黃海

【摘要】? FPV穿越機集光、電、機械、材料、信息技術(shù)等于一體的高新裝備，是學校開展STEM教育的重要載體，在青少年中開設(shè)FPV穿越機課程，可以激發(fā)學生學習興趣，提高綜合運用跨學科知識解決問題的能力，對于培養(yǎng)航空航天科技人才有重要意義。

【關(guān)鍵詞】? 初中 FPV 校本課程

【中圖分類號】? G632.4? ?? ? ? ? ?【文獻標識碼】? A ? ? 【文章編號】? 1992-7711（2020）15-068-02

一、FPV穿越機介紹

1.穿越機的特點

穿越機，屬于四軸飛行器，是多旋翼的一種，常常和FPV（First Person View）聯(lián)系在一起。穿越機屬于高競速、續(xù)航時間短的小型無人機。它們的最高時速可達260KM/H，比家用小轎車還快得多。

穿越機雖然體積小，一般只有巴掌大小，但五臟俱全。一般由軸距較小的機架，動力系統(tǒng)由4個電調(diào)、電機、螺旋槳構(gòu)成，電源系統(tǒng)主要由電池構(gòu)成，飛行系統(tǒng)由微處理器組成，圖像傳輸系統(tǒng)由攝像頭、圖傳接收器和發(fā)射器、顯示器或者FPV視頻眼鏡組成，手動控制設(shè)備由遙控器和接收機組成。

穿越機由于體積小，所以速度快，而且有更高的靈活性和更低的慣性，可以輕松穿越一些障礙物，帶來速度與激情的視覺體驗。目前國內(nèi)外有很多競賽，這項比賽的魅力是，無論是參賽者還是觀眾都能以第一視角體驗整場賽事，體會到在賽道上急速穿梭的速度感，更會有靈魂出竅的感覺。穿越機競速比賽由于更炫酷更好玩，已經(jīng)進入了奧運會的表演項目。

2.穿越機與一般無人機的區(qū)別

無人機在生產(chǎn)中的應(yīng)用主要以航拍、監(jiān)測以及物流配送為主，所以必須具有比較大的負載能力，由于飛行時間較長，所以續(xù)航能力也要有保障。因而電機位于機身上方，目的是使槳葉保持在機身上方，增加升力和提高電源效率。整個機器的重心位于機器的下方。

對于競速用的穿越機，由于高速飛行中時常要進行變速和轉(zhuǎn)彎，機身經(jīng)常有大角度的傾斜，所以對于機器的穩(wěn)定性要求非常高，所以穿越機的重心與4個電機處于同一水平面，減少在高速旋轉(zhuǎn)和變速運動中重心的大幅度變化，從而失去平衡。形象比喻的話，一般無人機 就象四個電機和槳葉吊著重物飛行的直升機，而穿越機象是輕巧靈活的戰(zhàn)斗機。

一般的無人機就是一臺自動化的機器人，在定位模式的工作條件下，由于有GPS和視覺傳感器感知位置，就算不進行操作，也能在空中穩(wěn)定懸停。但是穿越機在快速的爬升和俯沖運動中，如果仍然使用微處理器進行定高，將會影響響應(yīng)速度，因此全部依賴飛控手的技術(shù)。

二、開展FPV穿越機校本課程的意義

1.作為STEM教育的重要載體

穿越機集空氣動力學、電子技術(shù)、機械學、通訊、材料學和信息技術(shù)等多學科技術(shù)于一體，綜合性很強。在校本課程中，我們可以進行編程教育，通過編程控制穿越機的起飛模式、飛行軌跡、錄像、錄音等多種任務(wù)。另外，通過穿越機的安裝和調(diào)試課程，我們可以學習穿越機的結(jié)構(gòu)和飛行原理，學習各種工具和儀器、儀表的使用，提高學生動手能力。

2.開展國防教育

穿越機屬于高競速無人機，而無人機作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中具有越來越重要的作用。在學習過程中，將國防知識潛移默化地傳授給學生，讓國防教育真正走進課堂，走進每一名學生心中，樹立牢固的國防觀念。

三、目前存在問題

1.忽略飛行原理學習，只重視飛行體驗

傳統(tǒng)的無人機的學習大多數(shù)停留在飛行控制和簡單的組裝上，從知識的獲取來看，失去了應(yīng)有的意義。由于無人機大多數(shù)編程等知識，又不是大多數(shù)初中生甚至高中生能掌握的，所以編程學習也變成了空談。從學生的最近發(fā)展區(qū)考慮，挖掘穿越機所包含的跨學科知識，特別是飛行原理的學習，才不至于本末倒置。

2.輕視飛行控制的現(xiàn)實意義

很多人從傳統(tǒng)統(tǒng)的無人機的觀點去看穿越機，覺得操控只是簡單的技能，只是娛樂體驗，浪費時間。從穿越機和無人機的區(qū)別，我們可以看出，無人機的操控都由電腦控制，而穿越機競速全是由飛控手的技術(shù)決定的，反應(yīng)在毫秒級，是激烈而精彩的體育競技。

四、FPV穿越機校本課程思路

學生以自主探究、分組學習的形式，學習掌握飛行的知識、原理，以循序漸進的方式體驗飛行、學習操控技術(shù)。通過多種飛行器和穿越機的設(shè)計制作、組裝和維護，綜合運用跨學科知識解決真實問題，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力。在學習中培養(yǎng)學生的國防觀念，激發(fā)學生熱愛祖國航空航天事業(yè)的熱情。

五、FPV穿越機課程目標

1.總體目標

我校FPV校本課程團隊通過分析調(diào)研，制訂了如下的教學目標：（1）培養(yǎng)學生對航天航空技術(shù)的興趣和愛好;（2）培養(yǎng)學生運用技術(shù)解決問題的能力;（3）在實踐中培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

