面向創(chuàng)新思維培養(yǎng)的大學(xué)科研活動及演化

劉戰(zhàn)合，田秋麗，王曉璐，徐亞輝，王 菁

（1. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院航空工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院經(jīng)貿(mào)學(xué)院，河南 鄭州 450046；3. 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院團委，河南 鄭州 450046）

大學(xué)培養(yǎng)主體階段分為本科、碩士、博士，相應(yīng)的科研活動依據(jù)階段不同特點各異[1,2]，對大部分二本院校來說，與研究生時期對比來看，教育條件和科研基礎(chǔ)欠缺較大，該階段科研活動對本科能力培養(yǎng)的影響有限。對如鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院這一類的二本院校，主要表現(xiàn)為本科階段的科研素養(yǎng)培育和鍛煉，在基礎(chǔ)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，依據(jù)專業(yè)和學(xué)生特點不同，有針對性的安排以科研導(dǎo)向為目的的項目。

同時，在當(dāng)前國際國內(nèi)創(chuàng)新思維新形勢下[3,4]，具有典型的“互聯(lián)網(wǎng)+”特點，其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思路對科研活動也有重要影響，各種立足于科技創(chuàng)新、科技創(chuàng)業(yè)的競賽全面展開，形成較為鮮明的科研活動亮點?？萍几傎愔饕譃楣俜叫问胶蛯W(xué)會主辦形式，官方形式如經(jīng)典的“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生系列科技學(xué)術(shù)競賽[5,6]、全國大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競賽等，學(xué)會主辦形式如中國國際航空航天錦標(biāo)賽（CADC）、未來飛行器設(shè)計大賽等，共同形成相輔相成的體系。

本科階段的科研活動主要以上述科技競賽為導(dǎo)向，結(jié)合少數(shù)科研學(xué)術(shù)或工程項目，二者相互支撐，組成二本院?？蒲谢顒拥闹黧w?；谝陨峡紤]，以科研活動（新概念飛行器設(shè)計）為載體，嘗試探索科研創(chuàng)新思維的培養(yǎng)模式或方法，進而研究科研活動的演化過程及方向。文中水上無人機方案均獲得2017年度“挑戰(zhàn)杯”國賽三等獎和第三屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國賽銅獎，其演化方案獲2018年第四屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽河南省賽一等獎。

一、科研活動內(nèi)涵及構(gòu)成

我國教育部對科研的定義為“為了增進知識包括關(guān)于人類文化和社會的知識以及利用這些知識去發(fā)明新的技術(shù)而進行的系統(tǒng)的創(chuàng)造性工作”?？梢钥闯?，科研活動具備以下重要特點：

（一）目的性

一般來說，經(jīng)過需求分析或前期調(diào)研，立足現(xiàn)有技術(shù)儲備、條件，科研活動均有目的性，即具有較為明確的研究方向、研究方案、研究方法等。盡管對一些前沿探索性課題或項目，其方案、方法、基礎(chǔ)條件等存在不明確性，但其研究目的性一般較為明確，如一些備受關(guān)注的重大科學(xué)問題、猜想等。對二本院?？茖W(xué)活動情況來說，立足現(xiàn)有基礎(chǔ)條件和知識儲備，有較大成功預(yù)期。以新概念飛行器設(shè)計為例，從學(xué)生能力和現(xiàn)有知識體系出發(fā)，其目的性可大致分為兩類：一是對掌握飛行器設(shè)計、空氣動力學(xué)、飛行控制、飛行器制造等學(xué)科的再次認(rèn)識和提升；二是面向應(yīng)用設(shè)計并制作出新型概念的飛行器。

同時，目的性根據(jù)學(xué)科特點不同（理科、工科）進行劃分，對理科來說，重在科學(xué)基礎(chǔ)理論和方法，而對工科，重在應(yīng)用方向，并能形成具體產(chǎn)品。科學(xué)基礎(chǔ)理論是對現(xiàn)有知識體系的再次融合，并在某一方向形成創(chuàng)新性結(jié)果，科學(xué)活動也可以是對某些理論技術(shù)方法和手段的探索以及發(fā)現(xiàn)，一般難度較大。從工程應(yīng)用角度講，科研活動可形成研究領(lǐng)域方向的新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)等，對應(yīng)用有重要指導(dǎo)或參考價值，部分科研活動可形成新產(chǎn)品、新工藝流程，該類研究一般以解決實際需求為目標(biāo)，偏向工程應(yīng)用。

