林勇男 王小華

【摘 要】無人機全稱“無人駕駛飛行器”（Unmanned Aerial Vehicle），英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置的不載人飛機。近年來，隨著無人機研發(fā)技術(shù)逐漸成熟，制造成本大幅降低，無人機在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。文章介紹了基于Swift Playground軟件的無人機編程實踐，通過課例展開論述;其中在探索過程中遇到的軟硬件、課程設(shè)置等問題及解決的辦法;最后總結(jié)完善課程的體系構(gòu)建，讓學(xué)生在校園中體驗前沿科技的魅力。無人機編程正悄然進入學(xué)生們的學(xué)習(xí)，并成為學(xué)生們喜愛的學(xué)習(xí)方式之一。

【關(guān)鍵詞】編程;無人機;小學(xué);課程案例;教學(xué)應(yīng)用

【中圖分類號】G434? 【文獻標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2020）04-065-03

我校在2017年引入iPad與無人機教學(xué)。蘋果公司Swfit Playground編程軟件與其周邊產(chǎn)品Parrot無人機達到較好的匹配，可較好地用于教學(xué)。我校是區(qū)域內(nèi)最早開設(shè)無人機編程課程的小學(xué)。自社團開設(shè)至今，現(xiàn)已經(jīng)將無人機編程課程發(fā)展為常規(guī)課程普及。“讓學(xué)生走向世界，讓世界走進學(xué)?！?，讓孩子們在校園中能體驗到前沿科技的魅力，無人機編程正悄然進入孩子們的學(xué)習(xí)，并成為孩子們喜愛的學(xué)習(xí)方式之一。

初識Swfit Playround，尋找切合深度

作為一名計算機教師，筆者把新科技應(yīng)用于自己的教學(xué)中，沒有標(biāo)準(zhǔn)的教材可以參考，一切都是摸著石頭過河。從使用軟件的認識，到利用無人機完成復(fù)雜任務(wù)，筆者在教學(xué)中探索，和學(xué)生一起進步，從而積累更多的無人機教學(xué)經(jīng)驗。

1.編程軟件和無人機

編程是這門課的核心，也是鍛煉學(xué)生思維的起點與落腳點。因此選用合適的編程軟件是首要問題。市面上的編程軟件難度層次不一。在編程教學(xué)中，適合學(xué)生的優(yōu)秀編程軟件就有Scratch、App Inventor等，蘋果公司一直在推動 Everyone Can Code 的行動，結(jié)合 Swift 編程語言，利用 Xcode和Swfit Playground App，讓編程教育覆蓋從小學(xué)到大學(xué)直到職業(yè)生涯的全過程。作為入門級的Swift 編程軟件，其更接近真實的代碼編程，適合小學(xué)生進階級的編程學(xué)習(xí)，因此Swift 成為學(xué)校高年級的編程學(xué)習(xí)軟件。又因Parrot無人機飛行穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)牢固、飛行時間較長，同時與Swift 深度切合等優(yōu)勢，成為課程首選的設(shè)備。

2.無人機飛行影響因素與場地選擇

環(huán)境因素包括：（1）空域，保護良好且人口和設(shè)施少的場地和空域;（2）天氣，天氣對無人機飛行很重要，特別是風(fēng)向、風(fēng)速等;（3）可用通信頻率，使用正確的可用通信頻率也是無人機飛行的重要因素。

得益于iPad的便攜性，我們的課程不局限于教室內(nèi)。考慮到Parrot本身重量較輕，受風(fēng)速與風(fēng)向的影響較大以及其他因素，為了能通過編程較為準(zhǔn)確地完成制定的任務(wù)，我們選擇學(xué)校的體育館作為課程開展的場所。

3.課程的設(shè)置

作為編程教學(xué)，無人機只是載體和形式，教學(xué)的設(shè)計才是核心。因此，我們要確定適合小學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，以及怎樣教授更符合小學(xué)生的思維邏輯，最后把握適合小學(xué)生的難度。

首先，我們要教Swfit Playground編程軟件，這是小學(xué)生自由創(chuàng)作的基礎(chǔ)。在軟件中編程最能鍛煉學(xué)生邏輯思維能力，因此是重點。我們還要讓學(xué)生學(xué)習(xí)無人機的基本常識，了解空氣動力以及無人機是如何飛行的;讓學(xué)生掌握無人機的無線連接與程序?qū)朐囷w;開放課堂，讓學(xué)生自主思考，發(fā)展孩子的創(chuàng)新性思維。

其次，為了讓課程更加適應(yīng)小學(xué)生的思維模式，教師以任務(wù)驅(qū)動教學(xué)，而不是技能單獨學(xué)習(xí)。在一年的學(xué)習(xí)中，學(xué)生掌握了簡單而常用的功能。結(jié)合我校的實際情況，教學(xué)課程內(nèi)容設(shè)計如下：（1）初識Swfit Playground——了解Swfit編程語言的歷史;（2）學(xué)習(xí)編程——命令、函數(shù);（3）學(xué)習(xí)編程——循環(huán);（4）學(xué)習(xí)編程——邏輯運算;（5）無人機飛行基本原理;（6）初級飛行員課程——起飛與降落，升降與橫滾;（7）初級飛行員考核——垂直方形;（8）初級飛行員課程——俯仰與偏航;（9）初級飛行員考核——水平方形;（10）高級飛行員課程——盤旋;（11）高級飛行員課程——有條件限制飛行;（12）高級飛行員課程——抓鉤的利用;（13）高級飛行員課程——攝像頭使用;（14）高級飛行員進階考核——快遞配送;（15）皇牌飛行員進階考核——山洪救援。

