星形樹狀方法在無人機系統(tǒng)教學(xué)中的應(yīng)用探索

劉戰(zhàn)合，田秋麗，王曉璐，王菁

摘 要：無人機系統(tǒng)是一門綜合性學(xué)科，涉及技術(shù)面廣、學(xué)科關(guān)聯(lián)度強、知識點多等問題，結(jié)合各學(xué)科特點，提出了基于多維度的星形知識點結(jié)構(gòu)、樹狀邏輯構(gòu)架的教學(xué)分析方法，形成系統(tǒng)化思想，有效融合各知識點，進(jìn)而搭建知識脈絡(luò)，形成知識線，擴展為系統(tǒng)化知識面。通過無人機系統(tǒng)導(dǎo)論課程實際講授，獲得了較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：無人機系統(tǒng)；星形；樹狀；教學(xué)

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）18-0054-03

Abstract： Unmanned Aerial Vehicle （UAV） system is a comprehensive discipline， which involves a wide range of technology and has strong association with other disciplines. In combination with the characteristics of various disciplines， this paper proposes a new teaching analysis method that involves a multidimensional star-shape structure of knowledge and a tree-shape logic structure. Then， this paper constructs a systematic thinking mode， effectively integrates all related knowledge points， builds up the structure of knowledge， and forms the knowledge lines and extends to systematic knowledge. Through the real teaching of the introductory course of UAV system， the new teaching method gets a better teaching effect.

Keywords： unmanned aerial vehicle system； star structure； tree structure； teaching

無人機產(chǎn)業(yè)[1]目前由軍用步入民用，且消費級無人機已經(jīng)成為其主體產(chǎn)業(yè)之一，相應(yīng)的，無人機系統(tǒng)[2]課程開始逐漸在本科院校、大專院校設(shè)立，同時，一些高校如南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等傳統(tǒng)航空院校開設(shè)無人機設(shè)計等課程，并取得了較大成果，但作為無人機，更重要的體現(xiàn)在其系統(tǒng)化思想上，要求基于多學(xué)科，如飛行器總體設(shè)計、空氣動力學(xué)[3]、電磁波傳輸理論、結(jié)構(gòu)力學(xué)、探測與識別、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)等專業(yè)知識，形成學(xué)科融合的系統(tǒng)化專業(yè)課程。鑒于該課程存在的諸多問題，如新知識的不斷更新、教科書缺乏、知識復(fù)雜度難以統(tǒng)一等[4]，提出并開展了基于多知識“點”的星形樹狀教學(xué)方法研究，有效提高了無人機系統(tǒng)導(dǎo)論課程的教學(xué)方法，完善了教學(xué)內(nèi)容。

一、無人機系統(tǒng)涉及學(xué)科

無論是以無人機本體設(shè)計為主的無人機設(shè)計課程，還是注重系統(tǒng)思想的無人機系統(tǒng)課程，從技術(shù)角度講，其所包含的主體學(xué)科方向大致可分為：總體設(shè)計、空氣動力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)與材料、有效載荷、探測與識別技術(shù)、地面控制站、數(shù)據(jù)鏈、發(fā)射與回收技術(shù)?？梢钥闯觯陨细鏖T類技術(shù)涉及面廣、各學(xué)科之間又具有比較強的關(guān)聯(lián)性，相對來講，知識面較多，形成了看似“雜亂無章”的學(xué)科關(guān)系，但如從無人機系統(tǒng)角度出發(fā)，我們可以將以上學(xué)科分成以下幾個層次：

（一）無人機平臺技術(shù)

以無人機為載體，包含傳統(tǒng)學(xué)科中的飛行器設(shè)計技術(shù)即總體技術(shù)、空氣動力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)、飛行性能等，甚至涉及到航空材料等。對不同的無人機，由于其產(chǎn)生推力的方式、升力的方式可能會存在一定的差異，將導(dǎo)致飛機總體設(shè)計技術(shù)、空氣動力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)等性能參數(shù)對不同飛行器而言各異，但從一般性技術(shù)講，每個學(xué)科技術(shù)應(yīng)該融合起來，形成技術(shù)閉環(huán)。隨著新型戰(zhàn)爭形勢和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，飛行器的反探測、隱身技術(shù)亟待提高，包含電磁隱身、聲隱身、紅外隱身等，從平臺角度出發(fā)，除具備傳統(tǒng)的技術(shù)支撐之外，還應(yīng)具備結(jié)合空氣動力學(xué)、飛行器設(shè)計的電磁波、聲學(xué)、紅外等技術(shù)的綜合。

