智能飞行器技术专业数字化教学变革路径研究——以数字样机建设为牵引

高显忠，邵 帅*，包 磊，何湘粤，张国斌，梅亚飞，王妍晴，张思凡

（1.国防科技大学 试验训练基地，西安 710106；2.国防科技大学 军政基础教育学院，长沙 410073；3.陕西师范大学 音乐学院，西安 710061）

适应飞行器智能化、信息化的时代要求，2021 年教育部批准设立智能飞行器技术新本科生专业[1]。国防科技大学是国内首批设立该专业的高等院校，瞄准未来信息化战争对专业人才的迫切需求，旨在培养具有扎实的数学、力学、信息学和计算机科学等理论基础，掌握人工智能、大数据、飞行器及人机互联等前沿技术，熟悉新一代通信、芯片、微电子架构的创新复合人才，能够为制胜空天、打赢未来战争提供新兴人才力量。

智能飞行器技术专业是新设本科专业，国内目前仅北京航空航天大学和国防科技大学开设，国外传统航空航天优势院校尚未将智能飞行器技术作为独立专业开设。

北京航空航天大学智能飞行器技术专业[2]的四年学制整合航空宇航科学与技术、控制科学与工程、力学和计算机科学与技术等优势学科，培养学生全面获得智能技术、控制技术、计算机信息处理技术、人机交互技术及飞行器设计等技术的宽口径基础理论知识体系和智能飞行器工程实践能力。

西北工业大学飞行器设计与工程专业[3]依托国家级学科优势资源，融合工学、理学、系统学和管理学等多学科优势，利用学研一体化大平台资源，以科学素养和工程素质为主线，服务国家航空及国防领域高端装备研发重大需求，培养具有坚实数理基础、融通航空专业知识，具备国际化大视野的航空领域拔尖型创新领军人才。

南京航空航天大学飞行器设计与工程专业[4]主要从事新型/新概念飞行器设计、飞行器先进设计理论和技术的研究，建立覆盖四年的课外创新实践体系，注重培养学生的超越意识和科研能力。专业设有大学生飞行器创新设计开放实验，吸收学生加入科研队伍，参与科研工作，丰富学生创新活动，提升科研能力。

北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学等高校在开设飞行器设计相关专业时，凭借深厚的研究基础，整合优势学科资源，强调创新人才培养。但在专业课程设计和实施过程中，培养重点聚焦于飞行器设计专业领域知识和技能的掌握，对军用飞行器在未来复杂战场下的应用需求有所疏漏；更多关注客机和商务飞机的设计，而少有面向未来战机的设计范例；强调飞行设计实践，但仅限于常规布局小尺寸航模的制作，而缺少针对未来战机的数字化设计、模拟驾驶与博弈对抗。

针对这样具有重要影响的新兴专业，在国防科技大学的统一安排下，针对专业的数字化、信息化、智能化特征，我们拟定了《智能飞行器技术本科人才培养方案》（2021 版），该方案以开展智能飞行器数字样机设计为牵引，针对典型飞行器，融合气动、结构、控制、隐身和智能等相关系列课程，在传统课程基础上，开展以数字样机建设为牵引的智能飞行技术专业数字化教学变革路径研究，达成“厚基础、强实践、精军事、高素质”的人才培养总体目标。

任何一个工程项目往往涉及多个专业，传统的理论课程设置和实验教学环节针对某一具体的专业培养计划而定，很难在配套实验课程中开展一体化工程设计训练。在建设智能飞行器技术专业过程中，如何改变传统的课程体系以适应航空航天数字化智能化发展的需求，如何引导实践教学新模式以提高学生的专业素养，培养具备军事应用视野、前沿信息技术与交叉知识结构的高层次复合型航空航天专业人才[5]，需要认真思考和探索。

一 智能飞行器技术专业的教学现状

（一）课程分散，缺少围绕智能飞行器的课程体系整体设计

当前国内主要航空航天院校如北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学等，课程内容分散缺乏连贯性。围绕智能飞行器设计，涉及空气动力学、结构力学、自动控制原理、飞行动力学、飞行器总体设计、飞行器结构设计、飞行器设计工程、隐身飞行器设计、航空发动机设计、飞行器信息系统及网络技术、人工智能控制和飞行器设计实践等多学科多领域课程，每门课程关注的问题不同，针对的智能飞行器对象不同，课程之间的支撑关系不明确，学生难以形成贯穿全学科专业的体系思路。在智能飞行器的设计专业学习中，如何综合使用每门课程学到的知识和方法，仍然需要课程体系整体设计突破。

