基于项目导向构建高职“飞行控制系统”课程

刘永福 黄建民

摘要：无人机应用技术是高职新兴的一门专业，该专业课程体系大多数基于地域职业需求构建课程体系及课程内容。因高职和本科教育理念的巨大差异，高职大部分无人机课程不能直接从本科院校移植，同时因为地域经济差异也导致高职院校间课程内容存在较大差异。“飞行控制系统”课程在广东省高职院校中只有本校开设，并且服务于珠三角地区无人机制造业，因此课程内容需全新构建。本文依据珠三角地区无人机产业人才需求，基于项目导向全新构建了无人机应用技术专业的“飞行控制系统”课程。

关键词：无人机应用技术；飞行控制系统；项目导向；课程构建

一、概述

无人机是最近几年全球的新兴产业，其军民两用性关系到国家军事安全和人民生计。由于无人机具有成本低、作业风险低、作业隐蔽、运行效率高、运输方便等特征，特别是在复杂危险的空中环境作业更具备独特优势，其在航拍摄影、农林业监测、工业监测、抢险救灾、军警侦查以及航空测绘等领域得到广泛应用。随着无人机应用技术快速发展，国内高职院校纷纷开设了无人机应用技术专业［1］。无人机技术是一项新兴的科技技术［2］，高职无人机应用技术课程资料非常缺乏，由于时间紧迫，大部分高职院校临时采用本科课程内容和企业培训资料开展教学。“飞行控制系统”作为一门无人机应用技术专业的核心课程，也是没有现成的课程资源，因此，构建适合高职师生职业培养目标的课程体系十分紧迫。

二、课程现状和存在的问题

高职教育以实践操作为主，理论适度够用即可。因此在构建课程体系之前，课题组应该通过走访周边地区无人机企业，了解企业的岗位需求［3］，把企业岗位工作和可学习内容作为课程改革的重要切入点，引导教学方式和课程内涵的改革。高职无人机应用技术专业的教改虽然已经推进一段时间，《飞行控制系统》逐渐出现了一些教材，但以培养相应岗位的职业能力为目标组织教学内容的教材很少，且在实际教学中还存在着不少问题。

（1）教材中部分理论知识脱胎于本科教材，比较艰深晦涩。实训内容基于本科的实验内容，需要有比较强的理论基础才能理解实训过程中的机理，在理论基础上超出学生的理解范畴，在实训过程中指导教师难以顺利推行，导致实训环节不但不利学生对“飞行控制系统”的学习和理解，还浪费了时间。

（2）传统的教学是以教师为中心，通过知识分解、原理讲解和演示示范，学生被动接受知识，在本科知识体系下高职学生很容易产生厌学情绪，在实训实验过程中，也是按照实訓指导书按部就班地完成实训内容，不能激发学生的学习兴趣，也不可能达到高职职业素养的培养目标。

（3）课程考核方式大部分继承了传统的试卷考试，学生需要背课程公式和专业术语，在此背景下形成了学生在课堂上无心学习，期末考试临阵磨枪的不好学风。

因此，基于项目导向全新构建适合高职院校师生的“飞行控制系统”课程势在必行。

三、课程改革思路和课程构建

基于现有的“飞行控制系统”课程内容多来自本科航空航天院校知识体系，且实验项目多围绕课程理论体系展开，明显不适于高职。因此，课程改革由原来理论为核心转变为适合高职学生的以操作技术岗位为核心，部分原理够用即可。在实训内容上由传统的零散实验改为以一个综合项目来支撑整门课程。在综合项目下，根据岗位技能和职业素养需求进行子模块分割。在过程管理中，由教师讲为主改为学生做为主；在实训中由教师对实训项目攻坚克难为主改为学生攻坚克难为主，教师加以引导和辅助，并允许学生用手机和电脑查资料，允许自由讨论和自由测试，课堂组织形式自由开放；教师主要任务由上课讲授理论改为课堂项目管理和纪律管理为主；在考核上坚持过程考核，由原来平时作业+期末考试，改为在各子模块下的项目实践能力考核和团队合作精神考核，并结合完成综合项目的速度和质量进行考核。

