智能飛行器技術(shù)專業(yè)建設(shè)的挑戰(zhàn)與思考

［摘 要］智能飛行器技術(shù)是教育部為適應(yīng)智能化時代發(fā)展需求而設(shè)立的新專業(yè)。智能飛行器是機械化、信息化、智能化融合發(fā)展的產(chǎn)物，方興未艾。當前智能飛行器尚無公認的定義，因而關(guān)于智能飛行器技術(shù)專業(yè)建設(shè)的建議莫衷一是。智能飛行器是什么，智能飛行器技術(shù)給人才培養(yǎng)帶來什么變化，智能飛行器技術(shù)專業(yè)應(yīng)該怎么建設(shè)等問題一直是相關(guān)高等院校專業(yè)發(fā)展研討與關(guān)注的重點。文章通過對智能飛行器內(nèi)涵的分析并借鑒國內(nèi)外部分知名高校相近專業(yè)的培養(yǎng)理念和課程體系，從知識體系、課程建設(shè)、配套環(huán)境三個方面分析智能飛行器技術(shù)專業(yè)建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)，并從建設(shè)理念、關(guān)鍵問題、具體舉措三個方面詳細闡述智能飛行器技術(shù)專業(yè)課程體系的建設(shè)思路。

［關(guān)鍵詞］智能飛行器技術(shù)；專業(yè)建設(shè)；人才培養(yǎng)；知識體系

［中圖分類號］G642 ［文獻標識碼］A ［文章編號］2095-3437（2024）14-0017-05

2021年，教育部新設(shè)立了智能飛行器技術(shù)本科專業(yè)。這是世界范圍內(nèi)首個以智能飛行器冠名的新專業(yè)。智能飛行器發(fā)展迅速，應(yīng)用形態(tài)日新月異[1-2]，目前智能飛行器尚無公認的定義，因此關(guān)于智能飛行器技術(shù)專業(yè)建設(shè)的建議莫衷一是。本文以智能飛行器的內(nèi)涵分析作為出發(fā)點，圍繞智能飛行器是什么、智能飛行器技術(shù)給人才培養(yǎng)帶來的變化是什么以及智能飛行器技術(shù)專業(yè)怎么建設(shè)這三個問題，總結(jié)了國內(nèi)外部分知名高校相近專業(yè)的培養(yǎng)理念和課程體系，對比分析了智能飛行器技術(shù)專業(yè)建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)，闡述了智能飛行器技術(shù)專業(yè)課程體系的建設(shè)思路。

一、智能飛行器的內(nèi)涵

2019年，美國國防部發(fā)布了《2018年國防部人工智能戰(zhàn)略總結(jié)》，對人工智能的內(nèi)涵進行了描述：以數(shù)字或自主物理系統(tǒng)內(nèi)嵌智能軟件的形式，使機器具備執(zhí)行通常需要人的智能才能執(zhí)行的任務(wù)的能力，如識別模式、從經(jīng)驗中學習、下結(jié)論、做出預(yù)測、采取行動等 [3]。

人們對智能飛行器的期待包括以下幾點：其一，它應(yīng)具有良好的適應(yīng)性，對任務(wù)環(huán)境的適應(yīng)以及對自身不同狀態(tài)的適應(yīng)[4-5]；其二，它應(yīng)該具有交互能力，能夠與人建立廣泛穩(wěn)健的有效交互；其三，它應(yīng)該具備對人類知識進行提煉、學習、轉(zhuǎn)化并做出創(chuàng)造的能力。智能飛行器將是飛行器領(lǐng)域機械化、信息化、智能化融合發(fā)展的集大成者。當前初步具有智能特征的飛行器包括無人機集群、“鐵穹”防御導(dǎo)彈系統(tǒng)、LRASM反艦導(dǎo)彈等。

一是無人機集群。無人機集群由一定數(shù)量的無人機基于開放式體系架構(gòu)聚合而成，它在單個無人機平臺自主性充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，以“群”的形式開展應(yīng)用，并凸顯“群”特征。無人機集群以信息網(wǎng)絡(luò)為支撐，以群智涌現(xiàn)為核心，指控關(guān)系彈性可變，運用樣式靈活，能夠形成低成本、分布式、自協(xié)同、高彈性的任務(wù)執(zhí)行體系[6]。某種固定翼無人機集群如圖1所示。

無人機集群技術(shù)自2016年以來發(fā)展迅速，成為世界無人機領(lǐng)域的熱點。當前無人機集群已經(jīng)具備了初步的適應(yīng)性和交互性，正在朝著知識提煉、學習與創(chuàng)造的階段發(fā)展[7]。

