固定翼無人機綜合實踐教學設計研究

賈高偉 楊希祥 郭正

[摘 要] 圍繞知識—能力—素質培養理念，在航空院校配合無人機設計課程開展綜合實踐，設定學生應該具備的能力標準，以項目設計為抓手，將理論知識點和關鍵能力點有機串聯，通過動手操作及無人機實飛，綜合提高學生對知識的理解水平和應用能力，通過良好的習慣培養航空素養。結合國防科技大學實際，開展基于固定翼無人機為實踐平臺的綜合實踐教學設計與實踐，帶領學生完成氣動計算、通信測控、飛行控制、總裝集成，并開展無人機實際飛行驗證；總結了授課體會并延伸改革思路，對無人機專業學生的任職教育與教改模式創新具有較好的參考意義。

[關鍵詞] 固定翼無人機；綜合實踐；教學設計

[基金項目] 2019年度湖南省學位與研究生教育改革研究項目“能力產出導向的空天專業研究生實踐教學模式研究”（2019JGYB019）

[作者簡介] 賈高偉（1989—），男，河南周口人，博士，國防科技大學空天科學學院副教授，主要從事先進飛行器設計與智能集群應用研究；楊希祥（1982—），男，河北衡水人，博士，國防科技大學空天科學學院教授，主要從事飛行器控制與試驗評估研究；郭 正（1974—），男，河北辛集人，博士，國防科技大學空天科學學院教授，主要從事先進無人機設計與氣動分析研究。

[中圖分類號] G642.4 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）06-0129-04 [收稿日期] 2021-06-28

引言

習近平總書記在視察空軍航空大學時指出，現在各類無人機系統大量出現，無人作戰正在深刻改變戰爭面貌。要加強無人作戰研究，加強無人機專業建設，加強實戰化教育訓練，加快培養無人機運用和指揮人才[1]。因此，航空院校當進一步重視無人機課程建設，帶動學生鞏固理論知識、強化動手能力，提升綜合素質。當前，探索開展無人機綜合實踐教學已經成為重要的教學途徑[2，3]。

綜合實踐教學的設計理念是以項目為抓手，將學生所學知識進行綜合、系統地銜接，并以實際操作的基本形式，帶領學生完成知識—能力—素質一體化培養進程。綜合實踐教學不屬于理論課程，但它的開設需要同某一門或者多門理論課程相結合，具有配合性質但又不可或缺，是學生形成知識運用能力的重要途徑[4，5]。

一、綜合實踐教學的基本設計

（一）實踐教學的基本理念

航空先驅奧托·李林塔爾的名言：“發明一架飛機算不了什么，制造一架飛機也沒有什么了不起，而試驗它才艱難無比。”濃縮了飛行器設計的精華，“能飛”是檢驗飛行器的終極磨刀石，是最有說服力的驗證。無人機設計涉及的學科門類廣，技術頭緒多，“飛行”狀態的無人機對其設計的各個方面均有嚴格要求，這也是飛行器不同于其他工學學科的顯著特點[6]。因此，學生在完成無人機設計課程學習之后，若能夠通過實踐操作，完成某一無人機的飛行，無疑將對其所學知識和動手實踐的效益產生綜合的可信賴的評價。同時，實踐教學本身也是學習知識、回顧知識、鍛煉能力的過程。因此我們設置的無人機綜合實踐項目的基本理念為：將一架固定翼無人機飛起來，并以此為中心組織必要的分科目實踐。

實踐的對象為某電動固定翼無人機，以此開展實踐教學的明顯優勢包括：其一，無人機是一個團隊項目，有助于培養創新思維、團隊協作精神與工程素養，加深學員對飛機/無人機裝備的認識理解。其二，無人機涵蓋了幾乎所有飛行器學科中都要用到的總體設計、氣動計算、結構制造、飛行試驗、數據分析等過程。其三，相比于多旋翼無人機，固定翼無人機在軍事和民用領域的應用范圍更廣，且固定翼無人機在氣動計算、飛控、測控通信及實際飛行方面具有更高的要求，這將激發學生的積極性、責任心與使命感。

