智能飞行器技术专业建设的挑战与思考

［摘 要］智能飞行器技术是教育部为适应智能化时代发展需求而设立的新专业。智能飞行器是机械化、信息化、智能化融合发展的产物，方兴未艾。当前智能飞行器尚无公认的定义，因而关于智能飞行器技术专业建设的建议莫衷一是。智能飞行器是什么，智能飞行器技术给人才培养带来什么变化，智能飞行器技术专业应该怎么建设等问题一直是相关高等院校专业发展研讨与关注的重点。文章通过对智能飞行器内涵的分析并借鉴国内外部分知名高校相近专业的培养理念和课程体系，从知识体系、课程建设、配套环境三个方面分析智能飞行器技术专业建设面临的挑战，并从建设理念、关键问题、具体举措三个方面详细阐述智能飞行器技术专业课程体系的建设思路。

［关键词］智能飞行器技术；专业建设；人才培养；知识体系

［中图分类号］G642 ［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2024）14-0017-05

2021年，教育部新设立了智能飞行器技术本科专业。这是世界范围内首个以智能飞行器冠名的新专业。智能飞行器发展迅速，应用形态日新月异[1-2]，目前智能飞行器尚无公认的定义，因此关于智能飞行器技术专业建设的建议莫衷一是。本文以智能飞行器的内涵分析作为出发点，围绕智能飞行器是什么、智能飞行器技术给人才培养带来的变化是什么以及智能飞行器技术专业怎么建设这三个问题，总结了国内外部分知名高校相近专业的培养理念和课程体系，对比分析了智能飞行器技术专业建设面临的挑战，阐述了智能飞行器技术专业课程体系的建设思路。

一、智能飞行器的内涵

2019年，美国国防部发布了《2018年国防部人工智能战略总结》，对人工智能的内涵进行了描述：以数字或自主物理系统内嵌智能软件的形式，使机器具备执行通常需要人的智能才能执行的任务的能力，如识别模式、从经验中学习、下结论、做出预测、采取行动等 [3]。

人们对智能飞行器的期待包括以下几点：其一，它应具有良好的适应性，对任务环境的适应以及对自身不同状态的适应[4-5]；其二，它应该具有交互能力，能够与人建立广泛稳健的有效交互；其三，它应该具备对人类知识进行提炼、学习、转化并做出创造的能力。智能飞行器将是飞行器领域机械化、信息化、智能化融合发展的集大成者。当前初步具有智能特征的飞行器包括无人机集群、“铁穹”防御导弹系统、LRASM反舰导弹等。

一是无人机集群。无人机集群由一定数量的无人机基于开放式体系架构聚合而成，它在单个无人机平台自主性充分发展的基础上，以“群”的形式开展应用，并凸显“群”特征。无人机集群以信息网络为支撑，以群智涌现为核心，指控关系弹性可变，运用样式灵活，能够形成低成本、分布式、自协同、高弹性的任务执行体系[6]。某种固定翼无人机集群如图1所示。

无人机集群技术自2016年以来发展迅速，成为世界无人机领域的热点。当前无人机集群已经具备了初步的适应性和交互性，正在朝着知识提炼、学习与创造的阶段发展[7]。

二是“铁穹”防御导弹系统。“铁穹”防御导弹系统是以色列拉斐尔先进防御系统公司研发的全天候、机动型火箭拦截系统，主要用于拦截“喀秋莎”和“卡桑”等射程在5至70公里的火箭弹。该系统具有较强的适应性， 可自动探测来袭火箭弹，在1秒内根据弹道、风向等天气情况判断出弹着点，对射向居民区或是重要目标的火箭弹进行拦截（见图2），对射向非危险地区的火箭弹不进行拦截，拦截效率高达90%。

