基于“MOOC+虚拟仿真”教学模式的无人机课程教学改革探析

2024-05-19叶华李建奇彭琛王丽娟齐庭庭谭明涛

电脑知识与技术 2024年7期

叶华李建奇彭琛王丽娟齐庭庭谭明涛

摘要：传统工科课程教学模式存在的问题：新工科电气信息类应用型创新人才培养的成效低、实践创新教育的实效性差和不能满足学生主观性和个性化发展需求。根据无人机课程教学改革目的和内容，开展基于“MOOC+虚拟仿真”教学模式的无人机课程教学改革探析，创建创新人才培养通用路径；灵活采用“翻转式”“启发式”“案例式”“讨论式”等教学组织形态，改善实践创新教育实效性；深化学习交互设计研究，激发学生深度学习，培养学生创新思维和应用实践综合能力，保障学生个性化发展需求。本课程改革成果已作为网上MOOC资源和网上虚拟仿真实验资源，供全国本科、专科和职业技术院校相关专业学生以及行业企业无人机技术相关人才学习，社会效益显著。

关键词：教学模式；教学组织形态；学习交互设计；智能实训；深度学习

中图分类号：G642; G43 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）07-0165-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

近年来，国内外无人机相关技术飞速发展，无人机系统种类繁多、用途广特点鲜明。无人机飞行控制技术课程教学建设也相应取得不少积极成果。但是，其大多数研究仍然以优化传统教学模式与流程的教学内容为主，辅以教学手段和考核评估方式的改进，没有根本改善新工科电气信息类应用型创新人才培养建设成效、实践创新教育实效性和学生主观性和个性化发展需求。

现有的应用型人才培养教学改革包括无人机技术教学，其改革方案比较主流的是改进课程大纲设计、提升教师能力、改进教学资源等多方面融合，以提升应用型人才培养包括无人机技术的教学质量[1-3]。其中，有采用启发式教学法进行无人机技术的课堂教学，即将课程内容归纳提炼，提出问题启发学生思考[4-5]。有案例式教学法，以生活中的无人机相关技术应用案例贯穿到教学[6-7]。有信息化教学法，即使用多媒体教学，通过播放无人机技术相关理论与相关动画、视频，提高互动，激发学生的学习兴趣[8-10]。

目前的应用型人才培养教学改革仍然存在以下问题。

第一，新工科电气信息类应用型创新人才培养建设缺乏通用路径。通过网络教学资源共享所传授的知识及占用的课时并不被高校承认，学生通过网络上课也并不能获得相应的学分，高校之间的学分互认政策对互联网授课的认可度欠缺。

第二，实践创新教育实效性不够。信息技术与专业课教学要素并没有真正有机结合起来，线上线下教学没有实现一体化运行，以教材、课堂、教师为中心的教学方法没有根本性改变，教学目标还是过于注重知识传授，相对忽视了对学生在线上的学习过程。

第三，学生主观性和个性化发展需求没有得到重视，教学目标单一化。传统的教学方法对于教学目标重点在于固化学生的学习任务要求，学生创新能力培养会受到规范化教学的约束[11-14]。

数字技术的发展对高等教育教学质量提出了更高的要求，传统教学模式无法满足大学生成长、社会发展的现实需要。目前国家正加快推进虚拟仿真教学的创新[15-16]，虚拟仿真实验需要打破原来单纯的实验格式，以课程的形式参与到教学组织中去[17-19]。

为推进数字技术与高等教育的深度融合，以实现创新人才培养模式，需要推进和落实虚拟仿真实验的“体系化、标准化、装备化、慕课化”。本课题立足于构建“MOOC+虚拟仿真”数字技术支持的无人机课程教學改革，推动实现虚拟仿真实验空间升舱、虚拟教研室信息平台搭建、国家级虚拟仿真实验平台建设[20]和高等教育教学资源库搭建，占领虚拟仿真教学创新先机。

1 教学改革方案

1.1 教学改革的目标

根据本课题教学目的和内容，依据教育部虚拟仿真课程更新要求，结合线上、线下混合式“MOOC+虚拟仿真”教学模式，创建创新人才培养通用路径；灵活采用“翻转式”“启发式”“案例式”“讨论式”等教学组织形态，改善实践创新教育实效性；优化教学方式，激发学生课堂深度学习状态，进行主动学习和主动探索，培养学生创新思维和应用实践综合能力，保障学生个性化发展需求。

1.2 具体研究内容

1.2.1 教学组织形态

课题组与MOOC开发团队共同对MOOC视频、虚拟仿真实验内容进行分析，提炼出虚拟仿真实验的运行场景，和学生学习无人机技术的必备知识点，然后对这些知识点进行重组重构，将必要知识点进行视频化、虚拟化包装，采用“翻转式”“启发式”“案例式”“讨论式”等教学组织形态，融入无人机课程教学。