（二）實踐教學的內容安排

實踐項目涵蓋了無人機研發的主要步驟和流程，包括總體概念設計、氣動力計算、控制仿真、無線通信、總裝集成、飛行試驗等，內容框架如圖1所示。上述實踐環節可以訓練學生動手操作能力、試驗組織能力、數據分析能力和文檔撰寫能力。

學生需運用理論課程中所學到的空氣動力學、飛行力學以及物理學知識進行無人機項目應用訓練；在項目最后，要求學生撰寫實踐報告，描述整個項目實施與訓練過程細節，并對試驗結果進行分析，總結項目取得的成果。具體實踐安排為：（1）以實際放飛某電動無人機為抓手，該機翼展1.8m，重2kg，基本幾何參數已知，但氣動特性需要計算獲知；需要建立全機幾何模型，對其氣動力進行計算，得到升力系數、俯仰力矩、焦心位置等參量，計算飛行速度范圍與穩定裕度；（2）基于線性小擾動模型，建立飛行器控制仿真模型，調整控制參數，以得到穩定的仿真飛行結果；（3）結合實際的無線通信電臺，開展功能設置與性能測試，熟悉無線通信系統的基本構成與注意事項，能夠評估無線通信距離；（4）完成全機的總裝集成，包括機體的總裝和航電飛控系統組裝，完成實飛準備，相繼開展遙控飛行和自駕飛行。

（三）實踐教學的設計技巧

1.分組實施。無人機具有典型的多學科屬性，涉及氣動設計、控制、制造、通信與飛行試驗等，現階段的無人機研發、使用與保障過程等均是團隊行為。為此，無人機綜合實踐項目有必要以分組的形式開展，將組內分工以及組內協作納入課程考核內容。

2.重復與強化。無人機實踐項目中的機體組裝、無線通信測試、飛行前檢查等實踐內容，步驟并不復雜，但邏輯性強，對飛行安全至關重要，有必要進行多次重復操作，其目的是通過強化訓練，形成更為深刻的記憶。比如，飛行前結構檢查中舵機運轉、連桿銜接、中立位置調整；航電檢查中電池電壓、傳感器初始化、自駕儀狀態等基礎性檢查。通過反復強化，有助于提高學生理解并重視飛行安全，強化安全意識。

3.引導與“挖坑”。教員準確的引導是幫助學生在短時間內完成實踐內容的重要保證，“挖坑”則是教員結合試驗內容，對各組學員進行差異化的障礙設置。通過引導，督促學員在正確的方向上實踐、進步；通過“挖坑”，促使學生更加認真，集中注意力，避免濫竽充數，也間接培養其發現問題、解決問題的能力。“坑”的大小要適當，太小了不能發揮作用，太大了又可能誘發學生的畏難情緒，需要結合實踐效果，合理設置障礙。“挖坑”的合理程度將在不斷實踐積累中逐步優化。

4.引入特色“對抗”。凸顯“對抗”特色，可以激發學生的學習熱情，豐富實際應用中的處置經驗。以開展無人機通信系統實踐活動為例，可以選擇某小組為“對手”，對其進行對抗挑戰，對抗的形式包括：一是無線干擾，這在無人機實際通信應用中是常見的，該操作能夠使學生在實踐中更直觀地理解無線信道的屬性特征；二是對某一小組設備進行“人為破壞”，不再是理想的完好狀態，引導學生主動修正通信設備狀態參數并處置意外情況。

二、綜合實踐教學的考核

（一）實踐項目報告的設計

項目報告書的設計與實踐項目內容緊密配合。氣動力分析方面，基于AVL（Athena Vortex Lattice）軟件完成飛機外形建模及各類計算；飛行控制方面，依據功能映射，建立基于SIMULINK的飛控仿真環境，通過控制參數的調整，學習了解控制參數與飛行品質之間的聯系；無線通信方面，采用行業內常用的視距通信電臺，要求學生掌握無線電臺基本參數的設置，了解影響通信時延、傳輸速率及傳輸距離的關鍵因素；全機總裝集成以及地面檢查方面，由教員組織制定結構檢查與航電檢查記錄表，學生在組裝與檢查過程中，詳細對照檢查表，以圖片和圖表的形式完成記錄。

綜上所述，項目報告書的內容設計如圖2所示，分為4個主要模塊。

（二）實踐項目考核結果分析

針對圖2所示的四個實踐內容，統計學生對應的得分及分數分布情況，每個實踐子項目滿分 20分。需要說明的是，在控制仿真實踐和通信系統實踐中均引入了“挖坑”環節。如表1及圖3所示。

