復雜專業背景下無人機系統課程精細化教學探索

劉戰合 田秋麗 王曉璐 趙輝

摘要：無人機系統課程以復雜專業為背景，結合飛行器設計的相關學科，針對課程存在的主要問題，從教學內容和教學方法兩個維度出發，基于學科體系、學科內容、重點內容，結合學科融合、主題式慕課、教學與實踐結合等教學方法的精細化探索，實現了無人機系統導論課程建設，提高了學習興趣。

關鍵詞：無人機系統；精細化教學；教學方法

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）13-0175-02

當前，無人機作為通航飛機的重要組成部分，已成為民用航空產業發展的核心力量之一。無人機系統導論課程是針對飛行器設計與工程專業本科生開設的專業選修課，與傳統學科共同組成飛行器設計與工程專業的課程知識體系。但作為學校甚至國內新開設的課程，有必要結合實際的教學情況，做進一步教學內容和方法上的實際研究和探索，鑒于學科本身具備的一些特點，結合并借鑒其他學科的傳統精細化教學方法、慕課教學方法[1]，從本學科特點出發，詳細研究了無人機系統[2]導論課程的內容建設、教學方法等。

一、無人機系統導論課程當前存在的問題

無人機系統導論[3]課程所包含的其他相關專業為：飛行器設計、空氣動力學[4]、航空材料學、飛行力學、導航技術、電磁學、航空氣象學及其他學科，因此無人機系統導論課程是多個學科的綜合體，就當前我國教育現狀來看，盡管一些“985”、“211”院校和職業技術學校設立了相關學科和專業，但均處于起步階段，總體來看，無人機系統相關課程的建設和開展還存在以下幾個重要問題。

1.缺乏系統化教材。無人機作為系統化研究是在近些年才逐步進入實質階段，一些科研理論、技術數據、經驗積累還未形成系統化成果，大多專著均是對國外相關書籍的翻譯，如《無人機系統導論》[3]、《多無人機自主協同控制理論與方法》[5]、《無人機協同路徑規劃》[6]、《無人機遙感載荷綜合驗證系統技術》[7]等，或是在某方面領域內的深入研究，但以上專著均存在專業化程度高、專業集中程度強的問題，實際上專門用于本科、碩士的無人機系統教學有一定的難度。

2.理論與實踐結合。正如航空教育[8]其他學科一樣，無人機系統是一個廣泛性的課程，旨在為學生建立一個無人機核心及相關技術的多層次、多梯度化的理論知識培養機會，并依此為基礎，結合實踐觀摩和驗證，加深對無人系統的深層次認識，加深相關專業學生在飛行器設計相關基礎理論上的認識和實踐認知能力。

3.課程引導復雜化。無人機系統課程首先是一個綜合性課程，再次是一個專業化課程。綜合性體現在所包含的學科方向、應用范圍、技術難度的綜合；專業化包含了航空飛行器設計的逐步深入，如果沒有專業化的知識引導和技術支撐，教學的實質性和有效性開展將很難達到預期效果。

二、無人機系統導論課程教學內容精細化建設

針對以上討論的無人機系統導論課程存在的問題，經過詳細調研，結合學校自身及學生的實際情況，最終選取郭正等譯著的《無人機系統導論》作為課程教材，同時在教學內容上進行了以下建設。

1.學科體系精細化建設。無人機系統是一個以飛行器設計為基礎的系統性學科，在教學過程中，考慮到實際工程應用，將氣象學、雷達、數據鏈、載荷（成像、武器、其他載荷等）、無人機發射和回收技術等也列入涵蓋學科。根據學時安排，合理計劃了飛行器總體技術、空氣動力學、動力與材料、數據鏈、地面控制站、有效載荷、發射與控制技術等，并安排了相應學時，對學科內容進行了精細化設計。

2.學科內容精細化建設。對以上涉及學科，不可能通過一門課程的建設就能完全體會和理解，也不可能完全掌握，教學的目的是讓學生建立無人機系統的總體框架，并成為后續專業學科與其他學科的聯系樞紐。因此，對每個設計學科，精細化其學科內容，爭取將該學科涉及的基本內容與其他學科建立相關性，如對空氣動力學中產生升力的概念，以伯努利方程為基本出發點，也可以在無人機設計、無人機動力推進等概念中涉及到，同時還可建立其星型分布網狀關系。

