無人系統(tǒng)工程專業(yè)綜合訓(xùn)練實踐類課程教學(xué)改革探索

武萌 王欽釗 郭傲兵

摘要無人系統(tǒng)工程專業(yè)是多學(xué)科融合的新興專業(yè)，對標教育部自動化類機器人工程本科專業(yè)，聚焦無人作戰(zhàn)系統(tǒng)所涉及的理論、方法、技術(shù)、運用，使學(xué)員初步形成無人系統(tǒng)運用、指揮和管理的能力。“無人系統(tǒng)工程專業(yè)綜合訓(xùn)練”是本專業(yè)連接專業(yè)背景課程和首次任職課程重要樞紐的專業(yè)必修課程，學(xué)員通過實踐環(huán)節(jié)深入理解無人平臺關(guān)鍵技術(shù)，為操作運用新裝備奠定技術(shù)基礎(chǔ)。“無人系統(tǒng)工程專業(yè)綜合訓(xùn)練”課程實踐過程跟蹤專業(yè)前沿發(fā)展趨勢，基于課程教學(xué)目標探討挖掘課程特色，形成層次性課程教學(xué)內(nèi)容，為多學(xué)科融合新興專業(yè)實踐類課程教學(xué)提供思路。

關(guān)鍵詞 無人作戰(zhàn)裝備；綜合實踐類；新裝備操作運用

中圖分類號：E284文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.13.024

無人系統(tǒng)工程專業(yè)是多學(xué)科融合的新興專業(yè)，以教育部機器人工程為專業(yè)背景，專業(yè)以陸上無人作戰(zhàn)系統(tǒng)為研究對象，聚焦無人系統(tǒng)所涉及的理論、方法、技術(shù)運用，使學(xué)員初步形成無人系統(tǒng)運用、指揮和管理的能力。當前陸軍無人裝備將陸續(xù)裝備部隊，“無人系統(tǒng)工程專業(yè)綜合訓(xùn)練”作為本專業(yè)背景課程的終結(jié)性綜合實踐課程，培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)員本科階段基本的專業(yè)素養(yǎng)，關(guān)注無人平臺關(guān)鍵技術(shù)，通過科目實踐進一步理解新裝備及其操作運用。課程建設(shè)需要跟進新型裝備特點，基于課程教學(xué)目標探討實踐科目內(nèi)容，更新課程教學(xué)方法和手段，探討課程考核方式，不斷提升課程實踐科目訓(xùn)練質(zhì)量。

作為新興、多學(xué)科融合專業(yè)的綜合實踐類課程，加強課程設(shè)計需要解決以下主要教學(xué)問題：①基于課程地位作用，跟進新型裝備特點，更新課程教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容，以期貼近新裝備實際運用，從技術(shù)層面提升任職能力；②為完成綜合性實踐科目，挖掘?qū)W員自身潛力，強化學(xué)員能力，更新課程教學(xué)方法和手段，通過教員引導(dǎo)最大限度地調(diào)動學(xué)員積極性，提升其專業(yè)素養(yǎng)和自身能力；③更新傳統(tǒng)考核方式，查找新型考核方法，改進被動考核局面，以考促學(xué)。基于這些問題，本文提出以下課程改革方案：

1面向新裝備的使用，扎實課程教學(xué)目標，提升新裝備適應(yīng)能力

當前無人裝備正在研制和列裝中，“無人系統(tǒng)工程專業(yè)綜合訓(xùn)練”課程是無人系統(tǒng)工程專業(yè)生長軍官高等教育主體培訓(xùn)層次的必修課程，是前期機、電、信、人工智能等一系列專業(yè)背景課程之上的終結(jié)性專業(yè)必修課程，第6學(xué)期開課，是大三學(xué)年的最后一門課程，課程總學(xué)時60學(xué)時。課程教學(xué)需要基于前期專業(yè)背景課程理論內(nèi)容，結(jié)合無人新型平臺的特點，對無人平臺相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和綜合功能多次實踐，從而進一步分析新型無人平臺運用方法，進而理解由于部分技術(shù)難題、傳感器安裝位置以及自身缺陷，在實際應(yīng)用中所需關(guān)注的事項。

