初中FPV穿越机校本课程教学实践研究

黄海

【摘要】  FPV穿越机集光、电、机械、材料、信息技术等于一体的高新装备，是学校开展STEM教育的重要载体，在青少年中开设FPV穿越机课程，可以激发学生学习兴趣，提高综合运用跨学科知识解决问题的能力，对于培养航空航天科技人才有重要意义。

【关键词】  初中 FPV 校本课程

【中图分类号】  G632.4            【文献标识码】  A     【文章编号】  1992-7711（2020）15-068-02

一、FPV穿越机介绍

1.穿越机的特点

穿越机，属于四轴飞行器，是多旋翼的一种，常常和FPV（First Person View）联系在一起。穿越机属于高竞速、续航时间短的小型无人机。它们的最高时速可达260KM/H，比家用小轿车还快得多。

穿越机虽然体积小，一般只有巴掌大小，但五脏俱全。一般由轴距较小的机架，动力系统由4个电调、电机、螺旋桨构成，电源系统主要由电池构成，飞行系统由微处理器组成，图像传输系统由摄像头、图传接收器和发射器、显示器或者FPV视频眼镜组成，手动控制设备由遥控器和接收机组成。

穿越机由于体积小，所以速度快，而且有更高的灵活性和更低的惯性，可以轻松穿越一些障碍物，带来速度与激情的视觉体验。目前国内外有很多竞赛，这项比赛的魅力是，无论是参赛者还是观众都能以第一视角体验整场赛事，体会到在赛道上急速穿梭的速度感，更会有灵魂出窍的感觉。穿越机竞速比赛由于更炫酷更好玩，已经进入了奥运会的表演项目。

2.穿越机与一般无人机的区别

无人机在生产中的应用主要以航拍、监测以及物流配送为主，所以必须具有比较大的负载能力，由于飞行时间较长，所以续航能力也要有保障。因而电机位于机身上方，目的是使桨叶保持在机身上方，增加升力和提高电源效率。整个机器的重心位于机器的下方。

对于竞速用的穿越机，由于高速飞行中时常要进行变速和转弯，机身经常有大角度的倾斜，所以对于机器的稳定性要求非常高，所以穿越机的重心与4个电机处于同一水平面，减少在高速旋转和变速运动中重心的大幅度变化，从而失去平衡。形象比喻的话，一般无人机 就象四个电机和桨叶吊着重物飞行的直升机，而穿越机象是轻巧灵活的战斗机。

一般的无人机就是一台自动化的机器人，在定位模式的工作条件下，由于有GPS和视觉传感器感知位置，就算不进行操作，也能在空中稳定悬停。但是穿越机在快速的爬升和俯冲运动中，如果仍然使用微处理器进行定高，将会影响响应速度，因此全部依赖飞控手的技术。

二、开展FPV穿越机校本课程的意义

1.作为STEM教育的重要载体

穿越机集空气动力学、电子技术、机械学、通讯、材料学和信息技术等多学科技术于一体，综合性很强。在校本课程中，我们可以进行编程教育，通过编程控制穿越机的起飞模式、飞行轨迹、录像、录音等多种任务。另外，通过穿越机的安装和调试课程，我们可以学习穿越机的结构和飞行原理，学习各种工具和仪器、仪表的使用，提高学生动手能力。

2.开展国防教育

穿越机属于高竞速无人机，而无人机作为现代战争中具有越来越重要的作用。在学习过程中，将国防知识潜移默化地传授给学生，让国防教育真正走进课堂，走进每一名学生心中，树立牢固的国防观念。

三、目前存在问题

1.忽略飞行原理学习，只重视飞行体验

传统的无人机的学习大多数停留在飞行控制和简单的组装上，从知识的获取来看，失去了应有的意义。由于无人机大多数编程等知识，又不是大多数初中生甚至高中生能掌握的，所以编程学习也变成了空谈。从学生的最近发展区考虑，挖掘穿越机所包含的跨学科知识，特别是飞行原理的学习，才不至于本末倒置。

2.轻视飞行控制的现实意义

很多人从传统统的无人机的观点去看穿越机，觉得操控只是简单的技能，只是娱乐体验，浪费时间。从穿越机和无人机的区别，我们可以看出，无人机的操控都由电脑控制，而穿越机竞速全是由飞控手的技术决定的，反应在毫秒级，是激烈而精彩的体育竞技。

四、FPV穿越机校本课程思路

学生以自主探究、分组学习的形式，学习掌握飞行的知识、原理，以循序渐进的方式体验飞行、学习操控技术。通过多种飞行器和穿越机的设计制作、组装和维护，综合运用跨学科知识解决真实问题，培养实践创新能力。在学习中培养学生的国防观念，激发学生热爱祖国航空航天事业的热情。

