无人机创客教育点燃飞行梦想

文图/杭州集点科技有限公司

无人机创客教育是当前无人机教育的新热点。作为一种新的教育方式，无人机创客教育面临一些问题，杭州集点科技有限公司带来了全新的解决方案。

意义和作用

随着人工智能技术不断发展和成熟，无人机编程教育逐渐走进中小学编程教育成为一种流行的学习方式。过去，在中小学教育当中，可能有些内容是与之相关的，但是并没有从人工智能的角度进行整体规划。第一，要培养孩子们的意识、观念,让他们了解人工智能，并且积极地参与进来。第二，要给有特殊兴趣与能力的孩子们相应的帮助，因为有些孩子可能在这个领域里面比一般的孩子更有潜力。我们要排除“只考试，不参与”的想法，尽可能让有潜力的孩子得到适当的发展。

纵观当下的创客无人机教育来说，很多学校都建设了各种类型的实验室和教室，然而很多结果是钱花了设备采购来了，如何深入更好地利用这些设备却成了一个综合性难题。再加上五花八门的各类产品层出不穷，导致很多学校师生都有点花眼，无论何时，我们的目的都是发展基础智能教育，例如，课堂上的那些基础知识能在我们的产品中展现，那些物理、数学理论的升华等。无人机就是一个很好的例子，数学、逻辑还有电学等各种基础知识都能在上面体现，进而再发展的就是计算机编程技术，可视化编程、C语言、算法的初步认识等。

下面从学生、学校、社会三个层面进行多角度分析无人机创客教育的意义。传统教育是老师讲学生听，长期下来难免有些枯燥。而无人机创客教育打破了这种模式，以一种极富吸引力的学习方式鼓励学生以兴趣为导向自主学习，以内驱力为导向激发学生去主动创造。

首先，从学生层面进行分析。在无人机创客教育课堂中，更多的是学生自己动手实践的过程，能在实践中有效地发现问题、解决问题，与现实世界产生交互。教师教给学生无人机的具体知识，学生吸收知识后在无人机课堂中实践，实践过程中对学生的思维形成反馈，促使学生基于实践进行再创新，整个过程形成一个完整的正循环。无人机创客教育不仅培养了学生实践创新的能力，也在潜移默化中成就了学生综合运用所学知识自己解决问题的能力。未来无人机创客教育可解决就业问题，从事影视航拍，环境监测、电力巡检、农业植保的设备研发、飞行表演、无人机物流等。未来的无人机创客还可以从事生产组装维修调试方向、教育培训、自主创业、高校无人机专业教师等。

图1 无人机是很好的创客教育载体

其次，从学校层面进行分析。近年来，我国已经有相当一批高等院校开设了无人机专业，包含南京航空航天大学、西北工业大学等知名高等学府。其中，南京航空航天大学每年还会拿出数百万经费，支持学生投入无人机研究，并开发创新功能，并鼓励学生多参加无人机相关的赛事。无人机课程中更注重的是培养学生的综合能力，大大增加了以后学生多专业的选择，能让学生更好地适应飞速发展的社会。其次，创客教育的方式让学生在开放的思维中进行发明创造，学校营造出一个创新的氛围，挖掘出对科技创新感兴趣的学生。

最后，从社会层面进行分析。当今世界是一个瞬息变化、高速发展的社会，只有培养不断创新、勇于面对挑战的能力才能永远立于不败之地。无人机创客教育课程所注重的就是灵活运用所学知识，在实践中提升自身能力，从而更好地适应未来社会发展需求。

发展现状

2015年3月11日,国务院印发《关于发展众创空间推进大众创新创业的指导意见》之后,各地政府对创客教育均发布推进性意见,各类院校建设了众多创客空间,机器人创客、3D打印创客等创客空间层出不穷。可见，创客教育在我国发展之快。

