获奖等级：国家级
课程类别：虚拟仿真实验教学一流课程
完成单位：电子信息工程学院/集成电路学院
课程负责人：雷磊
课程团队其他主要成员：昂海松、王成华、郑祥明、蔡圣所
一、课程概况
本课程依据《无人机集群技术》课程大纲及关键知识点，结合无人机集群的应用背景，以“装配多旋翼无人机并实现群体协同”为实验任务，构建了基于作战假定的虚拟仿真实验情景。本课程旨在使学生掌握多旋翼无人机装配与参数调试、无人机集群链路预算与组网、无人机集群协同与自主避障相关的技术原理和实验方法，通过虚实结合的线上线下混合式教学，培养学生探究式的思维方式和解决复杂问题的综合能力。
二、课程建设与改革举措
（一）教学资源建设
本课程构建了数字化实践教学体系，包括四个部分。如图1所示，首先是以“长空精神”荣誉观、“交叉融合”系统观、“大国重器”工程观、“群体协同”方法观为核心的课程思政元素；其次是由高等教育出版社出版的“无人机集群技术”数字课程；第三是在高等教育出版社出版的工信部“十四五”规划教材《无人机集群技术》的基础上，即将出版的数字化教材；最后是以“多旋翼无人机装配与群体协同虚拟仿真实验”国家级一流本科课程为基础，借助虚拟现实技术进一步完善的虚拟仿真实践项目。
图1 基于虚拟现实技术的数字化实践教学体系
（二）教学内容
本实验包含3个目标明确，逻辑清晰的环节，共6学时，对应《无人机集群技术》课程大纲的12个关键知识点。实验开始后，学生在虚拟环境中置身于敌我双方对峙的某海岛。学生首先在我方军事基地的装配室完成多旋翼无人机装配与参数调试实验环节，保证无人机平稳飞行。然后在基地的试飞场，完成无人机集群链路预算与组网实验环节，保证无人机与其邻居节点之间可靠的信息传输。最后在随机布设障碍（威胁区域）的海岛上空完成无人机集群协同与自主避障实验环节，无人机协同到达敌方基地上空并进行覆盖。
图2 本实验项目总体框架
（三）实验教学方法
本课程综合采用了任务驱动式、情景体验式和容错探究式教学方法，首先，本实验采用任务驱动式教学方法，实验内容围绕问题导向的任务线索展开，使得学生将课堂上所学的理论知识与具体工程任务相联系，调动学生参与实验的积极性和主动性。第二，本实验充分发挥虚拟仿真教学的优势，设计了基于多旋翼无人机集群作战想定的虚拟仿真实验情景，开展情景体验式教学。学生很容易掌握实验目的和教学内容，理解实验考核指标设计的内涵。第三，本课程引导学生开展容错探究式的自主学习过程。实验项目的容错设计为学生开展自主探究学习提供了保证。学生在自主探究学习过程中形成了对知识的自主构建，培养了探究性的思维方式，提升了分析问题和解决问题的能力。
图3 以学生为中心的实验教学方法
（四）教学设计
本课程设计了虚实结合的教学过程，教学是多个虚实切换，在虚拟环境装配，再到真实环境完成装配，接着回到虚拟仿真环境设计仿真参数，实现可靠组网与协同，最后又回到真实环境完成实际集群实验。通过多轮虚实迭代，培养学生探究式的思维方式和解决复杂问题的综合能力。
图4 虚实结合的无人机集群技术实践教学过程
课程团队依托虚拟现实技术创造了高度真实实验环境，基于5G网络的多人虚拟现实协同技术实现了在虚拟环境中的协同操作和个性化学习。借助VR/MR设备，构建空间互联网，开展跨校区虚拟仿真教学，促进无人机集群实验的远程教学和资源共享。
图5 基于虚拟现实技术的跨校区无人机集群技术实践教学
图6 基于虚拟现实技术的跨校区无人机集群技术实践教学获奖
（五）考核评价
本课程评价体系的主要特色包括：第一，面向任务的实验成绩评价指标。实验采用了任务驱动式和情景体验式实验教学方法，因而实验成绩评价模型中的评价指标均来源于实验任务要求达到的性能指标，学生完成任务的质量是实验成绩评定的重要依据。第二，面向学生能力的实验成绩评价方法。针对容错探究式实验教学方法，实验的成绩评价重点是学生分析问题和解决问题的能力。实验报告中的解决方案或参数取值并不唯一，但实验结果（即实验任务的完成质量）具有一致性。通过实验任务的完成质量，实验成绩评价模型自动对学生能力进行考核。
三、课程主要特色
首先，本课程有效拓展了传统实验教学的范围。多旋翼无人机集群节点数量多，外场实验成本高、风险极大。在装配失误、参数设置不合理、操控不熟练等多种情况下，多旋翼无人机极易发生坠机事故，危及学生安全。本实验将实际情况下高危的多旋翼无人机装配及群体协同实验以虚拟仿真的方式展现给学生，有效拓展了传统实验教学的范围。其次，本课程坚持以学生为中心的教学理念，课程采用了虚实结合的线上线下混合式教学方法，基于虚拟现实技术，实验情景吸引力强，有利于调动学生的学习兴趣和积极性。第三，本课程通过环环相扣的3个实验环节，将知识学习和能力提升有机融合，引导学生通过容错探究式的实验过程得到个性化的实验结果，培养学生解决复杂问题的综合能力和探究式的思维方式。第四，本课程的挑战度高，实验知识点源于课堂，但实验内容来源于无人机集群技术领域的前沿，实验仿真程序和模拟数据均来源于科研中的实际程序和实测数据，通过虚拟仿真实验的持续建设和改进，学生能够通过实验了解科技最前沿，拓展了实验教学内容的时代性和先进性。第五，将立德树人融入教学全过程，构建了“四观统一”的课程思政体系，包括以“长空精神”为核心的荣誉观、以“交叉融合”为核心的系统观、以“大国重器”为核心的工程观、以“团结协作”为核心的方法观。
四、课程建设成效
本课程入选首批国家级一流本科课程，自项目上线以来，面向高校和社会免费开放，已被60所高校采用，总实验人次达2.2万余次。
图7 国家级一流本科课程证书和课程共享应用证书
本课程在国家虚拟仿真实验课程共享平台公开，目前已被全国60所高校采用，总实验人次达2.19万余次；在校内实践教学中，本课程获得了学生的高度评价。2019年至今，课程团队指导学生获得中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛国赛金奖3项、银奖3项；在2020年TI杯江苏省大学生电子设计竞赛中，课程团队指导学生的多旋翼无人机作品从800多个参赛队伍中脱颖而出，捧回TI杯并获一等奖；2022年，课程团队指导学生的作品“面向电子侦察的智能无人机集群系统”获得“兆易创新杯”第十七届中国研究生电子设计竞赛全国总决赛一等奖。同时，课程团队与南京理工大学等高校合作共享，并在中国航天科工集团八五一一所、中国电子科技集团公司第二十八研究所等科研院所的技术人员培训中得到应用。
本课程建设服务于面向空天的电子信息人才培养，相关成果“空天科技时代电子信息人才培养生态体系构建与实践”于2022年获国家级教学成果二等奖，本课程负责人排名第2。
图8 实践教学团队指导学生完成的无人机集群作品获研电赛全国总决赛一等奖
图9 课程团队建设成果荣获国家级教学成果二等奖