（一）综合项目的确定

为达到培养出满足企业岗位需求的发展型、复合型和创新型技术技能人才的目标，课题组在珠三角地区对无人机主要企业开展调研，调研企业包括深圳大疆创新、南方数据科学研究院等。通过调研明确了“飞行控制系统”课程在职业岗位上的技能需求和素质要求，并确立了“飞行控制系统”以培养学生掌握无人机飞控二次开发和无人机系统集成为主要技能目标，以“智能飞行系统制作”作为综合项目，并根据岗位具体细分领域对技能和素质要求对综合项目进行子模块划分和实训项目划分。本着以市场人才需求为引导，以综合实训项目为支撑，开展“飞行控制系统”课程的改革。

（二）综合项目子模块划分

根据市场人才需求，课题组在确定综合实训项目后对课程进行要素分析，课程由智能要素、飞行要素、系统集成要素组成，并由要素进行子模块构建。

智能要素由各种传感器技术支撑，使得无人机具备对高度、三维空间坐标、周边障碍物、飞行姿态、飞行速度、飞行加速度、飞行角度及角加速度的感知能力；同时需要基于机器视觉对目标进行识别和跟踪，学生需要完成各种传感器的应用学习。飞行要素由无人机本体支撑，包括无人机的动力系统设计和搭建、无人机机架设计和搭建等；根据飞机续航时间和无人机尺寸要求，学生需要完成对动力系统的电池、分电板、电调、电机和螺旋桨的适配计算和选型。系统集成要素需要以飞控为核心，接入各种传感器、地面站和遥控器，使之具备自动飞行的条件；在系统集成过程中，学生需要了解各种飞控外设的通信协议，对飞控固件进行二次编程编译，完成飞控外设的数据采集，并对采集到的数据进行分析，最终完成无人机的对外感知和自主飞行。

考量本专业前置课程有“无人机概论”“C语言程序设计”“无人机模拟飞行”“传感器技术”“无人机组装与调试”和“嵌入式系统”等课程；在上述课程知识能力体系下，课题组评估认为学生在专任教师的引导下，能够设计与制作一个智能的无人机飞行系统。实训资料采用的是公开的开源平台（例如全球主流的APM飞控、PIX4飞控、国内主流的Acfly飞控和圆点博士飞控），因此，实训资料丰富有利于学生自行上网查询资料，使学生具备自主学习、自主解决问题的基础条件。

根据岗位需求和要素分解，具体子模块如表1所示。

（1）为了增强学生对无人机飞行控制系统的全面认知，子模块1设为：无人机飞控系统概述，给学生展示无人机系统种类，引导学生讨论和讲述无人机各部件逻辑关系、飞行原理、状态分析、数据链路编码等基础知识，教师讲述本课程的综合实训项目大概内容。实训项目有无人机通信编码波形观察。

（2）在对无人机飞控系统有充分认知的基础上，子模块2设为无人机定位导航设备。在该模块中，学生对无人机的定位知识和设备进行学习和操作实践，知识内容包括光流定位模块的使用、GNSS系统分类、北斗卫星系统发展简史（思政元素）、定高设备分类及其特性（气压定高、激光定高、超声波定高）、RTK高精度定位、导航系统的使用方法等。实训项目包括光流定位模块测试（精度测试、干扰测试）、GPS模块测试（精度测试、干扰测试）、北斗模块测试（精度测试、干扰测试）、RTK高精度定位测试、气压计定高模块测试、激光定高模块测试、超声波定高模块测试、导航系统应用。通过本模块学习，学生能为无人机提供多种定位定高的技术手段，并具备排查干扰能力。

（3）在对定位系统有充分认知后，子模块3设为地面站及任务载荷。在该模块中学生通过网络视频和书本自主学习数传、图传、云台、摄像头、遥控器和地面站等基础知识。实训项目包括数传模块的应用测试和干扰测试、图传应用测试和干扰测试、云台测试、摄像头连接测试、遥控器配置测试、地面站应用。通过本模块学习，学生能熟练使用地面站和机载设备的安装调试，并具备排查干扰能力。

（4）为了提升无人机的感知能力，子模块4设为传感器应用。在该模块中学生自主学习光敏传感器、热敏传感器、温湿度传感器、雨水传感器、IMU模块的基础知识。实训项目包括光敏传感器测试、热敏传感器测试、温湿度传感器测试、雨水传感器测试、IMU姿态模块测试。通过上述实训项目的学习和操作实践，学生基本可以给无人机多种感知能力进行赋能。

