高校无人机学生社团开展创新教育的探索与展望

李继宇, 兰玉彬, 张亚莉

(华南农业大学 工程学院; 国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心, 广州 510642)

0 引 言

无人机专业与教育一直以来仅仅存在于老牌军工背景院校中，如西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学等航天特色高校[1]。近年来，随着小型无人机的应用日益成熟，农用无人机市场出现井喷趋势[2]，一方面是我国农村劳动力紧缺，人力成本逐年上升，对植保机械化作业需求强烈[3]；另一方面是农业植保产业面临产业更新换代，大量低效地面机械无法满足高效、减量喷施的作业需求[4]。综合社会背景与行业需求，农用无人机及相关人才已经产生了巨大的社会需求。我校作为培养专业人才的农业类综合性大学[6-7]，开始尝试对无人机专业人才培养的探索[8-9]。

1 农业航空科研应用方向驱动“协会”诞生

2011年起，我校即将农业航空关键技术研究作为学校农业工程学科的重要研究方向，并积极从美国农业部引进国家“千人计划”专家兰玉彬教授，推动了包括无人机在内的农业航空研究新热点迅速升温。高等院校的科学研究离不开学生的有效参与[13]，特别是显著区别于传统地面类机械的无人机方向的研究，为了保障空中植保机械能够顺利飞行试验，亟须一批能够熟练掌握遥控无人机技能的本科生积极参与科学试验[5]。

广东是我国航空事业发源地之一，仅广州市的天河地区，就存在我国最早的机场、最早的飞行表演、最早开通国际航线的机场等。其历史上曾先后建有5个机场：燕塘、天河、石牌、黄村、岑村机场[15]。尽管缺乏传统航空航天专业院校，但广州地区的民间航模运动更是经久不衰，1953年广州市举办过首届航空模型辅导员训练班，60年来每年参加航模人数超过十万人以上[16]，更有相当数量的在校大学生热衷于航模运动。2012年5月，“工程学院航模队”(校无人机协会前身)在上述背景中应运而生，除笔者受过专业操控训练之外，首批会员仅有4人，均为有一定飞行基础的航模爱好本科生。成立初期的物质条件非常有限。

“航模队”的成立拉动了队员的积极性，展开了招新、培训、交流等活动。随即于2013年9月在华南农业大学注册成立了“华南农业大学航模协会”，制订了协会章程，面向全校招收会员，并选举出了协会的管理层，逐步展开了学习、设计制作、操控航模等活动。

期间协会的运行费用主要来自于从事农业航空研究方向科研经费与学院创新创业经费的资助，逐步添置了激光雕刻机、小型机床、3D打印机等高端设备。协会培养的无人机驾驶员也于2013年在海南三亚、湖南岳阳等地的无人机风场测试试验中提供了单旋翼、多旋翼无人机飞行服务，反哺科研试验，如图1所示，同时也让更多的同学走到田间地头深入了解到试验的具体实施过程，提高了进一步科学研究的兴趣，达到了协会创办的初衷。2016年协会正式更名为“华南农业大学无人机协会”，伴随着越来越多具有飞行才华的全校各专业学生的加入，协会规模稳步扩大。

图1 协会会员为无人机试验提供服务

2 公共选修课“小型飞行器基础”推动协会发展壮大

教学是普通高等院校的主要任务[10]。我校为扩展本科生的学习视野，始终坚持面向全校本科生公共选修课的建设与开设[14]。笔者作为协会的指导教师，于2011年～2012年期间接受过无人机操控与理论的专业培训。在长期关注航模运动与无人机发展的兴趣爱好基础上，于2013年春季始尝试开设了公共选修课——“小型飞行器基础”，32学时，第一次开设即有95人选修，课程的名称与内容引起了不同专业学生的极大兴趣，随后每学期的学生选课人数均保持在满员状态。该课程主要内容如表1所示。

表1 “小型飞行器基础”教学大纲

随着该课程教学经验逐年积累，课程内容也随之慢慢有所调整。

(1) 增加了实践教学环节[11]。结合课程的固定翼和旋翼式飞行器教学内容，特别安排了室内的模拟器训练和室外的无人机飞行演示课程。不少选修课程的同学对该实践教学环节大呼过瘾，常常到了下课时间仍然依依不舍。在实践课程中发现了几名具有一定操控天赋的学生，并成功吸收加入协会。

