面向航空的自动化专业创新型人才培养实践教学探讨

许　谨, 席剑辉, 王扬扬

(沈阳航空航天大学 自动化学院, 辽宁 沈阳　110136)



面向航空的自动化专业创新型人才培养实践教学探讨

许谨, 席剑辉, 王扬扬

(沈阳航空航天大学 自动化学院, 辽宁 沈阳110136)

为培养面向航空的自动化专业创新型人才,从实践环节入手,在大三下学期试验性地增加旋翼飞行器的实践环节,该实践环节突破学时限制,在整个学期穿插进行。学生以旋翼机为平台自行设计课题,给学生充分的空间和时间自由发挥,学生的能动性、自主性、创新精神和创新能力在教育过程中得到培养。同时弥补了单个实验相互独立、缺乏系统性的不足,学生在课题开展的过程中,将自动化专业知识与航空知识有效结合,达到了较好的效果。

自动化专业； 创新型人才； 实践环节； 旋翼飞行器

如何培养具有创新精神和实践能力的人才一直是高等教育讨论的热点话题,也是高等学校的使命,高素质创新型人才的培养是落实科学发展、实现科技强国战略的重要环节[1-2]。哈佛大学前校长陆登庭曾指出：在迈向新世纪的过程中,一种最好的教育就是有利于人们具有创新性,使人们变得更善于思考,更有追求的理想和洞察力,成为更完善、更成功的人。阻碍大学生创新能力培养的两个障碍是思维标准化和知识无活力化[3],每一名大学生在求学的道路上都要经历上千次的考试,随着考试次数的增加，其灵感、悟性也随之减弱,形成了受教育程度越高,思维越单一,视角越狭隘,凡事均按标准答案思考。考试的磨练使学生只会运用所学知识答题,很少或不能在实践中加以运用,终使学生学非所用,学用脱离。航空航天工业的发展都伴随着技术、产品、材料、工艺及管理方法的创新,同时需要具有创新意识的人才投入,而培养面向航空的创新型人才是航空航天类院校的重要使命。

1　问题提出

在我国很多工科大学的学生在大一、大二主要学习数理基础,从大三开始学习专业相关课程,一个学期需要学5～6门专业课,许多课程都不知道为什么学,更谈不上如何运用。做实验也是马马虎虎,动手机会少，有的还不愿意动手,最后交一份实验报告就行。大四下学期开始毕业设计,许多学生把先前学到的知识都已忘记,再加上就业压力大,所以毕业设计也失去了原有的意义,大部分学生突击完成,应付了事。

我校自动化专业成立于2000年,与航空相关的自动化专业实践教学与其他同类院校相比基础薄弱,设备缺乏,专业课的实验仍以传统的为主,难以满足面向航空的自动化专业创新型人才培养需求。在实践环节中有两周下厂实习,安排在大四上学期,通常是组织学生到航空企事业单位学习,在一定程度上能直观了解本专业和航空领域的某些实际情况,但由于企事业单位本身设计生产任务繁忙且有保密要求,没有时间安排或不能让学生深入学习,其实践活动从某种意义上只能说是走马观花。

从上述问题可看出导致学生的创新实践能力不高的基本原因：以理论知识灌输的教学方式为主；理论知识阐述与实践环节脱离,实践环节淡化；考核机制单一且标准化。这几点都不利于创新人才的培养。究其根源,主要原因是对教学过程中学生主体地位的忽视[4]。教育过程中,学生的主体性并不是与生俱来的,可在后天进行培养[5]，在实践教学中亦是如此。我校自动化专业实践环节存在着各门课程的实验或一门课程的单个实验相互独立、缺乏系统性的情况,实验多以验证性为主,对于一些综合性、设计性实验，由于设备数量不足,只有部分动手能力强、愿意积极思考的学生得到锻炼。要通过实践有效地培养广大学生的动手实践能力及综合应用专业知识解决实际工程问题的能力，使学生在学校中形成的主体意识和主体能力有坚实的基础,学生走出校门后,就能很快地适应复杂多变的社会生活[6]。

2　旋翼飞行器实践教学方案

2.1方案提出

为了加强学生在教育过程中的主体地位,发挥学生在教育过程中的能动性、自主性和创造性,在大三自动化专业部分学生中试验性的增加旋翼飞行器的实践环节。旋翼飞行器是一种结构新颖、机动性强、性能卓越的垂直起降无人机,现阶段已显示出其重要的军事、民用及科研价值[7]。学生可借助于旋翼飞行器平台,开展多学科综合设计研究及实验的创新实践活动。通过旋翼飞行器实践环节的实施,学生能达到：了解旋翼飞行器的结构组成；掌握旋翼飞行器的控制方法；熟悉旋翼飞行器的操作和相关应用。

2.2方案设计

很多从事航空领域工作的专家曾指出：航空模型的设计与制作对从事飞机设计的人员,有不可忽视的作用[8]。旋翼飞行器涵盖了计算机科学、传感器、机械设计、通信电子以及自动控制等多种交叉学科的技术[9-11],根据旋翼飞行器和自动化专业的特点设计实践环节,我校自动化专业大三的学生已经掌握了一些力学及机械结构相关的基础知识,并学习了电类和编程语言的相关知识,通过教师的引导和学生学习,可以完成旋翼飞行器的制作、调试、试飞等工作。

实践环节安排在大三下学期穿插进行。初始阶段集中安排4学时左右的理论基础授课,主要讲述旋翼机的结构和飞控的原理等基础知识。然后组织学生自由进行分组,要求学生经过小组讨论,独立就旋翼飞行器某一应用提出设计和试验方案,或对其中的一个重要环节提出深入研究和试验方案,给学生充分的空间和时间自由发挥,通过学生主动地查阅资料,与同学、教师探讨,提高学生的主动性和创造性。学生设计出的如旋翼飞行器实现送餐、姿态检测模块设计、飞控算法研究等课题,利用一个学期的时间自行对课题展开研究,并最终提交实践报告并通过答辩评定成绩，其实施流程如图1所示。