二是“鐵穹”防御導(dǎo)彈系統(tǒng)?！拌F穹”防御導(dǎo)彈系統(tǒng)是以色列拉斐爾先進防御系統(tǒng)公司研發(fā)的全天候、機動型火箭攔截系統(tǒng)，主要用于攔截“喀秋莎”和“卡?！钡壬涑淘?至70公里的火箭彈。該系統(tǒng)具有較強的適應(yīng)性， 可自動探測來襲火箭彈，在1秒內(nèi)根據(jù)彈道、風向等天氣情況判斷出彈著點，對射向居民區(qū)或是重要目標的火箭彈進行攔截（見圖2），對射向非危險地區(qū)的火箭彈不進行攔截，攔截效率高達90%。

三是LRASM反艦導(dǎo)彈。LRASM（Long Range Anti?Ship Missile）是由美國國防部高級研究計劃局（DARPA）牽頭設(shè)計的先進反艦導(dǎo)彈，具有良好的自適應(yīng)突防能力和電磁自衛(wèi)能力，通過自動分析接收到的射頻信號判斷威脅程度，具有自適應(yīng)突防模式和較強的適應(yīng)性。這類飛行器如圖3所示。

上述飛行器系統(tǒng)已經(jīng)具備了初步的適應(yīng)性以及內(nèi)在的交互能力。此外，它們的共同特征還包括穩(wěn)健的飛行能力、先進的感知能力、魯棒的控制能力以及在線決策能力[8-10]。

在上述分析的基礎(chǔ)上，本文認為智能飛行器是一種能夠自主執(zhí)行任務(wù)的飛行器。它利用先進的傳感器和算法來感知環(huán)境、做出決策并穩(wěn)健地執(zhí)行任務(wù)，支持人機交互但不用人類實時操控，具有良好的適應(yīng)性，并朝著學習知識、進化并創(chuàng)造的方向發(fā)展。

二、智能飛行器技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標

智能飛行器技術(shù)是人工智能技術(shù)與飛行器技術(shù)的跨域融合，具有明顯的學科交叉特點，學科涉及面廣、前沿性強，涉及航空宇航科學與技術(shù)、信息與通信工程、計算機科學與技術(shù)、控制理論與控制工程、材料科學與技術(shù)等多個學科。因此，智能飛行器技術(shù)專業(yè)的知識目標和能力目標的內(nèi)容與要求比傳統(tǒng)飛行器專業(yè)的更豐富，其知識目標所涉及的相關(guān)技術(shù)如圖4所示。

從圖4可知，智能飛行器技術(shù)專業(yè)所涉及的相關(guān)能力目標包括具備扎實的力學、物理、數(shù)學、信息學、人工智能等學科知識基礎(chǔ)，掌握飛行器基本原理，能夠開展智能飛行器總體與結(jié)構(gòu)設(shè)計、實現(xiàn)智能飛行器典型場景下的應(yīng)用，以及具有解決復(fù)雜問題的融合創(chuàng)新能力等。

三、國內(nèi)外智能飛行器技術(shù)相近專業(yè)的建設(shè)情況

鑒于國外尚無智能飛行器技術(shù)專業(yè)，而國內(nèi)也在摸索中建設(shè)，本文以國內(nèi)外智能飛行器技術(shù)相近專業(yè)為研究對象，分析梳理其培養(yǎng)理念和課程體系，作為開展智能飛行器技術(shù)專業(yè)課程體系建設(shè)的重要參考。

（一）國內(nèi)外部分知名高校智能飛行器技術(shù)相近專業(yè)建設(shè)特點

在國外高校中，本文選擇麻省理工學院、加州理工學院、普渡大學、美國空軍學院為參考對象，這些高校在飛行器設(shè)計方面的專業(yè)建設(shè)特點如表1所示。

國內(nèi)高校智能飛行器技術(shù)專業(yè)建設(shè)的特點大概如下：北京航空航天大學（以下簡稱北航）按照“厚基礎(chǔ)、重交叉、深浸養(yǎng)、強協(xié)同”的建設(shè)理念，強化空天信融合、深化科教融通；西北工業(yè)大學（以下簡稱西工大）以“厚基礎(chǔ)、強能力、高素質(zhì)”為培養(yǎng)理念，以培養(yǎng)科學素養(yǎng)和工程素質(zhì)為主線；南京航空航天大學遵循“厚基礎(chǔ)、寬口徑、重交叉、強實踐”的基本方針，培養(yǎng)學生扎實的數(shù)理、力學、電子、熱工等專業(yè)知識基礎(chǔ)。綜合來看，上述專業(yè)特點的共同之處是厚基礎(chǔ)、重交叉、強實踐。