图2 scratch 2.0 编辑器

目前，全美已有MIT、哈佛大学、斯坦福大学等在内的近百所高校开设了创客空间，不限年级、不限学科，面向所有学生开放。2011—2014年间，创客教育在我国悄然兴起，并在大踏步地摸索前进，北京、上海、深圳等城市是国内创客教育的领跑者。2015年以后，通过建设创客空间、举办创客大赛、文化节、成立创客俱乐部、召开创客教育研讨会等多种方式，大大推动了国内创客教育的快速发展。创客空间飞速发展也衍生出如下一些问题。

“工具”单一

目前，市面的创客套件大多以电子模块、积木搭建为主，提及创客大多数师生会第一时间想到陆地创客套件、机器人小车等。过于单一的创客套件很大程度限制了学生创新创造能力的培养。

衔接度低

创客教育意在将自己的想法变为现实，从单独制作和集体活动中发挥自己的特长并发现自己擅长的“领域”，以便为后续的学业职业规划起到一定的参考作用，但目前的创客活动以兴趣类手工制作为主，与将来的高(职)教内容衔接度不够。

体系化不强

当前创客教育的课程过于零散，课程间关联性及衔接度不够。松散的课程体系不利于创客教育的延续且很难培养学生良好的知识结构。

无人机解决方案

杭州集点科技有限公司的无人机创客教育针对以上问题及现状做出了相应的方案，在无人机设备研发上以贴近学生及学校实现创新需求、培养学生逻辑思维为向导，开发多元化功能，让教学“工具”不再单一。学生可实际感受各零部件的工作原理，遥控手柄多元化，除操作飞行外添加遥控手柄编程功能，设备硬件开源，可进行scratch、Arduino、Python等编程。这些内容让孩子的思维不应该限于单一知识框架和逻辑框架，而是能多维度思考，延展知识广度。该套装融合多元化知识，让孩子在丰富多彩的各科类项目的实践中，通过广泛探索，创意挑战，培养他们创新思维和解决问题能力，掌握新技能了解新科技，学会应有的社会技能和品质。

通过无人机与编程相结合自主研发课程，杭州集点科技有限公司已有完善的课程体系，启蒙、启发、启程、启航四版完整的课程可贯穿小学到初中、高中的兴趣课堂。课程富含全面的电子、物理、数学、工程等知识点，在枯燥的课堂上融合了实际无人机组装，动手制作实验、刺激的竞速障碍比赛、编程室内模拟场景再现、Flash动画软件等。让无人机课程拥有“趣味性强”、“内容丰富”、“软硬结合”。为职高或含有无人机专业的学院提供相应的人才知识教学培养。在孩子天性最自由最富想象的年龄段，发现并培养每个孩子独有的天分和创造力，最大程度地发掘孩子们的创新思维和动手能力。

学校急需开设智能无人机课程，借鉴建构主义理论和多元智能理论，研究和探索智能无人机课程在基础教育中的教学模式和教育价值。

教学目标

我们将智能无人机课程的具体教学目标初步定位为以下几个方面。

(1)知识方面

无人机创客课程使学生了解智能无人机这个学术前沿领域的发展和应用状况，了解智能无人机的概念和工作原理，提高对无人机的认识，为进一步学习无人机的有关知识打下基础。

(2)能力方面

无人机创客课程使学生了解智能无人机的各种传感器、控制系统及动力装置的作用。理解体会程序是智能无人机的灵魂，了解无人机是怎样在程序的自动控制或者人的控制下工作的。

无人机创客课程使学生学习一种和无人机自动控制相关的计算机编程语言，通过对无人机自动控制算法的了解来训练科学而高效的思维方式，提高逻辑思维能力、规划能力，提高学生分析问题和解决问题的能力。

无人机创客课程通过模拟及实战项目的完成，在组装与操控无人机的过程中培养学生的动手能力、协作能力和创造能力。

(3)情感方面

无人机创客课程通过介绍高科技领域学科发展前沿和我国空中机器人的先进技术培养学生的爱国主义精神、科学精神、顽强拼搏精神，激励中学生确立正确的世界观、人生观和价值观。

无人机创客课程培养学生对人工智能技术的兴趣，真正认识到智能无人机对社会进步与经济发展的推动作用，积极参加无人机设计比赛、无人机竞技比赛等各种课外活动。在竞赛活动中培养学生的创新意识、团队意识和竞争意识。

