無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程改革初探

魯亞飛 郭正 王鵬

［摘 要］無(wú)人飛行器作為新軍事變革的代表性裝備，在裝備序列中的地位日益提升，對(duì)相關(guān)專業(yè)技能人才培養(yǎng)的需求越來(lái)越大。無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程作為無(wú)人機(jī)技術(shù)人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)核心專業(yè)課程，具有啟蒙性、系統(tǒng)性、引領(lǐng)性等特點(diǎn)。對(duì)標(biāo)“指技融合”高水平人才培養(yǎng)目標(biāo)，該課程存在課程內(nèi)容針對(duì)性不強(qiáng)、課時(shí)局限、教學(xué)與考核方式單一等問(wèn)題。文章通過(guò)系統(tǒng)分析無(wú)人機(jī)飛行器總體設(shè)計(jì)的課程特點(diǎn)，系統(tǒng)深入地探討開(kāi)展課程改革的若干思路：優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方法，優(yōu)化考核評(píng)價(jià)方式。

［關(guān)鍵詞］無(wú)人飛行器；總體設(shè)計(jì)；課程改革

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）09-0040-04

無(wú)人飛行器作為新軍事變革的代表性裝備，具有突防能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性好、效費(fèi)比高的優(yōu)點(diǎn)，正迅速成為現(xiàn)代軍事力量的重要組成部分，是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、非接觸化能力發(fā)展的重要力量[1]。無(wú)人機(jī)在整個(gè)裝備體系中的地位日益凸顯，近十年來(lái)，無(wú)人機(jī)裝備的參戰(zhàn)比例和作戰(zhàn)效能逐步提升，并正從過(guò)去執(zhí)行單一偵察任務(wù)向執(zhí)行警戒、打擊乃至空戰(zhàn)等高等級(jí)任務(wù)發(fā)展，作戰(zhàn)樣式也從單一裝備的獨(dú)立作戰(zhàn)朝著有人無(wú)人協(xié)同、智能集群、分布式作戰(zhàn)應(yīng)用等方向發(fā)展。

為了滿足需求側(cè)對(duì)無(wú)人機(jī)專業(yè)人才的要求，學(xué)員不僅要掌握基本知識(shí)和基本操作，還要深刻理解無(wú)人機(jī)系統(tǒng)涉及的信息獲取、處理、決策與控制等環(huán)節(jié)，并在實(shí)踐中創(chuàng)新運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)裝備能力的二次飛躍[2]。院校教育作為人才培養(yǎng)供給側(cè)的關(guān)鍵一步，毫無(wú)疑問(wèn)要與崗位任職需求“精準(zhǔn)對(duì)接”，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)軍英才的高匹配輸送。

如何系統(tǒng)高效地組織教學(xué)內(nèi)容，提高教學(xué)水平，是提高教學(xué)活動(dòng)效果的關(guān)鍵。但無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程存在課程內(nèi)容針對(duì)性不強(qiáng)、教學(xué)方法不夠科學(xué)、課程考核片面等問(wèn)題。筆者結(jié)合多年來(lái)開(kāi)展無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程教學(xué)的實(shí)踐經(jīng)歷，在系統(tǒng)分析課程特點(diǎn)和面臨困境的基礎(chǔ)上，提出若干課程改革建議，以期為無(wú)人機(jī)專業(yè)人才的培養(yǎng)提供參考。

一、無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)

無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程作為無(wú)人機(jī)專業(yè)技術(shù)人才培養(yǎng)的基礎(chǔ)課程，一方面，要求起到啟蒙教育的作用，讓學(xué)員系統(tǒng)認(rèn)識(shí)無(wú)人機(jī)及其應(yīng)用過(guò)程；另一方面，要求起到專業(yè)素養(yǎng)培養(yǎng)的作用，讓學(xué)員能夠熟練掌握無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)的多個(gè)學(xué)科知識(shí)[3-4]。該課程有以下3個(gè)特點(diǎn)。

（一）系統(tǒng)性、總體性強(qiáng)

無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)從飛行器的任務(wù)需求出發(fā)，確定系統(tǒng)總體方案，其中分系統(tǒng)與多參數(shù)綜合協(xié)調(diào)、折衷權(quán)衡與反復(fù)迭代是飛行器設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在授課過(guò)程中，該課程涉及飛行器設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)、航空材料學(xué)、飛行力學(xué)、導(dǎo)航技術(shù)、電磁學(xué)、航空氣象學(xué)、空域管理等多個(gè)學(xué)科知識(shí)。無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)的過(guò)程是一個(gè)典型的多約束輸入、多參數(shù)輸出、多學(xué)科總體優(yōu)化的過(guò)程。

