河湖监管背景下无人机课堂实践教学案例.pdf

模具制造 2023年第9期河湖监管背景下无人机课堂实践教学案例*邓仕雄，邹宇，刘继庚，汪兴，林国敏（贵州水利水电职业技术学院，贵州贵阳551416）【摘要】立足于教学设计、思政元素、实训基地建设、技能竞赛等几方面内容，将无人机遥感技术在河湖监管中的应用引入无人机课堂，开展实践教学。具体通过模拟超低空穿越、河湖问题探查取证等实践教学提高学生对无人机的操控熟悉程度，强化影像采集、影像分析等河湖监管中涉及的专业技术方法。实践表明：该教学案例在提升学生在无人机飞行技术方面的水平、数据处理与分析的能力具有积极推动作用。关键词：无人机；课程教学；遥感技术；河湖监管中图分类号：G712文献标识码：BDOI：10.12147/ki.1671-3508.2023.09.025UAV Classroom Practice Teaching Case underthe Background of River and Lake SupervisionDeng Shixiong,Zou Yu,Liu Jigeng,Wang Xing,Lin Guomin（Guizhou Vocational and Technical College of Water Resources and Hydropower,Guiyang，Guizhou 551416，CHN）【Abstract】Based on several aspects such as teaching design,ideological elements,practicaltraining base construction and skills competition,the article introduces the application of droneremote sensing technology in river and lake supervision into the drone classroom and carries outpractical teaching.Specifically,through the simulation of ultra-low altitude traversing,river andlake problems probing and evidence collection and other practical teaching to improve studentsfamiliarity with the control of drones and strengthen the image acquisition,image analysis andother professional technical methods involved in river and lake supervision.Practice shows thatthis teaching case has a positive effect on improving students level of UAV flight technology andtheirabilitytoprocessandanalysedata.Key words:UAV;course teaching;remote sensing technology;river and lake supervision*基金项目：2022 年 贵 州 省 水 利 厅 水 利 科 技 项 目（KT202220）；贵州省教育发展研究重大项目（GZJK2022006）；贵州水利水电职业技术学院校级课题（GSZK2022010）。1引言全面推行河湖长制，是以习近平同志为核心的党中央立足解决我国复杂水问题、保障国家水安全，从生态文明建设和经济社会发展全局出发作出的重大决策1。开展河湖健康评价对深入落实“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”新时期治水思路，推动“水利工程补短板、水利行业强监管”总基调向纵深发展，加快推进水治理体系和治理能力现代化，建设幸福河湖具有积极推动作用2。部分学者在相关方面开展了大量教学实践，并取得成效37。基于无人机课堂教学现状，将无人机遥感技术在河湖监管中的应用引入课堂教学，提高学生飞行水平、数据采集与分析的能力。