（二）創(chuàng)新性

在既定目的下，科研活動的實施和完成，必然伴隨著新方法、新技術(shù)、新理論、新產(chǎn)品等，即創(chuàng)新性。在當(dāng)前快速發(fā)展形勢下，科研活動的創(chuàng)新性尤顯突出，形成“萬眾創(chuàng)新”局面。如前所述，科研創(chuàng)新活動亦可根據(jù)其理、工科背景有所區(qū)別，理科方向主要在自然理論、研究方法上形成新理論、新方法，一般需要長期的、嚴(yán)格的對現(xiàn)象的深度認(rèn)識和對理論的嚴(yán)密推理。工科方向，以新應(yīng)用、新產(chǎn)品、新工藝等為目標(biāo)，注重在一些重要性能上獲得提升。

創(chuàng)新性是貫穿科研活動始終的，如對水上無人機研究，其應(yīng)用方向確定為水災(zāi)救援、水污染數(shù)據(jù)搜集后，可以將方案目標(biāo)定位為：可在一定限制條件（如風(fēng)、浪、雨等氣候條件及水流速度等）下穩(wěn)定起降、具有一定載荷承載能力、可在水面停留作業(yè)的無人機。從以上目標(biāo)定位來看，其限制條件是與新需求密切相關(guān)，既要求滿足任務(wù)需求，又要確保無人機安全；一定載荷承載能力是任務(wù)載荷需求，并盡量要求實現(xiàn)通用性、模塊化，以提高無人機多功能應(yīng)用；可在水面停留作業(yè)要求相對較高，也是本項目研究的重要創(chuàng)新點之一，以滿足洪災(zāi)后（或其他情況）水面救援及水樣采集等功能，且長期駐留表面也為后續(xù)的功能、性能演化提高提供基礎(chǔ)。

（三）系統(tǒng)性

對科研活動來說，一個重要特點是其系統(tǒng)性，任何一個科研活并非孤立存在，都與其他相近學(xué)科、相近科學(xué)問題有緊密聯(lián)系，以具體科研方向為主，系統(tǒng)化結(jié)合相關(guān)學(xué)科、相關(guān)科研條件，共同推進科研活動開展。

對水上無人機設(shè)計來說，其系統(tǒng)性體現(xiàn)在學(xué)科的綜合、產(chǎn)品的多功能上，從學(xué)科角度來看，以飛行器總體設(shè)計為核心，涉及艦船設(shè)計、水動力學(xué)、空氣動力學(xué)、數(shù)據(jù)鏈設(shè)計應(yīng)用、飛行控制、材料成型設(shè)計及工藝實現(xiàn)、多功能應(yīng)用設(shè)計等，是以上學(xué)科的有效融合，系統(tǒng)化后形成以水面停留、水面起降為創(chuàng)新特點的可執(zhí)行水災(zāi)救援、水質(zhì)監(jiān)測、水樣采集等的多功能水上無人機。通過系統(tǒng)化設(shè)計，對以上各學(xué)科進行綜合，有效折中，實現(xiàn)創(chuàng)新性水上無人機設(shè)計。

（四）可行性

任何一個科研活動，在充分考慮目的性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性后，還需考慮科研可行性，即項目或科研目的達成的可能性，一般是科研活動組織和開展初步階段的主要任務(wù)，需要根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件、科研平臺現(xiàn)狀等，綜合分析預(yù)設(shè)研究方案、研究方法、當(dāng)前業(yè)內(nèi)研究狀態(tài)等，并對研究團隊成員建設(shè)、科研素養(yǎng)等進行詳細調(diào)查分析，得到影響科研活動的關(guān)鍵問題、重要影響因素，進而研究采用的應(yīng)對方案和技術(shù)。

從可行性來說，水上飛機研究有悠久歷史，已經(jīng)形成較多研究經(jīng)驗和技術(shù)參考，尤其是飛行器總體設(shè)計和布局設(shè)計等已有大量研究結(jié)果供參考借鑒。當(dāng)前的水上飛機主要采用船身式或浮桶式的固定翼布局方式，以大展弦比提高升力系數(shù)，本項目根據(jù)設(shè)計需求，為提高飛行性能、水面起降性能和結(jié)構(gòu)性能，創(chuàng)新性采用船身式+連翼式布局結(jié)構(gòu)，提高了項目可行性，通過陸上和水上起降試飛，證明了方案的正確性。

二、基本流程及創(chuàng)新思維融合

從內(nèi)容來說，基于應(yīng)用背景考慮的科研活動的基本流程可以概括為需求分析、方案設(shè)計、初步試驗、方案優(yōu)化、試驗驗證、方案定型這六個環(huán)節(jié)。對理論研究或方法研究的科研活動表現(xiàn)為類似的過程，不再詳細說明。

