智能無人飛行器“三位一體”創(chuàng)新實踐教學模式及應用

楊躍能，張士峰，趙 勇，劉龍斌，白錫斌，鄧少永

（國防科技大學，長沙 410073）

無人機、浮空器、火箭、導彈和衛(wèi)星等無人飛行器廣泛應用于偵察監(jiān)視、通信中繼、電子干擾、火力打擊和毀傷評估等軍事領(lǐng)域，已經(jīng)成為聯(lián)合作戰(zhàn)力量體系的重要組成部分，并持續(xù)驅(qū)動戰(zhàn)爭形態(tài)的演化變革[1]。2017 年7月，習近平主席向國防科技大學致訓詞：“國防科技大學是高素質(zhì)新型軍事人才培養(yǎng)和國防科技自主創(chuàng)新高地。要緊跟世界軍事科技發(fā)展潮流，適應打贏信息化局部戰(zhàn)爭要求，抓好通用專業(yè)人才和聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才培養(yǎng)，加強核心關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，努力建設(shè)世界一流高等教育院校[2]”。2022 年10 月，黨的二十大報告強調(diào)，加快無人智能作戰(zhàn)力量發(fā)展[3]。由此可見，培養(yǎng)聯(lián)合作戰(zhàn)保障人才，特別是無人飛行器作戰(zhàn)領(lǐng)域的高素質(zhì)專業(yè)化軍事人才，成為學校教育教學的重中之重。

實踐教學是培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)化軍事人才的重要途徑和有效手段[4-6]。智能無人飛行器的實踐教學涉及總體設(shè)計、建模分析、試驗驗證和實踐應用等多個環(huán)節(jié)，當前，在以下三個方面尚有待改進與提高：一是偏重理論研究和設(shè)計分析的實踐項目難以對接部隊作戰(zhàn)訓練的實際需求；二是“邊講解邊示教”“手把手教”等傳統(tǒng)教學方法難以適應信息化、智慧式教學的發(fā)展趨勢；三是單一的課程綜合實驗室、研究生創(chuàng)新實踐中心等教學平臺難以提供演示驗證試驗和實踐應用所需的條件保障。綜上，積極探索并不斷優(yōu)化智能無人飛行器創(chuàng)新實踐教學模式，具有強勁需求驅(qū)動與重大實現(xiàn)意義。

國外高校普遍重視創(chuàng)新實踐教學。20 世紀末，美國提出“回歸工程”這一概念，注重高校與企業(yè)、社會的聯(lián)系，大力加強實踐教學[7-8]。德國采用校企合作方式和彈性學制，以此強化學生的實踐能力[9]。英國高校采用“協(xié)作式”培養(yǎng)模式，將大學的基礎(chǔ)研究優(yōu)勢與企業(yè)的應用需求緊密結(jié)合起來[10-12]。校企結(jié)合、強化實踐是國外高校實踐教學的鮮明特征。國內(nèi)相關(guān)航空航天院校高度重視飛行器創(chuàng)新實踐教學，建立工程訓練中心和實習基地，制定并實施實踐能力培養(yǎng)方案，不斷強化實踐教學。北京航空航天大學宇航學院實施了具有交叉融合特色的實踐教學改革，從立體化實驗體系、綜合性教學大綱、智能化實踐平臺等方面，將飛行器、控制與信息處理等學科專業(yè)進行交叉融合，培養(yǎng)學生的系統(tǒng)思維、設(shè)計思維、工程思維[12]。國防科技大學空天科學學院以探空火箭、微納衛(wèi)星、無人機和浮空器等為研究對象，開展了多層次的飛行器實踐教學探索，指導學生獲得多項國家級科技競賽獎勵，全面提高了學生的創(chuàng)新實踐能力[13-14]。西北工業(yè)大學通過開展科技制作、創(chuàng)新研究和學科競賽等途徑，引導學生學習和綜合運用多學科知識，提高創(chuàng)新實踐能力。同時，大力改革實踐教學內(nèi)容和教學方法，將科研項目成果轉(zhuǎn)化為綜合性、設(shè)計性、創(chuàng)新性實踐項目，推動以掌握新知識為核心的教學模式改革，培養(yǎng)學生在實踐中掌握新知識、應用新知識的水平和能力[15]。南京航空航天大學機電學院針對飛行器制造工程專業(yè)實踐教學存在的問題，建立了相應的實踐教學體系，該體系基于一個機型而不僅僅是幾個典型零件，將實踐教學和課程教學緊密結(jié)合，使各學科知識點貫穿為一條完整的“線”[16]。沈陽航空航天大學自動化學院突破實踐環(huán)節(jié)的學時限制，將實踐教學貫穿整個學期，將自動化專業(yè)知識與飛行器設(shè)計實踐緊密結(jié)合，有效彌補了單個實驗教學相互獨立、缺乏系統(tǒng)性的不足[17]。南昌航空大學為適應航空產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級對航空制造人才提出的新要求，將專業(yè)勝任能力、職業(yè)道德、工程實踐能力貫穿人才培養(yǎng)全過程，構(gòu)建了適應航空工藝裝備設(shè)計制造需求的實踐教學體系，有力支撐了產(chǎn)教融合的人才培養(yǎng)目標[18]。

