新農科背景下“農用航空裝備”課程建設與實踐

杜蒙蒙， 呂怡葳， 姬江濤， 李心平， 金 鑫， 杜新武

（1. 河南科技大學農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003； 2. 河南科技大學管理學院，河南 洛陽 471003）

0 引言

隨著互聯網+、人工智能等技術的發展與進步，社會經濟對農業工程類人才的需求結構發生了巨大的變化，農業工程學科結構與知識體系也在不斷發展重構，我國農業工程高等教育面臨新的挑戰與發展機遇[1-3]。在此背景下，各大涉農院校、各級政府部門相繼提出“新農科”建設。“新農科”建設經歷了一個從概念研究到策劃實施的過程[4]。2017 年2 月，一場關于綜合性高等院校工程教育發展的戰略研討會在復旦大學召開，首次提出“新工科”概念。之后，涉農科技工作者及教育專家開始關注并醞釀“新農科”概念，指出我國農林高校長期以來形成的以生產分工來設置專業的做法已嚴重不適應農業、農村現代化發展的要求，亟待進行專業優化及課程更新。2018 年下半年，教育部高等教育司成立“新農科建設協作組”，從8 個方面推出“新農科”建設舉措，支持涉農院校教育改革，具體包括專業優化攻堅、新型人才培養、課程改革創新、實踐基地建設、優質師資培育、協同育人強化動、質量標準提升、開放合作深化。同一時間，中國工程院啟動了“新時代農科高等教育戰略研究項目”，面向新農業、新經濟的“新農科”教育改革呼之欲出。

河南科技大學扎根中原大地，精準研判農林行業發展新形勢，積極投身“新農科”教育改革。河南科技大學農業裝備工程學院于2013 年5 月在原農業工程系的基礎上成立，前身是原洛陽工學院“農業機械設計制造”學科，該學科1960 年開始招收“農業機械設計與制造”專業本科生。經過60 余年發展，學院已發展成為博士、碩士、本科、卓越人才等多層次的人才培養基地，擁有農業工程一級學科博士學位及碩士學位授予權。學院下設農業機械化及其自動化、農業電氣化、農業水利工程3 個本科專業。其中，農業機械化及其自動化專業為國家級特色專業、國家級一流本科專業建設點、省級綜合改革試點專業。

農業機械化及其自動化專業（專業代碼 ：082302）歸屬于一級學科“工學”下屬的“農業工程”門類，培養具有農業工程及自動化裝備基礎知識的應用型高級專門人才，掌握農業工程領域裝備設計、生產經營基本理論和技能，能夠在農業機械和其他工業部門從事機械產品理論研究、產品開發設計與制造、生產經營與規劃管理，具有創新精神和實踐能力。在新形勢、新業態的沖擊下，河南科技大學農業裝備工程學院整合涉農專業教育資源，推進科教融合、產教融合，針對農業機械化及其自動化專業課程進行改革創新，在“工程應用能力培養模塊”下增設“農用航空裝備”專業選修課程，順應智慧農業技術潮流，開創農林教育新格局。

1 開設“農用航空裝備”課程的必要性

農用航空裝備（Agricultural Aircraft Equipment）指在現代航空器的基礎上發展起來的、專門為從事農業生產活動制造或改裝的裝備[5]。相應地，農業航空技術則指以農用航空器為作業平臺，配備相應設備為農業生產提供各種服務的航空技術，主要包括航空植保（農田、林果、草原病蟲害等）、飛機播種（稻麥、草場、人工造林等）、航空施肥、人工降雨、防雹、護林（防火、病蟲害監測）、農業和漁業遙感、航空測量與資源調查等作業內容[6-7]。1921 年，美國俄亥俄州首次采用動力飛機進行農業航空植保作業，使用JN-4 型固定翼飛機為果園噴灑砷酸鉛進行除蟲作業。隨后，單旋翼航空器（直升機）及多旋翼航空器相繼被應用于農業植保作業中。至21 世紀初，全球已有60 多種農用航空器，其中包括40 余種、合計3 萬余架固定翼飛機，經航空作業處理過的耕地面積達2.4 億hm2，占世界耕地面積的17%。

