高校无人机航拍虚拟仿真实践教学路径探索

周 菁 张学波 林秀瑜 蓝辉强

伴随着大疆创新等一批无人机企业在无人机研发上的技术创新，让无人机航拍逐渐取代直升机、热气球等超大型空中拍摄设备而被广泛应用于影视素材拍摄中。不论是影视剧和电视广告创作，还是新闻视频及电视直播等领域，无人机航拍都得到了广泛的。“无人机航拍课程”的教学目标也逐步实现了传媒专业学生的摄影、摄像技能培养向航拍导演综合技能的目标转变。

和地面摄像机的操控相比，航拍作为“无人机飞行和空中云台拍摄”两项技能项的叠加，其技术的特殊性、应用的专有性、操控的安全性给无人机航拍师提出了更为专业的操作要求和职业素养能力诉求，围绕学生的技能培训、理论提升、规程意识和安全素养的综合职业能力为目标展开航拍教学就显得特别重要。加上无人机教学实践条件受限较大，突破传统教学模式和教学方法的束缚，引入线上教学就显得尤为必要。

一、问题的提出：航拍课程要以飞行技能训练为基础

在专业的影视拍摄的作业现场，为了保证素材拍摄的流畅度、画面构图的审美需要、一次起降的飞行效率以及在各种环境条件下的安全飞行，航拍通常是由飞手和云台手两人共同完成的。飞手负责无人机的飞行安全、航线设计；而云台手则要专注于无人机搭载的摄像机云台运动，以实现画面构造，也就是常说的云台相机的运镜和拍摄。云台手必须不断和飞手配合无人机摇杆的速度和方向以调整画面形态。

正因为云台手的工作可以看作是摄像师的空中作业，所以航拍的基础训练内容是在安全前提下的飞行操控训练，其必要性主要体现在以下三个方面：

（一）航拍训练的规程性

航拍无人机这种全新的摄录设备在带给创作者新的摄制角度的同时，也存在着各种潜在突发情况和飞行风险。为了预防飞行事故的发生，飞手和云台手都必须经过严格的规程训练。中国民用航空局出台的民用无人机驾驶员管理规定中指出，无人机系统驾驶员就是“对无人机的运行负有必不可少的职责，并在飞行期间适时操纵无人机的人”。［1］

航拍训练规程内容除了最基本的无人机起降、飞行训练之外，还包括无人机飞行原理及性能、电池保养、图传通信及监看设备、航空气象基础和相关法律法规等，上述任何一个环节没有做到位，都会影响航拍过程中的飞行安全和拍摄结果。

其次，无人机轻便，能轻易打破地空限制采集视频素材，但它移动的灵活性也特别容易侵犯各种隐私和物权等，无人机航拍师必须经过职业化、规程化训练，增强职业素养，避免违规。

（二）航拍训练的复杂性

无人机航拍训练需要分解成飞行、拍摄两大技能和“航”“拍”与“航拍”三个阶段。一方面因为云台手上的拍摄设备和飞手一致，都是遥控器。云台手必须熟练操纵遥控器的摇杆和各种按钮，才能专注在画面的构造和运镜上。尤其是追拍汽车等快速运动的目标时，如果云台手对摇杆不熟练，云台相机操控不到位，即便飞手按航线和速度完成作业，画面也极有可能会丢失拍摄目标。

另一方面，无人机偶尔还会遇到图传信号丢失、云台手的画面会随之花屏的情况，这时候云台手就要及时提醒飞手飞行的距离和高度，调整信号接收的角度，或者提示返航操作才能避免安全事故发生。

云台手除了在空中要进行运镜、实现画面构造之外，还要及时调整画面的曝光值、快门速度、帧率等拍摄参数。目前无人机单块电池的续航能力普遍偏低，如果云台手的云台操作不熟练，又要花大量时间在调整参数上，就会直接影响拍摄效率。

（三）航拍训练的特殊性

飞行是拍摄的基础，而安全是飞行的保障。拍摄有效的素材虽然是摄像课程开设航拍模块的主要目的，但安全飞行是无人机航拍训练的首要内容，这是航拍训练特殊性所决定的。对于初学者来说，循环往复地多次重复飞行训练是保证安全飞行的最保险、最基础的方法以及训练内容。