1.2.2 “MOOC+虚拟仿真”数字技术支持

结合虚拟仿真实验课程实景呈现的技术优势，在MOOC设计过程中，深度融合已经建设的虚拟仿真资源，形成场景真实、运行虚拟的智能实训课题教学。在视频课程播放的过程中，设置虚拟仿真互动按钮，通过实景渲染使得学生产生沉浸式互动，进入深度学习状态，改变传统视频课互动性差的情况。同时在重点章节，结合虚拟仿真实验，设置考核点，将虚拟仿真资源润物细无声地配置进MOOC课程中去。

1.2.3 资源的推广和未来的应用

结合国家慕课西行的政策，通过东西部高校课程共享联盟的唯一指定运营服务商-智慧树网做连接，以全国唯一的一门“MOOC+虚拟仿真”无人机课程推广为契机，实施智能实训教学，创建人才培养通用路径，帮扶西部高校，开设相应课程。让智能实训课程真正走出校门，补充西部高校师资、设备不足。

1.3 无人机课程学习交互设计

传统的自动控制技术和无人机实验教学以教师为主体，以传授实验操作方法为主要目标，学生模仿教师进行无人机飞行控制操作、读数和记录，对实验现象理解不够全面，缺乏对无人机飞控机理的深入理解。

无人机虚拟仿真实验强调互动启发式实验教学方法，将无人机认知与安装实验、无人机仓库盘点的飞行控制实验加载有机结合起来，围绕实验教学难点、实验条件局限性等问题，有效地创设情境，在教学演示、实操练习和模拟考核等设计交互环节，将学习空间全景呈现。在视频课程播放的过程中，通过设置的虚拟仿真互动按钮，允许学生自主选择，多次体验。同时在重点章节，结合虚拟仿真实验，设置考核点，将虚拟仿真资源润物细无声地配置进MOOC课程中。利用在线“MOOC+虚拟仿真”教学系统，实施教学演示、实操练习和模拟考核模块在MOOC和虚拟仿真平台的个性化跳转。如图1所示的模块跳转示例，学生在MOOC演示环节，可以随时跳转到虚拟仿真平台的实验演示、实验实操和模拟考核；其他模块跳转，在图中省略。课题组设计的“MOOC+虚拟仿真”实验教学项目基于三维建模的虚拟实验环境及虚拟实验对象，不需消耗类或易损类实验材料，项目以真实环境和飞行场景为依托，姿态变化、飞行轨迹、运动参数的动态过程与真实飞机基本一致。学生可以自主设计实验流程，选择相应参数，实施无人机自主飞行控制，满足无人机课程学习交互教学需求。

1.4 构建“MOOC+虚拟仿真”支持的课堂深度学习

课题组全面组织实施课题研究，进行学生问卷调查，对知识点重组重构，提出地方高校电气信息类创新型人才培养存在的问题，确立建设目标，总结无人机飞行控制技术应用案例，录制无人机飞行控制技术视频课程内容。结合学校已有的分布式电推进飞行器控制技术重点实验室和无人机应用技术研究所的实际案例，制定三层递阶“信息類基础能力-工程应用能力-综合创新能力”的无人机飞行控制技术实践教学建设方案，把线上线下混合式教学模式和虚拟仿真手段运用到课程教学中，如图2所示。“MOOC+虚拟仿真”数字技术支持的无人机智能实训课堂，可保障学生从错误认知进阶到掌握知识以及创新应用，改变传统视频课无法深度互动、学生无法达到课堂深度学习的状态。

课程将学习资源全面开放，通过实验加载进程的推进，实时展现曲线变化，实时提出在线互动题，不断启发学生将理论知识与实践联系，更深入地理解实验过程中出现的现象从而挖掘无人机飞行控制的深层次机理，在轻松的学习氛围下掌握理论课中的难点，克服实体实验中学生专注于测试记录而忽视实验现象的问题。

除了让学生高效完成课前预习之外，还可以帮助学生完成因资源缺乏的原因而无法完成的实验，更全面地掌握物联网技术和无人机飞行控制的基本原理，同时更有效地利用重复的在线数据与线下实验数据相互比较，增强学生学习的积极性、主动性与自觉性，提高教学效果。教师和学生通过线上虚拟仿真实验和线下基于虚拟仪器的实时加载及时讨论、互动，学生在自主学习过程中可以随时感受到教师的启发和引导。线上线下混合式教学方法，有效地提高了学生课堂深度学习的学习体验，更全面深入地掌握知识，提高学生的理解能力。

1.5 教学改革的实施

由课题组主持开发的无人机室内自主飞行控制虚拟仿真实验，目前已经运行16个教学周期，累计选修人数超过10 000人，已经被评为省级一流虚拟仿真实验课程。在虚拟仿真和mooc支持的无人机课程教学改革上，积累了经验、收获了成绩。