這些課程主要依據(jù)學(xué)生的年齡和心理特點設(shè)計，學(xué)生學(xué)習(xí)這些課程鍛煉思維，促進創(chuàng)新意識的萌發(fā)。這門課的目的是培養(yǎng)有創(chuàng)造力的人才，提高學(xué)生STEM素養(yǎng)。在保證基本知識技能的基礎(chǔ)上，更需要注意的是學(xué)生創(chuàng)造力和實踐能力的培養(yǎng)。

“山洪救援行動”項目探索與實施

課程設(shè)計思路：在項目驅(qū)動和設(shè)計思維教學(xué)模式下，學(xué)生合作探究運用Swfit Playground編程，通過有效整合各類函數(shù)實現(xiàn)山洪救援中會遇到的災(zāi)情偵測與物資投放。通過播放山洪爆發(fā)、村落被困的視頻，激發(fā)設(shè)計救援偵測的任務(wù)，分析無人機編程所需要的程序模塊，更深入地掌握程序模塊中參數(shù)的意義，掌握無人機飛行模式程序模塊，學(xué)會無人機抓取程序模塊。

團隊合作組織：學(xué)生三人一組，承擔(dān)不同角色，分別為機長，副機長，領(lǐng)航員。機長負責(zé)全隊協(xié)調(diào)觀察并給出指導(dǎo)性意見，副機長負責(zé)程序的編寫，領(lǐng)航員負責(zé)現(xiàn)場無人機的初始化與測試以及討論的記錄。

1.引導(dǎo)分析路線，引出技術(shù)解決方案

學(xué)生需要用Mind Vector軟件進行頭腦風(fēng)暴，記錄思路，畫出無人機需要飛行的路線。飛行線路一：從起點出發(fā)，從側(cè)邊繞過山峰到達受災(zāi)點。飛行線路二：起點出發(fā)，越過山頂直接到達受災(zāi)點。根據(jù)路線圖，提出實現(xiàn)無人機飛行路線，需要解決哪些技術(shù)問題。教師適時參與學(xué)生小組的討論，引導(dǎo)孩子們自行得出需要解決問題的辦法，并引出技術(shù)函數(shù)，指導(dǎo)學(xué)生用Mind Vector記錄內(nèi)容。

引出move函數(shù)，其中move函數(shù)可以實現(xiàn)無人機的升降、橫滾和俯仰三種飛行狀態(tài)。

2.任務(wù)提升之一—— 拍照

了解一線救援實際情況，就能取得更好的救援效果。如何讓無人機帶回最真實的現(xiàn)場，引出拍照。takePicture（）可以觸發(fā)函數(shù)觸發(fā)攝像頭，同時使用Parrot FreeFlight-Mini應(yīng)用程序來查看拍攝圖片。

3.任務(wù)提升之二—— 攜帶物資

偵測任務(wù)完成，攜帶物資成為無人機最重要的任務(wù)，“如何讓無人機實現(xiàn)攜帶物資，并在正確的地點實現(xiàn)物資投放？同學(xué)們想想需要解決哪些技術(shù)問題?！苯處熯m時參與每個組討論，引導(dǎo)孩子們自行得出需要解決問題的辦法，并引出技術(shù)函數(shù)，指導(dǎo)學(xué)生用Mind Vector記錄內(nèi)容。

認識grab函數(shù)，首先將抓鉤安裝到無人機上，無人機的軟件顯示畫面有變化。然后可以使用openGrabber（）打開抓鉤和closeGrabber（）關(guān)閉抓鉤，使用無人機抓鉤配件，完成物資的運輸與投放。

4.試飛與調(diào)試

掌握了move、takePicture、grab函數(shù)，就需要程序編制和調(diào)試飛行，利用三人團隊方案能比較好地解決試飛過程中出現(xiàn)的問題。

學(xué)生基于討論的飛行路線，通過小組合作，進行編程嘗試災(zāi)情地的拍攝，同時記錄下飛行數(shù)據(jù)。在已知路線下，完成物資的投放。

教師在此階段中，需要特別關(guān)注每個組的活動情況，引導(dǎo)孩子做好問題記錄，和學(xué)生一起分析解決試飛過程中的問題。在飛行過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)以下問題，比如在飛行過程中，藍牙通信中斷，導(dǎo)致無人機飛行失控，這時會出現(xiàn)一些緊急情況，需要及時停止設(shè)備，防止發(fā)生危險。同時學(xué)生看到危險情況，會在一定程度上對無人機心生抗拒，教師需要對這一部分學(xué)生做心理疏導(dǎo)。由于無人機本身抗風(fēng)性等相對較差，在飛行過程中偏差較大，整個調(diào)試過程需要耐心與細心，因此教師在與學(xué)生溝通解決方式的同時，要積極鼓勵學(xué)生保持耐心。

實踐反思

課堂中，鼓勵學(xué)生了解無人機工作原理并依據(jù)此設(shè)計方案，嘗試解決生活中實際問題，不僅有利于鍛煉學(xué)生的動手能力、創(chuàng)造力、問題解決和團隊協(xié)作能力等，而且能有效激發(fā)學(xué)生對智能科技和航空科技的興趣，加深學(xué)生對物理、數(shù)學(xué)、計算機等學(xué)科知識的理解。我們深知，課程實施是一個繁復(fù)的過程，一堂完美的課需要教師縝密的思考和巧妙的設(shè)計。編程能力，它不僅是智能時代用于表達和交流的語言，更能培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思辨、計算思維和創(chuàng)造力。

參考文獻

[1]吳立巍. 無人機飛行試驗要素分析[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2015（24）.

作者單位：浙江杭州上海世界外國語小學(xué)? 浙江杭州市明德小學(xué)