星形樹(shù)狀方法在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用探索

劉戰(zhàn)合，田秋麗，王曉璐，王菁

摘 要：無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是一門綜合性學(xué)科，涉及技術(shù)面廣、學(xué)科關(guān)聯(lián)度強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)多等問(wèn)題，結(jié)合各學(xué)科特點(diǎn)，提出了基于多維度的星形知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、樹(shù)狀邏輯構(gòu)架的教學(xué)分析方法，形成系統(tǒng)化思想，有效融合各知識(shí)點(diǎn)，進(jìn)而搭建知識(shí)脈絡(luò)，形成知識(shí)線，擴(kuò)展為系統(tǒng)化知識(shí)面。通過(guò)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論課程實(shí)際講授，獲得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)系統(tǒng)；星形；樹(shù)狀；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2017）18-0054-03

Abstract： Unmanned Aerial Vehicle （UAV） system is a comprehensive discipline， which involves a wide range of technology and has strong association with other disciplines. In combination with the characteristics of various disciplines， this paper proposes a new teaching analysis method that involves a multidimensional star-shape structure of knowledge and a tree-shape logic structure. Then， this paper constructs a systematic thinking mode， effectively integrates all related knowledge points， builds up the structure of knowledge， and forms the knowledge lines and extends to systematic knowledge. Through the real teaching of the introductory course of UAV system， the new teaching method gets a better teaching effect.

Keywords： unmanned aerial vehicle system； star structure； tree structure； teaching

無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)[1]目前由軍用步入民用，且消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)已經(jīng)成為其主體產(chǎn)業(yè)之一，相應(yīng)的，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)[2]課程開(kāi)始逐漸在本科院校、大專院校設(shè)立，同時(shí)，一些高校如南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等傳統(tǒng)航空院校開(kāi)設(shè)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)等課程，并取得了較大成果，但作為無(wú)人機(jī)，更重要的體現(xiàn)在其系統(tǒng)化思想上，要求基于多學(xué)科，如飛行器總體設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)[3]、電磁波傳輸理論、結(jié)構(gòu)力學(xué)、探測(cè)與識(shí)別、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)等專業(yè)知識(shí)，形成學(xué)科融合的系統(tǒng)化專業(yè)課程。鑒于該課程存在的諸多問(wèn)題，如新知識(shí)的不斷更新、教科書(shū)缺乏、知識(shí)復(fù)雜度難以統(tǒng)一等[4]，提出并開(kāi)展了基于多知識(shí)“點(diǎn)”的星形樹(shù)狀教學(xué)方法研究，有效提高了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論課程的教學(xué)方法，完善了教學(xué)內(nèi)容。

一、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)涉及學(xué)科

無(wú)論是以無(wú)人機(jī)本體設(shè)計(jì)為主的無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)課程，還是注重系統(tǒng)思想的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)課程，從技術(shù)角度講，其所包含的主體學(xué)科方向大致可分為：總體設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)與材料、有效載荷、探測(cè)與識(shí)別技術(shù)、地面控制站、數(shù)據(jù)鏈、發(fā)射與回收技術(shù)。可以看出，以上各門類技術(shù)涉及面廣、各學(xué)科之間又具有比較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，相對(duì)來(lái)講，知識(shí)面較多，形成了看似“雜亂無(wú)章”的學(xué)科關(guān)系，但如從無(wú)人機(jī)系統(tǒng)角度出發(fā)，我們可以將以上學(xué)科分成以下幾個(gè)層次：

（一）無(wú)人機(jī)平臺(tái)技術(shù)

以無(wú)人機(jī)為載體，包含傳統(tǒng)學(xué)科中的飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)即總體技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)、飛行性能等，甚至涉及到航空材料等。對(duì)不同的無(wú)人機(jī)，由于其產(chǎn)生推力的方式、升力的方式可能會(huì)存在一定的差異，將導(dǎo)致飛機(jī)總體設(shè)計(jì)技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)等性能參數(shù)對(duì)不同飛行器而言各異，但從一般性技術(shù)講，每個(gè)學(xué)科技術(shù)應(yīng)該融合起來(lái)，形成技術(shù)閉環(huán)。隨著新型戰(zhàn)爭(zhēng)形勢(shì)和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，飛行器的反探測(cè)、隱身技術(shù)亟待提高，包含電磁隱身、聲隱身、紅外隱身等，從平臺(tái)角度出發(fā)，除具備傳統(tǒng)的技術(shù)支撐之外，還應(yīng)具備結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)、飛行器設(shè)計(jì)的電磁波、聲學(xué)、紅外等技術(shù)的綜合。

（二）地面指揮和控制站技術(shù)

