以系留無人機(jī)項目為依托的新工科項目式教學(xué)探討

張素俠 劉習(xí)軍

［摘 要］ 隨著國家“四新”建設(shè)的提出，以及創(chuàng)新人才培養(yǎng)“強(qiáng)基”“拔尖”計劃的提出，培養(yǎng)具有解決復(fù)雜工程問題能力的創(chuàng)新人才的任務(wù)提上日程。從目前課程教學(xué)中存在的問題出發(fā)，考慮學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、“拔尖”“強(qiáng)基”人才課程的設(shè)置及工程問題的特點，以系留無人機(jī)項目為背景，設(shè)計了系列項目式題目，實現(xiàn)新工科背景下的項目式教學(xué)。實踐表明，項目式教學(xué)能夠有效提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力、多學(xué)科創(chuàng)新思維、動手實踐能力和敏銳的工程觀察能力，為拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)提供了有力支撐。

［關(guān)鍵詞］ 項目式教學(xué)；多學(xué)科交叉；創(chuàng)新人才培養(yǎng)

［基金項目］ 2019年度天津市教委天津市線上線下混合式一流建設(shè)課程項目“工程振動與測試（振動力學(xué)）”；2014年度國家自然科學(xué)基金委員會國家自然科學(xué)基金項目“考慮松弛-張緊效應(yīng)時深海系纜-平臺耦合運動及穩(wěn)定性研究”（51479136）；2018年度天津市科學(xué)技術(shù)委員會天津市自然科學(xué)基金項目“細(xì)長柔性體畸變模型的非線性修正規(guī)律研究”（JCYBJC18700）

［作者簡介］ 張素俠（1978—），女，河北秦皇島人，博士，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院力學(xué)系英才副教授，博士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事動力學(xué)與控制領(lǐng)域研究；劉習(xí)軍（1956—），男，河北定州人，學(xué)士，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事非線性振動領(lǐng)域的教育研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）12-0022-04［收稿日期］ 2022-09-16

引言

新工科是主動應(yīng)對新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略行動，是“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”2.0的核心內(nèi)容和主要抓手，是新時代工程教育改革的新方向［1］。在新工科背景下，學(xué)生除了需要具備文獻(xiàn)檢索、模型抽象簡化、程序編寫、自學(xué)和動手實驗等能力外，還要具備多學(xué)科創(chuàng)新思維、敏銳的工程觀察能力、分析和決策能力及解決復(fù)雜工程問題的能力，這就對目前的高等教育和教學(xué)提出了新的要求。在新工科背景下，必須為學(xué)生提供更加接近真實情景、開放環(huán)境下的具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)［2］。在項目任務(wù)解決過程中，調(diào)用、整合多門學(xué)科知識，打破學(xué)科之間的壁壘，提升科學(xué)思維［3］，增強(qiáng)自身的知識獲取能力、知識整合能力與運用能力，從而培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)、積極探索的學(xué)習(xí)態(tài)度［4］。通過項目式的研究性學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生獲取知識、訓(xùn)練能力的研究性角度和方式［5］，突出學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。本文以筆者承擔(dān)的系留無人機(jī)有關(guān)的科研項目為背景，探索新工科背景下的項目式課程教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生解決具有多學(xué)科交叉融合特點的復(fù)雜工程問題的高階思維和創(chuàng)新能力，為國家的發(fā)展和民族復(fù)興培養(yǎng)卓越人才。

一、目前教學(xué)中存在的問題

（一）理論與工程實際脫節(jié)

目前教學(xué)中存在理論與工程實際脫節(jié)的問題，教學(xué)內(nèi)容與工程實際聯(lián)系不足。比如，振動力學(xué)有很大一部分內(nèi)容為基礎(chǔ)理論，學(xué)生的實踐學(xué)習(xí)部分主要借助書本上簡化后的獨立的例題和習(xí)題，與實際工程問題聯(lián)系不夠緊密，很難將理論內(nèi)容與實際工程聯(lián)系。

（二）課程知識的系統(tǒng)性不足

學(xué)生難以系統(tǒng)性地掌握課程知識，對解決復(fù)雜工程問題的思維和能力的培養(yǎng)不足。學(xué)生的學(xué)習(xí)過程一般都是從獨立的概念、理論出發(fā)，沒有整體的、系統(tǒng)性的掌握課程知識的媒介和抓手，學(xué)生缺乏培養(yǎng)創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維的機(jī)會與載體。

（三）課程群體系建設(shè)不足

目前教學(xué)中各門課程內(nèi)容相對獨立，無法很好地體現(xiàn)多門課程間的關(guān)聯(lián)性和綜合性，學(xué)生難以形成對課程的整體認(rèn)知，人才培養(yǎng)方案亟待完善，缺少多學(xué)科交叉融合和跨學(xué)科人才的培養(yǎng)平臺。

