智能飛行器技術(shù)專業(yè)數(shù)字化教學變革路徑研究
——以數(shù)字樣機建設(shè)為牽引

高顯忠，邵 帥*，包 磊，何湘粵，張國斌，梅亞飛，王妍晴，張思凡

（1.國防科技大學 試驗訓練基地，西安 710106；2.國防科技大學 軍政基礎(chǔ)教育學院，長沙 410073；3.陜西師范大學 音樂學院，西安 710061）

適應飛行器智能化、信息化的時代要求，2021 年教育部批準設(shè)立智能飛行器技術(shù)新本科生專業(yè)[1]。國防科技大學是國內(nèi)首批設(shè)立該專業(yè)的高等院校，瞄準未來信息化戰(zhàn)爭對專業(yè)人才的迫切需求，旨在培養(yǎng)具有扎實的數(shù)學、力學、信息學和計算機科學等理論基礎(chǔ)，掌握人工智能、大數(shù)據(jù)、飛行器及人機互聯(lián)等前沿技術(shù)，熟悉新一代通信、芯片、微電子架構(gòu)的創(chuàng)新復合人才，能夠為制勝空天、打贏未來戰(zhàn)爭提供新興人才力量。

智能飛行器技術(shù)專業(yè)是新設(shè)本科專業(yè)，國內(nèi)目前僅北京航空航天大學和國防科技大學開設(shè)，國外傳統(tǒng)航空航天優(yōu)勢院校尚未將智能飛行器技術(shù)作為獨立專業(yè)開設(shè)。

北京航空航天大學智能飛行器技術(shù)專業(yè)[2]的四年學制整合航空宇航科學與技術(shù)、控制科學與工程、力學和計算機科學與技術(shù)等優(yōu)勢學科，培養(yǎng)學生全面獲得智能技術(shù)、控制技術(shù)、計算機信息處理技術(shù)、人機交互技術(shù)及飛行器設(shè)計等技術(shù)的寬口徑基礎(chǔ)理論知識體系和智能飛行器工程實踐能力。

西北工業(yè)大學飛行器設(shè)計與工程專業(yè)[3]依托國家級學科優(yōu)勢資源，融合工學、理學、系統(tǒng)學和管理學等多學科優(yōu)勢，利用學研一體化大平臺資源，以科學素養(yǎng)和工程素質(zhì)為主線，服務國家航空及國防領(lǐng)域高端裝備研發(fā)重大需求，培養(yǎng)具有堅實數(shù)理基礎(chǔ)、融通航空專業(yè)知識，具備國際化大視野的航空領(lǐng)域拔尖型創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。

南京航空航天大學飛行器設(shè)計與工程專業(yè)[4]主要從事新型/新概念飛行器設(shè)計、飛行器先進設(shè)計理論和技術(shù)的研究，建立覆蓋四年的課外創(chuàng)新實踐體系，注重培養(yǎng)學生的超越意識和科研能力。專業(yè)設(shè)有大學生飛行器創(chuàng)新設(shè)計開放實驗，吸收學生加入科研隊伍，參與科研工作，豐富學生創(chuàng)新活動，提升科研能力。

北京航空航天大學、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學等高校在開設(shè)飛行器設(shè)計相關(guān)專業(yè)時，憑借深厚的研究基礎(chǔ)，整合優(yōu)勢學科資源，強調(diào)創(chuàng)新人才培養(yǎng)。但在專業(yè)課程設(shè)計和實施過程中，培養(yǎng)重點聚焦于飛行器設(shè)計專業(yè)領(lǐng)域知識和技能的掌握，對軍用飛行器在未來復雜戰(zhàn)場下的應用需求有所疏漏；更多關(guān)注客機和商務飛機的設(shè)計，而少有面向未來戰(zhàn)機的設(shè)計范例；強調(diào)飛行設(shè)計實踐，但僅限于常規(guī)布局小尺寸航模的制作，而缺少針對未來戰(zhàn)機的數(shù)字化設(shè)計、模擬駕駛與博弈對抗。

針對這樣具有重要影響的新興專業(yè)，在國防科技大學的統(tǒng)一安排下，針對專業(yè)的數(shù)字化、信息化、智能化特征，我們擬定了《智能飛行器技術(shù)本科人才培養(yǎng)方案》（2021 版），該方案以開展智能飛行器數(shù)字樣機設(shè)計為牽引，針對典型飛行器，融合氣動、結(jié)構(gòu)、控制、隱身和智能等相關(guān)系列課程，在傳統(tǒng)課程基礎(chǔ)上，開展以數(shù)字樣機建設(shè)為牽引的智能飛行技術(shù)專業(yè)數(shù)字化教學變革路徑研究，達成“厚基礎(chǔ)、強實踐、精軍事、高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)總體目標。