我國黑龍江、新疆等地采用農用航空裝備作業已成為農作物穩產、增產的重要措施，是農業生產現代化不可或缺的手段。從20 世紀50 年代初期至60 年代中期，我國農用航空裝備主要用于噴撒粉劑滅蝗，隨著蝗害得到有效控制及航空噴粉對環境的污染日益突出，農用航空噴霧逐步取代航空噴粉作業。20 世紀70 年代中期以后，我國農用航空裝備作業模式由常量噴霧向低容量、超低容量發展，在大規模農田中顯示出不可替代的優勢。20 世紀90 年代，農用航空裝備作業機型和作業設備得到了較快的發展，GPS 技術的廣泛應用促進了航空噴灑技術向著精準施藥、精細農業的方向發展，并出現了專門為超輕型國產農用飛機“農林5”“Y5B”“Y11”等配套設計的3WQF 型農藥噴灑設備，廣泛用于小麥、棉花等大田作物的病蟲害防治、化學除草、葉面施肥、噴施棉花脫葉劑等[8]。近年來，隨著微機電系統、自動控制理論、傳感器技術的發展與多年的技術積淀，農用多旋翼無人機迎來井噴式發展（圖1），在精細農業中的應用層出不窮，覆蓋農林植保、地形建模、苗期監測、病蟲害預警、產量預測等各生產環節[9]。多旋翼無人機產業的飛速發展以及農林植保作業潛在的巨大市場吸引越來越多的科創企業、技術人才參與到農用航空裝備領域，農用無人機行業出現蓬勃發展態勢。

圖1 我國植保無人機市場保有量Fig. 1 Market ownership of unmanned plant protection aircraft

與地面機械相比較，農用航空裝備植保作業優點顯著。首先，農用航空裝備作業成本低。據測算，農用航空防治病蟲害用藥節省20%～50%，成本降低50%以上；飛播造林作業成本降低60%～80%，播種牧草成本降低50%，播種水稻成本降低60%～75%。其次，農用航空裝備作業效率高。農用航空裝備作業速度快，滿足時效性要求較強的作業項目，能夠在短時間內防治、控制和消除突發性、廣發性、災害性的病蟲害災情，減少經濟損失。最后，農用航空裝備作業適應性強。農用航空裝備的低空作業方式不受農田地形及高稈作物生長周期的限制，不壓實地表土層，不擦傷、損害農作物。綜上所述，農用航空裝備在現代農業生產活動中發揮著越來越重要的作用。

盡管農用航空裝備應用愈發普遍、相關產業持續升溫、農業現場與科技公司的人才缺口不斷擴大，綜觀國內涉農高校在農用航空裝備技術方面大多以培養研究生為主，鮮有開設“農用航空裝備”技術相關的本科生課程。因此，作為“新農科”建設內容之一，河南科技大學農業裝備工程學院在“工程應用能力培養模塊”下開設“農用航空裝備”本科課程，培養學生掌握農業航空裝備基礎理論與現代農業植保作業技術規范，滿足新農業、新農村、新農民對農用航空裝備的現實需求，填補“新農科”建設中農用航空裝備技術短板，具有迫切的必要性。

2 “農用航空裝備”課程建設

“農用航空裝備”課程面向4 年制農業機械化及其自動化專業的本科學生，主要講授農用航空裝備的主要機型與原理、農林植保噴灑設備、農業遙感基礎理論及典型無人機遙感技術應用案例分析等內容，為提升學生工程應用能力及專業綜合素質奠定良好基礎。“農用航空裝備”課程設置24 學時、1.5 學分，課程架構如表1 所示。

表1 “農用航空裝備”課程架構Tab. 1 Structure of “Agricultural Aviation Equipment”