（二）理論與實(shí)踐結(jié)合度高

無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)除了要為學(xué)員建立一個(gè)無(wú)人機(jī)核心及相關(guān)技術(shù)的多層次、多梯度的理論知識(shí)體系外，還要通過(guò)實(shí)踐觀摩和驗(yàn)證，培養(yǎng)學(xué)員對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的工程認(rèn)知和實(shí)踐動(dòng)手能力。因?yàn)闊o(wú)人飛行器的最終目的是完成特定的任務(wù)，而不僅僅是解決飛行的問(wèn)題。

（三）區(qū)別于傳統(tǒng)有人機(jī)設(shè)計(jì)課程

無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)有人機(jī)設(shè)計(jì)既有技術(shù)繼承，又有設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)原則等諸多不同。傳統(tǒng)飛行器總體設(shè)計(jì)課程內(nèi)容無(wú)法體現(xiàn)無(wú)人飛行器總體的特點(diǎn)，也難以涵蓋無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，如載荷、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自主控制、任務(wù)規(guī)劃等內(nèi)容對(duì)于無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)而言更為重要，而這些內(nèi)容在有人機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中通常不作為重點(diǎn)內(nèi)容考慮。

二、當(dāng)前存在的問(wèn)題

與無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)接近的課程包括飛機(jī)總體設(shè)計(jì)、飛行力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、飛行控制等。國(guó)內(nèi)外各航空領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)高校均開(kāi)設(shè)了類(lèi)似的課程，如美國(guó)南新罕布什爾大學(xué)開(kāi)設(shè)的無(wú)人飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Design of Unmanned Aerial System）[5]，北京航空航天大學(xué)開(kāi)設(shè)的飛機(jī)總體設(shè)計(jì)[6]等。同時(shí)，近年來(lái)，結(jié)合中國(guó)大學(xué)MOOC（慕課）、軍職在線等在線平臺(tái)，已經(jīng)建設(shè)了部分在線課程，如南京航空航天大學(xué)的國(guó)家級(jí)精品在線課程無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)導(dǎo)論課[7]。然而，現(xiàn)有的無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程教學(xué)體系在課程內(nèi)容設(shè)置、課堂教學(xué)模式等方面都存在一定的局限性，制約了教學(xué)效果的進(jìn)一步提升。主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

（一）課程內(nèi)容針對(duì)性不強(qiáng)

無(wú)人飛行器作為傳統(tǒng)有人機(jī)、新型傳感器和控制技術(shù)相結(jié)合的高科技產(chǎn)物，既與傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計(jì)有相似的地方，也有諸多不同，如在設(shè)計(jì)流程、約束條件（過(guò)載要求、人機(jī)功效等）、系統(tǒng)組成（自駕儀、地面站、載荷、數(shù)據(jù)鏈等）等方面存在較大差別[8-11]。現(xiàn)有課程體系主要是基于傳統(tǒng)飛行器設(shè)計(jì)知識(shí)的裁剪和綜合，針對(duì)性不強(qiáng)，需要結(jié)合無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化。

（二）課時(shí)局限，學(xué)員難以深度掌握課程內(nèi)容

無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程是一門(mén)兼?zhèn)渚C合性、創(chuàng)新性和實(shí)踐性的課程，一方面要求學(xué)員掌握基本的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、控制、載荷等基礎(chǔ)知識(shí)，另一方面要求學(xué)員形成多學(xué)科總體設(shè)計(jì)權(quán)衡的思維，這就要求學(xué)員對(duì)相關(guān)學(xué)科的知識(shí)有深刻的理解[12-13]。然而，在有限的課時(shí)下，通常無(wú)法讓學(xué)員在課堂上深度掌握該課程。為此，需要打破課時(shí)局限，利用線上資源和學(xué)員的自由時(shí)間，發(fā)揮學(xué)員自主學(xué)習(xí)的能動(dòng)性。

