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

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“无人机技术应用”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。

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为总成绩，X1、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。