課程的教學(xué)目標為通過連貫遞進的系列過程“設(shè)計基礎(chǔ)→模塊設(shè)計→功能綜合”，完成一項具有部隊特色的設(shè)定戰(zhàn)術(shù)情景條件下的挑戰(zhàn)性任務(wù)，以鞏固和強化專業(yè)背景課程基礎(chǔ)知識，提高實踐動手能力，培養(yǎng)本專業(yè)學(xué)員本科階段基本的專業(yè)素養(yǎng)，促進其綜合性、實踐性專業(yè)應(yīng)用能力生成，培養(yǎng)創(chuàng)新應(yīng)用和團隊協(xié)作能力，也為首次任職階段理解、適應(yīng)和勝任崗位奠定技術(shù)基礎(chǔ)。本課程結(jié)合人才培養(yǎng)方案扎實課程教學(xué)目標，通過課程學(xué)習(xí)提升新裝備適應(yīng)能力，提升科學(xué)素養(yǎng)。

2依托教學(xué)目標，完善知識點模塊分解的層次性實踐科目內(nèi)容設(shè)計

依托教學(xué)目標，完善知識點模塊分解的層次性課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，貼近新裝備運用實際，構(gòu)建完整的知識體系，同時解決課程設(shè)計知識點繁多的問題，層次性內(nèi)容設(shè)計思路如圖1所示。

為提升學(xué)員對新裝備的使用和操控能力，實踐環(huán)節(jié)選取的機器人綜合實驗平臺具有典型無人平臺的功能模塊，可實現(xiàn)典型無人平臺的關(guān)鍵技術(shù)，綜合性強。基于機器人綜合實驗平臺不斷進行技術(shù)實踐的同時，基于機器人綜合實驗平臺模擬新型無人裝備遙控操作、自主、跟隨和打擊功能，探究單平臺組訓(xùn)和多平臺協(xié)同組訓(xùn)方式，使學(xué)員快速理解新裝備的使用和操控方法，提升新裝備的適應(yīng)能力。

層次性課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計分為三個階段“設(shè)計基礎(chǔ)→模塊設(shè)計→功能綜合”，設(shè)置10個模塊化實驗，各個階段逐層遞進并與專業(yè)背景課程銜接，10個模塊化實驗鞏固和強化了學(xué)生的專業(yè)背景課程基礎(chǔ)知識，構(gòu)建了完整的知識體系框架，具體如下：

①設(shè)計基礎(chǔ)部分，綜合前期科學(xué)文化課程的“大學(xué)計算機基礎(chǔ)”“電路原理與電子技術(shù)基礎(chǔ)”等部分課程內(nèi)容，完成硬件系統(tǒng)搭建、軟件開發(fā)環(huán)境和ROS操作系統(tǒng)設(shè)計，對前期專業(yè)基礎(chǔ)課程進行回顧和能力提升。

②模塊設(shè)計部分，綜合前期專業(yè)基礎(chǔ)課程的“人工智能原理及其應(yīng)用”“計算機控制技術(shù)”“環(huán)境感知技術(shù)”“運動控制技術(shù)”等部分課程內(nèi)容，完成面板控制、電機與運動控制、紅外與激光雷達、姿態(tài)測量、圖像感知等功能模塊設(shè)計，完成專業(yè)背景課程理論到實踐的綜合。實踐方法采用虛擬仿真與實物相結(jié)合，基于機器人綜合實驗平臺進行模塊化設(shè)計，如：運動控制、組合導(dǎo)航、激光雷達、視覺攝像頭等設(shè)計實踐，理解無人裝備的重要功能實現(xiàn)方法，理解形成關(guān)鍵技術(shù)指標的模塊搭建方法。

③功能綜合部分，基于前期學(xué)過的復(fù)雜理論“任務(wù)規(guī)劃技術(shù)”“火力打擊技術(shù)”等相關(guān)內(nèi)容，把模塊設(shè)計部分相關(guān)模塊綜合起來，進行功能綜合，完成藍牙遙控與自主避障、目標識別與跟隨等設(shè)計，即基于功能的綜合設(shè)計，實現(xiàn)對復(fù)雜理論的實驗驗證，提升學(xué)員的系統(tǒng)分析能力，通過綜合調(diào)試，進而理解新裝備無人平臺形成重要性能指標的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計方法和實際應(yīng)用中所需關(guān)注的注意事項。

④終極挑戰(zhàn)環(huán)節(jié)，通過無人平臺自主打擊對抗賽，通過掌握無人平臺多種作戰(zhàn)樣式的實現(xiàn)方法，理解多部件和相關(guān)多種關(guān)鍵技術(shù)融合，理解單無人平臺偵察、多無人平臺協(xié)同等體系構(gòu)建方法。

層次性設(shè)計思路對前期專業(yè)背景課程進行了回顧和提升，構(gòu)建了完整的知識體系框架，與新型裝備相結(jié)合，為首次任職奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3更新教學(xué)方法和手段，扎實訓(xùn)練環(huán)節(jié)，仿真與實操相結(jié)合，設(shè)置挑戰(zhàn)性任務(wù)