（二）地面指揮和控制站技術(shù)

地面指揮和控制站是無人機駕駛員最直接感受和發(fā)出指令的系統(tǒng)，一般包含接收和處理無人機平臺發(fā)回的無人機飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、有效載荷數(shù)據(jù)、飛行器固定載荷信息等數(shù)據(jù)，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃及其實施情況，表現(xiàn)為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)截斷、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等技術(shù)，同時，涉及到圖像處理和匹配等數(shù)據(jù)技術(shù)。

（三）數(shù)據(jù)鏈路技術(shù)

作為飛行平臺與地面控制站之間的數(shù)據(jù)鏈路，除負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)之間的通信和傳輸之外，還具備判斷和計算無人機與數(shù)據(jù)鏈天線之間的距離和角度，即實現(xiàn)定位功能，因此，涉及到雷達(dá)傳輸、電磁干擾、信號探測等技術(shù)。

（四）發(fā)射和回收技術(shù)

根據(jù)不同無人機特點，如無人機升力產(chǎn)生方式、起飛方式、無人機推力產(chǎn)生方式等，可以包含不同的發(fā)射和回收技術(shù)，包含跑到滑跑式、彈射式、手拋式、垂直起降式等，將包含空氣動力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)等共性技術(shù)。

（五）有效載荷

有效載荷是指除無人機平臺固有設(shè)備之外的有效載荷，不包含燃油系統(tǒng)、氣壓計、空速計等，主要指用于執(zhí)行任務(wù)的載荷，一般為用于作戰(zhàn)的武器載荷和用于偵察監(jiān)視的探測載荷。為有效提高探測能力，將采用可見光、雷達(dá)、紅外探測技術(shù)，也屬于電磁波理論范疇，同時，對武器系統(tǒng)，希望能有效探測和跟蹤地方武器平臺，需要提高探測和跟蹤能力，也對電磁波理論提出了要求。

二、星形分布方法

為有效提高無人機系統(tǒng)課程的融合性，并縮小甚至消除各學(xué)科之間的隔閡，通過系統(tǒng)化、合理分析和整理，尋找各學(xué)科共性知識點，組成星形的“點”，每個點對應(yīng)其知識點，每個知識“點”橫向聯(lián)系學(xué)科，形成密集型關(guān)系。這至少包含兩個層次：一是對各學(xué)科建立知識“點”，以知識“點”為核心，形成學(xué)科內(nèi)容框架，由小的知識“點”再匯聚成大的知識“點”，力爭實現(xiàn)一個學(xué)科僅包含少數(shù)幾個關(guān)鍵知識“點”；二是多學(xué)科之間共性知識“點”的建立，及該知識“點”在本學(xué)科中的影響作用，并與其他學(xué)科存在使用上、背景上的區(qū)別，又有何聯(lián)系？

以無人機系統(tǒng)為例，對飛行器設(shè)計、空氣動力學(xué)基礎(chǔ)、動力系統(tǒng)等進(jìn)行了詳細(xì)講解，首先，以飛行器設(shè)計為出發(fā)點，該學(xué)科涉及到飛行器飛行性能評估分析和計算，如升力、阻力、重力、推力等，可以將以上四種力作為四個知識“點”，各類知識“點”在其關(guān)聯(lián)學(xué)科中也有一定影響，為描述方便，將星形分布方法做如圖1來詳細(xì)說明：

如圖1所述，僅僅以空氣動力學(xué)基礎(chǔ)為例，將該知識點根據(jù)產(chǎn)生原因和基本原理分為兩類：分布力和集中力，進(jìn)而將分布力分為升力、阻力、重力等，而降集中力分為推力、載荷力等，兩種力的知識“點”產(chǎn)生基本理論或機理對應(yīng)為空氣動力學(xué)理論中的伯努力定理和質(zhì)量流守恒兩大定理，并由此，各力學(xué)性能及參數(shù)對無人機的強度設(shè)計也會產(chǎn)生較大影響，特別體現(xiàn)在機構(gòu)設(shè)計、材料設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等基本知識“點”，并結(jié)合其他影響因素，即其他知識“點”，提高教學(xué)效果。