（二）公式繁多，缺乏空天领域知识运用的直观感受

飞行器总体设计、结构设计、自动控制和人工智能等领域充斥大量计算公式，教师上课推导费时费力，学生缺少对公式背后物理机制和设计经验的直观感受，难以跟上课程节奏，更难以形成长期记忆。大量的公式推导导致学生疲于听讲，缺乏主动思考，学生容易产生烦躁和厌学情绪，极大损伤教学效果。

（三）注重民机，缺乏军事场景中智能飞行器博弈运用需求牵引

美国空军近年来着眼大国竞争战略调整，为确保未来在高威胁、强对抗作战环境下，始终保持其空中优势作战能力，提出全新多样的空中作战概念——“穿透性制空”和“自主队友科技”等[6]，引领军用飞行器向着高速、隐身、智能和无人方向发展[7]。但当前的飞行器设计课程仍局限于民机的设计，对于先进智能隐身无人飞行器设计涉及较少，在真实战场环境下多机智能协同和敌我智能博弈对抗课程更是严重缺乏。

二 智能飞行器技术专业数字化教学变革的思考

（一）数字化教学变革的总体目标

瞄准打赢未来战争、制胜强敌对手，秉承“厚基础、强实践、精军事、高素质”的人才培养总体方针，以数字样机为牵引，贯通融合智能飞行器设计多学科多领域课程，建设智能飞行器设计课程体系，基于数智空间开展教学模式升级，通过博弈对抗创新教学评价体系，培养空天对抗领域高科技创新人才、新域新质作战人才、联合作战指挥人才。

（二）数字化教学变革的核心思路

1 课程体系设计

智能飞行器数字样机系统和数字化平行战场，贯穿融合理论教学与飞行器数字样机实践；在数字空间中设定应用场景，提供高保真、全方位的战场对抗环境，在飞行器数字化设计的基础上，进一步拓展智能飞行器真实战场博弈对抗应用教学。

根据Q系统支护图，Ⅰ类—Ⅳ类围岩不需要钢肋或钢拱架，Ⅴ类围岩需要钢肋或钢拱架，因Ⅴ类围岩覆盖的Q值范围较大，如果依据Q<0.1进行支护设计，可能会造成过度支护，因此Ⅴ类围岩设计以Q=0.1为基准，如果实际开挖Q值出现低于0.1的情况则重新制定相应的支护方案，Q<0.1时，围岩在锚喷支护的基础上再增加钢肋或钢拱架加强。钢拱架的间距可采用1.3 m。

2 教学模式升级

通过组建混合式教学团队，设计数字化课程微项目群[8-9]，创新升级教学模式。教学团队方面，除了负责理论和实验课程的专任教师以外，同时邀请作战单位、科工部门、地方高校和企业专家参与教学辅助，广泛吸收国内飞行器设计领域前沿发展动态，构建混合式教学团队。教学模式方面，依托单位数智空间建设任务，构建数字化平行战场，并建立相关课程微项目群，在数字空间中开展飞行器设计、试验与博弈，在想定场景下开展红蓝对抗演练，创新提出具有军事化、数字化、智能化特色定位的教学模式。

3 评价体系创新

结合学校办学定位和作战部队需求，在数字空间中开展博弈对抗，完善过程评估机制，建立多层次评价指标体系。①实现全过程、全方位的评价。军事博弈对抗式创新课程评价可以通过在数字空间中采集学生的学习行为、训练行为、对抗行为、成绩表现和反馈意见等数据，实现全过程、全方位的评价，为教学质量的科学化、智能化、精准化提供决策依据。②树立创新性评价技术观。新时代的高等教育评价需要从“结果性评价”向“数字化评价”和“人机协同评价”转变，数字化课程教学评价体系可以树立创新性评价技术观，适应新时代高等教育评价的需要。对创新性能力突出的学生可以优先推荐免试攻读研究生及实现硕博贯通式培养。③构建多元化、个性化的评价。数字化课程教学评价体系可以针对不同的学科领域、课程类型和学生学习特点，构建多元化、个性化的评价标准，以更好地适应不同领域和个体发展的需要。

（三）数字化教学变革的关键举措

1 课程体系设计

在专业课程体系教育的基础上，贯穿实施课程在数字样机中的具体应用，按课程安排依次建立数字样机结构动力学模块、空气动力学模块、飞行动力学模块、自动控制模块、电磁隐身模块和任务规划模块等，将培养目标从飞行器设计的“单一学科”转变为飞行器气动、结构、隐身、控制和智能等“多学科交叉融合”，探索相关专业不同阶段的核心知识、能力、素质要求的有效衔接，逐步形成能够在数字空间中进行军事博弈对抗的智能飞行器数字样机，切实强化学员对智能飞行器进行设计和应用的能力，加深学员对各个学科在飞行器应用中的理解。如图1 所示。