（一）需求分析

科研活動必然是以解決科學(xué)問題為主要目的，科學(xué)問題即現(xiàn)象的需求，將初步的需求經(jīng)過分析梳理，形成條理清晰、目的明確的科學(xué)問題，作為科研活動要解決的主要目標(biāo)和科學(xué)任務(wù)。比如，我國南方每年均會爆發(fā)不同規(guī)模的水災(zāi)，而對水災(zāi)的救援，主要限于地面物資、藥品運輸，嚴(yán)重影響救援效率和時機。為解決水上救援，將科學(xué)需求總結(jié)為：可水上起降、水上停留并投放物資、航程20km、抗風(fēng)浪、承載2～5kg（小型驗證機）等。

（二）方案設(shè)計

針對詳細的科研需求分析和需要解決的科學(xué)問題，基于現(xiàn)有科學(xué)理論、技術(shù)實現(xiàn)手段、生產(chǎn)制作工藝等，保證科學(xué)活動可行性，制定出合理的、高效的、成本可接受的設(shè)計方案。在方案設(shè)計階段，對水上無人機，可采用船身式、浮筒式，對本項目，考慮到水面航向設(shè)計及控制、未來無人機可拓展性，采用船身式結(jié)構(gòu)；從飛行器布局設(shè)計考慮，可采用固定翼或多旋翼設(shè)計方案，但考慮到多旋翼在航程、水面停留、水面起降等需求上均存在較大矛盾，而固定翼設(shè)計方案可充分將船身式、浮筒式結(jié)合實現(xiàn)水面起降、水面停留需求，對水上救援有重要影響。綜合以上問題及后續(xù)應(yīng)用，將方案初步定為：船身式+固定翼方案。

（三）初步試驗

一個初步的設(shè)計方案，往往并不完善，存在諸多設(shè)計缺陷或隱患，需要通過初步試驗來驗證，試驗可以實際飛行試驗，也可以是仿真試驗，但對本項目而言，巡航階段的空氣動力學(xué)仿真已基本成熟，而水面起降動態(tài)過程及對抗風(fēng)浪能力還處于初級研究階段，并未形成精度滿意的力學(xué)分析方法和數(shù)值模擬技術(shù)。因此，項目選擇了巡航階段氣動數(shù)值模擬+飛行試驗結(jié)合方法；而水面起降采用方案為：先進行陸上起降測試，驗證起降性能后，再進行水面滑行、起降試驗。在該階段，通過多次試驗盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷和問題，以便后期改進，在初選的多個方案中進行取舍并優(yōu)化。采用空氣動力學(xué)數(shù)值模擬連翼式布局方案的巡航狀態(tài)氣動性能，其跡線圖和壓力云圖見圖1。

圖1 連翼方案8度迎角的跡線圖和壓力云圖

（四）方案優(yōu)化

通過初步試驗和方案驗證后，根據(jù)飛行試驗結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計方案，綜合考慮各種情況，對優(yōu)化設(shè)計方案進行改進提升，基本完成設(shè)計任務(wù)。通過飛行試驗，結(jié)合水面滑行情況、飛機結(jié)構(gòu)考慮，將初選中的直機翼、浮桶式設(shè)計方案淘汰；對連翼設(shè)計參數(shù)（幾何參數(shù)和性能參數(shù)）進行優(yōu)化，尤其是連翼方式、船身式斷階設(shè)計等，將方案階段性定為船身式+連翼式+動力后推式的新穎方式，并考慮到水面滑行穩(wěn)定性和方向可控性，在翼稍設(shè)計了航向控制器，設(shè)計方案如圖2，該設(shè)計形成國家發(fā)明專利1項。

圖2 優(yōu)化設(shè)計方案

（五）試驗驗證

該階段目標(biāo)明確，以優(yōu)化方案為基礎(chǔ)，主要驗證需求階段的目標(biāo)是否達到，科學(xué)問題是否已基本解決，試驗結(jié)果魯棒性如何，功能性是否均能滿足等。方案優(yōu)化后的水上無人機進行了陸上、水上試飛，為驗證其水面起降性能、水面滑行情況等，進行了多次水面起降試飛。通過多次試飛和測試，證明設(shè)計方案可行，可完成初始預(yù)定科學(xué)需求，并在設(shè)計方案上獲得了布局創(chuàng)新、水上起降創(chuàng)新、水面航向控制創(chuàng)新、船身設(shè)計創(chuàng)新等多個創(chuàng)新點。

