基于EPIP教学模式的“无人机技术应用”课程改革的实践与探索
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作者:郝立果 高慧珠 张翔宇 石东宇
摘要：“无人机技术应用”课程以无人机设计、制作、操控、检修为主要内容，旨在让学生了解无人机技术，理解无人机相关知识，掌握无人机操控、检修技能，提高创新实践能力。针对无人机相关专业课程教学现状，基于课程内容工程实践性强的特点，在课程设计和教学实施过程中引入EPIP教学模式，以工程项目为引领，以培养学生的工程意识和创新、实践能力为目标，激发学生的学习热情，提高了教学质量，达到了预期的教学效果。
关键词：EPIP教学模式；无人机技术应用；创新课程；无人机装调检修工
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2022）11-0080-06
一、研究背景
近年来，无人机行业迎来前所未有的发展机遇，无人机的应用几乎涵盖了灾害救援、街景拍摄、监控巡察、环保检测、电力巡检、农业植保等所有领域[1]。伴随着无人机市场的迅速增长，社会对无人机操控和检修等方面人才的需求骤增。为满足行业人才需求，近年来越来越多的本科院校和中高等职业院校开设无人机专业或相关课程，目前有超过30家本科院校开设了无人驾驶航空器系统工程、无人机系统工程等相关专业，超过200家中高等职业院校开设无人机应用技术专业。为了进一步规范无人机行业人员的从业行为，人力资源和社会保障部于2021年颁布《无人机装调检修工国家职业技能标准》，为无人机相关专业课程的教材、实验室建设提供了指南和依据，也为教学内容的设计和相关考核评价标准的制定提供了参考和借鉴。
天津职业技术师范大学作为培养职教师资的师范类大学，为补充中高等职业院校无人机方向师资的缺口，探索开设“无人机技术用”课程作为辅修课程。学生通过选修本课程拓展相关知识，掌握无人机操控、调试检修的基本技能，初步具备中高职院校无人机专业相关课程的教学和实习指导能力。在课程实施过程中，教学团队引入工程实践创新项目EPIP（Engineering Practice Innovation Project）教学模式，该模式以实际工程为指引，以实践应用为导向，以创新能力培养为目标，以项目实践为统领，旨在提高学生的综合素质，增强工程实践能力，培养创新精神和创新能力[2]。“工程化、实践性、创新型、项目式”是EPIP的核心内涵，“工程化”是EPIP教学模式的根基，在教学中引入实际工程理念，基于实际生产场景进行“项目式”教学，在项目的实施过程中注重“实践性”，学生在实践过程中加强自主学习，通过不断的探索、尝试，做到知其原，知其衍，在工程实践的过程中不断创新并体会创新的乐趣，实现“创新型”的教学过程[3]。无人机技术具有较强的实践性和创新性，在项目式教学过程中“无人机技术应用”课程围绕无人机在实际工程中的应用进行探索与研究，与EPIP教学模式所倡导的理念完全契合。
二、无人机课程教学现状
随着无人机相关专业的开设和课程的实施，各院校在进行无人机专业相关课程的教学过程中，不断探索并积累了大量的实际经验，为社会培养出了大量不同层次的无人机应用人才，专业建设取得了较好成绩。但在人才培养质量和课程体系建设方面，在不同程度上还存在一些不足。
（一）专业师资力量不足
由于无人机相关专业属于新开设专业，各相关院校首先面临师资力量不足的问题。从事无人机相关课程理论教学的教师主要来自航空航天相关专业和机电类专业，实践教学方面的师资则更多来自从事航模运动的教练员或运动员。而无人机相关专业建设发展所急需的既掌握无人机相关理论知识，又具备娴熟的操作技能和教学能力的优秀师资则显得极为稀缺，短时间内难以满足各院校的急切需求[4]。
（二）实践教学场地制约
由于无人机室外作业的特点，在进行实践教学过程中场地通常是无人机操控训练的一个制约因素。根据我国《低空空域使用管理规定》，我国低空空域是国家重要战略资源，无人机飞行前需要向相关单位进行空域的申请，城市中大部分空域是禁飞区或限飞区，而训练所需空域面积较大，一般校园内不具备训练条件。且无人机飞行过程中一旦出现失控、坠机的现象，都会造成较大的经济损失，甚至可能带来人身伤害。为了解决场地制约，部分院校利用共享体育馆等空间较大的室内场馆开展实践教学。