任何一個工程項目往往涉及多個專業(yè)，傳統(tǒng)的理論課程設(shè)置和實驗教學環(huán)節(jié)針對某一具體的專業(yè)培養(yǎng)計劃而定，很難在配套實驗課程中開展一體化工程設(shè)計訓練。在建設(shè)智能飛行器技術(shù)專業(yè)過程中，如何改變傳統(tǒng)的課程體系以適應航空航天數(shù)字化智能化發(fā)展的需求，如何引導實踐教學新模式以提高學生的專業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)具備軍事應用視野、前沿信息技術(shù)與交叉知識結(jié)構(gòu)的高層次復合型航空航天專業(yè)人才[5]，需要認真思考和探索。

一 智能飛行器技術(shù)專業(yè)的教學現(xiàn)狀

（一）課程分散，缺少圍繞智能飛行器的課程體系整體設(shè)計

當前國內(nèi)主要航空航天院校如北京航空航天大學、南京航空航天大學、西北工業(yè)大學等，課程內(nèi)容分散缺乏連貫性。圍繞智能飛行器設(shè)計，涉及空氣動力學、結(jié)構(gòu)力學、自動控制原理、飛行動力學、飛行器總體設(shè)計、飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計、飛行器設(shè)計工程、隱身飛行器設(shè)計、航空發(fā)動機設(shè)計、飛行器信息系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能控制和飛行器設(shè)計實踐等多學科多領(lǐng)域課程，每門課程關(guān)注的問題不同，針對的智能飛行器對象不同，課程之間的支撐關(guān)系不明確，學生難以形成貫穿全學科專業(yè)的體系思路。在智能飛行器的設(shè)計專業(yè)學習中，如何綜合使用每門課程學到的知識和方法，仍然需要課程體系整體設(shè)計突破。

（二）公式繁多，缺乏空天領(lǐng)域知識運用的直觀感受

飛行器總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、自動控制和人工智能等領(lǐng)域充斥大量計算公式，教師上課推導費時費力，學生缺少對公式背后物理機制和設(shè)計經(jīng)驗的直觀感受，難以跟上課程節(jié)奏，更難以形成長期記憶。大量的公式推導導致學生疲于聽講，缺乏主動思考，學生容易產(chǎn)生煩躁和厭學情緒，極大損傷教學效果。

（三）注重民機，缺乏軍事場景中智能飛行器博弈運用需求牽引

美國空軍近年來著眼大國競爭戰(zhàn)略調(diào)整，為確保未來在高威脅、強對抗作戰(zhàn)環(huán)境下，始終保持其空中優(yōu)勢作戰(zhàn)能力，提出全新多樣的空中作戰(zhàn)概念——“穿透性制空”和“自主隊友科技”等[6]，引領(lǐng)軍用飛行器向著高速、隱身、智能和無人方向發(fā)展[7]。但當前的飛行器設(shè)計課程仍局限于民機的設(shè)計，對于先進智能隱身無人飛行器設(shè)計涉及較少，在真實戰(zhàn)場環(huán)境下多機智能協(xié)同和敵我智能博弈對抗課程更是嚴重缺乏。

二 智能飛行器技術(shù)專業(yè)數(shù)字化教學變革的思考

（一）數(shù)字化教學變革的總體目標

瞄準打贏未來戰(zhàn)爭、制勝強敵對手，秉承“厚基礎(chǔ)、強實踐、精軍事、高素質(zhì)”的人才培養(yǎng)總體方針，以數(shù)字樣機為牽引，貫通融合智能飛行器設(shè)計多學科多領(lǐng)域課程，建設(shè)智能飛行器設(shè)計課程體系，基于數(shù)智空間開展教學模式升級，通過博弈對抗創(chuàng)新教學評價體系，培養(yǎng)空天對抗領(lǐng)域高科技創(chuàng)新人才、新域新質(zhì)作戰(zhàn)人才、聯(lián)合作戰(zhàn)指揮人才。

（二）數(shù)字化教學變革的核心思路

1 課程體系設(shè)計

智能飛行器數(shù)字樣機系統(tǒng)和數(shù)字化平行戰(zhàn)場，貫穿融合理論教學與飛行器數(shù)字樣機實踐；在數(shù)字空間中設(shè)定應用場景，提供高保真、全方位的戰(zhàn)場對抗環(huán)境，在飛行器數(shù)字化設(shè)計的基礎(chǔ)上，進一步拓展智能飛行器真實戰(zhàn)場博弈對抗應用教學。