（三）教學(xué)與考核方式單一，難以滿足對(duì)學(xué)員綜合知識(shí)運(yùn)用能力的考核要求

目前，無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程的授課形式主要以課堂授課為主，考核形式主要以平時(shí)作業(yè)和課程考試為主。由于無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)的實(shí)踐性和創(chuàng)新性較強(qiáng)，若單純采用課堂授課的方式，學(xué)員的參與度有限，動(dòng)手實(shí)踐更是難以實(shí)現(xiàn)，學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和潛能不能被激發(fā)出來(lái)。需要進(jìn)一步優(yōu)化教學(xué)形式，通過(guò)課堂講授、創(chuàng)新研討與綜合實(shí)踐相結(jié)合，提高教學(xué)效果。考核方式方面，單一的考核方式只能體現(xiàn)學(xué)員對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法的考核，無(wú)法滿足對(duì)學(xué)員高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的能力考核要求。所以，應(yīng)進(jìn)一步改革傳統(tǒng)的考核方式，多方面考核、評(píng)估學(xué)員的能力。

三、課程改革建議

針對(duì)無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程當(dāng)前存在的問(wèn)題，從課程內(nèi)容優(yōu)化、教學(xué)手段創(chuàng)新、考核評(píng)價(jià)方式改革等方面，提出課程改革的建議。

（一）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容

以培養(yǎng)高素質(zhì)新型無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)人才為目的，對(duì)現(xiàn)有課程內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。在強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)方法的基礎(chǔ)上，注重知識(shí)、能力、素質(zhì)的有機(jī)融合，培養(yǎng)學(xué)員解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和高級(jí)思維。課程內(nèi)容有前沿性和時(shí)代性，以應(yīng)用需求為牽引，堅(jiān)持基礎(chǔ)理論與應(yīng)用兩條線并行；圍繞總體設(shè)計(jì)方法開(kāi)展教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)員系統(tǒng)分析、總體設(shè)計(jì)、靈活應(yīng)用的能力，幫助學(xué)員快速理解裝備。

無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程的內(nèi)容可分為概念與總體設(shè)計(jì)方法、氣動(dòng)設(shè)計(jì)與性能分析、關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用四個(gè)大的模塊（見(jiàn)圖1）。概念與總體設(shè)計(jì)方法模塊主要針對(duì)無(wú)人機(jī)的發(fā)展應(yīng)用歷史、分類(lèi)與特點(diǎn)，以及多學(xué)科多參數(shù)耦合的總體設(shè)計(jì)方法進(jìn)行講授。氣動(dòng)設(shè)計(jì)與性能分析模塊主要講授無(wú)人飛行器的飛行原理、飛行性能分析、結(jié)構(gòu)與制造基礎(chǔ)知識(shí)，讓學(xué)員理解飛行器的基本設(shè)計(jì)方法，特別是在復(fù)雜極端條件下的飛行能力約束。關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊包括無(wú)人飛行器作為一個(gè)完整系統(tǒng)所必須掌握的知識(shí)點(diǎn)，回答不同任務(wù)環(huán)境下的動(dòng)力與推進(jìn)設(shè)計(jì)、任務(wù)載荷系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)、發(fā)射回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)等裝備運(yùn)用中面臨的實(shí)際問(wèn)題。戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用模塊圍繞任務(wù)指揮層面涉及的任務(wù)方案規(guī)劃、航跡規(guī)劃、集群作戰(zhàn)等知識(shí)要點(diǎn)開(kāi)展高階教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)員對(duì)抗式戰(zhàn)術(shù)綜合運(yùn)用的思維。

此外，該課程要求緊貼實(shí)戰(zhàn)，重視案例式教學(xué)，潛移默化開(kāi)展思政教育。課程結(jié)合相關(guān)軍事熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行開(kāi)放性專題研討。如近年來(lái)局部戰(zhàn)爭(zhēng)中無(wú)人機(jī)執(zhí)行斬首行動(dòng)、恐怖襲擊、飽和攻擊等作戰(zhàn)模式，通過(guò)分析攻防兩端的裝備特點(diǎn)和實(shí)際運(yùn)用效果，激發(fā)學(xué)員對(duì)裝備能力和戰(zhàn)法運(yùn)用重要性的思考。結(jié)合實(shí)際裝備發(fā)展和運(yùn)用的案例，潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲地開(kāi)展課程思政教育，培養(yǎng)學(xué)員的航空?qǐng)?bào)國(guó)情懷[14]。同時(shí)，通過(guò)裝備對(duì)比分析，從技術(shù)的視角剖析客觀差距，培養(yǎng)學(xué)員的危機(jī)意識(shí)，激發(fā)學(xué)員趕超國(guó)際一流水平的激情。