三是LRASM反舰导弹。LRASM（Long Range Anti⁃Ship Missile）是由美国国防部高级研究计划局（DARPA）牵头设计的先进反舰导弹，具有良好的自适应突防能力和电磁自卫能力，通过自动分析接收到的射频信号判断威胁程度，具有自适应突防模式和较强的适应性。这类飞行器如图3所示。

上述飞行器系统已经具备了初步的适应性以及内在的交互能力。此外，它们的共同特征还包括稳健的飞行能力、先进的感知能力、鲁棒的控制能力以及在线决策能力[8-10]。

在上述分析的基础上，本文认为智能飞行器是一种能够自主执行任务的飞行器。它利用先进的传感器和算法来感知环境、做出决策并稳健地执行任务，支持人机交互但不用人类实时操控，具有良好的适应性，并朝着学习知识、进化并创造的方向发展。

二、智能飞行器技术专业人才培养目标

智能飞行器技术是人工智能技术与飞行器技术的跨域融合，具有明显的学科交叉特点，学科涉及面广、前沿性强，涉及航空宇航科学与技术、信息与通信工程、计算机科学与技术、控制理论与控制工程、材料科学与技术等多个学科。因此，智能飞行器技术专业的知识目标和能力目标的内容与要求比传统飞行器专业的更丰富，其知识目标所涉及的相关技术如图4所示。

从图4可知，智能飞行器技术专业所涉及的相关能力目标包括具备扎实的力学、物理、数学、信息学、人工智能等学科知识基础，掌握飞行器基本原理，能够开展智能飞行器总体与结构设计、实现智能飞行器典型场景下的应用，以及具有解决复杂问题的融合创新能力等。

三、国内外智能飞行器技术相近专业的建设情况

鉴于国外尚无智能飞行器技术专业，而国内也在摸索中建设，本文以国内外智能飞行器技术相近专业为研究对象，分析梳理其培养理念和课程体系，作为开展智能飞行器技术专业课程体系建设的重要参考。

（一）国内外部分知名高校智能飞行器技术相近专业建设特点

在国外高校中，本文选择麻省理工学院、加州理工学院、普渡大学、美国空军学院为参考对象，这些高校在飞行器设计方面的专业建设特点如表1所示。

国内高校智能飞行器技术专业建设的特点大概如下：北京航空航天大学（以下简称北航）按照“厚基础、重交叉、深浸养、强协同”的建设理念，强化空天信融合、深化科教融通；西北工业大学（以下简称西工大）以“厚基础、强能力、高素质”为培养理念，以培养科学素养和工程素质为主线；南京航空航天大学遵循“厚基础、宽口径、重交叉、强实践”的基本方针，培养学生扎实的数理、力学、电子、热工等专业知识基础。综合来看，上述专业特点的共同之处是厚基础、重交叉、强实践。

（二）智能飞行器技术相近专业核心课程分析

麻省理工学院在信息类技术、人工智能技术与飞行器设计技术方面均具有深厚底蕴，因而其航空航天工程专业的课程体系设置具有重要参考意义[11]。其相应的专业核心课程主要有空气动力学、结构力学、流体力学、航空航天推进、人机系统工程、自主决策原理、自动控制原理、反馈控制系统、信号与系统、数字系统实验、计算建模与数据分析等。从其专业核心课程设置来看，麻省理工学院的课程体系高度重视力学和控制学科基础，同时也强化学生信号系统、数字化以及计算机编程与应用方面的能力。

国内方面，以西工大航空学院[12]和北航航空学院[13]飞行器设计与工程专业的核心与特色课程为对象进行分类分析。图5展示了这两所大学上述专业基础类课程中力学基础、机械与控制、计算机与电子技术、总体设计四类课程的学分占比。

对图5进行分析可知，这两所大学都高度重视力学基础、机械与控制等基础性课程，同时兼顾计算机与电子技术类课程以及总体设计类课程等。这反映出传统飞行器专业具有显著的多学科交叉属性。从智能飞行器的内涵可知，智能飞行器技术专业对应的知识体系需要在传统飞行器专业知识体系的基础上向智能、微电子、网络等方面进一步拓展。