（三）课程体系不够健全
由于无人机技术的推广应用历史短、发展快且覆盖基础学科领域较广，所以相应的专业教材少、教学案例不足，课程体系建设过程中缺少成熟体系的借鉴。在课程设计中需要对多学科相关专业的课程内容进行提炼并重新整合，同时还要引入无人机相关应用领域的专业知识，以满足无人机技术所需的理论支撑。
相比于理论教学环节，无人机操控实践教学环节则面临更大的挑战。由于受场地及无人机飞行速度快、存在危险性和不确定性等因素的影响，同一时间、空间进行实践操作的学生人数通常不能超过2人。在初期训练过程中，指导教师需要全程指导，一旦学生操作失误教师需要及时介入纠正，否则可能导致飞行事故。一旦出现坠机、撞机事故，短时间无法修复。如果班级人数较多，人均训练时长便难以保证，训练效率较低。为解决此问题，在进行无人机操控训练时，通常会引入模拟器以降低损耗提高训练效率，但如何合理恰当地将模拟器训练和实机训练相结合，达到虚实互补的训练效果，也是需要深入研究的课题。
（四）与行业应用缺少对接
在行业应用中，无人机主要作用任务搭载平台，在不同的行业中需要搭载不同的任务载荷。由于缺少对行业应用的深入了解，除了无人机自身相关内容外，对其他专业领域的教学内容设计不足，造成人才输送与实际企业需求存在差异。
无人机相关课程设计过程中，必须结合不同行业应用，设计具有工程性的教学项目，在项目实施过程中加强培养学生的工程意识，使每个教学环节贴近实际生产应用。在教学实施过程中加强以学生为主体的模式，引导学生在实践过程中探索未知，加深对理论知识理解的同时能够学以致用，并在实践中发挥主观能动性，不断创新。
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三、基于EPIP教学模式的“无人机技术应用”课程设计
基于对无人机相关专业教学现状的分析，结合无人机相关课程教学现状，课题组将工程实践创新项目（EPIP）引入到“无人机技术应用”课程的设计和教学实践中，以无人机技术为载体，以培养大学生工程意识和创新实践能力为目标，基于EPIP教学模式设定合理的课程目标、精选融合课程内容、制定科学考核办法，进行“无人机技术应用”课程设计。
（一）课程介绍
“无人机技术应用”课程是天津职业技术师范大学面向本科生开设的一门创新型课程。该课程以无人机技术为载体，按照无人机装调检修工职业标准的技术要求，通过完成无人机的设计、组装、编程、调试、检修、操控等各项任务，培养学生掌握无人机相关知识和技能的同时提升实践应用能力和创新能力[5]。
采用EPIP教学模式，结合行业应用，设计若干工程项目；每个项目再分解为若干子任务，将教学目标中的知识点和技能点分解到每个任务中，学生分组在执行任务的实践过程中，自主学习理论知识、训练实操技能，在实践中创新。在项目实践过程中，教师以示范、答疑等方式起到引导、启发、推动的作用。
（二）课程设计
结合“无人机技术应用”课程目标，参照工程实践创新项目（EPIP）的核心内涵[6]，设计了3个工程实践项目，共15个训练任务，总学时为90个学时（见表1），利用3周的实践训练教学环节完成课程教学。课程以四旋翼无人机为训练载体，学生在完成各项任务的过程中掌握无人机相关知识和技能，并注重培养工程意识和实践创新能力。
（三）考核评价方式
课程最终成绩由三个项目的成绩加权计算得出，Y=0.4X1+0.3X2+0.3X3（式中：Y樽艹杉ǎX1、X2、X3分别为三个项目的成绩），从而形成一整套科学合理的评价体系。
项目一为“无人机操控”，该项目的教学目标是让学生通过无人机基本操控技能的训练掌握无人机驾驶技巧，从而对无人机技术产生浓厚兴趣。本项目主要是通过训练提高学生在无人机操控过程中“脑―眼―手”的协调度，与专业背景相关性较弱。结果评价主要考察学生在操作方面的熟练度、精准度、安全规范性。如表2所示。
项目二为“无人机设计与组装”，要求学生利用Solidworks软件完成无人机机架的设计，操作激光切割机进行木板的加工、组装并进行调试，操作无人机完成飞行任务。学生需要理解和掌握无人机结构组成等基础知识，熟练掌握软件和工具、设备的使用、操作等基本技能。结果评价是分阶段对设计合理性、创新性、加工组装精度、飞行任务完成度进行综合评价。由于项目二的实践过程由学生分组完成，所以评价对象面向项目组，每个小组成员成绩相同。如表3所示。
