智能飛行器技術專業建設的挑戰與思考

［摘 要］智能飛行器技術是教育部為適應智能化時代發展需求而設立的新專業。智能飛行器是機械化、信息化、智能化融合發展的產物，方興未艾。當前智能飛行器尚無公認的定義，因而關于智能飛行器技術專業建設的建議莫衷一是。智能飛行器是什么，智能飛行器技術給人才培養帶來什么變化，智能飛行器技術專業應該怎么建設等問題一直是相關高等院校專業發展研討與關注的重點。文章通過對智能飛行器內涵的分析并借鑒國內外部分知名高校相近專業的培養理念和課程體系，從知識體系、課程建設、配套環境三個方面分析智能飛行器技術專業建設面臨的挑戰，并從建設理念、關鍵問題、具體舉措三個方面詳細闡述智能飛行器技術專業課程體系的建設思路。

［關鍵詞］智能飛行器技術；專業建設；人才培養；知識體系

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）14-0017-05

2021年，教育部新設立了智能飛行器技術本科專業。這是世界范圍內首個以智能飛行器冠名的新專業。智能飛行器發展迅速，應用形態日新月異[1-2]，目前智能飛行器尚無公認的定義，因此關于智能飛行器技術專業建設的建議莫衷一是。本文以智能飛行器的內涵分析作為出發點，圍繞智能飛行器是什么、智能飛行器技術給人才培養帶來的變化是什么以及智能飛行器技術專業怎么建設這三個問題，總結了國內外部分知名高校相近專業的培養理念和課程體系，對比分析了智能飛行器技術專業建設面臨的挑戰，闡述了智能飛行器技術專業課程體系的建設思路。

一、智能飛行器的內涵

2019年，美國國防部發布了《2018年國防部人工智能戰略總結》，對人工智能的內涵進行了描述：以數字或自主物理系統內嵌智能軟件的形式，使機器具備執行通常需要人的智能才能執行的任務的能力，如識別模式、從經驗中學習、下結論、做出預測、采取行動等 [3]。

人們對智能飛行器的期待包括以下幾點：其一，它應具有良好的適應性，對任務環境的適應以及對自身不同狀態的適應[4-5]；其二，它應該具有交互能力，能夠與人建立廣泛穩健的有效交互；其三，它應該具備對人類知識進行提煉、學習、轉化并做出創造的能力。智能飛行器將是飛行器領域機械化、信息化、智能化融合發展的集大成者。當前初步具有智能特征的飛行器包括無人機集群、“鐵穹”防御導彈系統、LRASM反艦導彈等。

一是無人機集群。無人機集群由一定數量的無人機基于開放式體系架構聚合而成，它在單個無人機平臺自主性充分發展的基礎上，以“群”的形式開展應用，并凸顯“群”特征。無人機集群以信息網絡為支撐，以群智涌現為核心，指控關系彈性可變，運用樣式靈活，能夠形成低成本、分布式、自協同、高彈性的任務執行體系[6]。某種固定翼無人機集群如圖1所示。

無人機集群技術自2016年以來發展迅速，成為世界無人機領域的熱點。當前無人機集群已經具備了初步的適應性和交互性，正在朝著知識提煉、學習與創造的階段發展[7]。

二是“鐵穹”防御導彈系統。“鐵穹”防御導彈系統是以色列拉斐爾先進防御系統公司研發的全天候、機動型火箭攔截系統，主要用于攔截“喀秋莎”和“卡桑”等射程在5至70公里的火箭彈。該系統具有較強的適應性， 可自動探測來襲火箭彈，在1秒內根據彈道、風向等天氣情況判斷出彈著點，對射向居民區或是重要目標的火箭彈進行攔截（見圖2），對射向非危險地區的火箭彈不進行攔截，攔截效率高達90%。

三是LRASM反艦導彈。LRASM（Long Range Anti?Ship Missile）是由美國國防部高級研究計劃局（DARPA）牽頭設計的先進反艦導彈，具有良好的自適應突防能力和電磁自衛能力，通過自動分析接收到的射頻信號判斷威脅程度，具有自適應突防模式和較強的適應性。這類飛行器如圖3所示。

上述飛行器系統已經具備了初步的適應性以及內在的交互能力。此外，它們的共同特征還包括穩健的飛行能力、先進的感知能力、魯棒的控制能力以及在線決策能力[8-10]。

在上述分析的基礎上，本文認為智能飛行器是一種能夠自主執行任務的飛行器。它利用先進的傳感器和算法來感知環境、做出決策并穩健地執行任務，支持人機交互但不用人類實時操控，具有良好的適應性，并朝著學習知識、進化并創造的方向發展。