（二）創(chuàng)新教學(xué)方法

翻轉(zhuǎn)課堂是線上線下混合式教學(xué)的有效策略，它是以學(xué)生為中心的教學(xué)方式的革命，顛覆了傳統(tǒng)課堂教學(xué)中老師講、學(xué)生聽(tīng)的模式?？梢砸胄∫?guī)模限制性在線課程（Small Private Online Courses，SPOC）教學(xué)方法，在充分利用在線資源的基礎(chǔ)上，克服在線課程大規(guī)模、無(wú)互動(dòng)和無(wú)先修條件等問(wèn)題，發(fā)揮小班教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，提升學(xué)生的參與度，促進(jìn)師生互動(dòng)。

小規(guī)模限制性在線課程的實(shí)施思路如圖2所示。教師要分析無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程知識(shí)點(diǎn)的層次，根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)不同的混合式教學(xué)方案。將無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)分成基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)計(jì)計(jì)算、工程案例三大類(lèi)，這三者的難度依次增大。對(duì)于難度較低的基礎(chǔ)知識(shí)，課前預(yù)習(xí)以閱讀教材、觀看微課和課前測(cè)試為主。教師根據(jù)學(xué)生的線上學(xué)習(xí)情況及課前測(cè)試情況，在課堂上有針對(duì)性地講解，并對(duì)重點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和強(qiáng)調(diào)，同時(shí)回答學(xué)生的疑問(wèn)，或組織學(xué)生之間互相提問(wèn)解答。對(duì)于難度適中的設(shè)計(jì)計(jì)算，課前預(yù)習(xí)以閱讀教材、觀看微課動(dòng)畫(huà)、查閱資料為主，教師在課堂上主要進(jìn)行討論答疑、重難點(diǎn)講解，組織學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題討論、頭腦風(fēng)暴，并提供實(shí)踐案例進(jìn)行分析，提高學(xué)生參與課堂的主動(dòng)性。而對(duì)于難度較大的設(shè)計(jì)計(jì)算，課前預(yù)習(xí)以閱讀教材、查閱資料、做思考題為主，教師在課堂上組織學(xué)生討論答疑、學(xué)生互評(píng)或教師點(diǎn)評(píng)課前作業(yè)。

（三）優(yōu)化考核評(píng)價(jià)方式

改革傳統(tǒng)的考核方式，加大過(guò)程化和實(shí)踐性考核的比重，形成形成性考核和終結(jié)性考核相結(jié)合的考核形式（見(jiàn)圖3）。形成性考核綜合在線學(xué)習(xí)情況、課后作業(yè)、實(shí)踐試驗(yàn)報(bào)告、專題研討匯報(bào)等內(nèi)容，主要考查學(xué)員在線預(yù)習(xí)、上課出勤、課堂討論、課前測(cè)試、隨堂測(cè)試、課后作業(yè)等情況，有助于提高學(xué)員參與課堂教學(xué)的積極性，從而更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。終結(jié)性考核主要考查學(xué)員對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、基本概念的準(zhǔn)確掌握程度和靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，其中知識(shí)運(yùn)用題目在終結(jié)性考核中的占比達(dá)到70%，可以有效地把控學(xué)員對(duì)課程知識(shí)的掌握程度，為開(kāi)展后續(xù)課程學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。通過(guò)引入多樣化的考核機(jī)制，提高實(shí)踐試驗(yàn)報(bào)告、專題研討匯報(bào)、知識(shí)運(yùn)用等內(nèi)容的考核比例，對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)深入理解、關(guān)鍵方法牢固掌握、運(yùn)用模式融會(huì)貫通等提出更高的要求，可以有效提升課程的挑戰(zhàn)度。

四、結(jié)語(yǔ)

無(wú)人飛行器總體設(shè)計(jì)課程是飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)的核心專業(yè)課程，課程內(nèi)容系統(tǒng)性、總體性強(qiáng)，理論與實(shí)踐結(jié)合度高。本文以培養(yǎng)具有無(wú)人飛行器設(shè)計(jì)、論證、研制、試驗(yàn)和應(yīng)用等高水平專業(yè)人才為目標(biāo)，深入剖析了制約課程教學(xué)效果的問(wèn)題，提出若干課程改革建議，以期為后續(xù)開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

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［責(zé)任編輯：黃緊德］