复杂专业背景下无人机系统课程精细化教学探索

刘战合 田秋丽 王晓璐 赵辉

摘要：无人机系统课程以复杂专业为背景，结合飞行器设计的相关学科，针对课程存在的主要问题，从教学内容和教学方法两个维度出发，基于学科体系、学科内容、重点内容，结合学科融合、主题式慕课、教学与实践结合等教学方法的精细化探索，实现了无人机系统导论课程建设，提高了学习兴趣。

关键词：无人机系统；精细化教学；教学方法

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）13-0175-02

当前，无人机作为通航飞机的重要组成部分，已成为民用航空产业发展的核心力量之一。无人机系统导论课程是针对飞行器设计与工程专业本科生开设的专业选修课，与传统学科共同组成飞行器设计与工程专业的课程知识体系。但作为学校甚至国内新开设的课程，有必要结合实际的教学情况，做进一步教学内容和方法上的实际研究和探索，鉴于学科本身具備的一些特点，结合并借鉴其他学科的传统精细化教学方法、慕课教学方法[1]，从本学科特点出发，详细研究了无人机系统[2]导论课程的内容建设、教学方法等。

一、无人机系统导论课程当前存在的问题

无人机系统导论[3]课程所包含的其他相关专业为：飞行器设计、空气动力学[4]、航空材料学、飞行力学、导航技术、电磁学、航空气象学及其他学科，因此无人机系统导论课程是多个学科的综合体，就当前我国教育现状来看，尽管一些“985”、“211”院校和职业技术学校设立了相关学科和专业，但均处于起步阶段，总体来看，无人机系统相关课程的建设和开展还存在以下几个重要问题。

1.缺乏系统化教材。无人机作为系统化研究是在近些年才逐步进入实质阶段，一些科研理论、技术数据、经验积累还未形成系统化成果，大多专著均是对国外相关书籍的翻译，如《无人机系统导论》[3]、《多无人机自主协同控制理论与方法》[5]、《无人机协同路径规划》[6]、《无人机遥感载荷综合验证系统技术》[7]等，或是在某方面领域内的深入研究，但以上专著均存在专业化程度高、专业集中程度强的问题，实际上专门用于本科、硕士的无人机系统教学有一定的难度。

2.理论与实践结合。正如航空教育[8]其他学科一样，无人机系统是一个广泛性的课程，旨在为学生建立一个无人机核心及相关技术的多层次、多梯度化的理论知识培养机会，并依此为基础，结合实践观摩和验证，加深对无人系统的深层次认识，加深相关专业学生在飞行器设计相关基础理论上的认识和实践认知能力。

3.课程引导复杂化。无人机系统课程首先是一个综合性课程，再次是一个专业化课程。综合性体现在所包含的学科方向、应用范围、技术难度的综合；专业化包含了航空飞行器设计的逐步深入，如果没有专业化的知识引导和技术支撑，教学的实质性和有效性开展将很难达到预期效果。

二、无人机系统导论课程教学内容精细化建设

针对以上讨论的无人机系统导论课程存在的问题，经过详细调研，结合学校自身及学生的实际情况，最终选取郭正等译著的《无人机系统导论》作为课程教材，同时在教学内容上进行了以下建设。

1.学科体系精细化建设。无人机系统是一个以飞行器设计为基础的系统性学科，在教学过程中，考虑到实际工程应用，将气象学、雷达、数据链、载荷（成像、武器、其他载荷等）、无人机发射和回收技术等也列入涵盖学科。根据学时安排，合理计划了飞行器总体技术、空气动力学、动力与材料、数据链、地面控制站、有效载荷、发射与控制技术等，并安排了相应学时，对学科内容进行了精细化设计。

2.学科内容精细化建设。对以上涉及学科，不可能通过一门课程的建设就能完全体会和理解，也不可能完全掌握，教学的目的是让学生建立无人机系统的总体框架，并成为后续专业学科与其他学科的联系枢纽。因此，对每个设计学科，精细化其学科内容，争取将该学科涉及的基本内容与其他学科建立相关性，如对空气动力学中产生升力的概念，以伯努利方程为基本出发点，也可以在无人机设计、无人机动力推进等概念中涉及到，同时还可建立其星型分布网状关系。