3.重點內容精細化建設。針對以上學科之間的基本關系，以總體框架內容為先導，提煉各學科的重點內容，兼具各學科的普性內容，以重點內容為“點”，普性內容為“線”，采用各學科“多點式”的串接方式。在教學和學習的過程中，提綱攜領，同時考慮到學科重點內容的難易程度，設計星級標準，以提醒學生進行應對性的學習，如將飛行器飛行中的四種力：升力、阻力、重力、推力或拉力，設計為“點”，讓學生掌握四種力產生的原因、影響因素。在航空動力學中，以推力為核心，掌握其他三種力對推力的影響和相互因果關系。

三、無人機系統導論課程教學方法精細化建設

1.學科融合教學方法精細化建設。針對各學科的內容，以本文上述的各“點”式內容，采用“樹狀”分布教學方法。先建立各學科“點”內容，并以“點”的內容為核心進行擴展，開展學科基本知識構建；以各學科“點”內容為核心，提煉學科的共性框架，形成學科類二級“點”知識，該二級“點”內容具有通識性，貫穿相關學科知識點的構建；對二級所有知識“點”升級，尋找并建立無人機系統角度出發的關鍵知識“點”，以簡單清晰的脈搏聯通各學科大知識“點”，形成無人機系統導論課程最高級即頂層知識“點”。

2.主題式慕課精細化教學。在教學過程中，為了加深學生的學習印象，并提高學生的學習興趣，結合課程實際進展過程，將學生進行分組，采用自行選題和給定議題結合的方式，以組為單位，通過組內課下調研、內容討論、構建知識“點”共識，課上組間討論并做主題演講，以問辯方式進行。如在學習中討論了連翼布局無人機設計概念、氣動優缺點、國內技術研究現狀，并根據參考文獻，結合課程中空氣動力學、航空動力學的基本知識和基本概念，得到了連翼設計時的技術參數：性能參數、設計參數、學科知識點等。

3.提高參與度的教學與實踐結合的精細化教學。為了提高教學效果，適時結合學生的課外競賽，如“挑戰杯”、“航空航天錦標賽”等賽事，結合無人機系統導論課程的具體情況，優選部分學生組成不同無人機制作小組，以學校“飛行器創新實驗室”為依托，形成趣味性、知識性的無人機制作和實踐項目，并帶動其他學生主動接觸，結合無人機系統理論課程，對一些富有創新性的項目，實現初步研究和實踐，有效提高了參與度，這也是無人機系統導論課程可進行延伸的原因之一。

四、結論

從無人機系統導論課程現存的問題出發，為了改善學生的學習狀態，提高學生的主動意識，采用精細化的教學方式，力爭對無人機系統涉及的重要知識內容，提綱挈領，形成對內容和教學方法上的精細化，分別從學科體系、學科內容、重點內容等三個方面對內容的精細化進行了深入研究，同時在教學方法上從學科融合、主題式慕課、教學與實踐結合等三個方向進行了研究和實踐，得到了優良的教學效果。

參考文獻：

[1]祝智庭，管鈺琪，邱慧賢.翻轉課堂國內應用實踐與反思[J].電化教育，2015，（6）：66-72.

[2]白亞磊，顧蘊松.美國陸軍無人機系統概述[J].飛航導彈，2011，（8）：54-58.

[3]郭正，王鵬，陳清陽，等，譯.無人機系統導論[M].北京：國防工業出版社，2015.

[4]王曉璐，代君，劉戰合，趙輝.引導式教學方法在空氣動力學課程上的應用[J].教育教學論壇，2016，6（23）：170-171.

[5]沈林成，朱華勇.多無人機自主協同控制理論與方法[M].北京：國防工業出版社，2013.

[6]祝小平，周洲譯.無人機協同路徑規劃[M].北京：國防工業出版社，2013.

[7]李傳榮.無人機遙感載荷綜合驗證系統技術[M].北京：科學出版社，2014.

[8]栗中華，陳艷，張鵬，等.面向航空教育認證標準的實踐課程改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2014，33（3）：146-149.