（二）智能飛行器技術(shù)相近專業(yè)核心課程分析

麻省理工學院在信息類技術(shù)、人工智能技術(shù)與飛行器設(shè)計技術(shù)方面均具有深厚底蘊，因而其航空航天工程專業(yè)的課程體系設(shè)置具有重要參考意義[11]。其相應(yīng)的專業(yè)核心課程主要有空氣動力學、結(jié)構(gòu)力學、流體力學、航空航天推進、人機系統(tǒng)工程、自主決策原理、自動控制原理、反饋控制系統(tǒng)、信號與系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)實驗、計算建模與數(shù)據(jù)分析等。從其專業(yè)核心課程設(shè)置來看，麻省理工學院的課程體系高度重視力學和控制學科基礎(chǔ)，同時也強化學生信號系統(tǒng)、數(shù)字化以及計算機編程與應(yīng)用方面的能力。

國內(nèi)方面，以西工大航空學院[12]和北航航空學院[13]飛行器設(shè)計與工程專業(yè)的核心與特色課程為對象進行分類分析。圖5展示了這兩所大學上述專業(yè)基礎(chǔ)類課程中力學基礎(chǔ)、機械與控制、計算機與電子技術(shù)、總體設(shè)計四類課程的學分占比。

對圖5進行分析可知，這兩所大學都高度重視力學基礎(chǔ)、機械與控制等基礎(chǔ)性課程，同時兼顧計算機與電子技術(shù)類課程以及總體設(shè)計類課程等。這反映出傳統(tǒng)飛行器專業(yè)具有顯著的多學科交叉屬性。從智能飛行器的內(nèi)涵可知，智能飛行器技術(shù)專業(yè)對應(yīng)的知識體系需要在傳統(tǒng)飛行器專業(yè)知識體系的基礎(chǔ)上向智能、微電子、網(wǎng)絡(luò)等方面進一步拓展。

四、智能飛行器技術(shù)專業(yè)建設(shè)現(xiàn)狀

（一）基于課時有限的條件構(gòu)建新的知識體系

參考教學質(zhì)量標準，航空航天類專業(yè)課程總學時以2600學時左右為宜，知識目標和能力目標必須在限定的課時內(nèi)完成。智能飛行器技術(shù)專業(yè)相比于傳統(tǒng)飛行器專業(yè)，在數(shù)理、力學、控制、設(shè)計、電子、信息學等方面有相似的知識目標，同時又需要掌握最新的人工智能、大數(shù)據(jù)、人機交互等技術(shù)，并熟悉新一代通信、芯片、微電子架構(gòu)，知識目標的內(nèi)容與要求比傳統(tǒng)飛行器專業(yè)豐富。智能飛行器技術(shù)專業(yè)需要在相同總學時情況下講授更多的專業(yè)知識，因此需要在學時有限情況下做好數(shù)理、力學、信息學、控制等學科知識與人工智能、大數(shù)據(jù)、人機交互、通信、芯片等知識的銜接，構(gòu)建新的完備的知識體系。

（二）基于知識體系進行課程定制

有限的學時和更加寬廣的學科知識需求，對單門課程的內(nèi)容設(shè)計提出了新的要求：要統(tǒng)籌核心知識和學時分布，還要兼顧與關(guān)聯(lián)課程的銜接。一方面需要加強頂層設(shè)計，聚焦智能飛行器技術(shù)專業(yè)能力目標，逐門細化課程的知識傳授點，去除重復(fù)環(huán)節(jié)，加強核心課程之間的銜接融合；另一方面需要實施課程定制計劃，如人工智能基礎(chǔ)、通信與網(wǎng)絡(luò)等，不能照搬計算機專業(yè)和通信專業(yè)的課程內(nèi)容，應(yīng)針對智能飛行器技術(shù)專業(yè)人才的培養(yǎng)特點，開展具有明確培養(yǎng)目標的課程定制。

（三）基于新的創(chuàng)新實踐環(huán)境開展實踐教學

智能飛行器的實踐應(yīng)用是達成本專業(yè)能力目標的重要環(huán)節(jié)，開展綜合實踐能夠幫助學生加深對智能飛行器的通識認知，實現(xiàn)理論知識的驗證，并促進學生在該領(lǐng)域的融合創(chuàng)新發(fā)展。開展創(chuàng)新實踐需要大量的配套環(huán)境，包括智能化軟件開發(fā)平臺和硬件系統(tǒng)開發(fā)平臺等，但該領(lǐng)域仍處于快速發(fā)展的階段，與智能飛行器平臺相關(guān)聯(lián)的開發(fā)環(huán)境仍不成熟、不系統(tǒng)。例如針對無人機開展典型場景下的集群協(xié)同應(yīng)用，需要具有支持智能集群的任務(wù)規(guī)劃軟件系統(tǒng)和適應(yīng)機載環(huán)境的嵌入式硬件系統(tǒng)以及一些輔助設(shè)備，如視覺捕捉系統(tǒng)等。這些實踐環(huán)境往往需要教師團隊進行二次開發(fā)，通過改造得到符合課程具體要求的支撐環(huán)境。