（六）方案定型

通過以上流程，如果優(yōu)化方案可滿足所有科學(xué)需求，則方案進入定型階段，如不能滿足，則需要從以上相關(guān)流程階段重新開始，對方案進行修改或重新設(shè)計。方案的定型需要考慮成本、可維護性、制造技術(shù)復(fù)雜度等。

通過以上科研活動過程，基本驗證了水面起降性能、飛行性能、水樣采集、水面滑行等性能，形成的船身式水上無人機如圖3，命名為海鷗I。通過科研活動鍛煉，形成了以本科生為核心的科研團隊，鍛煉了新型飛機設(shè)計和制作技術(shù)，提高了科研創(chuàng)新思維能力。

圖3 定型方案（海鷗I）

三、科研活動演化

（一）方案演化

方案定型后，一般不做較大設(shè)計改動，如果需求應(yīng)用變動較大，則需要在原有方案上進行優(yōu)化甚至重新進行方案設(shè)計。如需求變動不大，則僅需到既有方案進行改進或完善，以應(yīng)對新需求。隨著近年來國際國內(nèi)物流業(yè)的大力發(fā)展，快遞物流已形成大范圍覆蓋，從航程上將，包含遠、中、近，甚至是末端市場的超短距離，由于水上起降具有成本低、機場設(shè)備無需特殊設(shè)計、無需起飛跑道等專門設(shè)施，成為一些物流巨頭的首要選擇。

考慮到物流需求，對現(xiàn)有連翼式設(shè)計方案進行改進提高即可，物流快遞希望具備較高的任務(wù)載荷，同時具備較低的運營成本、飛行穩(wěn)定性等，以上需求可歸納為：載荷大、巡航性能高、升力系數(shù)大及飛行器穩(wěn)操性高等特點?；谝陨峡紤]，可利用連翼式機翼的優(yōu)秀特點：較高升力系數(shù)、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)秀、水上起降平穩(wěn)等優(yōu)勢，并根據(jù)物流需求適當(dāng)增加翼展，考慮到載荷需求，延長機身，并增大了無人機幾何尺寸等。將原來的設(shè)計方案修改后命名為海鷗II，并對其氣動特性進行了詳細分析，表面壓力分布如圖4所示。

圖4 海鷗II表面壓力云圖

同時，根據(jù)實際需求，在鄭州上街機場和大型湖面進行陸上和水面起降試驗，驗證了飛行性能、氣動性能，如圖5。該海鷗II方案以當(dāng)前市場對無人物流、快遞新方式的需求為目標(biāo)，經(jīng)過詳細市場調(diào)研和方案論證，將應(yīng)用方向明確為：新型水陸兩用連翼式物流運輸無人機，參加了2018年第四屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，獲河南省賽一等獎。

圖5 海鷗II水面試飛（左圖）和靜態(tài)展示（右圖）

（二）應(yīng)用演化

科學(xué)研究的主要目標(biāo)是解決實際應(yīng)用問題，因此，方案定型時還應(yīng)考慮應(yīng)用方向的影響。本項目另一使用方向是水質(zhì)采樣或采集，需要將水上無人機與水面采樣設(shè)備綜合考慮，根據(jù)實際情況，研究團隊設(shè)計了專用的星輪式可連續(xù)水樣自動采集器，滿足對水質(zhì)水樣的連續(xù)式采集。如圖6，該設(shè)計已獲批實用新型專利、發(fā)明專利各1項。

圖6 星輪式水樣采集器

同時，鑒于水面長期停留，為提高水面停留性能，在連翼上翼面鋪設(shè)太陽能面板，主要用于水面停留時對飛行器蓄電池充電，而非飛行過程中實現(xiàn)充電，可用來提高飛行器在特殊情況下的作業(yè)性能。設(shè)計方案如下圖7。

圖7 鋪設(shè)太陽能面板初始方案

四、結(jié)束語

針對國內(nèi)高校本科階段的大學(xué)科研活動，以某型新概念水上無人機設(shè)計研究為例，研究了科研活動的內(nèi)涵及構(gòu)成，并對其特點進行總結(jié)，詳細闡述了科研活動具有的目的性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性、可行性等。在以上基礎(chǔ)上，對科研活動基本流程進行詳細分析，將流程分為六個階段，并對科研創(chuàng)新思維進行了深度融合。最后，考慮到實際應(yīng)用需求或其他需求的變化，分析了科研活動的演化，分為方案演化和應(yīng)用演化。