图3 杭州集点科技有限公司的无人机创客教育体系方案

图4 杭州集点科技有限公司的无人机创客教育风采展示

教学内容

无人机创客课程将智能无人机内容的教学纳入到课程中，使其成为具有特色的创新课程。智能无人机课程的知识结构可由下列四个模块组成。

(1)无人机概况

教学内容包括无人机概念、无人机原理、无人机历史、无人机与人、无人机与社会等内容。

(2)无人机编程

教学内容包括：Scratch、Mixly、Python、C等编程语言及编程平台的使用，能面向问题进行编程设计，了解无人机程序控制的原理。

(3)无人机硬件

教学内容让学生了解无人机的硬件结构体系，重点了解其机械结构、驱动系统、控制系统、感觉系统、通信系统的原理与结构，学会无人机的模块化组装、控制与维护方法。

(4)无人机应用

教学内容让学生了解无人机的功能、应用领域、应用方法与效能，了解无人机或其他智能机器的操作、使用与维护方法。学生要能够在各种无人机知识与能力竞赛中，创造性地综合运用所学知识。

实验室

无人机创新实验室建设方案涵盖了实验室功能区域设计、主要设备组成及技术优势，该公司深度契合当前教育行业产学融合的要求，为创新实验室方案建设提供全面而深入的发展与规划。

(1)无人机组装调试区

无人机组装调试区针对刚入门学生进行第一阶段教学，教学任务是通过组装拆解，学习无人机基本理论知识。无人机组装调试区配备相应的桌椅，适合教学操作。

(2)3D打印操作区

机械结构设计区提供无人机零部件，同时配备3D打印机，学生可以动手将所有部件按照实验指导书组装成一架完整的无人机，也可以自行设计部分外观和结构，通过3D打印技术实现。通过组装让学生熟悉无人机结构与原理，了解相关组成部件。

图5 实验室功能区规划

图6 无人机入门课程内容架构

图7 无人机进阶课程内容架构

(3)电脑编程区(模拟飞行区)

模拟飞行课程通过模拟软件的学习，让学生养成正确飞行习惯，还有飞行中的注意事项。模拟软件可以加快学生方向感及飞行意识的养成，为驾驶真机做准备。模拟过程中，模拟飞行课程要提升同学们的动手能力，手眼协调力，以及三维空间辨识度。

开源系统、扩展模块、图形化编程等课程内容培养学生开发硬件和软件的能力，提升学生思维能力，为下一阶段比赛打下坚实基础。

模拟飞行区需配备多台电脑。

(4)安全飞行区

安全飞行区为实训室无人机试飞提供安全区域，一是防止人员安全意外发生；二是对无人机设备进行保护，防止碰撞损坏；三是该区域提供无人机比赛相关场地，学生可在该区域进行模拟比赛飞行。

安全飞行区配备4m×4m安全飞行网。

课程体系

(1)无人机入门课程

无人机入门课程模块启蒙通过无人机零部件讲解飞行原理等基础知识，运用理论与实验相结合使学生增强学生学习兴趣，通过团队配合动手组装无人机，增强动手能力，了解结构组成，激发青少年创造力，培养学生动手及操控能力，为编程课程做基础。

图8 无人机扩展课程内容架构

图9 无人机高级课程内容架构

(2)无人机进阶课程

无人机进阶课程加强孩子对无人机编程的认知，通过初级课程学习在结合scratch图形化编程，加强对无人机编程软件的了解。通过计算机、平板等对无人机进行编程，提升学生的大脑思维。通过室内模拟场景再现，拓展孩子的思想空间，锻炼孩子解决问题的能力，增加孩子的自信心。

(3)无人机扩展课程

无人机扩展课程让学生了解无人机与开源硬件的结合。无人机融入Arduino，支持Mixly图形化编程，通过与开源硬件的结合，可兼容各类传感器，也可进行3D打印工艺，可以让学生了解到生活中各类传感器，增强学生逻辑思维，通过灾难救援模拟场景再现让人工智能真正运用在生活中。