地面指揮和控制站是無(wú)人機(jī)駕駛員最直接感受和發(fā)出指令的系統(tǒng)，一般包含接收和處理無(wú)人機(jī)平臺(tái)發(fā)回的無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、有效載荷數(shù)據(jù)、飛行器固定載荷信息等數(shù)據(jù)，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃及其實(shí)施情況，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)截?cái)唷?shù)據(jù)發(fā)送和接收等技術(shù)，同時(shí)，涉及到圖像處理和匹配等數(shù)據(jù)技術(shù)。

（三）數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)

作為飛行平臺(tái)與地面控制站之間的數(shù)據(jù)鏈路，除負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)之間的通信和傳輸之外，還具備判斷和計(jì)算無(wú)人機(jī)與數(shù)據(jù)鏈天線之間的距離和角度，即實(shí)現(xiàn)定位功能，因此，涉及到雷達(dá)傳輸、電磁干擾、信號(hào)探測(cè)等技術(shù)。

（四）發(fā)射和回收技術(shù)

根據(jù)不同無(wú)人機(jī)特點(diǎn)，如無(wú)人機(jī)升力產(chǎn)生方式、起飛方式、無(wú)人機(jī)推力產(chǎn)生方式等，可以包含不同的發(fā)射和回收技術(shù)，包含跑到滑跑式、彈射式、手拋式、垂直起降式等，將包含空氣動(dòng)力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)等共性技術(shù)。

（五）有效載荷

有效載荷是指除無(wú)人機(jī)平臺(tái)固有設(shè)備之外的有效載荷，不包含燃油系統(tǒng)、氣壓計(jì)、空速計(jì)等，主要指用于執(zhí)行任務(wù)的載荷，一般為用于作戰(zhàn)的武器載荷和用于偵察監(jiān)視的探測(cè)載荷。為有效提高探測(cè)能力，將采用可見(jiàn)光、雷達(dá)、紅外探測(cè)技術(shù)，也屬于電磁波理論范疇，同時(shí)，對(duì)武器系統(tǒng)，希望能有效探測(cè)和跟蹤地方武器平臺(tái)，需要提高探測(cè)和跟蹤能力，也對(duì)電磁波理論提出了要求。

二、星形分布方法

為有效提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)課程的融合性，并縮小甚至消除各學(xué)科之間的隔閡，通過(guò)系統(tǒng)化、合理分析和整理，尋找各學(xué)科共性知識(shí)點(diǎn)，組成星形的“點(diǎn)”，每個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)其知識(shí)點(diǎn)，每個(gè)知識(shí)“點(diǎn)”橫向聯(lián)系學(xué)科，形成密集型關(guān)系。這至少包含兩個(gè)層次：一是對(duì)各學(xué)科建立知識(shí)“點(diǎn)”，以知識(shí)“點(diǎn)”為核心，形成學(xué)科內(nèi)容框架，由小的知識(shí)“點(diǎn)”再匯聚成大的知識(shí)“點(diǎn)”，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)學(xué)科僅包含少數(shù)幾個(gè)關(guān)鍵知識(shí)“點(diǎn)”；二是多學(xué)科之間共性知識(shí)“點(diǎn)”的建立，及該知識(shí)“點(diǎn)”在本學(xué)科中的影響作用，并與其他學(xué)科存在使用上、背景上的區(qū)別，又有何聯(lián)系？

以無(wú)人機(jī)系統(tǒng)為例，對(duì)飛行器設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)、動(dòng)力系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)講解，首先，以飛行器設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，該學(xué)科涉及到飛行器飛行性能評(píng)估分析和計(jì)算，如升力、阻力、重力、推力等，可以將以上四種力作為四個(gè)知識(shí)“點(diǎn)”，各類知識(shí)“點(diǎn)”在其關(guān)聯(lián)學(xué)科中也有一定影響，為描述方便，將星形分布方法做如圖1來(lái)詳細(xì)說(shuō)明：

如圖1所述，僅僅以空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)為例，將該知識(shí)點(diǎn)根據(jù)產(chǎn)生原因和基本原理分為兩類：分布力和集中力，進(jìn)而將分布力分為升力、阻力、重力等，而降集中力分為推力、載荷力等，兩種力的知識(shí)“點(diǎn)”產(chǎn)生基本理論或機(jī)理對(duì)應(yīng)為空氣動(dòng)力學(xué)理論中的伯努力定理和質(zhì)量流守恒兩大定理，并由此，各力學(xué)性能及參數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)也會(huì)產(chǎn)生較大影響，特別體現(xiàn)在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等基本知識(shí)“點(diǎn)”，并結(jié)合其他影響因素，即其他知識(shí)“點(diǎn)”，提高教學(xué)效果。