根據(jù)Q系統(tǒng)支護圖，Ⅰ類—Ⅳ類圍巖不需要鋼肋或鋼拱架，Ⅴ類圍巖需要鋼肋或鋼拱架，因Ⅴ類圍巖覆蓋的Q值范圍較大，如果依據(jù)Q<0.1進行支護設(shè)計，可能會造成過度支護，因此Ⅴ類圍巖設(shè)計以Q=0.1為基準，如果實際開挖Q值出現(xiàn)低于0.1的情況則重新制定相應的支護方案，Q<0.1時，圍巖在錨噴支護的基礎(chǔ)上再增加鋼肋或鋼拱架加強。鋼拱架的間距可采用1.3 m。

2 教學模式升級

通過組建混合式教學團隊，設(shè)計數(shù)字化課程微項目群[8-9]，創(chuàng)新升級教學模式。教學團隊方面，除了負責理論和實驗課程的專任教師以外，同時邀請作戰(zhàn)單位、科工部門、地方高校和企業(yè)專家參與教學輔助，廣泛吸收國內(nèi)飛行器設(shè)計領(lǐng)域前沿發(fā)展動態(tài)，構(gòu)建混合式教學團隊。教學模式方面，依托單位數(shù)智空間建設(shè)任務，構(gòu)建數(shù)字化平行戰(zhàn)場，并建立相關(guān)課程微項目群，在數(shù)字空間中開展飛行器設(shè)計、試驗與博弈，在想定場景下開展紅藍對抗演練，創(chuàng)新提出具有軍事化、數(shù)字化、智能化特色定位的教學模式。

3 評價體系創(chuàng)新

結(jié)合學校辦學定位和作戰(zhàn)部隊需求，在數(shù)字空間中開展博弈對抗，完善過程評估機制，建立多層次評價指標體系。①實現(xiàn)全過程、全方位的評價。軍事博弈對抗式創(chuàng)新課程評價可以通過在數(shù)字空間中采集學生的學習行為、訓練行為、對抗行為、成績表現(xiàn)和反饋意見等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全過程、全方位的評價，為教學質(zhì)量的科學化、智能化、精準化提供決策依據(jù)。②樹立創(chuàng)新性評價技術(shù)觀。新時代的高等教育評價需要從“結(jié)果性評價”向“數(shù)字化評價”和“人機協(xié)同評價”轉(zhuǎn)變，數(shù)字化課程教學評價體系可以樹立創(chuàng)新性評價技術(shù)觀，適應新時代高等教育評價的需要。對創(chuàng)新性能力突出的學生可以優(yōu)先推薦免試攻讀研究生及實現(xiàn)碩博貫通式培養(yǎng)。③構(gòu)建多元化、個性化的評價。數(shù)字化課程教學評價體系可以針對不同的學科領(lǐng)域、課程類型和學生學習特點，構(gòu)建多元化、個性化的評價標準，以更好地適應不同領(lǐng)域和個體發(fā)展的需要。

（三）數(shù)字化教學變革的關(guān)鍵舉措

1 課程體系設(shè)計

在專業(yè)課程體系教育的基礎(chǔ)上，貫穿實施課程在數(shù)字樣機中的具體應用，按課程安排依次建立數(shù)字樣機結(jié)構(gòu)動力學模塊、空氣動力學模塊、飛行動力學模塊、自動控制模塊、電磁隱身模塊和任務規(guī)劃模塊等，將培養(yǎng)目標從飛行器設(shè)計的“單一學科”轉(zhuǎn)變?yōu)轱w行器氣動、結(jié)構(gòu)、隱身、控制和智能等“多學科交叉融合”，探索相關(guān)專業(yè)不同階段的核心知識、能力、素質(zhì)要求的有效銜接，逐步形成能夠在數(shù)字空間中進行軍事博弈對抗的智能飛行器數(shù)字樣機，切實強化學員對智能飛行器進行設(shè)計和應用的能力，加深學員對各個學科在飛行器應用中的理解。如圖1 所示。

圖1 課程體系設(shè)計

2 教學模式升級

圍繞智能飛行器技術(shù)的專業(yè)培養(yǎng)要求，以飛行器的氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、智能控制和隱身性能分析等多學科交叉融合為核心，將數(shù)字化飛行器的設(shè)計、試驗、博弈作為課程重點微項目，開展系列理論教學與數(shù)字化創(chuàng)新實踐活動，構(gòu)建立體化教學模式[10-11]，如圖2 所示。