2.具體目標

（1）知識技能目標：培養(yǎng)學生模型制作的基礎(chǔ)知識、實際操作能力，提高學生識圖、制作能力;培養(yǎng)學生在運用學過的知識和技術(shù)原理、結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上進行重新組合、大膽創(chuàng)新的能力。

（2）方法情感目標：采取自主學習與小組合作探究相結(jié)合的活動方式，培養(yǎng)學生合作創(chuàng)新意識;培養(yǎng)學生的觀察力、思考力、動手操作能力，培養(yǎng)技術(shù)素養(yǎng)和科學素養(yǎng)。

六、課程內(nèi)容與實施

我校采用每周三下午全校校本課程時間進行教學，時間是兩節(jié)課，由學生自選課程。教學計劃如下表：

七、教學與訓練手段實踐研究

1.加強原理學習

學生通過從空氣動力學，力學，機械學，運動學等角度理解飛行器的原理后，在操控上會有更深刻的認識和更自覺的調(diào)控、提升，必須重點學習。根據(jù)中學生的知識基礎(chǔ)，我們主要從以下內(nèi)容進行：

根據(jù)我們的實踐表明，如果忽視這部份內(nèi)容，那么學生將失去學習理論知識和激發(fā)學習興趣的極好機會，這樣的學習就有可能僅僅停留在好玩的層面了。如果我們能夠結(jié)合學生的學科知識，以最近發(fā)展區(qū)為目標，就有可能讓學生在跨學科的學習中獲得知識，同時培養(yǎng)自主學習和探究能力。例如，以穿越機懸念、上升、下降和油門的關(guān)系為例，我們先向?qū)W生講授、復習力改變物體運動狀態(tài)、二力平衡的知識，讓學生分組討論，然后每小組展示受力分析情況，由學生得出結(jié)論：無論在何處懸停，升力大小一定等于重力，從而得出油門變化的規(guī)律。學生在理論上理解后，在實踐中會自覺進行調(diào)整，學習效率大大提高。

根據(jù)萊夫的情境認知學習理論，我們在實踐中把穿越機的原理學習結(jié)合組裝、調(diào)試、維護和維修進行，這樣學生興趣更大，學習效率更高。例如，穿越機最容易出故障的是槳葉和電機，在學生學習更換槳葉和電機時，我讓學生結(jié)合空氣動力學的知識，討論正反的槳葉為什么要對角一致，無刷電機和有刷電機的結(jié)構(gòu)和區(qū)別。

2.分組進行模擬器課程有利于提高學習效率

運用模擬器先行訓練是所有航模學習的重要內(nèi)容，也是外場飛行之前的必修課程。使用模擬器有兩個作用：一是避免摔壞飛行器，因為航模器材通常比較輕巧，不耐碰撞，并且貴重，以模擬器進行學習，提高技術(shù)水平，確保飛行實踐成功率提高。二是提高學習效率。根據(jù)我們的實踐，分組輪流效果比單人單機更好。教師可以巡視、點撥、同學展示、分享學習心得，學習氣氛濃烈。

3.飛行實踐課程要循序漸進

飛行課程要循序漸進，注意人機安全。在實踐中，很多學生即使模擬器課程學得不錯，但實操時仍然對操縱欠缺感覺，油門和方向舵分不清，心理緊張，手忙腳亂，造成機器摔壞，針對這種情況，我們采取以下辦法：

（1）首先以普通無人機進行訓練，在規(guī)定區(qū)域內(nèi)練習起降、對尾、側(cè)懸、對頭、自旋等動作。我們選取大約2平方米的操作臺面，以2人為一組，輪流進行。學生在桌面上學習起降等動作，高度在桌面以上1米左右，范圍不能走過桌面邊界。這樣的小范圍練習，保證了學生動作的精準，也避免了機器摔壞。而且，集體訓練時，場面有序，方便教師指導和管理，也方面同學之間觀摩學習，互相促進。

（2）使用穿越機實踐。帶上視頻眼鏡后，很多學生對高度和方位失去判斷，我們采用兩個一組，學員佩戴視頻眼鏡，助手先手拿飛機在前方不同方位轉(zhuǎn)動，讓學生學會找參照物，判斷高度和方向。在掌握后開始真正的飛行，教師仍然要反復提醒學生通過參照物判斷自己的方位。

4.學習必備的維護技能

在學習飛行過程中，由于穿越機高速飛行，以極大的加速度進行各種變速運動，所以各種機件最容易出現(xiàn)故障，作為教師和學生必須學會維修簡易的故障，學會進行調(diào)試，一方面可以加深理解機器的工作原理，另一方面，在外場訓練和競賽時，可以緊急進行處理，避免訓練競賽受影響。學會排查和檢修是航模課程必不可少的內(nèi)容。

八、教學成效

根據(jù)一年的實踐，我校的穿越機航模隊在理論學習、安裝調(diào)試和飛行實踐中進步很快，學校成立了穿越機表演隊，在校內(nèi)和校外的各種大型活動中進行航模表演，受到熱烈歡迎。在各類型比賽中也取得了優(yōu)異成績。

九、結(jié)語

在初中校本課程中，開設(shè)FPV穿越機航模課程，學習空氣動力學、力學、機械學、電子技術(shù)、信息技術(shù)等跨學科知識，實施跨學科教學，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的有效途徑。

[ 參? 考? 文? 獻 ]

[1] 張飛，張佳，胡敏.基于無人機創(chuàng)客空間的課程體系研究.以江蘇省徐州技師學院為例[J].科技風，2019年第12期.