通过对学生从业前引导，为本省水利监管部门培养无人机监测队伍，提高监测水平与素质，对水域岸线保护、水质监测、水生态保护等方面工作具有推进作用及意义。模具专业教学与实践86模具制造 2023年第9期2教学设计内容2.1教学设计思路本课程是工程测量技术专业的一门集专业性和实践性于一体的专业必修课程。培养学生从事航空摄影测量工作应具备的知识和技能，主要学习内容包括摄影测量与遥感基础理论、航空摄影测量技术设计书、技术总结编写、无人机飞行及原理、无人机保养与维修、航空摄影测量数据采集流程、无人机数据产品的生产及摄影测量与遥感在行业中的应用等。通过课程学习，使学生能够独立操控无人机，具备数据采集、数据处理、数字产品的制作及后加工等能力。按照工程测量员、摄影测量员国家职业标准（高级）制定课程标准，结合行业职业岗位实际工作任务相关要求，课程采取行动导向，以典型的航空摄影测量教学案例来进行施教，并以学生为主体，面向生产实践，着力实践环节的组织和利用，达到增强学生应用能力和实践能力的目的。2.2课程评价课程评价是指检查课程的目标、编订和实施是否实现了教育目的，实现的程度如何，以判定课程设计的效果，并据此作出改进课程的决策。其类型主要包括教师教学工作的评价和学生学习的评价，如表1所示。表1课程评价内容2.3思政元素进课堂“课程思政”的本质是学科德育，课程思政是落实立德树人根本任务的理念创新和实践创新，课程思政是一种教育理念，是对包括思想政治理论课在内的所有课程的要求。教师要做到“以 培养什么人 这个教育的首要问题为根本导向，以促进学生成长成才为出发点和落脚点”，结合课程、专业以及学科的实际，挖掘课程所蕴含的思想政治教育元素。结合学科与专业的形成背景、发展历程、现实状况和未来趋势，特别是专业的人才培养特点以及学生未来所从事工作的职业要求，从职业道德、职业技能、职业作风和职业意识等方面挖掘，本文将课程教案对应思政内容，最终建立课程思政案例库，将思政案例与教案更好的融合，达到润物细无声的效果。表2为部分思政内容。表2课程思政渗透部分案例3实践教学条件及保障3.1教学条件目前学院建有数字测图、空间数据获取及处理、水资源环境监测等相关专业实训室，实训配备工作站、电动无人机航测遥感系统（固定翼）、电动倾斜无人机航测遥感系统（六旋翼）、大疆精灵4RTK无人机、大疆御系列无人机等相关教学设备及专业数据处理软件，学院还组建了无人机社团及训练实训基地，完全满足本专业教学工作开展。3.2师资保障近年来，学院先后派遣4名教师考取无人机驾驶证，其中AOPA两名，UTC两名。学院先后组织多次航飞及数据处理等相关培训，并采集了部分数据，制作了一些列数据成果，如利用中海达D7六旋翼无人机采集影像制作了贵州水职院实景三维模型，如图1所示。并基于三维模型制作了DLG、DEM等数字产品。除此之外，学院还邀请企业经验丰富的飞手到课堂中为学生讲授野外无人机飞行经验。图1贵州水职院三维模型方式内容按课程时间划分诊 断 性 评 价（教 学前）、形成性评价（教学中）、总结评价（教学后）。教师教学工作评价教学设计的评价、教学实 施 的 评价。学生学习评价知识与技能目标、过程与方法目标、情感态度和价值观目标。评价主体自我评价、他人评价。案例名称无人机禁飞及国家安全无人机竞赛无人机驾驶航天航空遥感在土地利用与乡村振兴中的应用遥感技术助力疫情防控教学目标通过这种类型的教学设计脱离乏味的说教，却可以达到良好的爱国主义教育效果。通过本案例，培养学生的知识技能，使学生追求技艺上精益求精、操作上严谨规范、团队上协调工作，做好学生思想引领和价值观塑造，弘扬劳模精神和工匠精神。培养学生的职业素养、懂法守法，促进学生综合素养的提高和正确价值观的塑造。让学生具有社会责任感，为乡村振兴贡献自己一份力量。树立学生履行时代赋予使命的责任担当，激发学生报国的理想情怀，从而满怀创新精神及奉献精神。模具专业教学与实践87模具制造 2023年第9期4无人机课堂实施案例无人机飞行实践通过模拟超低空穿越岸滩及河湖问题探查取证两项内容来提高学生的飞行操控水平，其中超低空穿越岸滩主要考察学生超低空避障飞行能力，河湖问题探查主要模拟学生在复杂场景下对河湖问题的识别、取证能力。教学场地内布设有驾驶员位置、无人机起降点、操作降落区、超低空穿越岸滩（超低空绕障碍物飞行）区、河湖问题探查区等区域。场地总体布置如图2所示。图2训练场地分布图（1）起飞前准备。学生起飞前将无人机放置在起降点上。