2.1 課程重點內容

農用航空無人機根據結構形式的不同分為固定翼無人機（airplane UAV）、直升機無人機（helicopter UAV）和多旋翼無人機（multi-rotor UAV）。固定翼無人機起降受場地限制、無法實現低速飛行及懸停作業。直升機無人機結構復雜、操縱難度大，在現代農業航空作業中占比有限。電動多旋翼無人機具有結構簡單、成本低廉、操作靈活、自動化程度高等優點，符合我國中小規模田塊的作業條件，成為農用航空裝備中的市場熱點[10-11]。本課程在第2 章節設置8 學時重點講授無人機的結構組成與工作原理。

首先，以固定翼航空器的受力分析（圖2）為切入點，指出推進力與空氣阻力、升力與重力兩組平衡力。針對升力來源講解翼型概念（幾何特性與氣動特性）、升力原理、攻角特性等，指導學生根據不同翼型的機翼按照式（1）計算升力大小。在此基礎上，結合圖3講解固定翼航空器的姿態控制，詳細說明使用尾槳（rudder）控制偏航角（yaw）、使用副翼（aileron）控制滾轉角（roll），以及使用升降舵（elevator）控制俯仰角（pitch）的工程原理與技術手段。

圖2 固定翼航空器的受力分析Fig. 2 Force analysis of airplane

圖3 固定翼航空器的姿態控制Fig. 3 Attitude control of airplane

式中Y?升力，N

CL?升力系數

ρ?空氣密度，kg/m3

V?飛行速度，m/s

S?機翼面積，m2

采用類比教學法，將固定翼航空器的機翼與氣流之間的相對直線運動轉換為直升機的螺旋槳與氣流之間的相對旋轉運動[10]。介紹直升機的旋翼椎體、尾槳等概念與結構，并結合圖4 講解直升機的受力分析與姿態控制。直升機的螺旋槳高速旋轉時產生升力及反扭矩，升力及反扭矩的大小分別如式（2）、式（3）所示。升力方向垂直于旋翼椎體，改變旋翼椎體的傾斜方向即可改變直升機的俯仰角及滾轉角，并生成相應方向的水平分力，使直升機向指定的方向運動。另一方面，升力在豎直方向的分力則與重力平衡。反扭矩的方向始終與螺旋槳的旋轉方向相反，為避免直升機出現自旋現象，需要設置在直升機尾部的尾槳產生相應的力矩對螺旋槳的反扭矩加以平衡，并通過改變尾槳的轉速大小調節直升機的偏航角，完成直升機的姿態控制。

圖4 直升機受力分析Fig. 4 Force analysis of helicopter

式中F?直升機螺旋槳提供的升力，N

T?反扭矩，N·m

Cm?螺旋槳反扭矩系數

v?螺旋槳等效線速度，m/s

以6 旋翼植保無人機為例，結合圖5 重點講解多旋翼無人機的受力分析與姿態控制。類似于直升機的螺旋槳，多旋翼無人機的螺旋槳在高速旋轉時同樣產生相應的升力及反扭矩。然而，多旋翼無人機的螺旋槳的升力方向始終垂直于固定在直流電機上的槳盤平面，無法像直升機的旋翼椎體一樣自由地調節傾斜角度并產生相應方向的水平分力。另外，為了提高響應速度、減小結構尺寸，多旋翼無人機在結構上未設置尾槳抵消螺旋槳的反扭矩[11]。因此，由圖5 可知，多旋翼無人機的總升力等于各螺旋槳提供的升力之和，與無人機的重力相平衡，而相對的兩個螺旋槳（#1 與#4、#2 與#5、#3 與#6）采用轉速相同、轉向相反的方式，用以相互抵消各自產生的反扭矩。即，#1 槳以一定的速度順時針旋轉， #4 槳則以同樣的速度逆時針旋轉，二者產生的反扭矩大小相同、方向相反，因此得以相互抵消。類似地，#2 槳逆時針旋轉、#5 槳以與之相同的速度順時針旋轉；#3 槳順時針旋轉、#6 槳以與之相同的速度逆時針旋轉。增加#1、#3、#5 槳的轉速，同時同量減小#2、#4、#6 槳的轉速，則使多旋翼無人機的偏航角向順時針方向旋轉。反之，多旋翼無人機的偏航角向逆時針方向旋轉。同理，由圖5 可知，增加/減小#4、#5 槳的轉速，同時同量減小/增加#1、#2 槳的轉速，則完成多旋翼無人機的滾轉角控制；增加/減小#1、#6、#5 槳的轉速，同時同量減小/增加#4、#3、#2 槳的轉速，則完成多旋翼無人機的俯仰角控制。