五、FPV穿越机课程目标

1.总体目标

我校FPV校本课程团队通过分析调研，制订了如下的教学目标：（1）培养学生对航天航空技术的兴趣和爱好;（2）培养学生运用技术解决问题的能力;（3）在实践中培养创新精神。

2.具体目标

（1）知识技能目标：培养学生模型制作的基础知识、实际操作能力，提高学生识图、制作能力;培养学生在运用学过的知识和技术原理、结构原理的基础上进行重新组合、大胆创新的能力。

（2）方法情感目标：采取自主学习与小组合作探究相结合的活动方式，培养学生合作创新意识;培養学生的观察力、思考力、动手操作能力，培养技术素养和科学素养。

六、课程内容与实施

我校采用每周三下午全校校本课程时间进行教学，时间是两节课，由学生自选课程。教学计划如下表：

七、教学与训练手段实践研究

1.加强原理学习

学生通过从空气动力学，力学，机械学，运动学等角度理解飞行器的原理后，在操控上会有更深刻的认识和更自觉的调控、提升，必须重点学习。根据中学生的知识基础，我们主要从以下内容进行：

根据我们的实践表明，如果忽视这部份内容，那么学生将失去学习理论知识和激发学习兴趣的极好机会，这样的学习就有可能仅仅停留在好玩的层面了。如果我们能够结合学生的学科知识，以最近发展区为目标，就有可能让学生在跨学科的学习中获得知识，同时培养自主学习和探究能力。例如，以穿越机悬念、上升、下降和油门的关系为例，我们先向学生讲授、复习力改变物体运动状态、二力平衡的知识，让学生分组讨论，然后每小组展示受力分析情况，由学生得出结论：无论在何处悬停，升力大小一定等于重力，从而得出油门变化的规律。学生在理论上理解后，在实践中会自觉进行调整，学习效率大大提高。

根据莱夫的情境认知学习理论，我们在实践中把穿越机的原理学习结合组装、调试、维护和维修进行，这样学生兴趣更大，学习效率更高。例如，穿越机最容易出故障的是桨叶和电机，在学生学习更换桨叶和电机时，我让学生结合空气动力学的知识，讨论正反的桨叶为什么要对角一致，无刷电机和有刷電机的结构和区别。

2.分组进行模拟器课程有利于提高学习效率

运用模拟器先行训练是所有航模学习的重要内容，也是外场飞行之前的必修课程。使用模拟器有两个作用：一是避免摔坏飞行器，因为航模器材通常比较轻巧，不耐碰撞，并且贵重，以模拟器进行学习，提高技术水平，确保飞行实践成功率提高。二是提高学习效率。根据我们的实践，分组轮流效果比单人单机更好。教师可以巡视、点拨、同学展示、分享学习心得，学习气氛浓烈。

3.飞行实践课程要循序渐进

飞行课程要循序渐进，注意人机安全。在实践中，很多学生即使模拟器课程学得不错，但实操时仍然对操纵欠缺感觉，油门和方向舵分不清，心理紧张，手忙脚乱，造成机器摔坏，针对这种情况，我们采取以下办法：

（1）首先以普通无人机进行训练，在规定区域内练习起降、对尾、侧悬、对头、自旋等动作。我们选取大约2平方米的操作台面，以2人为一组，轮流进行。学生在桌面上学习起降等动作，高度在桌面以上1米左右，范围不能走过桌面边界。这样的小范围练习，保证了学生动作的精准，也避免了机器摔坏。而且，集体训练时，场面有序，方便教师指导和管理，也方面同学之间观摩学习，互相促进。

（2）使用穿越机实践。带上视频眼镜后，很多学生对高度和方位失去判断，我们采用两个一组，学员佩戴视频眼镜，助手先手拿飞机在前方不同方位转动，让学生学会找参照物，判断高度和方向。在掌握后开始真正的飞行，教师仍然要反复提醒学生通过参照物判断自己的方位。

4.学习必备的维护技能

在学习飞行过程中，由于穿越机高速飞行，以极大的加速度进行各种变速运动，所以各种机件最容易出现故障，作为教师和学生必须学会维修简易的故障，学会进行调试，一方面可以加深理解机器的工作原理，另一方面，在外场训练和竞赛时，可以紧急进行处理，避免训练竞赛受影响。学会排查和检修是航模课程必不可少的内容。

八、教学成效

根据一年的实践，我校的穿越机航模队在理论学习、安装调试和飞行实践中进步很快，学校成立了穿越机表演队，在校内和校外的各种大型活动中进行航模表演，受到热烈欢迎。在各类型比赛中也取得了优异成绩。

九、结语

在初中校本课程中，开设FPV穿越机航模课程，学习空气动力学、力学、机械学、电子技术、信息技术等跨学科知识，实施跨学科教学，是培养创新人才的有效途径。

[ 参  考  文  献 ]

[1] 张飞，张佳，胡敏.基于无人机创客空间的课程体系研究.以江苏省徐州技师学院为例[J].科技风，2019年第12期.