[出处] 教育教学论坛_2022年第6期

贾高伟 杨希祥 郭正

[关键词] 固定翼无人机；综合实践；教学设计

[基金项目] 2019年度湖南省学位与研究生教育改革研究项目“能力产出导向的空天专业研究生实践教学模式研究”（2019JGYB019）

[作者简介] 贾高伟（1989—），男，河南周口人，博士，国防科技大学空天科学学院副教授，主要从事先进飞行器设计与智能集群应用研究；杨希祥（1982—），男，河北衡水人，博士，国防科技大学空天科学学院教授，主要从事飞行器控制与试验评估研究；郭 正（1974—），男，河北辛集人，博士，国防科技大学空天科学学院教授，主要从事先进无人机设计与气动分析研究。

[中图分类号] G642.4 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）06-0129-04 [收稿日期] 2021-06-28

引言

习近平总书记在视察空军航空大学时指出，现在各类无人机系统大量出现，无人作战正在深刻改变战争面貌。要加强无人作战研究，加强无人机专业建设，加强实战化教育训练，加快培养无人机运用和指挥人才[1]。因此，航空院校当进一步重视无人机课程建设，带动学生巩固理论知识、强化动手能力，提升综合素质。当前，探索开展无人机综合实践教学已经成为重要的教学途径[2，3]。

综合实践教学的设计理念是以项目为抓手，将学生所学知识进行综合、系统地衔接，并以实际操作的基本形式，带领学生完成知识—能力—素质一体化培养进程。综合实践教学不属于理论课程，但它的开设需要同某一门或者多门理论课程相结合，具有配合性质但又不可或缺，是学生形成知识运用能力的重要途径[4，5]。

一、综合实践教学的基本设计

（一）实践教学的基本理念

航空先驱奥托·李林塔尔的名言：“发明一架飞机算不了什么，制造一架飞机也没有什么了不起，而试验它才艰难无比。”浓缩了飞行器设计的精华，“能飞”是检验飞行器的终极磨刀石，是最有说服力的验证。无人机设计涉及的学科门类广，技术头绪多，“飞行”状态的无人机对其设计的各个方面均有严格要求，这也是飞行器不同于其他工学学科的显著特点[6]。因此，学生在完成无人机设计课程学习之后，若能够通过实践操作，完成某一无人机的飞行，无疑将对其所学知识和动手实践的效益产生综合的可信赖的评价。同时，实践教学本身也是学习知识、回顾知识、锻炼能力的过程。因此我们设置的无人机综合实践项目的基本理念为：将一架固定翼无人机飞起来，并以此为中心组织必要的分科目实践。

实践的对象为某电动固定翼无人机，以此开展实践教学的明显优势包括：其一，无人机是一个团队项目，有助于培养创新思维、团队协作精神与工程素养，加深学员对飞机/无人机装备的认识理解。其二，无人机涵盖了几乎所有飞行器学科中都要用到的总体设计、气动计算、结构制造、飞行试验、数据分析等过程。其三，相比于多旋翼无人机，固定翼无人机在军事和民用领域的应用范围更广，且固定翼无人机在气动计算、飞控、测控通信及实际飞行方面具有更高的要求，这将激发学生的积极性、责任心与使命感。

（二）实践教学的内容安排

实践项目涵盖了无人机研发的主要步骤和流程，包括总体概念设计、气动力计算、控制仿真、無线通信、总装集成、飞行试验等，内容框架如图1所示。上述实践环节可以训练学生动手操作能力、试验组织能力、数据分析能力和文档撰写能力。

学生需运用理论课程中所学到的空气动力学、飞行力学以及物理学知识进行无人机项目应用训练；在项目最后，要求学生撰写实践报告，描述整个项目实施与训练过程细节，并对试验结果进行分析，总结项目取得的成果。具体实践安排为：（1）以实际放飞某电动无人机为抓手，该机翼展1.8m，重2kg，基本几何参数已知，但气动特性需要计算获知；需要建立全机几何模型，对其气动力进行计算，得到升力系数、俯仰力矩、焦心位置等参量，计算飞行速度范围与稳定裕度；（2）基于线性小扰动模型，建立飞行器控制仿真模型，调整控制参数，以得到稳定的仿真飞行结果；（3）结合实际的无线通信电台，开展功能设置与性能测试，熟悉无线通信系统的基本构成与注意事项，能够评估无线通信距离；（4）完成全机的总装集成，包括机体的总装和航电飞控系统组装，完成实飞准备，相继开展遥控飞行和自驾飞行。

（三）实践教学的设计技巧

1.分组实施。无人机具有典型的多学科属性，涉及气动设计、控制、制造、通信与飞行试验等，现阶段的无人机研发、使用与保障过程等均是团队行为。为此，无人机综合实践项目有必要以分组的形式开展，将组内分工以及组内协作纳入课程考核内容。