二、以系留無人機(jī)項目為依托的項目式教學(xué)

為了解決實際教學(xué)中存在的問題，結(jié)合項目式教學(xué)的特點和承擔(dān)的系留無人機(jī)相關(guān)科研項目的特點，提出了以艦載系留無人機(jī)項目為依托的項目式教學(xué)，在實際的實施過程中受到學(xué)生的廣泛喜愛和歡迎。

（一）項目式教學(xué)的特點

1.項目式教學(xué)便于實現(xiàn)抽象概念的具體化。項目式教學(xué)是將課程內(nèi)容融合到一個具體的項目中，通過將課程內(nèi)容應(yīng)用于具體工程，抽象的概念在工程的具體問題和實際的工程現(xiàn)象中得以體現(xiàn)，利于學(xué)生深刻理解和掌握，在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容的同時解決工程問題。

2.項目式教學(xué)有利于學(xué)科的交叉融合。在常規(guī)的教學(xué)中，單一知識點與其他學(xué)科或者是知識點的關(guān)聯(lián)較難實現(xiàn)。但是在具體的項目中，需要同時滿足工程結(jié)構(gòu)多個方面的需求，涉及各個學(xué)科的內(nèi)容，所以容易實現(xiàn)學(xué)科的交叉融合。

3.項目式教學(xué)有利于課程內(nèi)容的引申和推進(jìn)。對于一般的工程問題，可以根據(jù)關(guān)注的問題，或者解決問題的階段，形成不同的簡化模型，簡化為不同難度的問題，因此，可以給出不同難度系數(shù)的問題，這有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

項目式教學(xué)的這些特點，很好地滿足了目前新工科背景下學(xué)生的培養(yǎng)要求，所以開展項目式教學(xué)符合目前的人才培養(yǎng)需要。

（二）系留無人機(jī)項目的特點

系留無人機(jī)一般由無人機(jī)、綜合纜繩和絞纜機(jī)三部分組成，如圖1所示。其中綜合纜繩是一般無人機(jī)與系留無人機(jī)的主要區(qū)別，集光纖、電纜、承力層和保護(hù)層于一體，電纜能夠持續(xù)供電，支持無人機(jī)在空中的長時間懸停。這些設(shè)備工作于艦船上就構(gòu)成了艦載系留無人機(jī)。以系留無人機(jī)項目為依托進(jìn)行項目式教學(xué)，具有以下優(yōu)點。

1.覆蓋面廣。項目內(nèi)容涉及“流體力學(xué)”“固體力學(xué)”“振動力學(xué)”“彈性力學(xué)”“工程軟件應(yīng)用”等工程力學(xué)專業(yè)的主要課程，同時還包括自動化專業(yè)的“控制理論”“電路設(shè)計”等課程，以及機(jī)械設(shè)計專業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容，為學(xué)生提供了良好的學(xué)科交叉載體，具有多學(xué)科交叉融合的特點。

2.背景新。無人機(jī)在軍用、民用、娛樂等不同的領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用，無人機(jī)無處不在，是目前的熱點內(nèi)容，容易引發(fā)學(xué)生的好奇心。

3.出路寬。無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，使學(xué)生可以根據(jù)自己的想象和實際需要進(jìn)行必要的拓展，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。

4.時間長。系留無人機(jī)項目可以從學(xué)生入學(xué)一直延拓到畢業(yè)設(shè)計，甚至到研究生階段。

（三）以科研項目為依托的項目式教學(xué)實施過程

在實際的教學(xué)工作中，考慮學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、人才培養(yǎng)方案中課程的設(shè)置及工程問題的特點，以系留無人機(jī)項目為依托，設(shè)計了需要學(xué)生完成的系列題目：（1）無人機(jī)的組裝。（2）放飛的氣球。（3）系留無人機(jī)動力學(xué)方程的建立。（4）系留纜繩的材料性能分析。（5）系留無人機(jī)系統(tǒng)的載荷分析。（6）系留無人機(jī)的振動特性分析。（7）系留無人機(jī)的耦合動力學(xué)分析。（8）系留無人機(jī)的測試分析。具體的實施過程分為以下幾個步驟。

1.首先帶領(lǐng)學(xué)生了解國內(nèi)外無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，講解不同類型無人機(jī)的特點、功能和適用場合等，使學(xué)生對整個無人機(jī)行業(yè)的情況有一定的掌握，培養(yǎng)學(xué)生的信息檢索能力和溝通能力。

2.針對系留四旋翼無人機(jī)，介紹其具體的組成結(jié)構(gòu)、各部分結(jié)構(gòu)的功能、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)的連接方式、控制系統(tǒng)的具體設(shè)計等，使學(xué)生掌握具體的工程結(jié)構(gòu)。