项目三为“无人机检测与维修”，该项目的教学目标是通过对无人机检修、设置、维保，使学生理解和掌握无人机主要组成部件的基本原理，熟练掌握无人机检测、维修、测试等基本技能。结果评价主要考察学生快速准确检测无人机故障并进行修复的能力。如表4所示，在考核设备上设置两处故障，学生需要通过测试，用文字描述出故障现象，能通过检测找到故障点并进行修复。根据故障现象描述正确性、故障点位置准确性和修复结果进行评分。
四、“无人机技术应用”课程教学实践
项目组以天津职业技术师范大学2019级工程实践实验班学生为样本，利用2021年暑期进行了为期15天的“无人机技术应用”课程的EPIP教学模式实践。该班共计20名学生，专业方向为机械设计，已经过2年的本科学习，具有相对扎实的专业基础知识。在课程实施过程中，共开设了3个教学项目，每个项目利用5天时间完成。项目实施过程中，需要的理论知识的学习和基本技能的训练穿插进行，激发了学生的学习兴趣和热情，达到了良好的教学效果，同时为“无人机技术应用”课程体系建设积累了经验。
整体教学过程注重对学生工程意识和团队协作意识的培养，将学生分为5个项目组，每组4人，各小组自行确定组长和人员分工，共同协作完成每一个项目。在项目实施中，学生是整个教学过程的主体，教师引导学生进行项目规划、任务分析和执行。在任务执行的过程中，以小组活动为主，教师指导为辅，鼓励学生自我探究，大胆创新，最终完成各项任务。
（一）理论知识教学过程
“无人机技术应用”涉及广泛的理论知识，理论教学环节融入工程项目，主要采用翻转课堂的方式，以项目调研的方式将不同任务分配给不同学习小组，各组学生根据要求进行资料查阅、整理，并集中分享、交流。例如，为了让学生充分了解无人机在不同领域的应用和发展，在教学过程中按应用领域进行划分，提出调研重点内容、规定分享展示时间等，将任务布置到各学习小组。如表5所示。
在项目调研过程中打破时间和空间的限制，各组充分利用课内和课外时间，通过线上搜索收集相关资料，整理制作PPT文档，并集中进行展示、交流，教师对每一组的展示成果进行点评和补充。通过时空开放的自主学习方式，学生表现出高涨的学习热情，收集大量的图文资料并进行精心整理，设计制作精美的PPT。
学生在探索无人机在不同领域的发展与应用的过程中，对无人机的学习产生了更加深厚的兴趣，与此同时也提高了资料收集、整理和表达展示的能力。
（二）实践教学过程
无人机在实际应用中对操控熟练度有着极高的要求。在操控过程中，敏锐的观察力和快速反应能力以及稳定的心理状态极为重要，这些都需要大量科学的训练才能达到基本要求。除了对无人机的操控，实践教学环节还包括设计、组装和检修三个方面。
1.无人机操控
操控环节需要操作员手眼脑的协调配合，通过长时间训练形成肌肉记忆。操作员必须能够准确判断无人机在空中的方位、姿态和飞行状态，同时还要观察飞行空域内及航线周边的障碍物，并关注风向风力等气象变化。一旦观察判断失误，则可能会出现迷航、碰撞，导致飞行事故的发生。在飞行过程中操作员需要实时利用手中的遥控器调整无人机的姿态、位置，以保持正确的高度、速度、角度和飞行方向，实现预定的飞行任务。
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失控、“炸机”在无人机操控的入门阶段是时有发生的。为了降低损耗和保证人身、环境安全，并最大程度满足多人同时训练，操控环节的训练采用模拟飞行和实机飞行相结合的方式。模拟飞行的优点在于可以实现多人同时训练、避免飞行事故、无损耗、无限续航、环境可控等，通过模拟飞行训练使操作员对遥控器摇杆产生良好的手感，为形成肌肉记忆打下基础。
学生通过模拟飞行训练对遥控器的操作达到基本熟练后，将进行实机的体验飞行。为了保证训练的安全性，实机训练在安全防护网内进行，并且在防护网内只能允许一台无人机飞行，学生分组依次进行适时的飞行体验，感受实机与模拟器操控的差别。在之后的飞行训练项目实施过程中，将基本操作训练分为若干科目，每个科目都要先通过模拟器的训练掌握基本操作技巧，在完成模拟器飞行考核后再进行实机的飞行训练。通过虚实结合的训练方法，使学生更迅速地掌握无人机的操控技巧。