上述研究成果為創(chuàng)新實踐教學提供了參考和借鑒。然而，針對實戰(zhàn)化教學與工程教育內(nèi)涵發(fā)展的現(xiàn)實需要，如何將實踐教學與部隊作戰(zhàn)訓練需求和工程教育理念相結(jié)合，是軍事院校創(chuàng)新實踐教學亟需解決的核心問題之一。因此，本文以作戰(zhàn)訓練任務需求為牽引、以工程教育為基礎(chǔ)、以能力產(chǎn)出為導向，從教學設(shè)計、教學方法和教學條件三個方面，開展智能無人飛行器創(chuàng)新實踐教學改革與探索。

一 “三位一體”創(chuàng)新實踐教學模式的內(nèi)涵

創(chuàng)新實踐教學模式是指在一定的教育思想和教育理論指導下，為實現(xiàn)創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)這一目標而采取的一系列培養(yǎng)方式、方法、舉措及配套條件[5，19-21]。本文針對前述三個方面的問題，緊貼部隊作戰(zhàn)訓練任務需求、改進實踐教學方法、整合軍內(nèi)外教學資源，圍繞智能無人飛行器創(chuàng)新實踐的教學設(shè)計、教學方法和教學條件等方面開展研究，構(gòu)建了“三位一體”創(chuàng)新實踐教學模式，如圖1 所示。以能力產(chǎn)出為導向，反向設(shè)計、正向?qū)嵤盎A(chǔ)課程實驗+專業(yè)綜合設(shè)計+學位論文研究+課外科技競賽+重大課題研究+部隊實訓實用”六層遞階式實踐項目群；以實踐項目為驅(qū)動，實施信息化智慧式實踐教學方法；以聯(lián)教聯(lián)訓為途徑，構(gòu)建“作戰(zhàn)部隊-試驗基地-隨營學校-科研院所-軍工企業(yè)”復合型實踐教學平臺。

圖1 “三位一體”創(chuàng)新實踐教學模式

（一）實戰(zhàn)化實踐教學設(shè)計

針對創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)目標不夠明確、實踐項目軍事特色不夠鮮明等問題，深度融合“學為戰(zhàn)”和工程教育理念，緊貼部隊作戰(zhàn)訓練需求，以能力產(chǎn)出為導向，反向設(shè)計六層遞階式實踐項目群。將智能無人飛行器創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)定位為“具備能夠創(chuàng)造性解決無人飛行器總體設(shè)計、分析、試驗與應用中復雜工程問題的能力”，具體為：①運用系統(tǒng)性思維從作戰(zhàn)訓練實際需求中發(fā)現(xiàn)問題的能力；②設(shè)計、分析和優(yōu)化智能無人飛行器總體方案的能力；③構(gòu)建數(shù)學模型描述和解決導航、制導與控制問題的能力；④設(shè)計、實施和評估智能無人飛行器試驗的能力；⑤運用無人飛行器解決作戰(zhàn)訓練實際問題的能力。對照上述創(chuàng)新實踐能力，以作戰(zhàn)訓練需求為牽引，整合我校在無人機、浮空器、火箭、導彈和微納衛(wèi)星等方面的優(yōu)質(zhì)教學資源和高水平科研成果，依托國家重大專項、重大裝備型號任務等科研項目，以能力產(chǎn)出為導向，采用反向設(shè)計的方法（圖2），構(gòu)建“基礎(chǔ)課程實驗+專業(yè)綜合設(shè)計+學位論文研究+課外科技競賽+重大課題研究+部隊實訓實用”的六層遞階式實踐項目群，將實踐能力培養(yǎng)目標通過一個個環(huán)環(huán)相扣、循序漸進的實踐項目來實現(xiàn)。