二、智能飛行器技術專業人才培養目標

智能飛行器技術是人工智能技術與飛行器技術的跨域融合，具有明顯的學科交叉特點，學科涉及面廣、前沿性強，涉及航空宇航科學與技術、信息與通信工程、計算機科學與技術、控制理論與控制工程、材料科學與技術等多個學科。因此，智能飛行器技術專業的知識目標和能力目標的內容與要求比傳統飛行器專業的更豐富，其知識目標所涉及的相關技術如圖4所示。

從圖4可知，智能飛行器技術專業所涉及的相關能力目標包括具備扎實的力學、物理、數學、信息學、人工智能等學科知識基礎，掌握飛行器基本原理，能夠開展智能飛行器總體與結構設計、實現智能飛行器典型場景下的應用，以及具有解決復雜問題的融合創新能力等。

三、國內外智能飛行器技術相近專業的建設情況

鑒于國外尚無智能飛行器技術專業，而國內也在摸索中建設，本文以國內外智能飛行器技術相近專業為研究對象，分析梳理其培養理念和課程體系，作為開展智能飛行器技術專業課程體系建設的重要參考。

（一）國內外部分知名高校智能飛行器技術相近專業建設特點

在國外高校中，本文選擇麻省理工學院、加州理工學院、普渡大學、美國空軍學院為參考對象，這些高校在飛行器設計方面的專業建設特點如表1所示。

國內高校智能飛行器技術專業建設的特點大概如下：北京航空航天大學（以下簡稱北航）按照“厚基礎、重交叉、深浸養、強協同”的建設理念，強化空天信融合、深化科教融通；西北工業大學（以下簡稱西工大）以“厚基礎、強能力、高素質”為培養理念，以培養科學素養和工程素質為主線；南京航空航天大學遵循“厚基礎、寬口徑、重交叉、強實踐”的基本方針，培養學生扎實的數理、力學、電子、熱工等專業知識基礎。綜合來看，上述專業特點的共同之處是厚基礎、重交叉、強實踐。

（二）智能飛行器技術相近專業核心課程分析

麻省理工學院在信息類技術、人工智能技術與飛行器設計技術方面均具有深厚底蘊，因而其航空航天工程專業的課程體系設置具有重要參考意義[11]。其相應的專業核心課程主要有空氣動力學、結構力學、流體力學、航空航天推進、人機系統工程、自主決策原理、自動控制原理、反饋控制系統、信號與系統、數字系統實驗、計算建模與數據分析等。從其專業核心課程設置來看，麻省理工學院的課程體系高度重視力學和控制學科基礎，同時也強化學生信號系統、數字化以及計算機編程與應用方面的能力。

國內方面，以西工大航空學院[12]和北航航空學院[13]飛行器設計與工程專業的核心與特色課程為對象進行分類分析。圖5展示了這兩所大學上述專業基礎類課程中力學基礎、機械與控制、計算機與電子技術、總體設計四類課程的學分占比。

對圖5進行分析可知，這兩所大學都高度重視力學基礎、機械與控制等基礎性課程，同時兼顧計算機與電子技術類課程以及總體設計類課程等。這反映出傳統飛行器專業具有顯著的多學科交叉屬性。從智能飛行器的內涵可知，智能飛行器技術專業對應的知識體系需要在傳統飛行器專業知識體系的基礎上向智能、微電子、網絡等方面進一步拓展。

四、智能飛行器技術專業建設現狀

（一）基于課時有限的條件構建新的知識體系

參考教學質量標準，航空航天類專業課程總學時以2600學時左右為宜，知識目標和能力目標必須在限定的課時內完成。智能飛行器技術專業相比于傳統飛行器專業，在數理、力學、控制、設計、電子、信息學等方面有相似的知識目標，同時又需要掌握最新的人工智能、大數據、人機交互等技術，并熟悉新一代通信、芯片、微電子架構，知識目標的內容與要求比傳統飛行器專業豐富。智能飛行器技術專業需要在相同總學時情況下講授更多的專業知識，因此需要在學時有限情況下做好數理、力學、信息學、控制等學科知識與人工智能、大數據、人機交互、通信、芯片等知識的銜接，構建新的完備的知識體系。

