基于Think-Pair-Share模式的无人机应用类课程探索

马兆伟 吴立珍 王菖

［摘 要］ 目前无人机的应用已经涉及民用、军用各个领域，因此在本科教学活动中需要结合无人机的应用开展实践类教学。目前无人机应用是许多院校无人机专业人才培养的一个重要教学方向，如何提升学员将所学理论知识向实践应用转化是亟须思考的问题。结合无人机系统的典型应用问题，将Think-Pair-Share（思考—分组—共享）教学模式引入无人机实践类教学案例中，总结了此类教学模式组织过程，并分析了组织过程中的注意事项。通过课程实践，起到提升本科学员对于课程的参与度、学习热情等效果，达到了无人机实践类教学的目的。

［关键词］ 无人机实践教学；“思考—分组—共享”教学模式

［基金项目］ 2021—2023年湖南省普通高等学校教学改革项目“面向人机协同作战的智能交互教学案例库建设研究”（2021JGYB006）；2020—2022年国家自然科学基金“面向人机协作任务规划的认知发展与学习方法研究”（61906203）

［作者简介］ 马兆伟（1989—），男，山东淄博人，博士，国防科技大学智能科学学院讲师（通信作者），主要从事无人机自主感知研究；吴立珍（1982—），男，江苏丰县人，博士，国防科技大学智能科学学院助理研究员，主要从事无人机自主协同控制研究；王 菖（1985—），男，湖北武汉人，博士，国防科技大学智能科学学院讲师，主要從事自主无人系统研究。

［中图分类号］ G640［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）29-0089-04 ［收稿日期］ 2022-10-12

引言

现阶段无人机在军用和民用领域起着非常重要的作用，主要体现在无人机可以用于执行侦察打击、物资投送、电力巡检、场景拍摄等任务。目前各种各样的构型无人机需要在满足稳定可控的飞行之外，需要搭载不同的任务载荷去满足不同的任务需求，如侦察任务占据无人机各项任务的重要地位。在民用领域，日常常见以大疆为主的民用消费级无人机可以用于个人航拍作业，用于生成个人的航拍视频或者航拍照片。面向无人机众多应用需求，国内众多高校已经在本科阶段开设了无人机的相关课程，其中主要以无人机的建模、无人机控制、无人机任务规划等作为其主要的核心知识点。另外，在国内目前也开展了许多针对无人机科目的本科生学科竞赛。如何结合无人机的基础理论知识，引导学员探索无人机的应用场景和应用设计，是本科教学过程中重要的一个问题。目前，以我校本科教学课程安排为例，针对无人机课程的实践时间远远少于理论课时间。

现阶段民用和军用无人机在各个领域已经发挥着重要作用，如何在本科教育阶段培养无人机方向的运用人才是值得探索和研究的重要课题。本科实践教学活动中，非常注重学员的参与度、自我学习与合作学习的程度。实践课程教学过程中要注重利用学员的差异化来提高其认知、心理和社会表现，要强化对于知识的利用能力，分工写作达到合作共赢的目的。本文针对无人机人才的培养，结合本科教学中的无人机实践课程，探索一种基于Think-Pair-Share（TPS，思考—分组—共享）模式［1］的无人机应用类实践课程的授课过程实施。通过TPS教学模式，提升实践类课程的教学效率。Think-Pair-Share模式在国内教学过程中已经取得了较好的应用效果，如［2-6］等论文；笔者在本科选修课程、物理实践、医学类课程中也都有所探索和应用，并取得了较好的课堂效果。在本科教学活动中，尤其是无人机实践类教学活动的探索较少，本文重点围绕无人机实践方向，探索TPS的应用效果。

一、Think-Pair-Share教学模式介绍

Think-Pair-Share模式活动由马里兰大学的Frank Lyman教授［1］提出，它是一种相互合作的互动式教学方法，特别适合大班授课，尤其适用于重难点学习任务的突破。它能帮助学员进行独立且深入的思考，鼓励学员讨论、记录并复述自己及同伴的观点，并在与他人的交流合作中进一步提炼完善自己的思想观点，培养自主学习的能力。