2.重复与强化。无人机实践项目中的机体组装、无线通信测试、飞行前检查等实践内容，步骤并不复杂，但逻辑性强，对飞行安全至关重要，有必要进行多次重复操作，其目的是通过强化训练，形成更为深刻的记忆。比如，飞行前结构检查中舵机运转、连杆衔接、中立位置调整；航电检查中电池电压、传感器初始化、自驾仪状态等基础性检查。通过反复强化，有助于提高学生理解并重视飞行安全，强化安全意识。

3.引导与“挖坑”。教员准确的引导是帮助学生在短时间内完成实践内容的重要保证，“挖坑”则是教员结合试验内容，对各组学员进行差异化的障碍设置。通过引导，督促学员在正确的方向上实践、进步；通过“挖坑”，促使学生更加认真，集中注意力，避免滥竽充数，也间接培养其发现问题、解决问题的能力。“坑”的大小要适当，太小了不能发挥作用，太大了又可能诱发学生的畏难情绪，需要结合实践效果，合理设置障碍。“挖坑”的合理程度将在不断实践积累中逐步优化。

4.引入特色“对抗”。凸显“对抗”特色，可以激发学生的学习热情，丰富实际应用中的处置经验。以开展无人机通信系统实践活动为例，可以选择某小组为“对手”，对其进行对抗挑战，对抗的形式包括：一是无线干扰，这在无人机实际通信应用中是常见的，该操作能够使学生在实践中更直观地理解无线信道的属性特征；二是对某一小组设备进行“人为破坏”，不再是理想的完好状态，引导学生主动修正通信设备状态参数并处置意外情况。

二、综合实践教学的考核

（一）实践项目报告的设计

项目报告书的设计与实践项目内容紧密配合。气动力分析方面，基于AVL（Athena Vortex Lattice）软件完成飞机外形建模及各类计算；飞行控制方面，依据功能映射，建立基于SIMULINK的飞控仿真环境，通过控制参数的调整，学习了解控制参数与飞行品质之间的联系；无线通信方面，采用行业内常用的视距通信电台，要求学生掌握无线电台基本参数的设置，了解影响通信时延、传输速率及传输距离的关键因素；全机总装集成以及地面检查方面，由教员组织制定结构检查与航电检查记录表，学生在组装与检查过程中，详细对照检查表，以图片和图表的形式完成记录。

综上所述，项目报告书的内容设计如图2所示，分为4个主要模块。

（二）实践项目考核结果分析

针对图2所示的四个实践内容，统计学生对应的得分及分数分布情况，每个实践子项目满分 20分。需要说明的是，在控制仿真实践和通信系统实践中均引入了“挖坑”环节。如表1及图3所示。

图3中纵坐标表示学生数量，横坐标对应实践子项目的得分。由表1及图3可知，气动计算实践和总装飞行实践平均得分高，且分数集中，控制仿真实践和通信系统实践平均得分最低，分数较为分散，凸显出“挖坑”技巧产生影响，有组员未能完全地“填坑”，导致部分测试数据错误，影响了得分。由此也可得知，“挖坑”环节的设置使得分数分布不再单一集中，减小了滥竽充数的可能。具体地说，在通信系统实践中，接收对抗测试的一组学生平均得分16分，高于全班平均分14.8，反映出对抗环节能够激发学生的热情，以更高的专注度更认真地完成实践活动。此外，也可看到图3中得分分布并不尽合理，不满足正态分布，这与考核得分设置及实践的挑战性设置有关，这一问题的改善在第四章节进行论述。

三、体会与思考

（一）实践性得分与测试性得分的权重

传统的理论课程，考核方式明确具体，以测试性得分为主。对于实践项目，学生按照试验指导书完成实践内容即可得分，即实践性得分为主。实践得分权重过高容易导致分数分布集中在优秀，体现不出差异性，这在气动计算和总装实飞实践中得以体现，难以衡量学习差异。若大幅提高测试性得分比重，则有可能引入偏理论授课的成分，一定程度上偏离实践课程的初衷。教改方式：针对具体的实践过程和步骤，适度增加测试性考核部分，考核内容为实践操作、关键注意事项及实验体会等，可以以测试卡的形式组织，平衡实践性得分权重，形成综合性的得分体系。

（二）障碍设置与实践风险的折中

实践得分表明，障碍设置和对抗训练有助于提高学生积极性，使得分数差异化，减少滥竽充数。但气动力计算与总装实飞实践中，考虑到这两个步骤对实际飞行影响较大，若障碍太大，有可能将错误的做法带入实际飞行中，增加实飞风险。教改方式：一是合理评估障礙难度，选择难度适宜的障碍测试学生反应，且障碍设置需在长期实践中逐步优化；二是对障碍进行编号、记录，并由助教密切关注所挖的“坑”是否被发现，并及时介入，保证最终实践过程的正确性和安全性。

实践项目的实施，目的是通过动手实践更好地消化知识、形成能力、培养素质，但过程设计及得分体系均会给培养效果带来深刻影响。在实践教学中，应尽可能调动学生积极性，体现过程差异性，避免走过场随大流，让学生扎实掌握实践要点，学有所得，学有所长。