(2) 建立了具有激励机制的考核方式。学生是以独立制作的一架小型飞行器或是录制一段自己操控飞行器飞行的视频作为成绩评定的依据。以此激励更多同学投入到实践动手过程中去。在几年的教学过程中，遇见了不少好的作品，如图2所示。其中图2(a)是2014级园艺学院王力同学的作品，该飞机造型奇特，虽然不是很符合空气动力学原理，但结构齐备，动力得当，能够成功飞行；图2(b)则是2014级工业设计朱正麟同学结合本专业知识精心设计的飞机模型设计，主题是建筑辅助四旋翼，具有一定的应用价值；图2(c)为2012级工程学院自动化专业吴应金同学的作品，在构造铝合金机架的基础上，自己编写了开源飞行控制系统代码，成功完成四旋翼飞行器的飞行；而图2(d)是2012级工程学院自动化专业麦启庆同学的杰作，他结合自学的编码知识，对飞行器遥控器重新定义了频率与特性，自主开发了一套简易遥控器装置。

(a) 甲壳虫

(b) 工业设计

(c) 四旋翼

(d) 遥控器

(3) 紧密与农用无人机应用实践相结合。笔者凭借在农业航空无人机领域的研究基础与广泛交流的经验，将近几年风起云涌的农用无人机市场上出类拔萃的代表技术与产品介绍给学生，如深圳大疆创新公司及其推出的MG-1农用喷洒无人机和广州极飞科技有限公司及其推出的P20型农用植保无人机凭借优良的宣传视频都深深吸引了选课学生的关注。及时分享农用无人机的最新试验过程与进展，如使用价值千元左右的氦气球携带价值10万元的高光谱设备差点高空逃逸的有趣试验事例总是能引起哄堂大笑。还认真地与选课学生一起探讨当下农业航空领域发生的热点新闻，比如2016年8月在陕西省渭南地区30万亩玉米粘虫大爆发，笔者参加了紧急驰援，亲历事件经过，课堂上不少学生讨论了无人机在该事件中的作用与意义，提出了深刻的见解。

总之，尝试在华南农业大学以公选课形式开设出无人机基础课程，以培养在校生学习航空知识兴趣为目的[17]，以培训华南农业大学无人机协会基础理论为形式，突出飞行实践教学，突出考核动手能力，突出结合科研应用，寓教于乐，每年300人次的选修学生数量为协会的发展壮大提供了生源，也为科研类全国航空航天模型锦标赛(CADC)及其他无人机比赛储备了人才。

3 参加国家级无人机竞赛，提升协会运行品质

协会有了良好基础与人才储备后，如何提质增效、打造出具有航空特色内涵的新型学生社团是下一步需要解决的问题[18]。参加行业内的高水平竞赛一直以来都是凝聚协会主题，促进会员动力，提升社团品质的好方法。中国国际飞行器设计挑战赛暨科研类全国航空航天模型锦标赛(CADC)逐步进入到会员们的视线中。

中国国际飞行器设计挑战赛暨科研类全国航空航天模型锦标赛由国家体育总局、教育部、科学技术部主办，自2004年以来已经举办了十届，以北航、南航、哈工大为代表的传统航空航天类院校(含解放军部队院校)全部参赛，赛事规模不断扩大、科技含量逐年提升，竞赛内容丰富、多样。2015年该赛事共吸引了全国“985”“211”等89所高校，1 600人参赛，华南农业大学无人机协会也首次派出代表参加了比赛，其标志着广东省公立高校对该赛事的首次参赛。比赛中，参赛队员敢打敢拼，虽然首次参赛，经验不足，但依靠着我校农业航空科研方向一直以来的科研积累，在工程学院“千人计划”兰玉彬教授的指导下，队员亲手制作的参赛无人机已经具备了良好的科研创意和专业水准。在5人参加3个项目的高效率下，我校夺得“垂直起降载重”项目全国二等奖，喜获“科技创新评比”项目全国三等奖。作为首次参赛代表队，作品创意和比赛质量均引起国内其他院校的啧啧称奇。同时，其他高校的优秀作品也给了我们启发与帮助。

2015年的成功参赛结果极大地鼓舞了会员的积极性，提升了他们的自信心。2016年暑期，许多队员自发留校备战2016年CADC大赛。按照比赛项目分成小组，从飞机的图纸设计、缩比验证、零件采购、结构安装、电子器件调试、试飞试验到按照规则进行模拟比赛，所有队员一丝不苟，认真备赛。相比于2015年仅报名参加2个项目，2016年10月在江苏镇江举办的CADC竞赛报名项目跃升到6个，极大扩展了协会的研究范畴与运行品质。2015～2016年协会共参加了四项CADC大赛，获一等奖1项，二等奖4项，三等奖3项。