四、智能飞行器技术专业建设现状

（一）基于课时有限的条件构建新的知识体系

参考教学质量标准，航空航天类专业课程总学时以2600学时左右为宜，知识目标和能力目标必须在限定的课时内完成。智能飞行器技术专业相比于传统飞行器专业，在数理、力学、控制、设计、电子、信息学等方面有相似的知识目标，同时又需要掌握最新的人工智能、大数据、人机交互等技术，并熟悉新一代通信、芯片、微电子架构，知识目标的内容与要求比传统飞行器专业丰富。智能飞行器技术专业需要在相同总学时情况下讲授更多的专业知识，因此需要在学时有限情况下做好数理、力学、信息学、控制等学科知识与人工智能、大数据、人机交互、通信、芯片等知识的衔接，构建新的完备的知识体系。

（二）基于知识体系进行课程定制

有限的学时和更加宽广的学科知识需求，对单门课程的内容设计提出了新的要求：要统筹核心知识和学时分布，还要兼顾与关联课程的衔接。一方面需要加强顶层设计，聚焦智能飞行器技术专业能力目标，逐门细化课程的知识传授点，去除重复环节，加强核心课程之间的衔接融合；另一方面需要实施课程定制计划，如人工智能基础、通信与网络等，不能照搬计算机专业和通信专业的课程内容，应针对智能飞行器技术专业人才的培养特点，开展具有明确培养目标的课程定制。

（三）基于新的创新实践环境开展实践教学

智能飞行器的实践应用是达成本专业能力目标的重要环节，开展综合实践能够帮助学生加深对智能飞行器的通识认知，实现理论知识的验证，并促进学生在该领域的融合创新发展。开展创新实践需要大量的配套环境，包括智能化软件开发平台和硬件系统开发平台等，但该领域仍处于快速发展的阶段，与智能飞行器平台相关联的开发环境仍不成熟、不系统。例如针对无人机开展典型场景下的集群协同应用，需要具有支持智能集群的任务规划软件系统和适应机载环境的嵌入式硬件系统以及一些辅助设备，如视觉捕捉系统等。这些实践环境往往需要教师团队进行二次开发，通过改造得到符合课程具体要求的支撑环境。

五、智能飞行器技术专业课程体系建设思路

（一）须明晰专业建设理念

把握机械化、信息化、智能化“三化”融合对飞行器设计与应用的深刻影响，面向未来，在人才培养方案的课程设置中紧紧围绕智能飞行器的平台属性以及智能化属性。强调打好基础，系统性设置数学、物理、力学、总体设计、飞行控制、智能应用等方面的相应课程，突出数理基础扎实、知识结构完整的特点，打牢飞行器平台设计方面的知识基础。强调实践贯通，通过智能元素浸润、实践应用连贯将宽口径的公共基础课程与交叉融合的学科专业关联起来，以典型任务应用为牵引，紧扣“智能飞行器+典型任务”的主线，做到实践贯通，设计进阶式实践教学内容。

（二）须把握好关键问题

1.矩阵式教学运行机制的实施与教学质量评估反馈

新的专业建设迫切需要及时做好教学质量评估反馈。通过建立“公共基础—学科基础—专业基础”与“智能与实践”融合式矩阵式教学运行机制，在实施过程中通过课程测试、科学竞赛、创新项目等形式综合评估教学质量[14]，促使教学运行机制得到不断完善。

2.强化本硕博贯通式培养总体设计

智能飞行器技术专业涉及多个学科，应用前景广阔，适合开展本硕博贯通式培养[15]。除了体系化的本科课程设计，建议在本硕博的衔接阶段做出具体引导，指引学生通过参加创新项目实现知识向能力的转化，并检验知识学习效果。

