基于学习曲线的递进式教学模式的构建——以无人机飞机吊装科目实作训练为例
吴思思，包化，刘长亮，郑海涛，王冲
（陆军工程大学 军械士官学校，武汉 430075）
装备操作训练是应用技术型人才培养过程的核心环节，然而实训环节存在学生技能储备与培养目标失配的问题。尤其是大型复杂装备实训操作难度大，对学生综合素质要求高，导致部分学生信心不足不敢练，部分学生操作“过猛”练不好。为了协调学生现有能力水平与培养目标差距过大的问题，本文以某型无人机吊装科目为例，试图研究递进式教学模式，分解任务目标，合理组织训练内容，在此基础上构建递进式教学曲线，探讨训练次数与训练时间、训练成效的规律，实现学生核心技能与综合素养的稳步提升。研究如何以最短的训练时间实现理想的训练成效，实现有限装备数量的高效利用，解决学生数量与装备数量失配的问题。
自1936年学习曲线理论提出以来，其应用逐渐拓展到工业、环保及医学等领域。在工业领域，徐有军[1]将学习曲线应用于零部件制造工时定额方法研究，提高零部件制造工时定额评估能力。刘兆年[2]等建立海上油田钻井学习曲线模型以拟合钻井工期，并将模型运用于钻井工期预测，为海上油田钻井工期设计和进度安排以及钻井作业费用的精确预算提供参考依据。环保领域，王文熹[3]等开展基于环境学习曲线的工业大气污染物减排潜力研究，构建工业大气污染物排放强度下降潜力模型。但以上研究均针对生产制造成本或资源消耗，没有迁移至专项技能的掌握应用。随后，部分学者开展基于学习曲线规律探讨训练次数与训练成效的相关研究，主要应用于医学领域专业技能学习，胡顺琴等[4]研究超声检查的学习曲线，通过分析操作得分拐点，分别对比有操作基础和无操作基础的操作人员学习该技术所需的病例数。目前关于学习曲线规律研究已经普遍运用于医学领域，实践证明能够得出较为理想的结果，帮助学习者增进信心，较快度过学习曲线，达到较为理想的操作水平。
通过文献分析表明，在医学、制造、环保等领域，基于学习曲线的研究已经较为成熟，通过学习曲线可探究训练次数（生产累计总量）与训练成效（生产成本）的关系，但是在机械操作训练领域应用较少，且较少考虑训练过程的递进性。本文基于学习曲线，构建某型无人机吊装科目递进式教学模式，分析各梯次训练效果随训练次数演变的规律，获取掌握吊装操作所需的最小训练次数及各梯次训练效果评判指标，避免训练学时设置依赖老师个人经验，提高训练效果评估的科学性，提升教学质量。
应用技术型高校以培养应用技术型人才为目标，教学过程中注重装备操作使用与维修能力的培养。实作训练是促使学生熟练掌握各项操作维修技能的必要手段，目前各专业课程中均开设实作教学模块。然而在实际教学实施过程中，尤其是复杂装备实作训练组织存在一些实际困难。
学生缺乏操作基础导致训练过程把控难度较大。对于低年级学生而言，许多大型装备如六轴机器人、无人机等结构复杂、价格昂贵、操作难度较大，并且学生前期储备知识有限，导致在实际教学训练过程中较易出现两极分化的情况。部分学生存在畏难情绪，参与训练的积极性和自信心不足；
部分学生课堂参与度高但操作准确性不足，尤其是初次训练较易出现损伤装备的情况。总体而言，训练过程与学生个体差异性关联较大，难以形成行之有效的固化模式与动作。
学生数量与装备数量失配导致训练效果提升有限。以某校某型无人机系统为例，一套无人机系统仅配备一台随车吊用于完成吊装任务，而一个班次的学生多达二三十余人，人员多装备少的问题限制了该科目的训练实施。为按计划完成训练任务，不得不压缩单人单科目训练周期，学生操作技能水平提升难以达到预期效果。
训练成效全周期评定难以量化。由于专业课程中训练科目多，对于内容设置较为零散的课程而言，保证训练成效考核评价的科学性难度较大。目前，课终考核多采用抽考的方式进行，由于不同科目技能点的关联性弱，因此难以通过终结性考核成绩来评定学生的学习效果。为了弥补不足，采用形成性与终结性评定结合的方式对学习效果进行评价，然而如何考量平时操作训练成效，对比的基准如何确定，都会影响评价结果的科学性。
为解决上述问题，目前许多高校采用模拟器、虚拟训练软件等方式来辅助实作训练，取得了一定成效。
（一）递进式教学