3.重点内容精细化建设。针对以上学科之间的基本关系，以总体框架内容为先导，提炼各学科的重点内容，兼具各学科的普性内容，以重点内容为“点”，普性内容为“线”，采用各学科“多点式”的串接方式。在教学和学习的过程中，提纲携领，同时考虑到学科重点内容的难易程度，设计星级标准，以提醒学生进行应对性的学习，如将飞行器飞行中的四种力：升力、阻力、重力、推力或拉力，设计为“点”，让学生掌握四种力产生的原因、影响因素。在航空动力学中，以推力为核心，掌握其他三种力对推力的影响和相互因果关系。

三、无人机系统导论课程教学方法精细化建设

1.学科融合教学方法精细化建设。针对各学科的内容，以本文上述的各“点”式内容，采用“树状”分布教学方法。先建立各学科“点”内容，并以“点”的内容为核心进行扩展，开展学科基本知识构建；以各学科“点”内容为核心，提炼学科的共性框架，形成学科类二级“点”知识，该二级“点”内容具有通识性，贯穿相关学科知识点的构建；对二级所有知识“点”升级，寻找并建立无人机系统角度出发的关键知识“点”，以简单清晰的脉搏联通各学科大知识“点”，形成无人机系统导论课程最高级即顶层知识“点”。

2.主题式慕课精细化教学。在教学过程中，为了加深学生的学习印象，并提高学生的学习兴趣，结合课程实际进展过程，将学生进行分组，采用自行选题和给定议题结合的方式，以组为单位，通过组内课下调研、内容讨论、构建知识“点”共识，课上组间讨论并做主题演讲，以问辩方式进行。如在学习中讨论了连翼布局无人机设计概念、气动优缺点、国内技术研究现状，并根据参考文献，结合课程中空气动力学、航空动力学的基本知识和基本概念，得到了连翼设计时的技术参数：性能参数、设计参数、学科知识点等。

3.提高参与度的教学与实践结合的精细化教学。为了提高教学效果，适时结合学生的课外竞赛，如“挑战杯”、“航空航天锦标赛”等赛事，结合无人机系统导论课程的具体情况，优选部分学生组成不同无人机制作小组，以学校“飞行器创新实验室”为依托，形成趣味性、知识性的无人机制作和实践项目，并带动其他学生主动接触，结合无人机系统理论课程，对一些富有创新性的项目，实现初步研究和实践，有效提高了参与度，这也是无人机系统导论课程可进行延伸的原因之一。

四、结论

从无人机系统导论课程现存的问题出发，为了改善学生的学习状态，提高学生的主动意识，采用精细化的教学方式，力争对无人机系统涉及的重要知识内容，提纲挈领，形成对内容和教学方法上的精细化，分别从学科体系、学科内容、重点内容等三个方面对内容的精细化进行了深入研究，同时在教学方法上从学科融合、主题式慕课、教学与实践结合等三个方向进行了研究和实践，得到了优良的教学效果。

参考文献：

[1]祝智庭，管钰琪，邱慧贤.翻转课堂国内应用实践与反思[J].电化教育，2015，（6）：66-72.

[2]白亚磊，顾蕴松.美国陆军无人机系统概述[J].飞航导弹，2011，（8）：54-58.

[3]郭正，王鹏，陈清阳，等，译.无人机系统导论[M].北京：国防工业出版社，2015.

[4]王晓璐，代君，刘战合，赵辉.引导式教学方法在空气动力学课程上的应用[J].教育教学论坛，2016，6（23）：170-171.

[5]沈林成，朱华勇.多无人机自主协同控制理论与方法[M].北京：国防工业出版社，2013.

[6]祝小平，周洲译.无人机协同路径规划[M].北京：国防工业出版社，2013.

[7]李传荣.无人机遥感载荷综合验证系统技术[M].北京：科学出版社，2014.

[8]栗中华，陈艳，张鹏，等.面向航空教育认证标准的实践课程改革与实践[J].实验室研究与探索，2014，33（3）：146-149.