如果飞行的基础不过硬，云台手甚至无法和飞手沟通最佳的航线、最好的拍摄角度、拍摄光线以及合理的构图。

基于对航拍课程教学的安全性、规程性和特殊性的考虑，建构以飞行技能训练为基础、开发并应用虚拟仿真软件，实现线上线下混合式实践教学设计就显得尤为必要了。

二、路径探索：基于ASFC的虚拟仿真实践教学设计

已有近60年历史的中国航空运动协会(简称ASFC,Aero Sports Federation of China)是代表中国参加国际航空运动联合会及相应活动的唯一合法组织，其飞行训练体系是一个由易到难难的梯级训练系统，且涵盖多旋翼、固定翼、直升机和穿越机等多种机型培训和考核的内容和技术等级标准，对于规范初学者的操作以及训练评价有特别明确的指引，如果将其作为影视航拍训练和考核内容的参照系，是一种全新的实践教学路径。

华南师范大学教育信息技术学院承担建设的国家级精品资源共享课《电视教材编导与制作》自2017年开设航拍模块以来，航拍教学团队就开始进行广泛调研和深入的教学教研探讨，聘请校外专家和ASFC教练对学生进行多旋翼航模飞机的飞行培训和操作技能考核。

2018年，团队开设的《无人机拼装及飞行实践》《无人机飞行及航拍》等两门课程获批校级非正式课程，开始了校内团队主讲“结构拼装、理论提升、基础技能”，ASFC教练团队训练“高级技能、岗位能力”的教学模式探索，着力探讨从技能培训和理论提升两个方向设计面向影视从业者的无人机航拍教学内容和实施过程。

2019年，对接各类国际、国内无人机培训方法和执业标准，打通影视课程的摄影、制作等模块，提出从提高学生核心素养出发、基于ASFC训练梯级考核模式的《无人机云台手虚拟仿真实验项目》立项，自主研发了为学生提供真实VR环境沉浸式航拍训练的虚拟仿真软件，探索“能实不虚 虚实结合”的线上线下混合式实践教学路径。

2020年，《无人机云台手虚拟仿真实验项目》完成了自主研发的训练软件的手机端（含Android和IOS）和PC端口三个运行平台的技术测试，并投入使用，探讨从课程设计、教法实施到训练环境等各方面开展教学改革的新思路，由此获批国家级一流首批虚拟仿真实验项目。

（一）引入航模运动训练体系，重构教学内容

由于实践条件有限，多数学生的飞行启蒙训练是在模拟训练系统里完成的。但当学生具备了一定的摇杆操作要领和手感以后，还必须进一步提升飞行技能才能进入专业航拍学习。航模运动涉及设计、制作、飞行、调修全过程，航拍课程一旦引入航模训练体系，对“基础技能训练+知识理论导入+岗位能力提升”的教学目标的达成具有重要的促进作用。因为“航模运动作为一项竞技的运动,却不仅仅只是竞技这么简单。航模的设计、制作,都离不开创新”［2］。

“在无人机的发展历程中,固定翼飞机和模型直升机一直是无人机应用的主力,直到2009年,技术人员通过组装四轴机架、无刷电机和桨,利用无线电遥控器的混控程序实现四旋翼无人机的操控。多旋翼无人机因其操控性能优良、起降方便,自主巡航、定点悬浮等功能优点迅速成为航拍和航模运动领域的新星”［3］。ASFC于2018年12月发布的《遥控航空模型飞行员技术等级标准实施办法》附件中详细公布了《遥控航空模型飞行员技术等级标准》,其中对于遥控多旋翼飞行器（代码：X类）有着特别明确的训练内容和技能指标（详见表1）。系尚未建立是航拍课程开课的最大挑战之一，运用虚拟仿真软件可以避开上述障碍，使学生在有限的课程时长里迅

表1 《遥控航空模型飞行员技术等级标准》X类技能指标与高校航拍训练内容对照表

从其技能指标不难看出，模型飞行员在飞行时都要求在关闭GPS、超声波装置、摒弃预先设置等程序等前提下全手动完成，这就使得学生不得不反复高强度练习才能获得扎实的技术和手感。同时，初级和中级的训练动作基本都是航拍飞行时最能体现无人机航拍美感的动作，如绕点飞行、各方向匀速位移、四位悬停等。对照此标准设计航拍飞行训练内容，对规范和矫正学生的动作、提升学生的安全意识、方位感以及培养学生对于遥控器摇杆的手感都很有帮助。

（二）开发虚拟仿真软件，改革教学手段

无人机航拍飞行实践的场地有限、课堂内安全保障体速提高学生遥控器的手感练习效率。

市场上已经有多个针对飞行训练的软件，但都没有针对云台手的训练内容进行训练模拟。华南师范大学国家级一流实验课程团队针对航拍的特殊化训练内容，基于AR增强现实技术自主研发了具有知识产权的云台手虚拟仿真训练软件。这个软件涵盖了“基本航拍操控”“云台手能力提升”“场景适应练习”和“AR飞手操作训练”四大技能板块、无人机配件拼装等8个重要实验内容、航拍前、中、后三个阶段的11个单项能力训练步骤，保证学生从线上虚拟训练到线下真实场景实操的一贯性。