3.利用相關(guān)配件，鼓勵機(jī)械、力學(xué)等專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行無人機(jī)的組裝，由自動化等專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行飛控設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、自學(xué)能力、協(xié)作能力，對學(xué)生進(jìn)行跨學(xué)科培養(yǎng)。

4.針對系留無人機(jī)進(jìn)行纜索結(jié)構(gòu)材料性能參數(shù)分析，鍛煉學(xué)生知識應(yīng)用能力和工程創(chuàng)新能力。

5.采用理論力學(xué)中的動力學(xué)原理，建立系留無人機(jī)系統(tǒng)的動力學(xué)方程，鍛煉學(xué)生模型簡化和理論聯(lián)系工程實際的能力。

6.綜合應(yīng)用前面幾個步驟的內(nèi)容，進(jìn)行系留無人機(jī)系統(tǒng)的振動分析。

7.進(jìn)行系留無人機(jī)的動力學(xué)實驗，探討非接觸式測試方法，完成實驗設(shè)計和振動測試，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

8.根據(jù)學(xué)生的個人愛好，以及前面的分析結(jié)果，針對整個系統(tǒng)提出局部改進(jìn)措施，如改變結(jié)構(gòu)、材料等，或者提出新的無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域和新的結(jié)構(gòu)形式等，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

9.項目驗收［6］。在每一個題目完成后，要求學(xué)生對分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，撰寫報告，通過PPT展示、口頭講解和實際無人機(jī)飛行等方式，評價學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，考查學(xué)生的綜合能力。

在以上的實施步驟中，步驟1～3主要在“力學(xué)導(dǎo)論”課程中進(jìn)行，通過完成題目（1）來實現(xiàn)；步驟4～7分別在“材料力學(xué)”“理論力學(xué)”“流體力學(xué)”“振動力學(xué)”和“振動測試技術(shù)”課程中進(jìn)行，通過完成題目（2）～（8）來實現(xiàn)；在進(jìn)入課題組前完成步驟8和步驟9，實現(xiàn)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。

（四）項目式教學(xué)實施效果

以題目（7）的考核過程為例，學(xué)生在考核中對無人機(jī)類結(jié)構(gòu)的基本組成、模型簡化、計算分析等過程進(jìn)行講解，題目（7）的求解和展示過程如圖2所示，讓學(xué)生從多個角度了解工程問題與課程內(nèi)容的聯(lián)系，通過集中解決系留無人機(jī)各個方面的問題，學(xué)會如何將所學(xué)內(nèi)容應(yīng)用于實際工程，鍛煉學(xué)生的工程能力。

通過項目式教學(xué)，學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力、創(chuàng)新思維、動手能力和實踐能力都得到明顯提升，在畢業(yè)設(shè)計中更能抓住本質(zhì)問題并順利解決，提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量。多位同學(xué)獲得了全國“新工科”本科生畢業(yè)設(shè)計大賽的獎項，多篇論文被評為全國高等學(xué)校力學(xué)類專業(yè)優(yōu)秀本科畢業(yè)設(shè)計A類論文，由此可見，項目式教學(xué)組織模式值得推廣。

結(jié)語

本文考慮學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律、人才培養(yǎng)方案中課程的設(shè)置及工程問題的特點，以系留無人機(jī)項目為依托，設(shè)計了系列項目式教學(xué)題目并在系列課程中實施，培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力、自學(xué)能力、運用所學(xué)理論解決實際問題的能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作的能力，以及在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上創(chuàng)新的能力，重點培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，實現(xiàn)跨學(xué)科培養(yǎng)，以適應(yīng)未來發(fā)展。以系留無人機(jī)為依托的項目式教學(xué)很好地滿足了新工科背景下培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需求。

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Exploration of Project-based Learning with Tethered UAV Project

ZHANG Su-xia， LIU Xi-jun

（School of Mechanical Engineering， Tianjin University， Tianjin 300354， China）

Abstract： With the proposal of the national “four news” construction， Strengthening Foundation Plan and Talent Training Plan， the task of cultivating innovative talents with the ability to solve complex engineering problems has been put on the agenda. Based on the problems existing in course teaching， considering the students cognitive law， the setting of courses and the characteristics of engineering problems， a series of project-based topics are designed against the background of tethered UAV to realize the project-based learning under the background of New Engineering. Practice shows that project-based learning can effectively improve students ability to solve complex engineering problems， multidisciplinary innovative thinking， practical ability and keen engineering observation ability， and provide strong support for the cultivation of top-notch innovative talents.

Key words： PBL; interdisciplinary; cultivation of innovative talents