设计训练记录表，对学生训练过程中的每一个技术细节是否规范或所能达到的技术标准进行记录。以任务二悬停训练为例，记录表如表6所示，记录学生每一次训练从准备到结束的每一个环节中在安全规范、职业素养、技术掌握程度等方面的信息。每次操作训练时教师都需要观察学生的操作是否符合规范，并进行记录评分，让每个学生对自身存在的问题进行有针对性地强化练习。
2.无人机设计与组装
无人机设计与组装包括四旋翼无人机的机械机构设计、制作、组装等环节，最终将实现一架无人机产品的物化，其教学流程如图1所示。在设计环节中，为学生统一提供无人机核心器件，如电机、螺旋桨、飞控、电池、电调等，学生要分组进行零部件测绘，并根据外形尺寸设计机架结构。在机架的设计环节，各小组学生可以根据各自的想法，进行个性化的设计。在此过程中，学生需要利用机械制图软件完成实体图、零件图和装配图的绘制，并根据电动机升力、电池容量等信息，计算机架的强度、重量、外形尺寸等参数。
在完成机架的设计和装配仿真后，对各组的设计方案进行论证。各组依次进行方案的汇报，由其他小组成员提出建议，对方案进行完善后将进行设计的物化。设计物化过程以3mm椴木板为原材料，利用激光切割机进行加工，通过组装、试飞对设计合理性进行验证。由于缺乏设计经验，试飞往往难以一次成功，经过对设计方案进行多次的改进最终实现无人机的预设功能。在完成试飞后，要求各组撰写设计报告，对设计过程和相关数据进行总结，形成完整的工程实践过程。
3.无人机检修
无人机检修项目主要包括电池的使用与维护、机械结构拆装和电控系统检修等任务。电池的使用与维护主要包括正确的充电、储存、放电和电池电量的测量。相关知识的学习和技能训练融入到无人机操控训练过程中。
机械拆装任务有助于加强学生对无人机结构的了解，掌握螺旋桨、起落架、载荷机构等易损部件的正确更换方法。在训练过程中采用以赛促训的方法，各组学生在规定时间内进行无人机拆装竞赛，在你追我赶的氛围中不断提高拆装的速度和精度。
电控系统检测需要具备一定的电子电路基础知识和仪器仪表的应用能力。电控系统检测任务主要是对典型电子电路进行检测、对损坏的元件进行更换等。小组内部成员间互相进行故障设置，模拟真实维修场景，并通过交流讨论加深对检修方法的理解。
（三）教学效果
通过将EPIP教学模式引入“无人机技术应用”课程教学中，学生对无人机技术产生了浓厚的兴趣，并初步了解了无人机相关理论知识、飞行原理和结构组成，能够主动学习、训练，在设计过程中能够创新。通过课程的学习基本掌握了无人机飞行操控和组装、维修等技能，在各项目的最终考核评价中优秀率达到40%以上，各项目的班级平均成绩在85～95分之间。
课程以模拟实际工程项目为指引，学生在项目实施过程中，机械测绘、机械制图、激光加工等专业技能得到了强化，电子电路知识和电子检修技能得到了拓展，对无人机相关知识和操控技能有了一定程度的掌握，践能力、创新能力、团队合作意识均得到了提升，达到了预期的教学效果。
五、反思与展望
通过EPIP教学模式在“无人机技术应用”课程中的探索应用，学生对课程所涉及的相关知识和技能的掌握程度整体较好，学习主动性提高，对无人机技术表现出了浓厚的兴趣，积极性和创造性得到了激发，学习效果明显优于传统教学模式。但是，“无人机技术应用”课程在实践过程中依然存在一些问题，面临一定的挑战。如20人小班成功的教学模式在面向正常班级人数进行推广时，如何克服实训场地制约、设备续航时长较短的问题；学生如何充分利用课外时间开展无人机相关研究，参与到无人机相关学科竞赛和科研工作中。针对上述问题，课题组认为可通过以下方式解决：聘请具有较好无人机基础的大学生科技社团成员作为助教，教师集中授课后分组由助教协助指导以解决大班教学师资不足问题；采用多个项目并行的方式解决场地制约问题；加强与相关企业的合作，将企业实际工程项目引入作为师生科研的课题。
参考文献：
[1]邬玲伟，雷必成，林志明，等.无人机课程理论与实践教学改革研究[J].学科探索，2021（9）：56-58.
[2]李英.工程实践创新项目（EPIP）教学模式的探索与研究[J].现代职业教育，2019（22）：48-49.
[3][6]吕景泉，于兰平.工程实践创新项目（EPIP）的核心要义[J].天津职业院校联合学报，2021（6）：3-7.