遵循学生认知能力由简单到复杂、由基础到深入的发展规律，教学目标设计应贴近学生最近发展区，依托教学目标合理组织符合学生潜在发展水平的教学内容，当学生实现从现有发展水平向潜在发展水平这一阶段过渡时，再调整教学目标、深化教学内容向更深一层次的潜在发展水平递进，这种教学方式被称之为递进式教学。基于这种教学思路，在大型装备实际教学过程中，将教学内容按照由浅入深的方式组织，在教学实施阶段层层铺垫、节节拔高，形成难度梯度有序增加的态势，始终使教学内容难度与学生现有发展水平适配，不至于难度太大使学生望而生畏，也不至于过于简单失去挑战性。
递进式教学通过分解学习目标，科学设计教学内容，在绝大部分学生可接受的难度范围内组织实施，有利于学生建立自信心，增强学习热情，稳步夯实基础，使教学过程可控。
（二）某型无人机吊装科目递进式教学模式实践
遵循递进式教学模式设计思路，形成从“适应阶段-挑战阶段-成就阶段”的实作能力培育策略，在某型无人机吊装科目中加以实践。该科目利用无线操纵手柄控制无人机系统发射车集成的随车吊，指挥辅助人员协助将无人机从地面托架吊装至发射架。基于递进式教学模式将其分解为吊车展开、机身吊卸和飞机吊装三个子任务，如图1所示。
子任务1是适应阶段，训练目标是学生能够独立操纵吊车使吊钩运动到指定位置。通过该任务熟悉车辆启动、无线操纵手柄连接、吊车启动、吊车操纵以及吊车撤收等环节，学习吊车操纵的基本技能。此阶段不带装备操作，在保证安全性的同时使学生敢学敢训练。
子任务2是挑战阶段，通过吊卸无人机机身实装，强化吊车控制水平，形成多点观察的操作习惯和空间定位准确度，提升专业技能水平。
子任务3是成就阶段，该阶段着重对吊臂的精细控制、飞机落点控制进行训练，操作难度大、操纵空间广、协同性要求高，通过本阶段数次练习，实现飞机吊装操作训练目标。
图1 某型无人机吊装任务递进式教学模式设计图
由三阶段训练逐步形成吊装科目专业技能培育，同时培养学生善于观察、协调沟通、把控全局的综合素养，达到多方位培育目标。
（一）学习曲线模型
1936年，T.P.Wright[5]提出学习曲线理论，该理论最早应用于飞机制造业中，经过观察发现，每架飞机生产耗时与生产的飞机架次之间遵循一定的规律，这种单位产品成本与累积产量之间的关系称为“学习曲线”。
其中，T1表示第一次生产时所耗工时，n表示累计生产件数，α表示学习率，Tn表示第n次生产所耗工时。
初始时，随着产量累积生产熟练度上升，单个产品所耗工时下降，称为上升阶段。当产量累计到一定程度时进入稳定阶段，工时逐渐趋于稳定。学生实作训练过程同样符合学习曲线模型，复杂装备操作使用往往需要数次练习才能进入稳定阶段。由于动作不熟练、技能掌握不充分等原因导致初次训练耗时长，随着训练次数增加，操作熟练度提升，训练耗时会下降。但进入稳定期后很难再有变化，反映出该项训练所需基本耗时，也体现学生技能掌握水平进入拐点，再重复训练意义不大。
将学习曲线模型迁移至技能训练中，探究训练次数与训练耗时的关系，分析训练拐点为改进教学设计提供数据支持；
研究训练次数与训练成效变化规律，以此为基准评定学生全过程训练效果。
（二）某型无人机吊装科目递进式学习曲线构建
1.研究对象
以某型无人机吊装训练科目为目标，随机选取2022年3月~2022年4月在某学校学习的20名男性学生为研究对象，此前他们均无吊车操作相关经验。
2.评价标准与数据记录
课前由课程组依据随装操作使用说明书，按照操作规范制定程序化操作流程，不仅包括操作步骤分解，还明确吊车起竖高度、旋转角度、操纵手位置变化、指挥口令下达内容与时机等细节参数。
在完成吊装任务时，评价操作效果首要关注操作步骤的正确性，包括步骤顺序正确性以及步骤操作效果正确性。步骤正确性决定了吊车展开、吊卸、吊装各个环节装备的安全性，以及任务执行的可靠性。例如吊车展开时，必须严格遵守先放下卷扬后展开伸缩臂的步骤，否则容易出现由于伸缩臂长度过长致使卷扬绳崩断的问题。如果步骤顺序正确但未达到预定效果，如起竖长度不够，会导致后续调整空间有限甚至无法调整，操作难度增加。其次要关注操纵错杆次数，操纵时错杆会严重影响协同操作流畅性甚至导致无人机损坏，尤其是当无人机离地但未达到发射车高度时，仅由一人辅助扶稳无人机，此时若操纵手错杆导致无人机处于无人扶住的失控状态，易发生机翼与车体、吊车碰撞等问题，会严重危害装备安全性。再次是吊车调整次数，在各任务环节中，由于操纵手仅通过目测判断吊车高度、角度等位置参数，主要依赖于个人空间感与操纵经验，难免存在吊钩定位、无人机落点无法一次到位的情况，实际操作中允许有数次调整，但是调整次数过多，会影响操纵效率，增加安全风险及辅助难度。最后是操作时间，实战环境下作战效能是根本，提升操作效率至关重要，吊装又是准备、发射、转场、撤收等多个流程中必不可少的环节，安全前提下保证高效操作是不可忽视的因素。因此，可通过操作步骤正确性、操纵错杆次数、吊车调整次数以及训练时间等四类数据来评价操作效果。