圖2 以能力產(chǎn)出為導向的實戰(zhàn)化教學設(shè)計

（二）智慧式實踐教學方法

針對實踐教學方法較為單一、教學手段較為落后等問題，運用雨課堂、騰訊會議、云班課、微課等信息化教學手段構(gòu)建“智慧教室”，實施啟發(fā)式、案例式、研討式、演示式和體驗式等“智慧式”教學法（圖3），參照重大工程研制組織結(jié)構(gòu)，指導學生自主組建對應總體設(shè)計師、專業(yè)設(shè)計師、主任設(shè)計師及核心技術(shù)人員“四個職責”的創(chuàng)新研究小組，開展智能無人飛行器“虛擬仿真試驗+模型在環(huán)試驗+快速原型試驗+硬件在環(huán)試驗+演示驗證試驗+裝備實際應用”六層遞階式實踐教學，從而實現(xiàn)理論講授和工程實踐有機結(jié)合、基礎(chǔ)知識與專業(yè)技能緊密聯(lián)系、技術(shù)方案與系統(tǒng)研發(fā)有效貫通、裝備應用與部隊需求無縫對接的四個維度的教學目標。

圖3 智慧式實踐教學框架

（三）復合型實踐教學平臺

針對實踐教學平臺較為匱乏、實踐教學資源較為分散等問題，以作戰(zhàn)部隊、試驗訓練基地等部隊為依托牽引軍事需求和實裝訓練，以“快速響應空間系統(tǒng)與技術(shù)”教育部重點實驗室、“空天跨域飛行器總體與控制”湖南省重點實驗室、湖南省微小衛(wèi)星研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地和研究生創(chuàng)新實踐中心為基地實現(xiàn)能力培養(yǎng)和創(chuàng)新孵化，以航天科技集團、航天科工集團、兵器集團等工業(yè)部門為支撐形成技術(shù)應用與成果轉(zhuǎn)化，構(gòu)建集成“作戰(zhàn)部隊-試驗基地-隨營學校-科研院所-軍工企業(yè)”的“五鏈式”創(chuàng)新實踐平臺（圖4），跨學科、跨專業(yè)、跨單位、跨軍地組建實踐教學團隊，在科研條件、教學資源和師資力量等方面與學校現(xiàn)有實踐教學環(huán)境形成良性互補，協(xié)同支撐研究生開展課程學習、課內(nèi)實踐、課外創(chuàng)新、論文研究與部隊實習，打造了“天拓”納星、“天航”小火箭、“天翔”無人機和“天梭”浮空器等創(chuàng)新實踐品牌，全方位提升了學生的創(chuàng)新實踐能力，形成了“軍-地-校”協(xié)同育人、共同發(fā)展的多贏局面。

圖4 復合型實踐教學平臺

二 “三位一體”創(chuàng)新實踐教學模式的應用效益

（一）直接服務于實踐教學，受益面輻射全國

該教學模式直接服務于學校相關(guān)專業(yè)的創(chuàng)新實踐教學，學生實踐能力得到顯著提升。2014 年至2022 年，累積開設(shè)10 余門課程實驗，選課人數(shù)達1 200 人；累積開設(shè)綜合實踐項目10 余項，選課人數(shù)達800 人。面向全國率先建成了導彈總體設(shè)計國家級一流課程、航天器控制原理虛擬仿真試驗系統(tǒng)，共有航天工程大學和火箭軍工程大學、北京航天航空大學、哈爾濱工業(yè)大學和西北工業(yè)大學等10 余所高校，共600 余名學生使用，獲得師生一致好評。多次組織實施了火箭測試發(fā)射試驗教學，受到參訓學生的一致好評。先后舉辦了“先進衛(wèi)星技術(shù)”“先進飛行器設(shè)計”等多期國際研究生暑期學校，累計600 余人參加。

