星形树状方法在无人机系统教学中的应用探索

刘战合，田秋丽，王晓璐，王菁

摘 要：无人机系统是一门综合性学科，涉及技术面广、学科关联度强、知识点多等问题，结合各学科特点，提出了基于多维度的星形知识点结构、树状逻辑构架的教学分析方法，形成系统化思想，有效融合各知识点，进而搭建知识脉络，形成知识线，扩展为系统化知识面。通过无人机系统导论课程实际讲授，获得了较好的教学效果。

关键词：无人机系统；星形；树状；教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）18-0054-03

Abstract： Unmanned Aerial Vehicle （UAV） system is a comprehensive discipline， which involves a wide range of technology and has strong association with other disciplines. In combination with the characteristics of various disciplines， this paper proposes a new teaching analysis method that involves a multidimensional star-shape structure of knowledge and a tree-shape logic structure. Then， this paper constructs a systematic thinking mode， effectively integrates all related knowledge points， builds up the structure of knowledge， and forms the knowledge lines and extends to systematic knowledge. Through the real teaching of the introductory course of UAV system， the new teaching method gets a better teaching effect.

Keywords： unmanned aerial vehicle system； star structure； tree structure； teaching

无人机产业[1]目前由军用步入民用，且消费级无人机已经成为其主体产业之一，相应的，无人机系统[2]课程开始逐渐在本科院校、大专院校设立，同时，一些高校如南京航空航天大学、西北工业大学等传统航空院校开设无人机设计等课程，并取得了较大成果，但作为无人机，更重要的体现在其系统化思想上，要求基于多学科，如飞行器总体设计、空气动力学[3]、电磁波传输理论、结构力学、探测与识别、数据链技术等专业知识，形成学科融合的系统化专业课程。鉴于该课程存在的诸多问题，如新知识的不断更新、教科书缺乏、知识复杂度难以统一等[4]，提出并开展了基于多知识“点”的星形树状教学方法研究，有效提高了无人机系统导论课程的教学方法，完善了教学内容。

一、无人机系统涉及学科

无论是以无人机本体设计为主的无人机设计课程，还是注重系統思想的无人机系统课程，从技术角度讲，其所包含的主体学科方向大致可分为：总体设计、空气动力学、推进技术、结构与材料、有效载荷、探测与识别技术、地面控制站、数据链、发射与回收技术。可以看出，以上各门类技术涉及面广、各学科之间又具有比较强的关联性，相对来讲，知识面较多，形成了看似“杂乱无章”的学科关系，但如从无人机系统角度出发，我们可以将以上学科分成以下几个层次：

（一）无人机平台技术

以无人机为载体，包含传统学科中的飞行器设计技术即总体技术、空气动力学、推进技术、飞行性能等，甚至涉及到航空材料等。对不同的无人机，由于其产生推力的方式、升力的方式可能会存在一定的差异，将导致飞机总体设计技术、空气动力学、推进技术等性能参数对不同飞行器而言各异，但从一般性技术讲，每个学科技术应该融合起来，形成技术闭环。随着新型战争形势和技术的进一步发展，飞行器的反探测、隐身技术亟待提高，包含电磁隐身、声隐身、红外隐身等，从平台角度出发，除具备传统的技术支撑之外，还应具备结合空气动力学、飞行器设计的电磁波、声学、红外等技术的综合。

（二）地面指挥和控制站技术

地面指挥和控制站是无人机驾驶员最直接感受和发出指令的系统，一般包含接收和处理无人机平台发回的无人机飞行姿态数据、有效载荷数据、飞行器固定载荷信息等数据，根据任务规划及其实施情况，表现为数据处理、数据压缩、数据截断、数据发送和接收等技术，同时，涉及到图像处理和匹配等数据技术。

（三）数据链路技术

作为飞行平台与地面控制站之间的数据链路，除负责数据之间的通信和传输之外，还具备判断和计算无人机与数据链天线之间的距离和角度，即实现定位功能，因此，涉及到雷达传输、电磁干扰、信号探测等技术。

（四）发射和回收技术

根据不同无人机特点，如无人机升力产生方式、起飞方式、无人机推力产生方式等，可以包含不同的发射和回收技术，包含跑到滑跑式、弹射式、手抛式、垂直起降式等，将包含空气动力学、推进技术等共性技术。

（五）有效载荷

有效载荷是指除无人机平台固有设备之外的有效载荷，不包含燃油系统、气压计、空速计等，主要指用于执行任务的载荷，一般为用于作战的武器载荷和用于侦察监视的探测载荷。为有效提高探测能力，将采用可见光、雷达、红外探测技术，也属于电磁波理论范畴，同时，对武器系统，希望能有效探测和跟踪地方武器平台，需要提高探测和跟踪能力，也对电磁波理论提出了要求。

二、星形分布方法

为有效提高无人机系统课程的融合性，并缩小甚至消除各学科之间的隔阂，通过系统化、合理分析和整理，寻找各学科共性知识点，组成星形的“点”，每个点对应其知识点，每个知识“点”横向联系学科，形成密集型关系。这至少包含两个层次：一是对各学科建立知识“点”，以知识“点”为核心，形成学科内容框架，由小的知识“点”再汇聚成大的知识“点”，力争实现一个学科仅包含少数几个关键知识“点”；二是多学科之间共性知识“点”的建立，及该知识“点”在本学科中的影响作用，并与其他学科存在使用上、背景上的区别，又有何联系？