圖5 多旋翼無人機的受力分析Fig. 5 Force analysis of multi-rotor

2.2 課程思政與教學實踐

2019 年8 月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于深化新時代學校思想政治理論課改革創新的若干意見》，明確提出要全面推進高校課程思政建設。“農用航空裝備”課程認真落實立德樹人根本任務的戰略舉措，堅決完成全面提高“新農科”人才培養質量的重要任務，通過農用航空裝備生動形象的技術案例，達成學生知農愛農、強農興農的最終目標。

在航空器技術方面，我國古代便創造出輝煌的歷史成就。據《墨子·魯問》中記載，“公輸子削竹木為鳶，成而飛之，三日不下”，充分顯示了我國勞動人民的智慧與技術。近年來，我國多旋翼無人機在國際民用航空器市場上占據絕對優勢。深圳市大疆創新科技有限公司在2012 年推出“精靈”系列4 旋翼航拍無人機，一度占據全球民用無人機市場份額的80%，并在2015 年推出MG 系列8 旋翼植保無人機，以地形跟隨及大容量噴藥為主要特色。廣州極飛科技股份有限公司在2015 年推出P20 系列4 旋翼植保無人機，融合高精度RTK-GPS（real time kinematic，global positioning system）定位技術，實現棉花脫葉劑的精細化噴施；截止 2020 年底，廣州極飛科技股份有限公司植保無人機累計為新疆棉農作業達1 440 萬hm2，大大提高了棉花生產的機械化水平，降低對人工的依賴。

自2019?2020 學年起，河南科技大學農業裝備工程學院針對“農業機械化及其自動化”本科專業的大三學生開設“農用航空裝備”專業選修課程，累計培養3 屆、超過280 余名學生。“農用航空裝備”課程采用雙語教學方式，充分體現國內外農用航空裝備這一新興市場的基礎理論知識與先進前沿技術。同時，針對多旋翼無人機理論性強、實踐要求高、技術更新快等特點，引入并構建體驗式教學模式，使學生從課堂學習中獲得感知、論證、感悟和驗證的多重體驗（圖6）[12]。課程結合三維軟件虛擬仿真與無人機實際操作，吸引并激發學生的學習興趣，調動學生積極投身現代農業建設的主觀能動性，先后為河南澤達智能科技有限公司、安陽全豐航空植保科技有限公司等輸送應屆畢業生人才7 名，活躍在植保無人機技術研發與售后服務等技術崗位。超過10 名學生進入中國農業大學、浙江大學、西北農林科技大學、河南科技大學等院校繼續深造，廣泛參與多旋翼無人機基礎理論研究及植保作業、農業遙感等應用研究項目。此外，教師以“農用航空裝備”課程為依托，指導農業機械化及其自動化專業2018 級學生設計 “面向農田地形測繪作業的無人機自穩云臺”裝置，參加“2020 年中聯重科杯第六屆大學生智能農業裝備國際創新大賽”并榮獲大賽特等獎。

圖6 “農用航空裝備”體驗式教學場景Fig. 6 “Experimental teaching” scene of “Agricultural Aircraft Equipment”

3 結束語

農用航空裝備是現代農業的重要組成部分，是農藥減量、農業提質增效的重要技術手段。隨著我國農業航空關鍵技術研究和應用進入快速發展階段，培養農業航空人才的需求日益迫切。在“新農科”建設背景下，河南科技大學農業裝備工程學院面向“農業機械化及其自動化”專業本科學生開設“農用航空裝備”專業選修課程，綜合采用雙語教學、體驗式教學等方法，培養學生掌握農業航空裝備基礎理論、現代農業植保作業技術規范、以及無人機遙感理論與技術案例，并填補“新農科”建設中農業航空技術短板，為涉農院校開設農業航空技術相關的本科生課程提供借鑒。