STEAM理念下無人機競速教育與學科融合的探索研究

劉城豪

摘 要：無人機競速教育具有符合STEAM教育理念的跨學科性、趣味性、體驗性、情境性、協(xié)作性等特點，成為青少年科技教育項目，并進入中小學綜合實踐、通用技術等課程。探究無人機競速教育在STEAM理念指導下與科學、技術、工程、藝術和數(shù)學等學科進行深度融合。

關鍵詞：無人機;競速;教育;STEAM;融合

一、STEAM教育理念與無人機競速教育

“STEAM教育由美國弗吉尼亞科技大學學者Yakman在研究綜合教育時提出，即加強美國K12關于科學、技術、工程、藝術與數(shù)學教育?！盵1]STEAM是科學、技術、工程、藝術和數(shù)學等學科的簡稱，這幾門學科內容融合形成有機整體，以更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力。在實踐STEAM理念的教學中，要有一項符合STEAM理念的具體的教育項目作為載體。

近年來，得益于多旋翼無人機、圖像傳輸、鋰電池等技術的發(fā)展，世界航模界興起了一種“無人機競速”的遙控類航模競技運動。它帶來空中極速的視覺刺激和無與倫比的操控體驗，吸引了越來越多的青少年加入這項運動中來。它具有趣味性、體驗性、情境性等特性，場地要求小，設備開放。無人機競速教育已被越來越多的中小學納入綜合實踐、通用技術等課程，逐漸成為推廣STEAM教育理念可選擇的有現(xiàn)實意義的新載體。

二、什么是無人機競速教育項目

無人機競速使用的是四旋翼無人機，它舍去定高、巡航等功能，區(qū)別于航拍、表演等無人機。機身安裝了攝像頭和圖像傳輸系統(tǒng)，能實時地將圖像傳輸?shù)筋^戴式視頻眼鏡或屏幕上。無人機競速運動員（也稱飛手）通過觀看第一視覺的實時圖像并操作遙控器，控制無人機穿越障礙進行競速，也稱FPV無人機競速。它是基于傳統(tǒng)航模和電子競技的一種新型運動項目。無人機競速有學科融合的特點，突出動手和思維的能力，符合現(xiàn)代科技教育需求，能促進學生的全面發(fā)展?！督逃畔⒒笆濉币?guī)劃》的通知中提到跨學科學習（STEAM教育）、創(chuàng)客教育等新的教育形式能夠促進學生的全面發(fā)展，學校應大力推崇。[2]

三、無人機競速教育與各學科的融合

（一）無人機競速教育與數(shù)學學科的融合

飛行控制系統(tǒng)，簡稱飛控。一般包括傳感器、機載計算機和伺服作動設備三大部分，實現(xiàn)的功能主要有無人機姿態(tài)穩(wěn)定和控制、無人機任務設備管理和應急控制三大類。多旋翼無人機通過控制電機的轉速來控制無人機的姿態(tài)和實現(xiàn)不同動作。無人機自身狀態(tài)依靠機載傳感器獲得，飛手的實時操作通過接收機傳遞到機載計算機（也就是飛控）。飛控根據一定的數(shù)學算法或模型識別無人機的狀態(tài)和駕駛員的操作信號，并搭起它們之間溝通的橋梁。應用在飛控的數(shù)學學科知識有很多，如坐標系、微分方程、卡爾漫濾波算法等知識。在制作訓練用的正六邊形拱門過程中，要根據已知正六邊形的高求出它的邊長?？煞纸饬呅?，根據“勾股定理”、解方程、平方根表求出結果。

（二）無人機競速教育與工程制作的融合

無人機的組裝要求學生深入了解無人機的結構、零件和飛控，是一項電子制作的系統(tǒng)工程。組裝者不僅要對飛控、電調、電機、機架、槳葉、電池等進行選擇，而且要熟練掌握焊接、拼裝、參數(shù)的設置等。在訓練期間學生會經常遇到更換零件、維護機架、焊接線路等工程制作的操作。學生會使用到的工具有臺鉗、電烙鐵、螺絲筆、刀等。需要掌握的技巧有上錫、焊盤、卸焊、布線、組裝等。還可以制作教學輔助材料。掌握這些小技巧需要多練習，很有趣味性和體驗感。

（三）無人機競速教育與藝術學科的融合

無人機競速使用的設備很多都可以進行創(chuàng)新設計，如無人機外觀、機架、搭件、圖標、概念無人機等。利用三維創(chuàng)意軟件進行設計，3D打印技術實現(xiàn)制作，獲得自己設計的塑料構件。利用三維創(chuàng)意軟件設計機架，交給專業(yè)人員進行激光切割，獲得自己設計的碳纖維機架。利用繪圖軟件，繪制出自己構思的圖標和未來概念無人機。無人機競速與仿真游戲設計的結合，可以讓玩家足不出戶就能體驗到無人機競速的樂趣。

（四）無人機競速教育與科學、技術的融合

“STEM素養(yǎng)包含科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)和數(shù)學素養(yǎng)，同時又不是四者的簡單組合：它包含運用這四門學科的相關能力、把學習到的零碎知識與機械過程轉變成探究真實世界相互聯(lián)系的不同側面的綜合能力。”[3]無人機競速的出現(xiàn)和發(fā)展，是以科學理論為基礎，以技術進步為促進的。目前，鋰電池制作工藝、無線電圖像傳輸、高清信號轉播等成為無人機競速發(fā)展的瓶頸。這些技術難題既是無人機競速發(fā)展中亟待逾越的一座高山，更是促進技術和教育進步的一塊墊腳石。

四、結語

在無人機競速教育的實踐過程中要注意不能陷入過度重視趣味性的誤區(qū)，避免出現(xiàn)泡沫化的苗頭，始終以教育為目標，開發(fā)校本課程，形成有效評價機制和優(yōu)化機制，將基礎學科知識融入教學中去。

參考文獻：

[1]蔣宗禮.科學構建課程體系 提高專業(yè)教育水平[J].中國大學教學，2012（3）：8-11.

[2]王巍，袁磊.幼小銜接階段基于項目的STEAM課程教學模式研究[J].現(xiàn)代遠程教育，2018（3）：51-58.

[3]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-22.

注：本文系2019年廣東教育學會教育科研規(guī)劃小課題《STEM理念下的無人機競速教育項目教學實踐研究》的研究成果。

編輯 趙飛飛