（二）支撐各類高水平創(chuàng)新實踐活動，創(chuàng)新實踐成果顯著

指導學生開展各類高水平創(chuàng)新實踐70 余項，完成了以“天拓”微納衛(wèi)星、“天航”小火箭（圖5）、“天梭”浮空器、反恐排爆無人機和智能單兵系統(tǒng)（圖6）為代表的一系列軍事特色鮮明的智能無人飛行器創(chuàng)新作品。以微納衛(wèi)星為例，依托研究生創(chuàng)新基地，先后成功發(fā)射世界首顆單板納星“天拓一號”、國內(nèi)首個集群衛(wèi)星“天拓三號”、我國首個衛(wèi)星在軌加注實驗衛(wèi)星“天源一號”，指導學生參與國際航天合作項目（QB50 計劃），成功研制“國防科大立方星”，取得了5 年5 次成功發(fā)射10 顆微納衛(wèi)星的成績。指導學生參加世界大學生立方星挑戰(zhàn)賽、中國國際飛行器設(shè)計挑戰(zhàn)賽、中國研究生未來飛行器創(chuàng)新大賽等高水平科技競賽，獲一等獎10 余項、二等獎20余項。其中，《智能單兵系統(tǒng)》《仿生飛艇》等作品被中央電視臺、《科技日報》和國際仿生工程學會等報道。

圖6 中央電視臺報道智能單兵系統(tǒng)

（三）培養(yǎng)了大批高素質(zhì)專業(yè)化軍事人才

近年來，向部隊輸送了近1 000 名高素質(zhì)專業(yè)化軍事人才，運用所學知識解決了裝備演習實訓難題；面向國家建設(shè)航天強國重大戰(zhàn)略規(guī)劃，向我國航天發(fā)射基地輸送近300 名畢業(yè)生，為建設(shè)航天強國提供了強大的智力支持；面向國家“十四五”新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，向高新企業(yè)輸送了500 多名畢業(yè)生，為我國航空航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了優(yōu)質(zhì)的人才隊伍。培養(yǎng)學生獲軍隊/湖南省優(yōu)秀學位論文獎12 項。畢業(yè)生錢山進入西安衛(wèi)星測控中心工作一年內(nèi)，即應用衛(wèi)星控制實踐項目所學解決了“海洋二號”衛(wèi)星姿態(tài)失控的重大工程難題，成功挽救了衛(wèi)星，榮立二等功、獲中國青年五四獎章。

（四）打造了一支一流師資隊伍

打造了一支由學術(shù)造詣精深的知名教授和工程經(jīng)驗豐富的工程專家領(lǐng)頭的“雙師型”人才隊伍，其中，湖南省優(yōu)秀學位論文指導教師1 人、軍隊院校育才銀獎1人、國防科技卓越青年科學基金獲得者1 人及省部級青年科技英才2 人。獲全國職業(yè)院校教學能力比賽三等獎2 項，湖南省課堂教學大賽二等獎1 項，學校教學能手比賽一等獎2 項，學校教學優(yōu)秀獎4 項，國家級科技競賽優(yōu)秀指導教師獎20 余項，建成國家級、省級精品課程3 門。

（五）有力支撐教育教學改革研究，教研成果豐碩

承擔教育部、湖南省教學改革研究課題4 項，校教學改革研究課題5 項，獲軍隊教學成果一等獎1 項，湖南省教學成果二等獎1 項，軍隊教學成果三等獎1 項，發(fā)表教學研究論文30 余篇，2019 年應邀參加工程教育國際會議并宣讀論文以及推廣實踐教學模式。該模式推廣應用于航天工程大學、火箭軍工程大學、中南大學和中山大學等單位，受益學生人數(shù)達2 000 人。

三 結(jié)束語

針對“教為戰(zhàn)、學為戰(zhàn)”和工程教育內(nèi)涵發(fā)展的現(xiàn)實需求，構(gòu)建了以“緊貼實戰(zhàn)、實踐引領(lǐng)、協(xié)同育人”為主旨、以“科研-教學-實踐-系統(tǒng)-應用”為主線，以“實戰(zhàn)化教學設(shè)計、智慧式教學方法、復合型教學平臺”為內(nèi)涵的創(chuàng)新實踐教學模式，并應用于無人機、浮空器、火箭、導彈和微納衛(wèi)星等智能無人飛行器實踐教學，培養(yǎng)了一批服務于部隊的高素質(zhì)專業(yè)化軍事人才，取得了顯著的教學質(zhì)量效益。