每个起降点印有3个同心矩形，长宽分别为350350mm（内框）、400400mm（中框）、500500mm（外框），以无人机轴间距落在起降点位置来评价无人机降落的精确度，中间标有方向及角度标尺，用于量测无人机降落时的方向及偏离角度，如图3所示。图3起降点样式图（2）“8字”超低空障碍物绕行。课堂中，学生对7个锥桶型“障碍物”进行“8字”绕飞。超低空绕障碍物飞行范围为矩形，长约20m，宽约6.8m，布局详情如图4所示。要求学生应保持无人机起飞姿态飞行至切入区域后，方可调整无人机机头进入超低空绕障碍物飞行。飞行过程中机头始终朝向前进方向，飞机（螺旋桨）飞行高度不得超出各障碍物顶部（高1.2m），飞行宽度不得超出边界线。“8字”飞行路线按图5指定方向绕行。“8字”超低空穿越障碍物飞行完成后，从切出区域飞出。无人机绕障碍物飞行时，不能超出规定半径范围，应注意防止与障碍物发生碰撞。同时应按照指定路径飞行，飞行中出现漏桩或未按指定线路飞行的，需返回补飞。图4超低空障碍物绕行场地布置图图5“8字航线”飞行路径图（3）河湖问题探查。“8字”飞行从“切出点”飞出后，前往河湖问题探查区域。课堂预先在指定区域（模拟河湖）内不同位置随机放置8张河湖问题探查标志物照片（尺寸为40cm40cm的二维码），二维码中间分别印有4张正确“乱占”、“乱采”、“乱堆”、“乱建”字体的标志物，及印有同样大小4张错误“”、“”、“”、“”字体的标志物，如图6所示。图6“河湖问题”标志样式学生应操作无人机分别找到正确的“乱占”“乱采”“乱堆”“乱建”4个标志物并各拍摄一张照片，如照模具专业教学与实践88模具制造 2023年第9期片数量超出4张，按时间顺序，以前4张作为成果评判对象。4个标志物照片应正向居中，字体正向且清晰可辨，详如图7所示。图7取证拍照样例（4）“M字”超低空障碍物绕行。在完成“河湖问题探查”后，学生操作无人机飞返回到“M字”航线切入点，由切入点进入超低空绕障碍物飞行区完成M字航线超低空穿越（超低空障碍物绕行）。“M字”折线超低空障碍物绕行飞行路线如图8所示，学生应操控无人机机头朝前严格按路线飞行（在转向处地面设地标），不得偏离，在转向点方可悬停转向，要求学生飞行高度不得超出各障碍物顶部，飞行宽度不得超出边界线，飞行过程中防止与障碍物发生碰撞。无人机应按照指定路径飞行，飞行中出现漏桩、漏转向点或未按指定线路飞行的，需返回指定位置重（补）飞。完成“M字”折线超低空障碍物绕行后，无人机由切出点驶出后，将无人机降落至降落区。图8“M”飞行路径及转向点布设图（5）学生飞行实践评价标准。学生经过阶段训练学习后进行考核，具体按照图5和图8设置场地，考核模拟超低空穿越岸滩及河湖问题探查取证，分别考察学生超低空避障飞行能力及在复杂场景下对河湖问题的识别、取证能力。考核标准如表3所示，根据各模块评分标准计算该项总分，70分以上视为达标，80以上为良，90以上为优。其中每项分数扣完为止，不计负分，出现摔机不能正常使用者，该项直接判为0分。表3考核评分标准（6）目标采集与分析实践。学生经过训练后进行考核，具体考核模拟河湖监管目标探测，生产正射影像并对数据进行分析。考核标准如表4所示。表4考核评分标准序号1234考核内容“8字”障碍物绕行河湖问题探查M字障碍物绕行无人机降落分值30203020评分标准无人机整体飞行高度超过障碍物顶部，每次扣2分。超出边界线，每次扣2分。无人机未从规定的切入（切出）区域内驶入（出）的，每次扣2分。无人机绕障碍物飞行，超出规定半径范围的，每次扣1分。飞行中与障碍物接触但未停机的，每次扣2分。停机但仍可飞行，每次扣2分。绕行中漏桩、未按照指定路线飞行的需返回补飞。飞行中与障碍物接触但未停机的，每次扣2分。停机但仍可飞行，每次扣2分。拍摄照片超过4张，每超1张，扣1分。拍摄照片不清晰，不易辨认，每张扣2分。字体方向偏离正向，每超过15度扣1分。4处河湖问题拍照不全，每漏1个，扣2分。拍照有误的，每错1个，扣2分无人机整体飞行高度超过障碍物顶部，每次扣2分。无人机未从规定的切入（切出）区域内驶入（出）的，每次扣2分。无人机飞行过程中超出边界线，每次扣2分。航线“不直”的每条扣1分。飞行中与障碍物接触但未停机的，每桩扣2分。停机但仍可飞行，每处扣2分。绕行中漏桩、漏转向点、未按照指定路线飞行的需返回补飞。无人机落点在中框内（跨内框），扣1分。无人机落点在外框内（跨内、中框），扣2分。无人机落点跨外边界及外框外扣2分。机身朝向与指定线夹角在超 15 以上，扣 2 分。15以内不扣分。