五、智能飛行器技術(shù)專業(yè)課程體系建設(shè)思路

（一）須明晰專業(yè)建設(shè)理念

把握機械化、信息化、智能化“三化”融合對飛行器設(shè)計與應(yīng)用的深刻影響，面向未來，在人才培養(yǎng)方案的課程設(shè)置中緊緊圍繞智能飛行器的平臺屬性以及智能化屬性。強調(diào)打好基礎(chǔ)，系統(tǒng)性設(shè)置數(shù)學、物理、力學、總體設(shè)計、飛行控制、智能應(yīng)用等方面的相應(yīng)課程，突出數(shù)理基礎(chǔ)扎實、知識結(jié)構(gòu)完整的特點，打牢飛行器平臺設(shè)計方面的知識基礎(chǔ)。強調(diào)實踐貫通，通過智能元素浸潤、實踐應(yīng)用連貫將寬口徑的公共基礎(chǔ)課程與交叉融合的學科專業(yè)關(guān)聯(lián)起來，以典型任務(wù)應(yīng)用為牽引，緊扣“智能飛行器+典型任務(wù)”的主線，做到實踐貫通，設(shè)計進階式實踐教學內(nèi)容。

（二）須把握好關(guān)鍵問題

1.矩陣式教學運行機制的實施與教學質(zhì)量評估反饋

新的專業(yè)建設(shè)迫切需要及時做好教學質(zhì)量評估反饋。通過建立“公共基礎(chǔ)—學科基礎(chǔ)—專業(yè)基礎(chǔ)”與“智能與實踐”融合式矩陣式教學運行機制，在實施過程中通過課程測試、科學競賽、創(chuàng)新項目等形式綜合評估教學質(zhì)量[14]，促使教學運行機制得到不斷完善。

2.強化本碩博貫通式培養(yǎng)總體設(shè)計

智能飛行器技術(shù)專業(yè)涉及多個學科，應(yīng)用前景廣闊，適合開展本碩博貫通式培養(yǎng)[15]。除了體系化的本科課程設(shè)計，建議在本碩博的銜接階段做出具體引導(dǎo)，指引學生通過參加創(chuàng)新項目實現(xiàn)知識向能力的轉(zhuǎn)化，并檢驗知識學習效果。

（三）需明確具體舉措

1.優(yōu)化“目標—能力—課程”三維支撐關(guān)系，落實到單一課程教學質(zhì)量提升

圍繞人才培養(yǎng)目標和能力素質(zhì)需求，建立“目標—能力—課程”三維支撐關(guān)系［見圖6（a）］；通過優(yōu)化支撐關(guān)系，進一步完善課程體系設(shè)計；并在支撐關(guān)系的引導(dǎo)下，以更好地支撐培養(yǎng)目標達成與促進學生能力培養(yǎng)為優(yōu)化方向，有針對性地提升單一課程的建設(shè)質(zhì)量，包括課程建設(shè)與配套的支撐環(huán)境建設(shè)［見圖6（b）］。

2.建立矩陣式教學運行機制

結(jié)合智能飛行器技術(shù)專業(yè)的多學科交叉屬性，將寬口徑的公共基礎(chǔ)知識與多學科專業(yè)知識關(guān)聯(lián)起來，探索建立教學運行機制。通過各階段橫向課程多元化、系統(tǒng)化設(shè)置，實現(xiàn)知識面的寬口徑覆蓋；通過縱向智能特色與貫通實踐不斷線，實現(xiàn)“飛行器+任務(wù)”與“實踐+理論”的交叉融合，高效達成教學目標（見圖7）。

3.強化本碩博知識銜接與貫通式培養(yǎng)，論證從本科基礎(chǔ)向碩博研究過渡的創(chuàng)新項目組織模式

強化本碩博貫通式培養(yǎng)的總體設(shè)計，以分組實施的創(chuàng)新項目為抓手，引導(dǎo)學生從本科基礎(chǔ)向碩博研究過渡，設(shè)置一批“智能+”創(chuàng)新設(shè)計項目，引導(dǎo)學生培養(yǎng)基礎(chǔ)研究素養(yǎng)，形成飛行器總體設(shè)計與團隊協(xié)作理念（見圖8）。

六、結(jié)語

本文結(jié)合智能化時代背景分析梳理了智能飛行器的內(nèi)涵，分析了國內(nèi)外部分知名高校在智能飛行器技術(shù)相近專業(yè)方面的建設(shè)思路以及具體的課程體系，總結(jié)了智能飛行器技術(shù)專業(yè)建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)，并針對性地從知識目標、能力目標、價值目標多個維度對智能飛行器技術(shù)專業(yè)的知識架構(gòu)、課程體系以及課程建設(shè)進行了論述，給出了智能飛行器技術(shù)專業(yè)建設(shè)舉措建議。

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［責任編輯：龐丹丹］