实施过程中，基于递进式训练模式将该科目分解为3个子任务而分阶段递进展开。每一阶段任务实施前，提前10分钟将操作卡片下发至参训者提前预习，随后由老师讲解一遍理论知识，示范一遍操作过程，而后每名参训者依次独立操作吊车执行对应任务并指挥辅助人员配合。为探究训练次数与操作时间、训练效果的变化规律，将每人操作各阶段的操作次数设置为8次，全程由老师观察每名参训者操作情况并记录对应数据。以100分为基准，按照操作步骤正确性有误每次扣4分、操纵错杆每次扣4分、吊车调整每次扣2分计算最终操作得分。
3.递进式学习曲线构建
基于记录的训练过程数据，利用MATLAB2019a进行数据分析。
计算各阶段参训者每次训练的平均时长，绘制三个阶段的平均训练时间与训练次数关系，如图2所示。观察可知，各阶段随着训练次数增加，训练时间呈现出先缩短后基本不变的趋势，这是由于初期随着训练次数增加，操作熟练度增加，操作效率提升。随着训练次数进一步增加，操作者已基本掌握该阶段吊车操纵技能，此时再次增加训练次数对于操作时间影响不大，表明此阶段学生已经进入稳定期，再进行重复训练意义不大，将此训练次数分界点称为训练拐点。基于学习曲线模型，图2中绘制了三个阶段的拟合曲线，拟合参数如表1所示。分析可知，吊车展开阶段的训练拐点为4次，机体吊装阶段的训练拐点为4次，机身吊卸阶段的训练拐点为5次，由于各阶段训练难度在逐步上升，因此各阶段的训练拐点次数在逐步增加，符合实际认知规律。对照图3，各训练拐点对应操作得分基本维持在95分且后续变化平缓，表明经过拐点后达到预期训练效果且后续变化不大。根据表1中R2数值可知，学习曲线拟合度良好，建立的模型能够较好描述训练次数与训练时间的关系。分析学习率可知吊卸阶段学习率较低，因此教师应重点优化该阶段教学设计，关注学生学习效果。
（三）某型无人机吊装科目递进式教学模式优化
在4台随车吊可用的教学条件下，以20名学生的班次为例，该科目共设置12个学时。采用递进式教学模式，依据科目操作人数要求将学生分为4个小组，3个子任务训练时间分别为4学时，按照理论讲解、演示示范、实践训练的步骤展开，各小组组内人员在规定时间内进行轮换。
图2 三阶段递进式学习成效曲线
图3 三阶段训练得分随训练次数变化曲线图
表1 航空发动机退化模型参数表
图4 递进式教学模式优化图
实践表明，此种设计模式能够较好解决吊装科目实作教学训练难度大、学生操作信心不足以及教学过程难以把控的问题，同时可降低装备损伤率。然而，尽管递进式教学降低了每一阶段操作难度，但仍无法通过一次训练达到教学目标。由于对单人训练次数及训练时间掌握不清晰，仅凭教师经验来设置教学进程，科学性有待提升。而以吊装科目学习成效曲线为依托优化教学设计可达到：一是训练时间再分配，二是重点阶段再设计，三是训练次序再调整，四是训练评估再细化。在教学进程安排上，根据各阶段的训练拐点及时间，对3个子任务训练时间进行重新分配，其中子任务1、子任务2分别为3学时，子任务3为6学时，优化后的教学进程更加符合学生实际训练需求，避免简单任务重复练、复杂任务不够练的问题。考虑到吊卸阶段学习率较低的问题，此阶段讲解应更加细致，采用操作视频展示、实装演示的方式进行示范，明确操作要求与规范。通过丰富组织形式，采用组内帮扶指导、组间比武竞赛等方法，提升训练质效。轮换训练时，一般按照固定顺序轮流操作，事实上，观摩也是一种训练方式，故组内轮换时根据上一任务训练效果确定本阶段训练次序，由训练成效佳的学生先操作，既能够激发高层次学生的训练积极性，又能够潜在增加较低层次学生的训练时间，提升训练自信心。
在递进式学习曲线构建过程中梳理了此科目详细流程及需要关注的操作参数，得出训练次数与训练成效的一般规律，在学生的全过程评价中，可逐次对比训练成效变化，更全面检验学习效果。
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