依托浮空无人飞行器培养学生创新实践能力

2015-04-11杨希祥

实验技术与管理 2015年11期

杨希祥，郭正

（国防科学技术大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073）

浮空无人飞行器是指以氢气或氦气作为填充气体，依靠浮力升空的轻于同体积空气的飞行器。高空气球和飞艇是典型的浮空无人飞行器。近年来，在侦察监视、预警探测、移动互联网等军民需求牵引下，浮空无人飞行器发展受到航天大国和商业公司高度重视［1］。与此同时，在国外一些高校开展的学生创新实践活动中，浮空飞行器项目占有重要地位。据不完全统计，全世界目前有50余所大学组织开展以高空气球为代表的学生创新实践活动［2－4］。

以浮空无人飞行器为载体，培养学员创新实践能力的教学模式，主要是以浮空飞行器为对象，面向空间工程、飞行器系统与工程、导弹工程、军用材料工程等相关专业的本科生和航空宇航科学与技术、力学、材料科学与工程等专业的研究生，为学员提供从事飞行器概念论证、方案设计、加工制造、飞行试验等全流程实践活动的条件，极大激发学员的专业学习热情，培养创新思维，培育工程素养，提升创新能力、实践动手能力和协同攻关能力。

国防科学技术大学航天科学与工程学院以浮空无人飞行器为载体的学员创新实践活动，成效显著。3年多以来，累计参与学员数达到32人，其中，博士研究生6人，硕士研究生12人，本科生14人。承担国家级大学生创新性实验计划项目1项，省级创新性实验计划项目1项、校级创新性实验计划项目4项，学校研究生创新资助项目2项。获 “挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛奖励1次，学校“长城信息杯”竞赛奖励2次，湖南省大学生创新论坛奖励1次。团队学员发表浮空飞行器相关学术论文近30篇，其中，SCI检索10篇，EI检索8篇，申请专利3项，软件著作权2项。多名学员获光华奖学金、校级优秀学员、军队优秀博士学位论文提名等奖励和荣誉。

1 以浮空无人飞行器为载体的创新实践活动解决的主要教学问题

以浮空无人飞行器为载体，开展学生创新实践活动，主要解决4个方面的教学问题。

1.1 解决学生缺乏创新能力和实践动手能力问题

通过本科与研究生阶段学习，培养良好的创新能力和实践动手能力，对于未来走上工作岗位成长发展具有基础性作用。受传统教育模式和教育观念影响，现阶段我国高等院校学生创新实践活动硬件条件仍显薄弱，对创新实践活动的机制保障仍显不足，整体来看，无论本科生还是研究生，创新能力和实践动手能力均处于较低水平，距离培养目标相距甚远［5－6］。在航空航天专业，很多学生毕业之时，对飞机、导弹、运载火箭等飞行器组成和功能的理解仅限于书本基本知识，缺乏具体分系统和部件的认知，有些学生甚至连基本构成也不清楚，对于飞行器加工制造和飞行试验等重要环节更无从知晓。

1.2 解决学生缺乏多学科交叉融合训练实践问题

多学科交叉融合是出高水平创新成果的重要途径［7－8］。尽管目前我国高校部分专业和学科已处于较高发展水平，但“圈子”文化仍然存在，学科界限仍然分明，学科交叉融合明显不足，已推进和实施的学科交叉项目往往属于低水平面上交叉层次。各高校已开设的很多所谓创新实践项目往往是具有课程实验或实验课程性质的，针对单一学科、单一知识点的简单重复的内容，不能支持充分交叉融合和开展综合实践训练，不利于培养学生多学科交叉融合解决问题、实现提高创新素养的目标。

1.3 解决学生缺乏团队协作精神和协同攻关能力问题

人类科技史表明，成功的科学家往往都具有良好的团队协作精神［9］。大力协同、合作攻关的团队协作精神，也是 “两弹一星”、载人航天、“银河”巨型计算机等国家重大项目研究中凝练出来的宝贵精神财富。特别是对于航空航天科技这样的尖端科研领域，具有明显的“大科学”特征［10－11］，涉及专业多、参与机构杂、参与人员多，更是需要大范围协同攻关的组织模式。由于在传统高等教育模式中，本科生绝大部分时间都用于课堂学习，研究生绝大部分时间也是用于课程学习与学位论文理论研究，缺乏以群组方式协作开展实验项目研究的机会，造成学员团队协作精神和协同攻关能力难以得到很好培养。