教學(xué)過程主動加強以學(xué)生為中心，從“教”為中心向“學(xué)”為中心轉(zhuǎn)變，充分調(diào)動學(xué)員的積極性，學(xué)員依據(jù)已有知識自主解決問題，主動學(xué)習(xí)新知識，批判性地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。具體方式為：

①教為主導(dǎo)，學(xué)為主體。教員理論講解發(fā)布項目任務(wù)后，學(xué)員完成文檔撰寫、程序設(shè)計和功能調(diào)試，要求不同任務(wù)由組員輪換擔任不同角色，并且每2～3組配備一名指導(dǎo)教員，隨堂指導(dǎo)，因材施教，為扎實完成實驗，每項實驗都要經(jīng)歷“需求分析→方案設(shè)計→理論計算→過程實現(xiàn)→實驗調(diào)試”五個環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，十多個實驗下來，最終扎實基礎(chǔ)，提高實踐動手能力；

②目標牽引的研究性學(xué)習(xí)。項目設(shè)計過程面向應(yīng)用聚焦，采用目標牽引的研究性學(xué)習(xí)，設(shè)置了達標性任務(wù)和挑戰(zhàn)性任務(wù)，完成達標性任務(wù)可以得到及格成績，自行設(shè)計完成挑戰(zhàn)性任務(wù)可以加分，通過這種方式逐漸提升學(xué)習(xí)難度和強度，促使學(xué)員能力在不斷強化的學(xué)習(xí)中得以逐步提高；

③仿真與實物相結(jié)合，提高實驗效率。對于復(fù)雜任務(wù)，采用仿真與實物相結(jié)合的方法，仿真實驗不受時間、空間限制，可以多次實驗，選取最優(yōu)解加載到實物運行，大大提高實驗效率，并且通過多次實驗，不同的實驗現(xiàn)象比較判別，提升了學(xué)員基于現(xiàn)象找本質(zhì)的能力，激發(fā)了他們的批判性思維和敢于質(zhì)疑的精神，進一步挖掘?qū)W員潛力。

4“教員引導(dǎo)、學(xué)員組訓(xùn)、以賽代考和賽后復(fù)盤”的實踐科目考核方式，更新傳統(tǒng)的評價方式，以考促學(xué)

對課程考核組訓(xùn)方式進行改革，科目過程考核和終結(jié)考核均采用“教員引導(dǎo)、學(xué)員組訓(xùn)、以賽代考和賽后復(fù)盤”的方式開展，在教員引導(dǎo)下，學(xué)員組織訓(xùn)練，提升自身組訓(xùn)能力。

科目過程考核和終結(jié)考核采取以賽代考的方式完成，依據(jù)軍事案例設(shè)置必選項目和自選項目，完成必選項目給出基本成績，依據(jù)自選項目完成情況可進行加分。考核過后，主課教員和學(xué)員共同進行賽后復(fù)盤，發(fā)現(xiàn)疑點，查找解決方案，再次共同思考提升。

“教員引導(dǎo)、學(xué)員組訓(xùn)、以賽代考和賽后復(fù)盤”的教學(xué)評價方法，更新了傳統(tǒng)的評價方式，調(diào)動了學(xué)員自身的積極性，以考促學(xué)。

5結(jié)語

本門課程教學(xué)改革基于專業(yè)特點，依托機器人綜合實驗平臺模擬新型無人裝備操控和組訓(xùn)方法，找準課程教學(xué)目標，提升學(xué)員對新裝備的適應(yīng)能力；貼近新裝備實際運用，完善“知識點模塊分解的層次性課程內(nèi)容設(shè)計”，構(gòu)建完整知識體系；扎實訓(xùn)練環(huán)節(jié)，仿真與實操相結(jié)合，設(shè)置挑戰(zhàn)性任務(wù)，更新教學(xué)方法和手段；“教員引導(dǎo)、學(xué)員組訓(xùn)、以賽代考和賽后復(fù)盤”更新課程考核方式，充分調(diào)動學(xué)員的主動性和創(chuàng)造性，提升學(xué)員組訓(xùn)能力。該課程教學(xué)改革方案將通過課程建設(shè)探索與不斷實踐，為后續(xù)首次任職奠定基礎(chǔ)，為多學(xué)科融合新興專業(yè)實踐類課程的教學(xué)提供參考。

基金項目：陸軍精品課程基金支持（2022陸軍精品課程）。

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