(4)无人机高级课程

无人机高级课程让孩子通过对无人机底层结构的修改，真正的了解C语言。无人机主要涉及无人机的底层应用，C语言方向，Arduino开源版，通过对底层C语言的修改与开源硬件的结合，让无人机的功能变得更加强大，可通过C语言进行编队飞行，实现无人机舞蹈队，增强学生逻辑思维、动手能力以及编程能力。

教学模式

按照普及与提高相结合的原则，我们将智能无人机课程的教学模式分为三种：专门课程模式、学科整合模式和兴趣小组模式。

(1)专门课程模式

专门课程作为信息技术课程的选修课，学校在教学计划与课程安排中有“智能无人机”的专门课程，每月按课表开展有关无人机的课堂教学活动。

(2)学科整合模式

学科整合模式是指将无人机教学内容整合到其他课程的教学中。由于智能无人机技术融合了制造技术、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件和人工智能等众多先进技术，充分地体现了当代高新技术多个领域的先进水平。因此在中学数理学科的各种研究性学习中，课程都可以与智能无人机技术开展整合，将智能无人机技术内容有机地融入这些学科的教学中。

(3)兴趣小组模式

根据爱好，兴趣小组吸纳数理逻辑强、创新意识强、动手能力强的学生10～20人组成智能无人机兴趣课外活动小组，培养才干，发挥特长，作为学校代表队，参加各级各类无人机竞赛活动。学生在活动过程中，能够始终感受着失败的遗憾和成功的喜悦，从而树立成就感和自信心，发展良好的个性心理素质；同时，小组成员回到本班以后，又能成为“小老师”，帮助其他同学，进而全面提升智能无人机学科教学的整体水平。

阶段课程目标评价

(1)第一阶段——教学

第一阶段主要以教学为主，以班级或自愿报名的形式，组成无人机实验室。无人机主要使用仿真实验平台来进行系统教学。这个阶段的标志性价值：开发出试用于教学的教材，开设无人机公开课，邀请市教育系统和其他学校老师观摩，并在地区进行推广。

(2)第二阶段——比赛

第二阶段启动以比赛为主的项目小组，由老师挑选在第一阶段学习中成绩突出的学生，分小组准备教育部、科协、人工智能协会等举办的国际、国内的各类比赛。在这个阶段，无人机要进行大量的扩展、外形改进、无人机活动场地制作、比赛规则培训等。

阶段标志性价值：全面投入各类比赛项目，为学校争取荣誉。

(3)第三阶段——开源二次开发(中学阶段)

第三阶段以开发研究为主的实验室系统为主，由老师和骨干学生组成研究小组，在无人机实用功能开发、无人机通信、无人机群体社会性研究、无人机视觉、语音开发等项目上做系统开发。阶段标志性价值：争取每年有1～2项开发成果，可以参加创新大赛或申请专利。

保障服务

杭州集点科技有限公司负责人认为，无人机创客教育离不开无人机企业的保障服务。该公司不仅提供教学课件、教具，而且面向具有特定需求的合作伙伴，提供定制化的无人机创客实验室建设方案与无人机竞赛方案。

无人机创客教育离不开企业和学校的互动和支持，一方面企业进校授课易于理清质量管理要素、加快产品创新能力转变、提高产品的一致性、实现小批量多品种生产，进而建立标准化的技能评估模型；另一方面学校老师进企业有利于加强双师型交流，提供顶岗、轮岗实习机会，实现就业输出。

更重要的是，加强企业和学校的互动有利于推动学校的师资培训。到校培训企业按学校通知时间派有经验的技术人员到用户现场，根据用学校确认的方案进行设备的安装、调试、直至设备正常运行。然后技术人员将严格按照前期课程规划方案和产品出厂技术说明书进行产品培训。

到校培训完成后，企业会定期对用户回访调查上课情况，并支持QQ、微信、电话、远程技术培训及交流，如遇特殊情况可在 24h内抵达现场培训。

企业会定期组织无人机专业教师培训班，会邀请相关专业学校的老师和无人机行业应用公司交流学习。让老师可以了解到无人机发展现状及未来应用趋势，为后期的学校课程规划提供一些思路。