1.4 解决本科生和研究生缺乏交流合作问题

本科教育是高等教育的基础阶段，研究生教育是高等教育的高级阶段，本科生和研究生实际上是紧密关联的2个群体，但事实上，目前我国高等学校中本科生和研究生交融极少，尤其是大四之前的本科生和研究生交流几乎近于零。事实上，研究生项目整体设计能力相对较强、解决问题视野范围相对较宽，若能协同工作，可带动提高本科生实践动手能力和科研能力，实现其在研究生阶段的高起点，也可一定程度上弥补本科生全程导师制中导师指导时间不足的问题［12］。

2 以浮空无人飞行器为载体的创新实践教学模式

2.1 以概念创新设计为牵引，注重学研结合，培养学生创新能力

在浮空无人飞行器创新实践活动组织开展中，首先由指导教师提出总体技术指标，其后工作以学生为主体完成。方案论证和方案设计是第一个环节，居于基础性、关键性地位。目前，在浮空无人飞行器，尤其是可控高空浮空无人飞行器领域，国内外基本处于概念设计与技术路线探索阶段，新概念、新布局、新飞行原理不断涌现，概念设计方面创新空间广阔。活动实施过程中，特别注重鼓励和引导学生充分了解国际前沿发展动态，融合所学专业知识，提出和设计创新方案。同时，指导团队注重引导学生将创新实践过程收获融入专业知识学习，实现研议辅学。

以概念创新设计牵引学生创新能力培养的教学实践取得良好成效，指导的学员申报的“高空无人机气球搭载式起飞及返回技术研究”获国家级大学生创新创业训练项目资助；“临近空间试验气球放飞回收技术研究与实践探索”、“微型智能战场态势感知浮空器”等项目获学校“长城信息杯”创新项目资助；“临近空间浮空平台自主定点控制方法研究”获学校研究生创新项目资助；“充气式电动遥控无人机的研究与设计”获“长城信息杯”竞赛二等奖。参与上述项目的学员创新能力得到极大提升，取得以2项国家发明专利、多篇国际期刊论文为代表的一大批研究成果。

2.2 以研制和试验为牵引，本科生和研究生紧密协作，强化培养学生实践动手能力与协同攻关能力

浮空无人飞行器方案设计阶段结束以后，即转入研制阶段。浮空无人飞行器研制涉及结构、能源、螺旋桨推进、航电等大量分系统，分系统又包含大量部件。研究生和本科生共同组成任务团队，按照航天任务模式进行分工，团结协作，亲身参与部件测试、系统集成、软件开发、软硬件联试等环节，如储能电池性能测试、电机性能测试、光电载荷性能测试、控制系统半实物仿真试验等。浮空飞行器放飞试验也是复杂的系统工程，包括充气、测试、放飞、回收、试验评估等诸多环节，也需综合考虑气象和安全因素，学生在此过程中同样进行明确分工，协同工作。通过研制和试验阶段实践活动开展，学生实践动手能力得到极大提高，工程素养得到培育，集体荣誉感和协同攻关能力得到提升。

例如，在“临近空间试验气球放飞回收技术研究与实践探索”项目中，博士生为项目总设计师，参与的其余研究生和本科生分别为气球、探测载荷、充气保障等分系统主任设计师，通过协同工作，完成了系统研制，在长沙气象站最终完成了气球放飞和回收试验，获得了地面到高空的大量风场、温度、湿度等环境数据。

2.3 以浮空无人飞行器多学科特点为依托，培养学生交叉融合创新意识

浮空无人飞行器设计需综合考虑浮力/重力平衡、推力/阻力平衡、能源供给/需求平衡，涉及飞行器设计、固体力学、流体力学、热力学、材料学、应用化学、动力推进、控制理论与控制工程等领域，具有典型的多学科交叉特征。以浮空无人飞行器多学科特征为依托，以飞行器设计、流体力学、固体力学、材料学、应用化学等学科专业学生为重点，开展深度融合，兼顾与其余专业研究力量协同，为学生提供开展学科融合创新研究的实践平台，引导学生树立交叉意识，提高创新能力。