图1 课程体系设计

2 教学模式升级

围绕智能飞行器技术的专业培养要求，以飞行器的气动设计、结构分析、智能控制和隐身性能分析等多学科交叉融合为核心，将数字化飞行器的设计、试验、博弈作为课程重点微项目，开展系列理论教学与数字化创新实践活动，构建立体化教学模式[10-11]，如图2 所示。

图2 基于微项目的多学科融合立体化教学模式

课程微项目群方面，根植于多元交叉的学科设计思路，采用数字化课程设计和综合试验的方式，通过开设飞行器数字化设计、数字化试验、数字化博弈等课程微项目，使学生了解飞行器背后的复杂系统，理解构成一个飞行器所涉及的不同学科之间的相互影响和相互作用，并能够对所遇到的问题进行拆分解决，以此锻炼学生对于实践项目的全局观和系统化思维方式。通过建设数字化课程微项目群，能够有效促进传统理论教学与数字化实践应用的结合，推动教学模式改革升级。

3 评价体系创新

以学生为中心的军事博弈对抗式创新课程评价体系（图3）主要从7 个方面进行构建。

图3 以学生为中心的军事博弈对抗式创新课程评价体系

1）学生为中心。在评价体系中，应始终将学生置于中心位置，关注他们的学习过程和个性化发展。在制定评价标准时，充分考虑学生的知识水平、技能掌握、学习态度和价值观等方面的全面发展。

2）军事博弈对抗。通过引入军事博弈对抗的形式，让学生在实际操作中学习和理解相关知识，提高实战能力，培养创新思维和团队协作能力。

3）创新课程。以创新的方式设计课程，包括教学内容、教学方法、教学资源等方面。教学内容应注重实战化、综合化，将理论和实践相结合。教学方法应采用多样化的手段，如案例分析、角色扮演、小组讨论等，引导学生主动参与、积极思考。教学资源应充分利用数字化、智能化的手段，提高教学效果。

4）多元化评价。采用多元化的评价方式，包括考试、作品评定、口头报告、自我评价等。在评价过程中，要注重学生的实际应用能力和综合素质，而非仅仅依赖单一的考试成绩。

5）量化和质性评价。在评价过程中，应将量化和质性评价相结合。量化评价可以通过数据客观地反映学生的学习情况，如考试成绩、完成作品的质量等。质性评价则可以通过观察、交流、反思等方式，深入了解学生的实际需求、学习态度、情感体验等。

6）反馈与改进。通过评价体系收集的数据和信息，及时反馈给学生和教师，以便他们了解自己的学习状况和存在问题。同时，根据反馈结果，对评价体系进行改进和完善，提高教学质量。

7）实践应用。将构建好的评价体系应用于实际教学中，通过实践检验其有效性和可行性。根据实际应用效果，不断调整和优化评价体系，使其更符合学生的实际需求。

以学生为中心的军事博弈对抗式创新课程评价体系旨在提高学生的综合素质和应用能力，培养创新思维和团队协作能力，改进教学质量和促进教育创新。在构建和实施过程中，将充分考虑学生的需求和发展，不断调整和优化评价体系，以适应时代的变化和社会的发展及部队的需求。

三 结束语

根据国家对复合型人才的需求，智能飞行器技术专业学生不仅要求在某一学科专业上学业精深，而且应具有总工程师的头脑和眼光，以系统化思维方式去解决问题。实践教学是巩固理论知识和加深理论认识的有效途径，是培养具有创新意识的高素质专业人才的重要环节，是理论联系实际、培养学生掌握科学方法和提高动手能力的重要平台。

根据国内外航空航天技术的发展趋势和智能飞行器技术本科专业世界一流教育的需求，面向未来的航空航天人才培养，教学模式将更加突出数字化智能化飞行器设计专业背景，以飞行器数字样机建设为牵引，着眼于飞行器气动、结构、控制、隐身和智能一体化设计，才能引领智能飞行器数字化设计发展的新方向。本文的研究为探索军队院校智能飞行器技术专业课程体系、教学模式、评价体系，理清空天领域高素质新型军事人才培养规律，以及提升我国空天领域教育教学水平等均奠定了基础。