1.5.1 提升学生认知水平

通过完成“MOOC与虚拟仿真”虚拟实验任务，能有效调动学生学习的积极性，既让学生较为真实地感受到无人机进行仓库盘点实验的全过程、生动形象地再现无人机飞控变化规律，帮助学生全面掌握相关理论知识和认知能力。

1.5.2 提高学生创新实践能力

“MOOC与虚拟仿真”虚拟实验中不断出现的互动操作和实时问答环节，极大地锻炼了学生动手能力和应变能力，更深入更主动地掌握理论和实践知识。

本实验成功应用到自动化大三学生的虚拟仿真实验，推行两届的线上线下混合式教学模式深受学生欢迎，2018级本科生在实验报告中感叹：“仿真系统可以准确展示、还原和重复试验中的各个细节……，改变了以往试验课做实验时似懂非懂的迷茫。”2019级本科生也认为：“在虚拟仿真平台上可以对实验内容预习，帮助我们认识实验内容，减少实体实验中一些可以避免的错误，尤其是无人机炸机风险，我认为开展虚拟仿真实验益处很大”。

本虚拟仿真实验平台还成功应用到飞行器竞赛训练、无人机电子设计竞赛等赛前辅导。受训学生荣获大学生电子设计竞赛“挑战杯”全省一等奖多项，显著提高了学生的创新实践能力。

本课程已经作为学校的专业技术实践课程，面向自动化、建筑电气与智能化、通信工程、计算机科学与应用等专业，以专业选修课程、校选课程开设，每年受益学生达到500人。该课程还作为网上MOOC资源和网上虚拟仿真实验资源，推广供全国本科、专科和职业技术院校相关专业学生学习，以及行业企业无人机技术相关人才学习。

2 结论

课题组针对相关工作的理论研究、方案研制、实施过程、效果总结等，形成一系列的教育教学理论成果。完成无人机自主飞行控制技术的教学改革方案设计，在完成教学设计的过程中紧密与教学活动相结合，搭建了创新人才培养通用路径；完成在智慧树等国家级平台上的无人机自主飞行控制技术在线开放课程的建设，提高了实践创新教育实效性；在自动化、建筑电气与智能化、通信工程、电气工程及其自动化等专业开设的虚拟仿真实训课程教学中，完成本次教学改革的实践过程，保障了学生个性化发展需求。作为网上MOOC+虚拟仿真实验的数字技术支持的教学改革资源，供全国本科、专科和职业技术院校相关专业学生、行业企业无人机技术相关人才学习，每年受益人数将达到1万人以上，社会效益显著。

参考文献：

[1] 陆渊章，徐振邦，董天天.新工科理念下无人机平台的电子信息专业创新模式研究[J].职业技术，2019，18（4）：22-25.

[2] 肖凯，李雯，汤晓安，等.智能科学与技术应用型本科人才培养模式研究[J].电脑知识与技术，2020，16（25）：153-155.

[3] 王小岗，朱晓菊.“镇校融合” 应用型人才培养模式探索与实践[J].应用型高等教育研究，2020，5（1）：59-63.

[4] 贾彪，王锐，孙权，等.无人机遥感技术在农业信息学教学中的应用与案例设置[J].安徽农学通报，2021，27（1）：154-156.

[5] 刘佳，杨锐，刘汉奎，等.新工科背景下无人机方向工程人才培养实践探索[J].民航学报，2023，7（6）：142-145.

[6] 王靖，邓岳川，徐建辉，等.应用型本科院校测绘无人机应用型人才培养模式构建研究：以滁州学院为例[J].赤峰学院学报：自然科学版，2022，38（1）：5.

[7] 薛九天.基于产品设计的应用型创新人才培养模式研究与实践：以贵州理工学院无人机创新应用为例[J].科学咨询，2018（37）：1.

[8] 沈茗戈.“1+X” 制度背景下的无人机应用技术专业课程体系改革探索[J].无线互联科技，2020，17（19）：130-131.

[9] 何锡武，宋晶，梁嵩.职业院校技能竞赛赛制改革的探索 —— “2019喀山未来技能大赛—无人机操作赛项国内选拔赛” 带来的思考[J].武汉工程职业技术学院学报，2021，33（1）：57-59，67.

[10] 李艳，陈琳，朱福根.国内虚拟仿真实训：现状、研究及启示[J/OL].现代远距离教育：1-13[2023-12-14].https：//doi.org/10.13927/j.cnki.yuan.20231017.001.

[11] 战德臣.MOOC+SPOCs+翻转课堂：大学教育教学改革新模式[M].北京：高等教育出版社，2018.