[4]朱红伟.消防无人机应用技术课程教学设计与实践[J].武警学院学报，2021（4）：88-91.
[5]朱莉凯，李笑瑜，叶杨飞，等.基于成果导向理念的“无人机植保应用”课程教学研究[J].调查研究，2021（9）：98-100.
（责任编辑：张宇平）
Practice and Exploration of the Course Reform of "Application of UAV Technology" Based on EPIP Teaching Mode
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HAO Li-guo1， GAO Hui-zhu2， ZHANG Xiang-yu1， SHI Dong-yu1
（1.Tianjin University of Technology and Education， Tianjin 300222， China；
2.National Vocational High School of Oroqen Autonomous Banner， Hulunbuir Inner Mongolia 165450， China）
Abstract： The course- Application of UAV Technology mainly focuses on Unmanned Aerial Vehicle （UAV） designing， fabricating，
controlling and maintenance to enable students to comprehend the knowledge and technology of UAV， master the skills for UAV control and maintenance， and improve their innovation practice ability. For the current teaching state of the curriculum related to UAV ， the Engineering Practice Innovation Project （EPIP） teaching mode is introduced in the course designing and teaching implementation process based on the characteristics of strong practical engineering content. This mode is guided by engineering projects， aiming at cultivating students' engineering consciousness， innovative and practical ability， stimulating the students' enthusiasm for learning to improves the teaching quality and achieve the expected teaching effect.
Key words： EPIP teaching mode; application of UAV technology; innovative curriculum; UAV installation adjustment and inspection worker
作者介：郝立果（1978―），男，硕士，天津职业技术师范大学工程实训中心高级实验师，研究方向为自动化；高慧珠（1969―），男，鄂伦春自治旗民族职业高级中学校长，中学一级教师，研究方向为教育管理；张翔宇（1985―），男，硕士，天津职业技术师范大学工程实训中心高级实验师，研究方向为机械制造；石东宇（1999―），女，天津职业技术师范大学机械工程学院2019级本科生。
基金项目：天津市职业学校“十四五”教育教学改革研究项目“基于EPIP理念的创新创业教育类课程体系建设的探索与实践”（项目编号：2021005）
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