升了学生的学习兴趣与学习效果，逐渐成为受学生欢迎的课程，取得了比较好的教改效果。

1 课程基本情况

无人机应用技术是中国普通高等学校专科专业，“无人机飞行原理”是该专业的核心基础课程。该课程以无人机飞行基本理论和分析方法为学习对象，要求学生掌握力学分析在飞行原理当中的应用，旨在提高学生的科学素质，提升理论联系实践、全面分析和解决问题的能力，能为后续其他专业课程的学习奠定基础。在教学安排中，该课程开设在大一上学期，学生在学完本课程以后，要求学生在知识上能够掌握无人机飞行的基本原理，飞行力学的基本分析方法，了解基础的飞行性能；技能上可以查阅相关资料，进行独立思考，理论指导实践，深入钻研无人机相关稳定飞行与安全飞行问题；思想上可以继承和发扬中国的航空精神。

传统航空类专业“飞行原理”课程，常以空气动力学特性在飞机上的应用为主线，着重讲解固定翼飞机的飞行原理[2-3]，而该课程的特点是以空气动力学知识为基础，重点讲解不同无人机平台的飞行原理。在课程结构上，主要分为空气动力学基础和飞行原理2个模块。空气动力学基础模块主要分为大气知识、低速气流特性、翼型空气动力、螺旋桨空气动力4部分的内容。飞行原理模块包括3个子模块，分别为固定翼飞行原理、单旋翼飞行原理以及多旋翼飞行原理，每个子模块的具体内容包括运动方程、飞行性能、平衡性、稳定性以及操纵性等，通过包含不同飞行平台的飞行原理，构成了完整的“无人机飞行原理”课程体系。

2 教学存在的问题

“无人机飞行原理”课程具有理论性强、难度大2个特点。理论性强主要是由课程内容所决定的，无论何种平台的无人机，其飞行原理的基础均为受力分析，该力主要为飞行中的空气动力，因此教学内容必须以空气动力学理论为基础[4-5]。难度大体现在知识结构环环相扣，互相联系，并且需要较深的数学基础才能对基础理论有全面认识，因此学习难度较大。围绕这2个特点，通过学情分析，对该课程的教学现状进行梳理，发现以往教学效果不理想的主要原因体现在以下几个方面。

2.1 课程知识抽象，难以理解

空气动力学基础模块公式多，涉及到较难的微积分，一些结论比较抽象，学习起来枯燥乏味。此外由于课程内容连贯性较强，而学生的基础和接受程度不一，部分学生跟不上课堂节奏，就容易分神导致无法形成完整的知识体系，久而久之跟不上进度就失去对课程的兴趣。飞行原理模块涉及较多的飞行力学内容，比如平衡性和稳定性等比较抽象的知识，在教学中是学生难理解的内容，学完后，部分学生一知半解，无法解决实际中遇到的一些问题。

2.2 课堂以讲授为主，效果不佳

借鉴了一些本科专业“飞行原理”的教学方法，课堂以讲授理论知识为主，强调公式，学生容易疲劳，而且兴趣不高，并且发现一些学生记笔记时会忽略教师讲解，也会降低课堂效果。事实上这种方式不利于激发学生探索飞行原理的兴趣，也不利于培养学生的创造性发散思维。此外，教师过多的讲授在一定程度上抑制了学生的主观能动性，导致学生在课前课后往往不愿意再主动学习，导致课堂效果的进一步下降。

2.3 实践环节缺失，重理轻实

由于无人机专业设立时间较短，相应的实训环节建设尚不完善，包括实训室的建设、实训环节的设计、实训指导书的编写、实训过程管理等。通过与学生沟通交流，发现大部分学生对实践环节更感兴趣，更愿意在实践中进行学习。例如，飞行原理模块中的无人机的操纵性完全依赖于实践环节，但在授课中往往也以讲授为主，忽视了学生的兴趣点，也忽略了实践的重要地位。

2.4 评价环节不完善，导向性差

学习评价采用闭卷考试的单一方式进行，这种评价模式简单、高效，但缺乏对教学全程的关注。学生采用死记硬背的方式往往更容易通过考试，这就导致其对平时课程不在意，更多是考前突击，而知识的综合应用和实践能力几乎得不到提升[6]。

3 “理实一体化”教学设计

结合专业培养目标和课程目标，针对教学过程中存在的问题，设计了“理实一体化”的课堂教学，即理论实践一体化的教学模式。该方式在一定程度上解决了理论与实践脱节现象，强调发挥教师的主导作用，在课堂授课时设定教学任务和目标，教、学、做同步进行，使理论教学与实践教学相互融合，从而提高教学效果。在整个课程教学过程中，理论教学和学生实操交替进行，抽象和直观交错出现，使学生始终保持好奇心和学习兴趣。此外，在实践教学中以分小组比赛的方式更能激发学生的主动性[2]，将比赛成绩计入课程考核评价成绩，能全面反映学生的知识掌握和应用能力，使课程学习脱离死记硬背。具体教学设计体现在以下几个方面。

3.1 理论教学

在课堂教学过程中重新梳理知识结构，弱化公式的推导，加强理论的来源和应用讲解。尤其是在讲解空气动力学基础知识时，引入大量试验增强课程趣味性，先理后实或先实后理均能使课堂内容丰富饱满。例如：在学习低速气流特性时，引入“吹纸”试验、“吹硬币”试验，使连续性定理和伯努利定理的讲解生动起来；布置开放性作业，足球运动中的“香蕉球”如何用学过的原理解释，用一些生活中常见的现象进一步增强学生对知识的迁移和应用能力；在讲解翼型压力分布时，采用虚拟仿真的手段，利用计算流体力学软件计算出不同的翼型和在不同迎角下的压力分布云图，通过读取翼型在不同位置处的压力帮助学生理解，使抽象的知识变得直观具体；在讲解翼型升力时，采用简易的风洞装置，演示空气流速对翼型升力的影响；在讲解飞行原理时引入模拟飞行软件，通过模拟飞行使学生对理论知识的运用有直接的感受等措施来保证课堂教学效果。

