?創新實踐驅動的大學生綜合能力提升模式探討

張燕軍 徐勇 張超 徐弘

摘? 要 以組織學生參加首屆江蘇省研究生無人機科研創新實踐大賽過程為例，從深入有效的方案討論、設計過程指導、制訂進度計劃、調試實驗、指導改進設計、調整比賽心態以及組織現場學習等方面，探討創新實踐驅動的大學生綜合能力提升模式，對當前增強大學生的自主創新能力、培養高素質人才具有一定的指導作用和參考價值。

關鍵詞 創新實踐;大學生綜合能力;無人機

中圖分類號：G645? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）10-0080-03

Abstract Taking the process of organizing students to participate in the first Jiangsu Province Graduate Unmanned Aerial Vehicle Research Innovation Practice Competition as an example， this paper discussed the mode of improving the comprehensive ability of college students driven by innovative practice from the aspects of in-depth and effective scheme discussion， design process guidance， making progress plans， debugging experiments and guiding the improvement of design， adjusting the mentality of competition and organizing on-site learning， which has a certain guiding role and reference value for strengthening the independent innovation ability of college students and cultivating high-quality talents.Key words innovative practice; college students comprehensive ability; unmanned aerial vehicle

1 引言

在知識經濟的新時代，既對當代大學生的創新能力提出更高的要求，也孕育著高等院校培養大學生創新能力的良好契機，客觀認識大學生創新活動的現狀，采取措施推動創新活動的深入開展，努力提升在校大學生的培養質量，對增強大學生的自主創新能力、造就能適應未來挑戰的高素質人才具有重要的現實意義。

在國家創新驅動發展戰略指引下，大眾創業萬眾創新得到深入發展，戰略性新興產業新技術、新產業在不斷涌現。“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃將無人機列為主要發展方向，將無人機產業提升到國家戰略層面。無人機技術屬于典型的交叉學科科研領域，涉及控制工程、人工智能、模式識別、圖像處理、計算機技術、遙測遙感、電子設計、機械工程等領域的專業知識，已經成為世界各國爭相研究的熱點課題。基于無人機平臺強化對學生創新能力的培養，是鍛煉學生的創新實踐能力的有效途徑之一。本文以學生參加的首屆江蘇省研究生無人機科研創新實踐大賽過程為例，探討創新實踐驅動的大學生綜合能力提升模式。

在參加無人機科研創新實踐大賽的學生中主要是研究生和本科生，雖然具備一定的理論基礎知識和創新的熱情，但對于無人機控制領域缺乏系統了解與實踐經驗。因此，無人機大賽這樣的工程實踐項目，對于他們有一定的挑戰性。故而需要對大賽項目的實施先期進行總體規劃，并抓住幾個關鍵環節，對學生的思路進行引導，是保證順利完成比賽任務、達到提高學生的科技創新能力的必要條件。

在項目實施過程中總結出一些措施和方法，實現對大學生綜合能力的鍛煉和提升，主要包括：深入而有效的方案討論，設計過程的具體指導，制訂好比賽各項任務的進度計劃，安排好室外調試實驗時間，指導好改進設計，調整好比賽心態以及組織現場學習。

2 組織深入有效的方案討論

這次無人機創新實踐大賽主要包括五個環節，分別是空中物流、障礙規避、空中追蹤、技能表演和技術解析等。

空中物流任務要求無人機全程自主飛行，完成貨物投放并返回。要求參賽選手攜帶飛機進入賽場后在指定點O點準備自主起飛，并裝載兩個500 g的貨物，飛到指定的A點上空后拋下一個貨物，然后繼續飛行到指定的B點降落，放下另一個貨物，接著再起飛返航至指定的起飛點O點并安全著陸。在比賽過程中，要求全程定高五米飛行（最高不得超過10米），在A、B點投放貨物時按貨物第一次觸地位置計算得分，在O點降落時按飛機降落位置計算得分;參賽選手從入場開始計時，要求在15分鐘內完成比賽。

障礙規避要求無人機自主避障，在比賽場地中設置寬度為四米的障礙擺放區，比賽前隨機擺放障礙物。無人機進入賽場后由起點起飛，然后沿直線路徑自主飛行至終點，其間遇到障礙后需要從側面做出躲避動作，然后回到初始路徑繼續前進，躲避過三個障礙后飛至終點安全降落。在比賽過程中，要求全程定高飛行（1～3米內），避障后需要回歸初始路徑。

空中追蹤比賽要求無人機自主識別載有色板的遙控小車并跟隨飛行，跟隨目標小車行進近150秒，比賽結束安全返航。

技能表演主要突出技術水平而不是飛行技巧，評委根據此項技術的難度、新穎性、實用性等進行評分。

技術解析則要求參賽選手對比賽用到的技術以PPT的形式進行講解。

由于是江蘇省內首次舉辦高校無人機科研創新實踐大賽，首先需要組織科創團隊深入地解析比賽規則，制定針對比賽任務的方案策略。在展開充分調研后，團隊成員就各自調研情況與方案進行深入討論，按照比賽評分規則和任務權重，空中物流、障礙規避、空中追蹤三項任務的難度逐項增加，或者說對于學生所在專業，圖像處理方面的難度相對要更大一些，而第一項任務的權重最高。因此，在有限的時間、精力分配方面，要求學生合理分配，各個擊破。對于能通過專業知識破解的技術問題，要高效創新性地解決;對于專業知識方面屬于薄弱環節的，則采用消化吸收再創新的模式。