TPS教学模式针对的教学课堂一般为人数较多（≥20人）的课堂。在课程教学活动开展过程中，教员一般很难把握大班课堂中每名学员对知识的掌握程度。但是，教员又需要学员积极参与到教学课堂中，充分发挥学员头脑风暴或知识分享的优势，达到掌握课程教学重要知识点的目的。当教学中班级人数越多，TPS在大班授课越能体现出重要优势。

Think-Pair-Share教学模式的教学流程如下。

（一）课程活动思考环节

教员需要根据教学活动的目标，首先发布课程中需要涉及学员学习、思考或讨论的知识点或学习任务，给予全班学员针对此项学习任务一定的个人思考或准备时间，由个人完成对于学习任务的准备或思考。此项活动若涉及资料的大量调研，也可以在课前让学员进行筹划组织实施。

（二）课程教学班级人员分组

教员在讨论活动开始前，需要对教学班级中的学员进行分组。组内人员数量和学员的知识水平等级尽量保持均衡。学员在学习开始前，首先推荐组长，组长确定后不再更改，组员一般可以自由交换和结合。例如，若班级人数为30人，那么就分成6个组，每组5人，每个组设置一名组长，便于管理或组织组内成员完成教学学习任务。组内人员按照教学任务要求，开展组内研讨，分享每个人的意见，此活动开展过程中，需要组长对人员进行组织，对每个人的观点梳理总结。组内讨论在固定时间内完成讨论，并形成本组的最终研讨成果。在此项环节中，教员可以流动至各个组，对组内的问题进行针对性指导。

（三）学习成果分享

学习成果共享环节主要由教员组织全体人员结合学习任务完成学习成果共享，主要由每个组的组长分享组内的学习成果。这个环节可以以最少的人数以最快的时间让全体学员领会到所有人对问题的思考和考虑。

通过这种分组教学模式可以看到，分的组越多，在进行分享环节或头脑风暴时，就越能集思广益、活跃气氛、开放思维，学员给出的答案和方案也越丰富，极大地拓宽应用类课程的知识维度。

二、TPS模式在无人机应用课程实践探索

（一）TPS模式适用性分析

无人机应用类实践课程注重的是本科学员对于无人机应用能力的培養，具有重实践、轻理论的课程特色。但此类课程的授课的储备知识是本科学员已经具备了对于无人机平台与飞行控制、无人机任务载荷与任务控制站、无人机系统自主性与运行管控等无人机系统的整体基础理论知识的掌握，故课程中不再侧重于理论知识的讲授，而是结合无人机的实物或无人机部分元器件等开展授课。课程期望学员具备在软硬件方面分析、设计、运用并研发无人机系统的能力，为毕业后从事无人机相关的技术研究、操作使用和技术管理等工作打下理论基础。所以此类应用实践课程可以充分发挥学员对无人机应用设计的头脑风暴，适合采用TPS教学模式。

（二）针对无人机避障任务的一次课程TPS设计实践示例

1.实践课程基础。实践课程需要学员在前期对无人机平台与动力、导航制导控制、发射与回收、任务载荷、数据链路、任务控制站等基本概念和方法有所掌握和了解，能够阐述无人机飞行和控制原理，具备由理论知识向无人机运用转化的能力。

2.教学目标。通过无人机避障任务牵引，期望学员能够结合前期所学无人机构型设计、无人机机载传感器、无人机导航制导与控制等理论知识，设计完成此项任务的无人机软硬件结构组成。主要完成几个问题的探讨，如：无人机系统可能采用的硬件组件、软件算法有什么？无人机执行此项任务的工作流程是什么？

3.课程设计。（1）避障任务发布。需设计无人机，使其全自主完成场地中穿越交错墙、穿越隧道、穿越迷宫、穿越大圆环、穿越多个小圆环等五个避障任务，如图1所示。飞行过程中需严格按照顺序完成任务。每个组按照此任务设计无人机的实践方案，结合教学目标，梳理出本组的实践成果。（2）教学班TPS模式设计。针对无人机避障任务实践，课程教学班按照一个学时课程准备，总共45分钟。某教学班的人数为25人，以5人为单位，共分为5组。根据TPS模式的实施方案，课内的时间划分如表1所示。