此外，在理论教学的课程设计中，采用“课证融通”为设计理念。为使课程内容能够进一步对接无人机驾驶员证书，将课程内容进行梳理，按照民航局无人机驾驶员证书类型把课程划分出3个主要模块：固定翼无人机飞行原理、单旋翼无人机飞行原理和多旋翼无人机飞行原理。在授课过程中，每完成一个模块的相关教学任务，便组织学生进行相关的理论考试题库练习，以作业形式和课堂测评进行学习效果检查，及时查漏补缺，有利于学生考取相应的职业技能证书。

3.2 实践教学

该部分重在加强学生的理论应用能力、动手实践能力和创新能力，对于理论与实践联系比较紧密的知识点，重新设计与课程紧密相关的实训环节，本课程共设计4个实训环节。

第一个实训为折纸飞机竞赛，安排在空气动力学基础知识讲授之后，具体要求是根据所学知识制作纸飞机参加相应赛道的比赛，共4个赛道分别为：①抛出纸飞机后，飞行直线距离远；②抛出纸飞机后，滞空时间久；③抛出纸飞机后，经盘旋一周，能够用手接回；④抛出纸飞机后，用推板可以推着悬浮的纸飞机前进。同学们通过折纸的形式，结合空气动力学知识，综合考虑纸飞机的重心布局，翼面形状来设计不同性能的纸飞机。通过比赛的方式，可以很好地调动学生的学习积极性和创造性[7]。采用这种以赛促学的形式，进一步提升了实践教学环节的质量。

第二个实训为固定翼无人机模拟器飞行练习，安排在固定翼无人机飞行原理讲解过程中，具体要求是根据固定翼操纵性知识完成固定翼无人机五边航线飞行。五边航线飞行是一项基础飞行科目，可以练习固定翼无人机的起飞和着陆技巧，直线飞行技巧以及转弯技巧。通过实际的操纵，可以对理论知识有直观的体会，例如：起飞过程如果飞机飞行速度过小，拉升降舵很难使飞机起飞，那么学生就能联系所学的升力公式对这一现象进行解释；转弯的过程需要操控副翼，利用模拟器可以观察到机翼左右两侧的副翼发生了偏转，进一步通过可以判断左右两侧机翼升力的大小，从而将飞机的操纵行为与力学分析相联系，做到理实一体化教学。

第三个实训为固定翼航模的制作[8]，安排在固定翼无人机飞行原理讲授之后，具体要求是根据所学知识分小组制作一架航模，进行调试试飞，并结合模拟器的练习，最终完成组装航模的五边航线飞行。该实训环节属于综合性教学内容，也可作为课程的大作业，主要包括3个部分：KT板航模的设计与组装、电子系统的安装与调试及五边航线的飞行与测试。该实训环节成绩由学生进行投票评价进行赋分，分别由同学们为各组的作品进行评分，结果能够相对公正地评判同学们的实践能力与综合应用能力。

第四个实训为多旋翼无人机模拟器飞行练习，安排在多旋翼无人机飞行原理讲授之后，具体要求是根据所学知识能够完成多旋翼的悬停、圆轨迹飞行、8字飞行等动作。多旋翼无人机的飞行原理理论相对简单，在完成相应的理论学习后，迅速进入实训的环节可以使学生及时发现学习问题，知识掌握程度迅速加深，这些环节极大调动了学生的学习热情。

3.3 课堂思政

在飞行原理教学过程中，还深入挖掘了与飞行原理相关的课堂思政，通过讲解原理背后蕴含的思政元素，使学生掌握技能的同时，思想认识也能得到升华，进一步提升了教学效果。由于航空领域发生事故代价成本非常高，因此很重视总结相关经验教训，从而避免空难的再次发生，所以本课程思政的切入点是空难事故分析。空难视频对学生的震撼力强，理清空难背后原理因激发学生的学习动力，也能培养学生具备无人机安全操纵的意识。教学中，针对不同的知识内容安排播放不同的空难视频，学生往往会因好奇和紧张而提高注意力，更想要了解事故背后所蕴藏的知识。然后通过空难事故分析，让学生了解了事故原因，由于大部分飞行事故都跟飞行环境或者跟操作不当相关，通过层层分析最终引入到飞行原理当中，会给学生留下深刻印象。这种精神也会指引学生进一步地去学习，挖掘背后的原理。将飞行原理知识点和航空空难故事原因相结合，会让教学内容变的更加丰富，更加有吸引力。

3.4 考核评价

为了客观公正地对学习效果进行评价，设计了全面的考核方式，主要包括30%的平时成绩、40%的实训成绩和30%的笔试成绩3个部分。平时成绩包括出勤率、课堂表现及作业3方面；实训成绩以竞赛结果赋分，竞赛结果由教师和学生共同评判，进一步提升学生参与感和责任感；笔试部分来源为无人机驾驶员题库、课程基础知识、扩展应用等。这种考核方式可以贯穿整个教学环节，避免了部分学生在学习过程中浑水摸鱼，实现了集中考核向过程性考核的迁移[4]。

4 结论与讨论

通过对“无人机飞行原理”课程的“理实一体化”设计，解决了理论知识抽象，难理解的难题，对课堂内容的重新设计提升了学生的学习兴趣与参与度，使学生对知识的理解和接受程度均大幅提升，实践教学的实施使课程目标实现得到进一步加强，全面的考核评价体系使学生的注意力始终与课程保持同步，这些措施促使教学效果得到了全面提升。