例如：“微型智能战场态势感知浮空器”项目中，核心骨干为来自于飞行器总体设计、飞行器动力学与控制、流体力学、应用化学、复合材料等方向的5名研究生和来自空间工程、导弹工程专业的2名本科生，其作品在2012年举办的学校创新作品展中受到多位专家的好评。

2.4 努力打造高水平的创新实践活动指导教师队伍

高水平的指导教师队伍是搞好创新实践活动的关键［13］。导师直接指导学生参与创新实践活动的全过程。浮空无人飞行器创新实践活动指导教师队伍专业、职称、年龄层次结构合理，既有一定比例的有多年本科生和研究生培养经验的教授，又有大批留校不久的、年轻的、时间充裕、创新实践能力强的青年教师，这些青年教师大都承担重大专项浮空飞行器领域课题，本身具有浮空飞行器领域坚实的知识基础，了解浮空飞行器发展的前沿动态。同时，指导团队还充分发挥在无人机领域研究优势，充分利用无人机团队的技术聘用人员参与指导创新实践活动。在创新实践活动开展过程中，指导教师和学生打成一片，亲自参与包括飞行试验在内的全部环节，确保了创新实践活动的效果。

2.5 开展校企、校校合作，拓展创新实践活动可用资源

为优化浮空无人飞行器研究支撑条件，弥补指导团队和所在研究所不足，更高水平实施创新实践活动，与校外单位开展部分合作，解决了飞行试验条件、飞行试验技术与经验等方面面临的问题。

例如，与长沙气象站合作，开展临近空间气球放飞试验，解决了放飞场地和放飞空域问题；与安徽华云广告气模有限责任公司合作，加快了浮空器研制进程，少走了弯路；与上海交通大学合作，通过全程参与其气球飞行试验，积累了丰富的高空气球放飞经验。

3 结束语

以浮空无人飞行器为载体，开展创新实践活动，是探索提高航空航天相关专业人才培养质量的一种新模式，从国防科技大学组织这一领域创新实践活动的实际来看，活动的开展对于培养学生创新能力、实践动手能力、协同攻关能力、工程素养等，对于促进研究生与本科生合作交流，推动校企、校校合作，起到了重要作用。高等院校学生创新实践活动的组织实施是一项复杂的系统工程［14］，亟待广大教师和教学管理人员发挥聪明才智，走开高效路子，创新教学模式，持续推动创新实践活动效果跃升。

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［1］栗颖思，闫峰.临近空间新概念浮空平台及其应用［C］//西安：中国浮空器大会论文集.2012.

［2］Guzik T G，Wefel J P.Student Ballooning and the High Altitude Student Platform［C］.Baton Rouge：NSG Directors Meeting，2009.

［3］Laura Mazzino.University of Alberta High Altitude Balloons Program［Z］.Edmonton：University of Alberta，2012.

［4］The Auburn University Student Space Program［Z］.Auburn：Auburn University，2007.

［5］宗士增，曹洪.优化实践教学体系建立大学生创新实践长效机制［J］.中国大学教学，2011，33（9）：81－83.

［6］顾妍春.培养大学生创新精神要与实践活动相结合［J］.教育探索，2006，26（11）：11－12.

［7］王红梅，邹艳，王吉华.多学科交叉创新实践育人平台的研究与实践［J］.实验技术与管理，2014，31（11）：23－25.

［8］李涛，宗士增，徐建成.构建多学科交叉融合创新实践平台的探索与实践［J］.中国大学教学，2013，35（7）：79－81.

［9］何兆勇，石海明.中外著名科学家人文素养案例集［M］.长沙：国防科技大学出版社，2009.

［10］张新国，向绍信.大科学时代背景下科研项目进度优化研究［J］.科技管理研究，2014，34（18）：198－204.