同時，對于以上星形分布方法，可以將知識“點”按照各級別，分為：基本知識“點”、二級知識“點”，二者之間聯(lián)系即產(chǎn)生知識“線”，從而形成完整的星形分布圖，需要注意的是，學(xué)科中的知識“點”選取，應(yīng)該是具有代表性、典型性、基本性、關(guān)鍵性的知識，對于一個學(xué)科，不宜產(chǎn)生太多知識“點”，同時，形成的知識“點”可與其他學(xué)科形成相互之間的因果關(guān)系或鏈接關(guān)系。

三、樹狀方法

知識“點”星形分布方法盡管建立了各基本知識“點”及其之間的相互關(guān)系，但仍然存在零散、單一的缺點，按照本文前述定義，會局限于一門學(xué)科，盡管可擴充于多學(xué)科，為解決以上問題，通過深入研究和實際教學(xué)驗證，本文更進(jìn)一步提出了樹狀方法。進(jìn)一步描述如圖2：

圖2中僅僅說明了部分內(nèi)容，對于各學(xué)科的基本知識“點”并未顯示出，實際上，基本知識“點”位于樹狀方法最細(xì)層，逐次網(wǎng)上為二級知識“點”、三級知識“點”等。三級知識“點”對應(yīng)為基礎(chǔ)學(xué)科，如空氣動力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、通信技術(shù)等；四級知識“點”為學(xué)科分類，如對無人機，可以將空氣動力學(xué)、推進(jìn)技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料學(xué)科等歸為飛行器總體技術(shù)，類似的，可以有數(shù)據(jù)鏈、控制站、有效載荷等四級知識“點”；依次再往上為最高級無人機系統(tǒng)，以系統(tǒng)化思想認(rèn)識、分析無人機，并進(jìn)行相關(guān)教學(xué)。

值得一提的是，盡管樹狀方法在建立過程中，各級知識“點”、相同級知識“點”之間并未明確聯(lián)系，但借鑒星形分布方法，可以將各級知識“點”聯(lián)系建立起來，并形成完成、系統(tǒng)化的無人機系統(tǒng)知識體系，構(gòu)建成該學(xué)科的骨架系統(tǒng)。實際上，星形分布方法重在建立各知識“點”及二次知識“點”，樹狀方法形成各學(xué)科知識“點”層次關(guān)系和邏輯關(guān)系。

四、無人機系統(tǒng)教學(xué)實踐

結(jié)合現(xiàn)有教學(xué)條件和教學(xué)技術(shù)，通過精細(xì)化分析和處理[5-7]，采用文中形成的星形分布和樹狀體系，可以有導(dǎo)向性的形成基本課程邏輯框架體系，并結(jié)合主題式慕課、主題式翻轉(zhuǎn)課堂[8]，有效帶動學(xué)生參與課堂，理解知識體系。

在綜合采用優(yōu)化教學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對無人機系統(tǒng)導(dǎo)論課程，結(jié)合其他相關(guān)航模制作實踐活動，鼓勵學(xué)生參與航空航天錦標(biāo)賽、挑戰(zhàn)杯等賽事，形成趣味性、知識性、競技性、工程性等相互結(jié)合的教學(xué)效果。在實際制作過程中，強化和理解包括各級知識“點”在內(nèi)的基本知識內(nèi)容，提高實際接受能力，這也是無人機系統(tǒng)導(dǎo)論課程可進(jìn)行延伸的原因之一。圖3為進(jìn)入河南省“挑戰(zhàn)杯”決賽的兩個項目，左圖為吳登宇項目組的螺旋槳動力直驅(qū)型單旋翼無人機，右圖為游澤宇項目組的異類飛行器集群航跡規(guī)劃控制系統(tǒng)項目載體無人機。

五、結(jié)束語

針對無人機系統(tǒng)課程，從系統(tǒng)化思想分析了無人機系統(tǒng)所涉及學(xué)科；根據(jù)其學(xué)科特點，分別提出了用于提高無人機系統(tǒng)教學(xué)的星形分布方法和樹狀方法，星形分布方法主要針對學(xué)科建立基本知識“點”，初步形成二次知識“點”，同時重在各知識“點”聯(lián)系和關(guān)系；而樹狀方法重在梳理各學(xué)科之間的知識“點”層次關(guān)系，并建立各級知識“點”邏輯關(guān)系。經(jīng)過教學(xué)實踐，證明了文中提出方法的有效性。

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