總之，在此過程中指導教師以多聽少說、頂層把握引導為主，讓學生把各種可能的、不可能的，出色的、遜色的方案談深談透，引導作用在于把學生的想法歸類，對符合比賽要求、滿足飛行任務要求的無人機機型和開源飛控平臺進行選型，并根據實際情況制訂采購計劃。

3 細致指導系統搭建過程

無人機雖然在日常新聞報道中對于學生而言并不陌生，但是如果將其作為研究對象，目標是要很好地駕馭無人機，則對于學生而言還是有一定難度的。對于融合多門學科理論的無人機，學生缺乏復雜控制系統的設計經驗，在系統架構設計、位姿算法設計、多傳感數據信息融合、地面管理系統通信等方面還存在弱項，甚至對于如PX4/Pixhawk等開源飛控系統沒有任何概念。這個階段是學生最有可能停滯不前甚至喪失信心而影響比賽準備過程實施進度的，此時需要科學引導學生分塊設計，分塊學習應用軟、硬件，化整為零，降低問題的復雜程度。指導學生重視對如Pixhawk的已有樣例的學習，再逐步實現運用開源飛控提供的源碼，而非全盤去設計及編碼無人機飛行控制程序。

由于空中物流任務在整個比賽中非常重要，因此，前一階段主攻此項任務。對于空投系統，指導教師可鼓勵學生運用較為流行、上手容易的Arduino開源平臺，可使系統搭建順利進行。指導教師通過參與學生工作現場討論，抓住重點環節，給予具體建議，完成好既定的任務進度計劃，并合理規劃主要功能模塊的實驗室制作時間進度，以參謀、督促、審核、協調為主。

4 充分調試，改進設計

為了使設計的系統功能能夠充分發揮，達到最佳的競賽效果，指導學生搭建模擬場地顯得十分必要。對于一般產品的設計研發流程，在模擬環境中進行功能與性能的測試驗證及優化也是必不可少的一個環節。因此，對于無人機比賽任務的功能開發與實現過程，應盡可能多地引導學生爭取更多的室外模擬場地調試實驗時間。任何一個設計、一個工程項目的實施總會存在不足，加上學生沒有經驗且時間緊迫，問題一定會大量存在。室外調試實驗過程越長，次數越多，“毛病”就暴露得越充分，就為解決問題贏得了時間。

另外，學生普遍存在一種心理現象，即面對自己初次設計的作品，容易沉浸于欣賞和喜悅，看成績多，找問題少。此時，教師要及時地引導學生，實事求是地對待科學研究。在肯定成績的同時，讓學生能夠鼓足勇氣尋找問題和不足之處，鼓勵和督促學生進行大量的調試實驗，從總體功能、機構動作、傳感器效果、控制思路等多方面進行專項實驗，衡量其有效性、可靠性和穩定性，進行詳細記錄。對于那些影響無人機飛行穩定性能和任務完成率較低的大問題，要堅決地加以改進設計。通過反復實驗，從肯定到否定，再從否定到肯定，學生會從實驗中總結提高，構思出更為理想的結構，使無人機的飛行穩定性和任務完成率逐步提高，同時培養開展科學研究和實驗的能力、認真踏實的科研態度。

5 穩定比賽心態，組織現場學習

比賽過程是學生經受考驗、鍛煉意志和學習提高的好機會。參賽前，學生的心理負擔較大，擔心拿不到好成績，而過大的心理壓力將會嚴重地影響比賽的發揮。在比賽中就出現部分參賽隊伍成員由于心理壓力過大，在無人機解鎖前忘記最基本的飛行起飛前的各項配置檢查，導致無人機失穩而墜機。因此，賽前必須做好學生的思想工作，正確認識無人機大賽，為學生減負。

“過程更重要，比賽中無人機能發揮出正常水平，就是成功。”反復向學生強調，之所以參加比賽，主要是為他們提供一次參與實際工程項目的機會，用此來探索一條工科教育教學改革的路子，在于營造一種良好的研究學習氛圍，激發學生奮發向上、刻苦學習的熱情。只要這個目的達到了，就已經取得了勝利。當然，比賽總是有名次的，只要用平靜的心態，抱著向兄弟院校學習先進經驗的態度，就能取得理想的成績。學生能夠輕裝上陣，懷著愉快的心情參加比賽，無疑對學生心理素質的培養是有益的。

賽程雖然很短，但過程的經歷極其寶貴。26支參賽隊伍就像一次無人機博覽會，是一次難得的學習機會，在此期間更是觀摩學習的機會，結合研討方案時的體會，分析兄弟隊的構思和結構，借鑒別人引入的先進技術，可極大地開闊思路，使學生的收獲再上一個臺階。在所有參賽人員的努力下，參賽隊伍奪取綜合一等獎的成績，賽后對比賽中出現的問題進一步總結，也將對后續學習研究工作的提升產生積極作用。

6 結語

以組織學生參加首屆江蘇省研究生無人機科研創新實踐大賽過程為例，從深入有效的方案討論、設計過程指導、制訂進度計劃、調試實驗、指導改進設計、調整比賽心態以及組織現場學習等方面，探討創新實踐驅動的大學生綜合能力提升模式，對當前增強大學生的自主創新能力、培養高素質人才具有一定的指導作用和參考價值。

參考文獻

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