（三）需明确具体举措

1.优化“目标—能力—课程”三维支撑关系，落实到单一课程教学质量提升

围绕人才培养目标和能力素质需求，建立“目标—能力—课程”三维支撑关系［见图6（a）］；通过优化支撑关系，进一步完善课程体系设计；并在支撑关系的引导下，以更好地支撑培养目标达成与促进学生能力培养为优化方向，有针对性地提升单一课程的建设质量，包括课程建设与配套的支撑环境建设［见图6（b）］。

2.建立矩阵式教学运行机制

结合智能飞行器技术专业的多学科交叉属性，将宽口径的公共基础知识与多学科专业知识关联起来，探索建立教学运行机制。通过各阶段横向课程多元化、系统化设置，实现知识面的宽口径覆盖；通过纵向智能特色与贯通实践不断线，实现“飞行器+任务”与“实践+理论”的交叉融合，高效达成教学目标（见图7）。

3.强化本硕博知识衔接与贯通式培养，论证从本科基础向硕博研究过渡的创新项目组织模式

强化本硕博贯通式培养的总体设计，以分组实施的创新项目为抓手，引导学生从本科基础向硕博研究过渡，设置一批“智能+”创新设计项目，引导学生培养基础研究素养，形成飞行器总体设计与团队协作理念（见图8）。

六、结语

本文结合智能化时代背景分析梳理了智能飞行器的内涵，分析了国内外部分知名高校在智能飞行器技术相近专业方面的建设思路以及具体的课程体系，总结了智能飞行器技术专业建设面临的挑战，并针对性地从知识目标、能力目标、价值目标多个维度对智能飞行器技术专业的知识架构、课程体系以及课程建设进行了论述，给出了智能飞行器技术专业建设举措建议。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 裘进浩，季宏丽，徐志伟，等.智能材料与结构及其在智能飞行器中的应用[J].南京航空航天大学学报，2022（5）：867-888.

[2］ 周围，周元华，李旭.多约束条件下智能飞行器航迹快速规划研究[J].测绘与空间地理信息，2022（7）：127-130.

[3］ US Department of Defense. Summary of the 2018 Department of Defense artificial intelligence strategy[R]. Washington， D.C.： Department of Defense， 2019.

[4］ 雷宏杰，姚呈康.面向军事应用的航空人工智能技术架构研究[J].导航定位与授时，2020（1）：1-11.

[5］ 王维杰.高速智能飞行器群协同制导控制与仿真[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2022.

[6］ 贾高伟，侯中喜.美军无人机集群项目发展[J].国防科技，2017（4）：53-56.

[7］ 梁智韬，贾高伟，王建峰.无人机集群任务分配中群智能算法性能对比[J].火力与指挥控制，2022（6）：28-37.

[8］ 赵亮博，朱广生，张耀，等.智能飞行器追逃博弈中的关键技术及发展趋势[J].飞航导弹，2021（12）：134-139.

[9] 丁超，吴梓杰，张航.多目标优化下智能飞行器三维航迹快速规划[J].计算机仿真，2021（9）：51-56.

[10] 贾高伟，侯中喜.美军有/无人机协同作战研究现状与分析[J].国防科技，2017（6）：57-59.

[11］ Aerospace engineering （course16） degree chart[EB/OL].（2023-08-28）[2024-01-29]. http：//catalog.mit.edu/degree⁃charts/aerospace⁃engineering⁃course⁃16.

[12] 北京航空航天大学飞行器设计与工程本科培养方案[Z].北京：北京航空航天大学，2022：3-12.

[13] 西北工业大学飞行器设计与工程本科生培养方案[Z].西安：西北工业大学，2019：3-7.

[14] 杨学军.大学课堂教学：重要功用与核心要义[J].高等教育研究学报，2015（4）：5-9.

[15] 吴静怡，奚立峰，杜朋林，等. 本硕博课程贯通与交叉人才培养[J]. 高等工程教育研究，2015（3）：94-101.

［责任编辑：庞丹丹］