圖3中縱坐標表示學生數量，橫坐標對應實踐子項目的得分。由表1及圖3可知，氣動計算實踐和總裝飛行實踐平均得分高，且分數集中，控制仿真實踐和通信系統實踐平均得分最低，分數較為分散，凸顯出“挖坑”技巧產生影響，有組員未能完全地“填坑”，導致部分測試數據錯誤，影響了得分。由此也可得知，“挖坑”環節的設置使得分數分布不再單一集中，減小了濫竽充數的可能。具體地說，在通信系統實踐中，接收對抗測試的一組學生平均得分16分，高于全班平均分14.8，反映出對抗環節能夠激發學生的熱情，以更高的專注度更認真地完成實踐活動。此外，也可看到圖3中得分分布并不盡合理，不滿足正態分布，這與考核得分設置及實踐的挑戰性設置有關，這一問題的改善在第四章節進行論述。

三、體會與思考

（一）實踐性得分與測試性得分的權重

傳統的理論課程，考核方式明確具體，以測試性得分為主。對于實踐項目，學生按照試驗指導書完成實踐內容即可得分，即實踐性得分為主。實踐得分權重過高容易導致分數分布集中在優秀，體現不出差異性，這在氣動計算和總裝實飛實踐中得以體現，難以衡量學習差異。若大幅提高測試性得分比重，則有可能引入偏理論授課的成分，一定程度上偏離實踐課程的初衷。教改方式：針對具體的實踐過程和步驟，適度增加測試性考核部分，考核內容為實踐操作、關鍵注意事項及實驗體會等，可以以測試卡的形式組織，平衡實踐性得分權重，形成綜合性的得分體系。

（二）障礙設置與實踐風險的折中

實踐得分表明，障礙設置和對抗訓練有助于提高學生積極性，使得分數差異化，減少濫竽充數。但氣動力計算與總裝實飛實踐中，考慮到這兩個步驟對實際飛行影響較大，若障礙太大，有可能將錯誤的做法帶入實際飛行中，增加實飛風險。教改方式：一是合理評估障礙難度，選擇難度適宜的障礙測試學生反應，且障礙設置需在長期實踐中逐步優化；二是對障礙進行編號、記錄，并由助教密切關注所挖的“坑”是否被發現，并及時介入，保證最終實踐過程的正確性和安全性。

實踐項目的實施，目的是通過動手實踐更好地消化知識、形成能力、培養素質，但過程設計及得分體系均會給培養效果帶來深刻影響。在實踐教學中，應盡可能調動學生積極性，體現過程差異性，避免走過場隨大流，讓學生扎實掌握實踐要點，學有所得，學有所長。

參考文獻

[1]習近平八一前夕視察空軍航空大學并發表重要講話[EB/OL].（2020-07-23）[2021-05-23].https：//baijiahao. baidu.com/s id=1673005455065707647&wfr=spider&-for=pc.

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Research on the Teaching Design of the Comprehensive Practice Course of Fixed-wing Unmanned Aerial Craft

JIA Gao-wei， YANG Xi-xiang， GUO Zheng（College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410072， China）

Abstract： According to the concept of knowledge-ability-quality training， it is necessary to carry out comprehensive practice by offering UAV design courses in aviation colleges and universities. By setting the ability standards that students should have and taking the project design as the starting point， we can organically combine the theoretical knowledge with the key abilities of the students. Through students’ hands-on operation and the real flight of UAV， students’ understanding level and knowledge application ability can be comprehensively improved. Aviation literacy can be cultivated through the forming of good habits. Combined with the actual situation of our school， the comprehensive practice teaching design and practice based on Fixed-wing Unmanned Aerial Craft， which serves as a practice platform， is carried out， which allows the students to complete the practices， such as the aerodynamic calculation， the communication measurement and control， the flight control， and the assembly integration， as well as the actual flight verification of UAV. This paper summarizes the teaching experience and extends the reform ideas， which has a good reference significance for the vocational education and the teaching model innovation of UAV students.

Key words： Fixed-wing Unmanned Aerial Craft； comprehensive practice； teaching design

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