（5）为了测试和整合前面所学的子模块内容，我们需要一台合适的无人机作为资源整合平台和验证平台。因此，子模块5设为装机及程控飞行。在该子模块中学生需要组装一套无人机，对飞控的固件程序进行学习；掌握如何更新固件、烧录固件和程控飞行测试，懂得如何调用API函数、如何设置程序源码的参数。实训内容包括无人机测试平台组装（整合前面所学的传感器模块和定位定高模块）、飞控固件更新、飞控固件烧录、飞控参数调试、调整和编译飞控固件、程控航线测试。通过该模块的学习，学生完全掌握如何整合传感器到飞机上，并且让飞机按照学生自己编写的程序进行固定航线飞行，为全智能飞行打下良好基础。

（6）在子模块5中，程控飞行虽然能根据学生预设的航线轨迹进行自动飞行，但是缺乏智能识别跟踪能力，还算不上智能飞行系统。因此，模块6设为视觉识别和智能飞行，为无人机增加一双眼睛。要系统学习视觉识别的理论知识，对高职学生是不现实的。课题组对该问题进行了调查，发现对于无人机系统集成企业或者应用型企业的技术岗位，只需员工能让无人机具备识别跟踪功能就行，而对应市场上也有很多视觉模块提供完整的功能API接口，要完成某个图像识别功能只需要掌握如何调用其API函数即可。因此，课题组采用的是市面上比较流行通用的视觉识别模块，以降低学生的学习难度。教学上课题组使用了OpenMV模块，教师引导学生完成图像识别的基础知识（包括直方图、颜色系统、图像二值化等）。实训内容包括形状识别、颜色识别、目标标定、二维码识别。完成基本的图像识别模块学习后，引导学生根据视觉模块标定的目标，引导无人机飞控系统完成对特定目标跟踪飞行。通过该模块学习，学生完全掌握无人机的智能跟踪飞行，综合项目也到此结束。课程改革后项目实践情况如下图所示。

（三）过程考核

考虑到“飞行控制系统”课程的独特改革，其评价和考核过程也和传统的不一样。传统考核经常用期末考试作为课程的重要考量。而本门课程则以过程评价考核为重心，取消期末纸质考试。基础知识学习、实践项目操作和过程考核都以分组形式开展，其中过程考核内容为课堂纪律、子模块中各实训项目完成情况、团队合作精神和整系统完成质量，过程考核具体内容和占比情况见表2。

结语

通过综合项目的分解和实施，学生对知识的检索能力、实践操作技能都得到充分应用及锻炼，相对之前零散和模糊的知识也得到整合和验证并形成体系，知识的系统性得到增强。通过课堂师生之间主次的变化，显著提高了学生解决问题的能力和团队合作精神。因为每个实训项目都具有良好的实践性和可视性，所以学生学习积极性得到显著提高。综合实训项目并非每一组学生都可以顺利完成，真实项目遇到的问题多种多样，突发问题也多，这些困难因素和企业工作岗位所遇到的困难很好地保持了一致性，因此通过这样的课程改革也起到提升学生承压能力的目的。

当然，改革也带入一些新问题，原来以教师为中心、以理论为主的形式，一个教师可以轻松解决课堂上的问题。改革后，各组学生能力参差不齐、实训设备故障、各组實训项目进度不一、项目测试场地要求增多等原因，导致课程中经常会集中出现各种问题，给教师有效组织课程改革增加了难度。因此，课题组提出改进措施：（1）改革后课程需要更多的师资力量的投入，使得课堂上学生面临的技术难题得到及时的引导，促使实训项目有效推进；（2）由于设备和耗材使用频次增加，设备维护工作量和耗材损耗量也增加，因此在实训设备和耗材经费的投入也要提前做好预算，确保实训所需软硬件得到保障；（3）每个项目都要相应地设计制作环境和测试环境，不少原有环境不能满足需求，因此，实训环境如何进行优化也需要提前考虑。

参考文献：

［1］马晓玉.高职《无人机结构与系统》课程教学改革探索［J］.产业与科技论坛，2021，20（14）：132133.

［2］王文滔.基于企业需求的无人机课程改革研究与实践——以测绘专业为例［J］.居业，2020（06）：179180.

［3］余林江，高岩.“岗课赛证”融通背景下课程改革思考——以《无人机操控技术》为例［J］.创新教学，2022（19）：124126.

资助项目：2021年广东开放大学（广东理工职业学院）教学建设与改革项目（项目编号：2021A002）；2019年广东理工职业学院教学质量与教学改革工程项目（项目序号：21）

作者简介：刘永福（1981—），男，广东肇庆人，硕士研究生，研究方向：通信技术、无人机应用技术。