从参赛到举办，2016年11月，由中国农业工程学会主办，我校承办的2016首届全国大学生无人机创新大赛在美丽的花城广州市黄埔体育中心举行，我校无人机协会负担了裁判、赛制、场地、保障等工作。同时协会派出三组机组参加无人机障碍竞技赛，获得优异成绩。此外，笔者还代表“协会”参与了2016年5月第八届安阳航空运动文化旅游节无人机大赛、2016年8月包头爱飞客飞行那达慕无人机应用大赛、2016年10月中国无人机与机器人应用大赛等组织与裁判工作。通过各种赛事的锻炼与积累，“协会”的无人机品质逐步提升，“协会”的学生水平不断攀升，“协会”的品牌影响力不断扩大。

4 “协会”成果促进科研、融入教学、扩大学校影响力

随着“协会”的日益强壮，同学们在制作、验证各类无人机时不时与笔者碰撞出最新农业航空领域的火花。特别是在农用无人机的结构设计、负载类型、机载装置、旋翼风场、检测方法、作业方式、控制系统与地面站软件方面均取得了相应的科研成果，制作的飞行器代表作品如图3所示，公开、授权的专利共16项。这些成果体现出大学生活跃的思想与敏捷的思维，也间接提升了华南农业大学农用无人机的研究水平。基于这些成果，笔者在近年申请到了广东省科技计划项目科普项目“小型农用无人机室内展示系统”(2016A070712015)等多个省部级项目，也发表了SCI、EI收录科研论文10余篇。

长航时太阳能农情遥感无人机固定翼水稻冠层起落架

垂直起降植株抓取机械臂可折叠三轴田间传感器平台

图3 飞行器代表作品

除了科研外，协会的会员们积极响应学校教学改革与创新创业训练计划，2014年起凭借着扎实的航空基础与新颖的研究思路，屡屡斩获大学生创新创业国家级、省级项目6项，校级5项，2017年协会组织申报了6项创新创业项目全部获批，且有5项已经确定被推荐为省级、国家级项目，即将参加学校二次答辩。为积极将协会工作与学校的教学进行深度融合[13]，笔者在2016年申请华南农业大学教学改革项目“农业航空应用技术专业设置与培育”(2016047)并成功立项，拟通过整合校内农业工程专业学科和学科优势，通过农业航空应用技术方向的建设，切实增加学校农业工程学科的综合实力。

随着协会的名声鹊起，许多社会组织纷纷伸来橄榄枝。例如，2015年12月广州市航空模型运动协会与我校协会签订了合作协议，拟从多方面开展合作，2017年广州市高校创新创业教育项目“广州大学生无人机创新大赛”由二者共同举办。又如，2016年5月广州市科技文化周由黄埔区科信局举办了“蓝天筑梦人工智能及无人机飞行表演”活动，协会队员受邀参加，并展示了最新制作的翼展达4 500 mm的大型固定翼。再如，同年5月，由广州市科技创新委员会、广州无人机产学研技术创新联盟、广州市航空模型运动交流协会共同主办的首届广州低空无人机大赛在广州大学城中山大学举行，比赛分为表演赛和专业赛，其中3个专业赛项目之一的“保驾护航”项目就是为“农用植保无人机”专门设立的，协会受邀负责该项目的设置、规则、赛制、裁判与评判工作，笔者赛后代表华南农业大学领取了大赛最佳服务奖。协会与外界展开交流并积极参与活动与比赛，有力扩大了我校的影响力。

5 结论与展望

2012年以来，我校无人机协会从无到有。依托农业航空科研方向、开设飞行器公选课程、参加高水平无人机竞赛，协会从最初的4人会员到现在300多人，从白手起家到现在拥有激光雕刻机、3D打印机等高端设备，从无法操控飞行器到现在能提供不同机型的飞行服务，从航空类竞赛的旁观者到屡获国家级奖项，这些变化过程充分说明了我校基于“无人机协会”的培养模式取得了初步成效，已具备开设“农业航空”相关专业的初步条件。

未来协会将与校新获批的“国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心”深入融合，成为该“中心”的下属“创新实验室”，继续深入研究农业航空；另外联合相关教师再开设出多门农业航空专业教学课程，详细设置课程属性与授课方式；最后计划打造出成熟的无人机竞赛赛事，特别是对农用无人机赛制，赛项做进一步的完善，以赛促练，为“农业航空”相关专业培养后备人才贡献力量，尽早满足设立“农业航空”相关专业的成熟条件。