分组讨论环节，每个组围绕着布置的问题，讨论组内的无人机设计方案和任务飞行流程，并将讨论的结果以思维导图的形式总结，并在分享环节结束后，作为本组内的成果提交给教员，作为组内的成绩评定依据。教员在总结环节主要针对每一组的成果及课程的教学任务需求，总结和评价每一组的成果，并结合此问题给出教员的方案设计，作为参考设计方案和答案。（3）课程教学效果分析。引入TPS模式之后，以无人机避障应用作为一次课程的切入点，开展授课内容实践，达到了以下的效果。首先，充分发挥了学员在课堂教学过程中的主观能动性，让学员加入课堂研讨，提升课堂的活跃度和参与度，教学班内学员对于此类教学模式非常认可。其次，增加了课程知识点的掌握程度，学员间通过互相交换个人观点，可以加强在课堂时间内完成对于知识点的有效交流和知识强化。教学班中的学员通过此项活动，将所学知识关联起来，在方案设计中提出了自己的部分想法。比如学员提出的避障传感器选择有激光雷达、双目相机、相机等不同的设计方案；软件设计上，部分学员已经利用机器人操作系统架构，树立了算法逻辑关系等。最后，提升了教员与学员之间知识间的快速交流和促进提升，学员的集思广益、发散式思维拓宽了课堂教学的知识面，增加了教员对学员的知识水平认知，便于更有方向性地引导学员。

3.TPS教学模式的反思。（1）选题的恰当程度影响学员讨论效果。课程中设置的研讨的教学任务需要结合学员的前序知识水平和后续课程的学习期望来设置，研讨任务过于简单或过于困难都会降低学员的参与度。例如，题目过于简单会导致学员之间不再聚焦课程教学任务，而产生课堂内聊天的反面效果。（2）课程分组的人员角色会影响组间的成果水平。小组内人员分组最好是根据学员的知识水平分组，使得各组间的差异性不会太大。如果采用学员自己组队，有可能会导致各组的知识水平不均等，组内学员组织、知识发散等很难达到预期目的。（3）考核的公平性需要设置基准参考。由于TPS模式会让学员产生思维发散、提升学员的积极参与程度等优势，但是教员在课程任务考核时仍需要给出基准答案作为基础分值，公平考核每一组的成果，在此基础上可适当加入创新分值，给予部分学员奖励分值。

结语

本文探索了基于TPS模式用于无人机实践课的具体实操案例，提出了该种模式的适用范围和操作流程，并通过具体案例实操，利用该模式达到提升课程授课的参与度等效果。该模式可以推广至理论教学中案例研讨、课程实践等各个环节，对于提升本科课堂教学质量有较大的促进作用。

参考文献

［1］Lyman F.Think-pair-share，thinktrix，thinklinks，and weird facts： An interactive system for cooperative thinking［J］. Enhancing thinking through cooperative learning，1992： 169-181.

［2］李芳.基于Think-Pair-Share模式专业选修课教学的探索［J］.大学教育，2017（3）：18-19+23.

［3］李娟琴，谈宁馨.Think-pair-share模式在物理化学课堂教学过程管理中的应用：美国亚利桑那州立大学物理化学教学的借鉴［J］.大学教育，2014（18）：22-23.

［4］尹丽，孙庆惠，夏乾峰.浸润式合作学习基本理念及应用［J］.中国高等医学教育，2022（5）：120-121+123.

［5］梁岚.Think-Pair-Share模式在“课程思政”中的应用［J］.基层医学论坛，2022，26（10）：122-126.

［6］尹丽.基于TPS的合作学习及借助雨课堂的实现［J］.中国教育技术装备，2020（22）：113-115.

Exploration of UAV Application Courses Based on Think-Pair-Share Mode

MA Zhao-wei， WU Li-zhen， WANG Chang

（College of Intelligence Science and Technology， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410073， China）

Abstract： At present， the application of UAV has involved civil and military fields. So it is necessary to carry out practical teaching in combination with the application of UAV in undergraduate teaching activities. At present， UAVs application is an important teaching direction of major in UAV in many colleges and universities. How to promote students to transform their theoretical knowledge into practical application is an urgent problem to consider. Combined with the typical application problems of UAV system， this paper introduces the Think-Pair- Share teaching mode in the UAV practical teaching cases， summarizes the organization process of this teaching mode， and analyzes the matters needing attention in the organization process. Through the course practice， the undergraduate students participation in the course， learning enthusiasm and other effects have been improved， and the purpose of UAV practice teaching has been achieved.

Key words： teaching of UAVs practice; Think-pair-share teaching mode