序号1234测评内容河湖岸线航拍飞行河湖岸线航拍数据处理特定目标物间距量测单架次降落分值30302020评分标准采用RTK模式飞行的，本项不得分。出现擦碰等险情，每次扣5分。出现停机但仍能继续飞行的，每次扣5分。无数字正射影像图（DOM）文件或者损坏无法打开和显示，扣30分。给定kml文件陆上区域的正射影像图（DOM）存在空洞或范围不足，扣5分。影像出现模糊（分辨率应优于10cm）、扭曲、拉花等现象，每处扣2-5分。长度量测与标准值较差小于15cm，不扣分。较差在1530cm间，每处扣2分。较差在30cm以上，该项0分。无人机落点在中框内（跨内框），扣1分。无人机落点在外框内（跨内、中框），扣2分。无人机落点跨外边界及外框外扣2分。（下转第93页）模具专业教学与实践89模具制造 2023年第9期7加强教学常规管理1+X数控车铣考证是综合考察学生的理论与实操技能，考证主要由这两部分组成，理论与实操两大环节。由于实训机床数量有限基本上4人一台机床，当讨论完了加工工艺后1人加工其余3人几乎是没什么事情做，因此，教师要进行加强常规管理。将加工同学模拟考证形式，单人单机操作单位时间内完成，其他没有加工的同学依次顺序排开，进行任务下理论学习，如图5所示，通过学习通APP平台或者是书本来检测学生的理论知识，让学生在学习中，要么在实操学习，要么在进行理论学习，通过加强教学常规管理来提高教学效果。总之要提高教学效果不是单从某一节课去抓就可以提高，而是一个长期的反复过程。要发挥基于工作过程系统化的教学模式优点，更需要教师结合学生特点不断摸索与创新才能更好地提高教学效果，提高学生综合素养。参考文献1贺平.项目教学法的实践探索J.中国职业技术教育，2006，（22）2闵红星，李昭宇，高玉华.模拟现场教学法用于医学生心肺复苏实践J.国高等医学教育，2009，（8）作者简介：刘双喜，男，1985年生，湖北黄冈人，本科，高级技师，市优秀教师。从事模具、数控加工相关教学工作。（收稿日期：2023-05-10）图5常规教学管理（上接第89页）该模块70分以上视为达标，80以上为良，90以上为优。其中每项分数扣完为止，不计负分，出现摔机不能正常使用者，该项直接判为0分。（7）案例教学数据统计。通过具体教学实施案例，统计了课程开设年份、受益师生数量、成绩对比、支撑竞赛获奖、用人单位反馈、研究成果等近3年相关支撑数据（见表5）。表53年相关支撑数据5结语本文结合高职院校航空摄影测量课程特点，引入具体教学实施案例，使学生更好的掌握无人机飞行技术、航空摄影测量数据处理及分析等相关内容。实践证明该方法提高了学生专业技术水平，深入了解课程在行业中的应用。参考文献1石珊珊，吴镝，马晓媛，黄一为.国务院新闻发布会聚焦全面推行河湖长制五周年N.中国水利报，2021-12-23(002)2吴浓娣.以“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”治水思路为统领加快推进美丽中国建设J.水利发展研究，2021，21（04）：14173黄诗峰，江来，张芙蓉，孟德馨，孙亚勇.空天地一体化监测技术在河湖监管中的应用与展望J.中国水利，2021，（23）：41444鲁金金，卢荣山.以创新能力培养为目标的摄影测量课程改革J.大众标准化，2020，（06）：2242255刘凯，龚辉，曹晶晶.无人机参与摄影测量学课程实践教学的应用探索J.教育教学论坛，2020，（01）:2612626赵健赟.新型测绘背景下的大学生技能竞赛与教学改革J.测绘与空间地理信息，2020，43（01）：1417+227段平，李佳，周京春，王金亮.无人机背景下摄影测量学课程的实践教学探讨J.测绘通报，2020，（03）：150153第一作者简介：邓仕雄，男，1993年生，贵州思南人，硕士研究生，讲师。研究方向：无人机数据处理、职业技术教育。（收稿日期：2023-04-18）课程开设年份202120222023学生数量156154149成绩达标比例95%97%99%获奖情况无人机省赛个人一等奖 1 项、二等奖 1 项、团体赛一等奖1项、国赛团体三等奖1项。无人机省赛个人一等奖 1 项、二等奖 2 项、团体赛一等奖1项。无校企合作内容结合用人单位需要，初步定稿无人机课程实训手册。教师前往企业参加企业实践，与企业研讨并修订课程实训手册。校企合作单位参与制定课程实训手册研究成果相关论文3篇相关论文5篇相关论文2篇模具专业教学与实践93