同時(shí)，對(duì)于以上星形分布方法，可以將知識(shí)“點(diǎn)”按照各級(jí)別，分為：基本知識(shí)“點(diǎn)”、二級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”，二者之間聯(lián)系即產(chǎn)生知識(shí)“線”，從而形成完整的星形分布圖，需要注意的是，學(xué)科中的知識(shí)“點(diǎn)”選取，應(yīng)該是具有代表性、典型性、基本性、關(guān)鍵性的知識(shí)，對(duì)于一個(gè)學(xué)科，不宜產(chǎn)生太多知識(shí)“點(diǎn)”，同時(shí)，形成的知識(shí)“點(diǎn)”可與其他學(xué)科形成相互之間的因果關(guān)系或鏈接關(guān)系。

三、樹(shù)狀方法

知識(shí)“點(diǎn)”星形分布方法盡管建立了各基本知識(shí)“點(diǎn)”及其之間的相互關(guān)系，但仍然存在零散、單一的缺點(diǎn)，按照本文前述定義，會(huì)局限于一門學(xué)科，盡管可擴(kuò)充于多學(xué)科，為解決以上問(wèn)題，通過(guò)深入研究和實(shí)際教學(xué)驗(yàn)證，本文更進(jìn)一步提出了樹(shù)狀方法。進(jìn)一步描述如圖2：

圖2中僅僅說(shuō)明了部分內(nèi)容，對(duì)于各學(xué)科的基本知識(shí)“點(diǎn)”并未顯示出，實(shí)際上，基本知識(shí)“點(diǎn)”位于樹(shù)狀方法最細(xì)層，逐次網(wǎng)上為二級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”、三級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”等。三級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”對(duì)應(yīng)為基礎(chǔ)學(xué)科，如空氣動(dòng)力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、通信技術(shù)等；四級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”為學(xué)科分類，如對(duì)無(wú)人機(jī)，可以將空氣動(dòng)力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料學(xué)科等歸為飛行器總體技術(shù)，類似的，可以有數(shù)據(jù)鏈、控制站、有效載荷等四級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”；依次再往上為最高級(jí)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，以系統(tǒng)化思想認(rèn)識(shí)、分析無(wú)人機(jī)，并進(jìn)行相關(guān)教學(xué)。

值得一提的是，盡管樹(shù)狀方法在建立過(guò)程中，各級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”、相同級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”之間并未明確聯(lián)系，但借鑒星形分布方法，可以將各級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”聯(lián)系建立起來(lái)，并形成完成、系統(tǒng)化的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)知識(shí)體系，構(gòu)建成該學(xué)科的骨架系統(tǒng)。實(shí)際上，星形分布方法重在建立各知識(shí)“點(diǎn)”及二次知識(shí)“點(diǎn)”，樹(shù)狀方法形成各學(xué)科知識(shí)“點(diǎn)”層次關(guān)系和邏輯關(guān)系。

四、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)教學(xué)實(shí)踐

結(jié)合現(xiàn)有教學(xué)條件和教學(xué)技術(shù)，通過(guò)精細(xì)化分析和處理[5-7]，采用文中形成的星形分布和樹(shù)狀體系，可以有導(dǎo)向性的形成基本課程邏輯框架體系，并結(jié)合主題式慕課、主題式翻轉(zhuǎn)課堂[8]，有效帶動(dòng)學(xué)生參與課堂，理解知識(shí)體系。

在綜合采用優(yōu)化教學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論課程，結(jié)合其他相關(guān)航模制作實(shí)踐活動(dòng)，鼓勵(lì)學(xué)生參與航空航天錦標(biāo)賽、挑戰(zhàn)杯等賽事，形成趣味性、知識(shí)性、競(jìng)技性、工程性等相互結(jié)合的教學(xué)效果。在實(shí)際制作過(guò)程中，強(qiáng)化和理解包括各級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”在內(nèi)的基本知識(shí)內(nèi)容，提高實(shí)際接受能力，這也是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論課程可進(jìn)行延伸的原因之一。圖3為進(jìn)入河南省“挑戰(zhàn)杯”決賽的兩個(gè)項(xiàng)目，左圖為吳登宇項(xiàng)目組的螺旋槳?jiǎng)恿χ彬?qū)型單旋翼無(wú)人機(jī)，右圖為游澤宇項(xiàng)目組的異類飛行器集群航跡規(guī)劃控制系統(tǒng)項(xiàng)目載體無(wú)人機(jī)。

五、結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)課程，從系統(tǒng)化思想分析了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)所涉及學(xué)科；根據(jù)其學(xué)科特點(diǎn)，分別提出了用于提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)教學(xué)的星形分布方法和樹(shù)狀方法，星形分布方法主要針對(duì)學(xué)科建立基本知識(shí)“點(diǎn)”，初步形成二次知識(shí)“點(diǎn)”，同時(shí)重在各知識(shí)“點(diǎn)”聯(lián)系和關(guān)系；而樹(shù)狀方法重在梳理各學(xué)科之間的知識(shí)“點(diǎn)”層次關(guān)系，并建立各級(jí)知識(shí)“點(diǎn)”邏輯關(guān)系。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐，證明了文中提出方法的有效性。

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