（二）基于知識體系進行課程定制

有限的學時和更加寬廣的學科知識需求，對單門課程的內容設計提出了新的要求：要統籌核心知識和學時分布，還要兼顧與關聯課程的銜接。一方面需要加強頂層設計，聚焦智能飛行器技術專業能力目標，逐門細化課程的知識傳授點，去除重復環節，加強核心課程之間的銜接融合；另一方面需要實施課程定制計劃，如人工智能基礎、通信與網絡等，不能照搬計算機專業和通信專業的課程內容，應針對智能飛行器技術專業人才的培養特點，開展具有明確培養目標的課程定制。

（三）基于新的創新實踐環境開展實踐教學

智能飛行器的實踐應用是達成本專業能力目標的重要環節，開展綜合實踐能夠幫助學生加深對智能飛行器的通識認知，實現理論知識的驗證，并促進學生在該領域的融合創新發展。開展創新實踐需要大量的配套環境，包括智能化軟件開發平臺和硬件系統開發平臺等，但該領域仍處于快速發展的階段，與智能飛行器平臺相關聯的開發環境仍不成熟、不系統。例如針對無人機開展典型場景下的集群協同應用，需要具有支持智能集群的任務規劃軟件系統和適應機載環境的嵌入式硬件系統以及一些輔助設備，如視覺捕捉系統等。這些實踐環境往往需要教師團隊進行二次開發，通過改造得到符合課程具體要求的支撐環境。

五、智能飛行器技術專業課程體系建設思路

（一）須明晰專業建設理念

把握機械化、信息化、智能化“三化”融合對飛行器設計與應用的深刻影響，面向未來，在人才培養方案的課程設置中緊緊圍繞智能飛行器的平臺屬性以及智能化屬性。強調打好基礎，系統性設置數學、物理、力學、總體設計、飛行控制、智能應用等方面的相應課程，突出數理基礎扎實、知識結構完整的特點，打牢飛行器平臺設計方面的知識基礎。強調實踐貫通，通過智能元素浸潤、實踐應用連貫將寬口徑的公共基礎課程與交叉融合的學科專業關聯起來，以典型任務應用為牽引，緊扣“智能飛行器+典型任務”的主線，做到實踐貫通，設計進階式實踐教學內容。

（二）須把握好關鍵問題

1.矩陣式教學運行機制的實施與教學質量評估反饋

新的專業建設迫切需要及時做好教學質量評估反饋。通過建立“公共基礎—學科基礎—專業基礎”與“智能與實踐”融合式矩陣式教學運行機制，在實施過程中通過課程測試、科學競賽、創新項目等形式綜合評估教學質量[14]，促使教學運行機制得到不斷完善。

2.強化本碩博貫通式培養總體設計

智能飛行器技術專業涉及多個學科，應用前景廣闊，適合開展本碩博貫通式培養[15]。除了體系化的本科課程設計，建議在本碩博的銜接階段做出具體引導，指引學生通過參加創新項目實現知識向能力的轉化，并檢驗知識學習效果。

（三）需明確具體舉措

1.優化“目標—能力—課程”三維支撐關系，落實到單一課程教學質量提升

圍繞人才培養目標和能力素質需求，建立“目標—能力—課程”三維支撐關系［見圖6（a）］；通過優化支撐關系，進一步完善課程體系設計；并在支撐關系的引導下，以更好地支撐培養目標達成與促進學生能力培養為優化方向，有針對性地提升單一課程的建設質量，包括課程建設與配套的支撐環境建設［見圖6（b）］。

2.建立矩陣式教學運行機制

結合智能飛行器技術專業的多學科交叉屬性，將寬口徑的公共基礎知識與多學科專業知識關聯起來，探索建立教學運行機制。通過各階段橫向課程多元化、系統化設置，實現知識面的寬口徑覆蓋；通過縱向智能特色與貫通實踐不斷線，實現“飛行器+任務”與“實踐+理論”的交叉融合，高效達成教學目標（見圖7）。

3.強化本碩博知識銜接與貫通式培養，論證從本科基礎向碩博研究過渡的創新項目組織模式

強化本碩博貫通式培養的總體設計，以分組實施的創新項目為抓手，引導學生從本科基礎向碩博研究過渡，設置一批“智能+”創新設計項目，引導學生培養基礎研究素養，形成飛行器總體設計與團隊協作理念（見圖8）。

六、結語

本文結合智能化時代背景分析梳理了智能飛行器的內涵，分析了國內外部分知名高校在智能飛行器技術相近專業方面的建設思路以及具體的課程體系，總結了智能飛行器技術專業建設面臨的挑戰，并針對性地從知識目標、能力目標、價值目標多個維度對智能飛行器技術專業的知識架構、課程體系以及課程建設進行了論述，給出了智能飛行器技術專業建設舉措建議。

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［責任編輯：龐丹丹］