尤其是在训练场景的设计方面，训练软件抛弃了市面上仿真软件使用3D模拟场景的惯用做法，构建了实景VR训练场景，使得学生虽是在模拟训练，但是操作界面、云台运镜以及画面构造的要求和真机实践并无二致，可以促使学生尽快适应真机飞行。

（三）实施“能实不虚 虚实结合”的教学评价，探索混合式教学模式

目标评价模式的倡导者、美国著名的课程论专家、“课程评价之父”拉尔夫·泰勒(Ralph Tyler)认为：“课程评价在实质上是一个确定课程与教学实际达到教育目标的程度的过程。”［5］无人机“按照不同的操作距离，操作人员分为视距内驾驶员、超视距驾驶员、教员三个等级。它主要靠地面操作人员通过遥控器或者地面控制站操控无人机进行飞行，并根据机型和任务的不同选择不同的操作方式。”［4］这也意味着无人机航拍是一项精细而高难度的工作，课程评价也要依照操作的流程和难易分为模拟飞行、真机飞行和空中拍摄三个阶段和等级，循序渐进。

为了尽快帮助初学者找到飞行手感、合适的飞行作业姿态，熟悉飞行前安全检查和安全降落要领，模拟飞行的学习阶段必不可少。这一阶段的评价主要是对摇杆操控和拍摄参数调节的熟悉程度，通过线上学习软件的反复练习，可以加深肌肉记忆。

而在真机飞行学习阶段，评价的范围和内容则参照ASFC的理论和初、中级技能评价要求，对学生的航空常识、机械结构常识、安全飞行要领以及法律法规等进行笔试的同时，规定学生在50米*50米的户外进行450mm轴距多旋翼无人机教学飞行和操作考核。学生需从飞行前对无人机和环境的检查、安装电池和插电、安全起飞到完成定点四面悬停动作和安全降落，老师和教练从其操作过程的熟练度、正确度、动作完成度和安全意识考查学生学生对于无人机操作规程性和安全性的认识、良好的方位感以及快速反应能力。

航拍课程评价的第三个阶段是云台手的空中拍摄考核阶段，这一阶段评价范围和内容从飞行技能转入拍摄技能，考查学生学生对于云台手职业能力的掌握和应用。虚拟仿真软件中设计了静态照片拍摄以及动态视频录制的按钮，学生必须按要求进行“航线飞行”“绕点”“自由创作”等操作，并按通道回传作品，才视为训练完成。

三、以航拍导演为培养目标的实践教学反思

“航拍导演是在天上创造影像艺术，追求和体现自身的人生价值”［6］的人。这就意味着航拍飞手和云台手的培养不能仅限于技能操作，还需要有意识地将之培养成为影视专业级的“航拍导演”。老师需要有意识地引导学生飞行前重视分镜脚本的研讨和设计工作，做好完整的脚本构思、分镜创意以及合理的航线规划，树立空中影像造型的概念。

空中影像造型受到飞行场地、环境、天气、光线、信号障碍物、无人机搭载的摄像机及稳定器、镜头的选择等各种因素的影响，设计飞行平台以及飞手的路线、高度、飞行距离、飞行时间、电池续航能力等，计划云台手的运镜、景别、构图以及画幅、曝光、快门速度、帧率都是无人机航拍导演必备技能。

教学实践证明，不管是虚拟仿真软件航拍学习阶段，还是利用大疆精灵Phantom4Pro、大疆御Mavica2Pro、大疆悟Inspire2等小中型真机飞行平台的航拍学习阶段，学生觉得每个阶段的学习目标清晰，学习积极性普遍较高。尤其是在无人机航拍普遍运用于各类影视作品创作的当下，大家对于无人机航拍的学习认知和重视程度都让课程教学看到了可行性和紧迫性。

目前，DIY拼装的穿越机搭载轻型摄影机组合而成的新兴航拍方式，由于其灵活、速度快、沉浸体验感强、可以实现“空中翻滚”“破水平”“自由落体”等独特角度的自由拍摄等特点，给多旋翼无人机、固定翼无人机航拍美学语言进行了补充。随着穿越机可承受的重量不断加大，可搭载的摄影机级别和清晰度也越来越高，无人机航拍教学还有许多的探索空间，课程培养要不断吸收新鲜的航拍视觉表达方式，不断对学生的技术水平和职业能力提出更高的培养要求，大胆创新，才能适应不断变化的影视创意创作的需求。