圖2 基于微項目的多學科融合立體化教學模式

課程微項目群方面，根植于多元交叉的學科設(shè)計思路，采用數(shù)字化課程設(shè)計和綜合試驗的方式，通過開設(shè)飛行器數(shù)字化設(shè)計、數(shù)字化試驗、數(shù)字化博弈等課程微項目，使學生了解飛行器背后的復雜系統(tǒng)，理解構(gòu)成一個飛行器所涉及的不同學科之間的相互影響和相互作用，并能夠?qū)λ龅降膯栴}進行拆分解決，以此鍛煉學生對于實踐項目的全局觀和系統(tǒng)化思維方式。通過建設(shè)數(shù)字化課程微項目群，能夠有效促進傳統(tǒng)理論教學與數(shù)字化實踐應用的結(jié)合，推動教學模式改革升級。

3 評價體系創(chuàng)新

以學生為中心的軍事博弈對抗式創(chuàng)新課程評價體系（圖3）主要從7 個方面進行構(gòu)建。

圖3 以學生為中心的軍事博弈對抗式創(chuàng)新課程評價體系

1）學生為中心。在評價體系中，應始終將學生置于中心位置，關(guān)注他們的學習過程和個性化發(fā)展。在制定評價標準時，充分考慮學生的知識水平、技能掌握、學習態(tài)度和價值觀等方面的全面發(fā)展。

2）軍事博弈對抗。通過引入軍事博弈對抗的形式，讓學生在實際操作中學習和理解相關(guān)知識，提高實戰(zhàn)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作能力。

3）創(chuàng)新課程。以創(chuàng)新的方式設(shè)計課程，包括教學內(nèi)容、教學方法、教學資源等方面。教學內(nèi)容應注重實戰(zhàn)化、綜合化，將理論和實踐相結(jié)合。教學方法應采用多樣化的手段，如案例分析、角色扮演、小組討論等，引導學生主動參與、積極思考。教學資源應充分利用數(shù)字化、智能化的手段，提高教學效果。

4）多元化評價。采用多元化的評價方式，包括考試、作品評定、口頭報告、自我評價等。在評價過程中，要注重學生的實際應用能力和綜合素質(zhì)，而非僅僅依賴單一的考試成績。

5）量化和質(zhì)性評價。在評價過程中，應將量化和質(zhì)性評價相結(jié)合。量化評價可以通過數(shù)據(jù)客觀地反映學生的學習情況，如考試成績、完成作品的質(zhì)量等。質(zhì)性評價則可以通過觀察、交流、反思等方式，深入了解學生的實際需求、學習態(tài)度、情感體驗等。

6）反饋與改進。通過評價體系收集的數(shù)據(jù)和信息，及時反饋給學生和教師，以便他們了解自己的學習狀況和存在問題。同時，根據(jù)反饋結(jié)果，對評價體系進行改進和完善，提高教學質(zhì)量。

7）實踐應用。將構(gòu)建好的評價體系應用于實際教學中，通過實踐檢驗其有效性和可行性。根據(jù)實際應用效果，不斷調(diào)整和優(yōu)化評價體系，使其更符合學生的實際需求。

以學生為中心的軍事博弈對抗式創(chuàng)新課程評價體系旨在提高學生的綜合素質(zhì)和應用能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和團隊協(xié)作能力，改進教學質(zhì)量和促進教育創(chuàng)新。在構(gòu)建和實施過程中，將充分考慮學生的需求和發(fā)展，不斷調(diào)整和優(yōu)化評價體系，以適應時代的變化和社會的發(fā)展及部隊的需求。

三 結(jié)束語

根據(jù)國家對復合型人才的需求，智能飛行器技術(shù)專業(yè)學生不僅要求在某一學科專業(yè)上學業(yè)精深，而且應具有總工程師的頭腦和眼光，以系統(tǒng)化思維方式去解決問題。實踐教學是鞏固理論知識和加深理論認識的有效途徑，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)專業(yè)人才的重要環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際、培養(yǎng)學生掌握科學方法和提高動手能力的重要平臺。

根據(jù)國內(nèi)外航空航天技術(shù)的發(fā)展趨勢和智能飛行器技術(shù)本科專業(yè)世界一流教育的需求，面向未來的航空航天人才培養(yǎng)，教學模式將更加突出數(shù)字化智能化飛行器設(shè)計專業(yè)背景，以飛行器數(shù)字樣機建設(shè)為牽引，著眼于飛行器氣動、結(jié)構(gòu)、控制、隱身和智能一體化設(shè)計，才能引領(lǐng)智能飛行器數(shù)字化設(shè)計發(fā)展的新方向。本文的研究為探索軍隊院校智能飛行器技術(shù)專業(yè)課程體系、教學模式、評價體系，理清空天領(lǐng)域高素質(zhì)新型軍事人才培養(yǎng)規(guī)律，以及提升我國空天領(lǐng)域教育教學水平等均奠定了基礎(chǔ)。