以无人机系统为例，对飞行器设计、空气动力学基础、动力系统等进行了详细讲解，首先，以飞行器设计为出发点，该学科涉及到飞行器飞行性能评估分析和计算，如升力、阻力、重力、推力等，可以将以上四种力作为四个知识“点”，各类知识“点”在其关联学科中也有一定影响，为描述方便，将星形分布方法做如图1来详细说明：

如图1所述，仅仅以空气动力学基础为例，将该知识点根据产生原因和基本原理分为两类：分布力和集中力，进而将分布力分为升力、阻力、重力等，而降集中力分为推力、载荷力等，两种力的知识“点”产生基本理论或机理对应为空气动力学理论中的伯努力定理和质量流守恒两大定理，并由此，各力学性能及参数对无人机的强度设计也会产生较大影响，特别体现在机构设计、材料设计、结构设计等基本知识“点”，并结合其他影响因素，即其他知识“点”，提高教学效果。

同时，对于以上星形分布方法，可以将知识“点”按照各级别，分为：基本知识“点”、二级知识“点”，二者之间联系即产生知识“线”，从而形成完整的星形分布图，需要注意的是，学科中的知识“点”选取，应该是具有代表性、典型性、基本性、关键性的知识，对于一个学科，不宜产生太多知识“点”，同时，形成的知识“点”可与其他学科形成相互之间的因果关系或链接关系。

三、树状方法

知识“点”星形分布方法尽管建立了各基本知识“点”及其之间的相互关系，但仍然存在零散、单一的缺点，按照本文前述定义，会局限于一门学科，尽管可扩充于多学科，为解决以上问题，通过深入研究和实际教学验证，本文更进一步提出了树状方法。进一步描述如图2：

图2中仅仅说明了部分内容，对于各学科的基本知识“点”并未显示出，實际上，基本知识“点”位于树状方法最细层，逐次网上为二级知识“点”、三级知识“点”等。三级知识“点”对应为基础学科，如空气动力学、推进技术、雷达技术、通信技术等；四级知识“点”为学科分类，如对无人机，可以将空气动力学、推进技术、结构设计、材料学科等归为飞行器总体技术，类似的，可以有数据链、控制站、有效载荷等四级知识“点”；依次再往上为最高级无人机系统，以系统化思想认识、分析无人机，并进行相关教学。

值得一提的是，尽管树状方法在建立过程中，各级知识“点”、相同级知识“点”之间并未明确联系，但借鉴星形分布方法，可以将各级知识“点”联系建立起来，并形成完成、系统化的无人机系统知识体系，构建成该学科的骨架系统。实际上，星形分布方法重在建立各知识“点”及二次知识“点”，树状方法形成各学科知识“点”层次关系和逻辑关系。

四、无人机系统教学实践

结合现有教学条件和教学技术，通过精细化分析和处理[5-7]，采用文中形成的星形分布和树状体系，可以有导向性的形成基本课程逻辑框架体系，并结合主题式慕课、主题式翻转课堂[8]，有效带动学生参与课堂，理解知识体系。

在综合采用优化教学技术的基础上，针对无人机系统导论课程，结合其他相关航模制作实践活动，鼓励学生参与航空航天锦标赛、挑战杯等赛事，形成趣味性、知识性、竞技性、工程性等相互结合的教学效果。在实际制作过程中，强化和理解包括各级知识“点”在内的基本知识内容，提高实际接受能力，这也是无人机系统导论课程可进行延伸的原因之一。图3为进入河南省“挑战杯”决赛的两个项目，左图为吴登宇项目组的螺旋桨动力直驱型单旋翼无人机，右图为游泽宇项目组的异类飞行器集群航迹规划控制系统项目载体无人机。

五、结束语

针对无人机系统课程，从系统化思想分析了无人机系统所涉及学科；根据其学科特点，分别提出了用于提高无人机系统教学的星形分布方法和树状方法，星形分布方法主要针对学科建立基本知识“点”，初步形成二次知识“点”，同时重在各知识“点”联系和关系；而树状方法重在梳理各学科之间的知识“点”层次关系，并建立各级知识“点”逻辑关系。经过教学实践，证明了文中提出方法的有效性。

参考文献：

[1]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.

[2][美]法尔斯特伦，格里森.无人机系统导论[M]郭正，王鹏，陈清阳，等译.北京：国防工业出版社，2015.

[3]王晓璐，代君，刘战合，等.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.

[4]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.

[5]肖小聪，田红敏.论应用型本科院校精细化教学管理的实施[J].南昌工程学院学报，2011，30（5）：84-86.

[6]刘昌.高校实验室精细化管理的探索与实践[J].高教学刊，2017（3）：134-135.

[7]陈蓓.精细化理念下高校常规教学管理探析[J].湖南第一师范学院学报，2010，10（5）：49-51.

[8]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.