图1　实践环节实施流程

在成绩评定方面,重视学生对问题的研究过程,鼓励学生进行团队合作,不以项目能否完成为单一的评定标准,即使有些项目失败,能提交一份详尽的分析报告,对失败的原因进行充分分析和总结,也会获得很好的成绩,这样能培养学生的探索精神。

2.3方案实施

根据学生提出的研究方案为学生提供旋翼飞行器的基本配件,如常规机架、自动驾驶仪、遥控、电调、电机、桨叶等,若不是常规布局的飞行器,则提供相关加工材料、设备及场地。因自动驾驶仪开发难度较大,为学生提供开源自动驾驶仪APM_V2.8.0,该款自动驾驶仪可应用于固定翼、直升机、多旋翼、地面车辆等,同时还可以搭配功能强大的地面控制站。地面控制站中可以在线升级固件、调参,使用一套全双工的无线数据传输系统在地面站与自驾仪之间建立起一条数据链,即可组成一套无人机自动控制系统,非常适合自动化专业学生进行无人机项目研发。其硬件包括[12]处理器ATMEGA2560、六轴MEMS传感器MPU6000、高精度数字空气压力传感器MS-5611、存储器AT45DB161D、三轴磁力计HMC5883等,其硬件结构图如图2所示。

图2　APM_V2.8.0硬件结构框图

开始时项目组学生共同学习旋翼飞行器的基础知识和开源自动驾驶仪硬件及软件,然后通过项目组讨论确定各功能模块,根据学生的特长进行分工合作,例如,擅长硬件的学生承担在开源自动驾驶仪上添加传感器任务,擅长理论的学生可以设计滤波算法或控制算法,擅长软件的学生承担算法实现或上位机软件开发,同时也可以把有操作兴趣的学生培养为无人机操作手。通过项目组分工合作的实践模式,学生在实践中夯实了理论基础,并在理论的指导下进行了实践,提高了自动化专业航空方面的实践能力。学生将自己的创意通过实验进行验证,大大提高了创新兴趣。

3　实施效果及思考

在实施过程中学生通过对资料和文献的阅读,掌握了旋翼飞行器的模型建立和仿真,并可以根据课题需求进行电机、电调、桨叶选型等。旋翼飞行器的实践环节是一个连续的过程,类似于较完整的科研过程,能激发学生的学习兴趣,在学习的过程中得到多方面的锻炼,许多学生认为在实践过程中培养了解决问题的能力,同时一些理论知识在实践中也能得以运用。

在实施的过程中也反映了一些不足之处。首先,旋翼飞行器的实践环节实施过程较长,有部分学生在前期和中期精力投入很少,在最后阶段突击完成；其次,有部分课题的大部分工作是由一两名学生完成；再次,旋翼飞行器的实践环节涉及的相关专业较多,对指导教师的要求较高,现有的教师资源不足；最后,旋翼飞行器的实践环节实施时间长,但学时数有限,在一定程度上打击了教师的积极性。如何进行有效的过程监控、如何调动项目组全体学生的积极性、如何培养具有综合能力的指导教师、如何调动教师的积极性将是今后工作中需要解决和完善的问题。

4　结语

旋翼飞行器的实践环节将航空相关知识、自动化专业的理论知识和创新实践相结合,学生对知识的理解和运用得到提升,同时为学生提供了创新实践的空间,在实践的过程中学生发挥自己的专长,找到适合自己的发展方向,实践环节的实施得到了学生的认可。

References)

[1] 顾秉林,王大中,汪劲松,等. 创新性实践教育：基于高水平学科建设的创新人才培养之路[J]. 清华大学教育研究,2010,31(1) :1-5.

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[6] 储皖中. 论人的主体性的发展与现代教育主体性原则的建立[J]. 北京师范大学学报,1989(4):75-80.

[7] 许云清. 四旋翼飞行器飞行控制研究[D]. 厦门: 厦门大学,2014.

[8] 程不时. 飞翔的思绪[M]. 北京: 机械工业出版社,2009.

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[10] 张广玉,张洪涛,李隆球,等. 四旋翼微型飞行器设计[J]. 哈尔滨理工大学学报,2012(3):110-114.

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[12] 胡占双. 无人机飞行姿态检测及控制研究[D]. 沈阳: 沈阳航空航天大学,2012.

Discussion of cultivating innovative talent of automation specialty oriented to aviation

Xu Jin, Xi Jianhui, Wang Yangyang

(School of Automation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136, China)

In order to train the innovative talents of automation specialty oriented to aviation. Starting from the practice,the practical process of rotor aircraft was increased in next semester of Grade 3 experimentally,which breaks the limits of time and interspersed throughout the whole term. The students take the rotor machine as the platform, and design their own issues. This part gives students full space and time to play,and their activity,independence, and the innovation spirit and ability are cultivated in the process of education. At the same time,it makes up for the lack of mutual independence and lack of systematic study. In the process of carrying out the project,the students will combine the knowledge of automation and aviation knowledge effectively to achieve better results.

automation specialty; innovative talents; practical link; rotor aircraft

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.006

2015- 11- 27

辽宁省普通高等教育本科教学改革研究项目(UPRP20140201)

许谨(1977—)，男，陕西礼泉，硕士，高级工程师，主要研究方向为模式识别与智能系统.

E-mail：syhkxujin@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)5- 0017- 04