固定翼无人机综合实践教学设计研究

贾高伟 杨希祥 郭正

[摘 要] 围绕知识—能力—素质培养理念，在航空院校配合无人机设计课程开展综合实践，设定学生应该具备的能力标准，以项目设计为抓手，将理论知识点和关键能力点有机串联，通过动手操作及无人机实飞，综合提高学生对知识的理解水平和应用能力，通过良好的习惯培养航空素养。结合国防科技大学实际，开展基于固定翼无人机为实践平台的综合实践教学设计与实践，带领学生完成气动计算、通信测控、飞行控制、总装集成，并开展无人机实际飞行验证；总结了授课体会并延伸改革思路，对无人机专业学生的任职教育与教改模式创新具有较好的参考意义。

[关键词] 固定翼无人机；综合实践；教学设计

[基金项目] 2019年度湖南省学位与研究生教育改革研究项目“能力产出导向的空天专业研究生实践教学模式研究”（2019JGYB019）

[作者简介] 贾高伟（1989—），男，河南周口人，博士，国防科技大学空天科学学院副教授，主要从事先进飞行器设计与智能集群应用研究；杨希祥（1982—），男，河北衡水人，博士，国防科技大学空天科学学院教授，主要从事飞行器控制与试验评估研究；郭 正（1974—），男，河北辛集人，博士，国防科技大学空天科学学院教授，主要从事先进无人机设计与气动分析研究。

[中图分类号] G642.4 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）06-0129-04 [收稿日期] 2021-06-28

引言

习近平总书记在视察空军航空大学时指出，现在各类无人机系统大量出现，无人作战正在深刻改变战争面貌。要加强无人作战研究，加强无人机专业建设，加强实战化教育训练，加快培养无人机运用和指挥人才[1]。因此，航空院校当进一步重视无人机课程建设，带动学生巩固理论知识、强化动手能力，提升综合素质。当前，探索开展无人机综合实践教学已经成为重要的教学途径[2，3]。

综合实践教学的设计理念是以项目为抓手，将学生所学知识进行综合、系统地衔接，并以实际操作的基本形式，带领学生完成知识—能力—素质一体化培养进程。综合实践教学不属于理论课程，但它的开设需要同某一门或者多门理论课程相结合，具有配合性质但又不可或缺，是学生形成知识运用能力的重要途径[4，5]。

一、综合实践教学的基本设计

（一）实践教学的基本理念

航空先驱奥托·李林塔尔的名言：“发明一架飞机算不了什么，制造一架飞机也没有什么了不起，而试验它才艰难无比。”浓缩了飞行器设计的精华，“能飞”是检验飞行器的终极磨刀石，是最有说服力的验证。无人机设计涉及的学科门类广，技术头绪多，“飞行”状态的无人机对其设计的各个方面均有严格要求，这也是飞行器不同于其他工学学科的显著特点[6]。因此，学生在完成无人机设计课程学习之后，若能够通过实践操作，完成某一无人机的飞行，无疑将对其所学知识和动手实践的效益产生综合的可信赖的评价。同时，实践教学本身也是学习知识、回顾知识、锻炼能力的过程。因此我们设置的无人机综合实践项目的基本理念为：将一架固定翼无人机飞起来，并以此为中心组织必要的分科目实践。

实践的对象为某电动固定翼无人机，以此开展实践教学的明显优势包括：其一，无人机是一个团队项目，有助于培养创新思维、团队协作精神与工程素养，加深学员对飞机/无人机装备的认识理解。其二，无人机涵盖了几乎所有飞行器学科中都要用到的总体设计、气动计算、结构制造、飞行试验、数据分析等过程。其三，相比于多旋翼无人机，固定翼无人机在军事和民用领域的应用范围更广，且固定翼无人机在气动计算、飞控、测控通信及实际飞行方面具有更高的要求，这将激发学生的积极性、责任心与使命感。

（二）实践教学的内容安排

实践项目涵盖了无人机研发的主要步骤和流程，包括总体概念设计、气动力计算、控制仿真、無线通信、总装集成、飞行试验等，内容框架如图1所示。上述实践环节可以训练学生动手操作能力、试验组织能力、数据分析能力和文档撰写能力。

学生需运用理论课程中所学到的空气动力学、飞行力学以及物理学知识进行无人机项目应用训练；在项目最后，要求学生撰写实践报告，描述整个项目实施与训练过程细节，并对试验结果进行分析，总结项目取得的成果。具体实践安排为：（1）以实际放飞某电动无人机为抓手，该机翼展1.8m，重2kg，基本几何参数已知，但气动特性需要计算获知；需要建立全机几何模型，对其气动力进行计算，得到升力系数、俯仰力矩、焦心位置等参量，计算飞行速度范围与稳定裕度；（2）基于线性小扰动模型，建立飞行器控制仿真模型，调整控制参数，以得到稳定的仿真飞行结果；（3）结合实际的无线通信电台，开展功能设置与性能测试，熟悉无线通信系统的基本构成与注意事项，能够评估无线通信距离；（4）完成全机的总装集成，包括机体的总装和航电飞控系统组装，完成实飞准备，相继开展遥控飞行和自驾飞行。

（三）实践教学的设计技巧

1.分组实施。无人机具有典型的多学科属性，涉及气动设计、控制、制造、通信与飞行试验等，现阶段的无人机研发、使用与保障过程等均是团队行为。为此，无人机综合实践项目有必要以分组的形式开展，将组内分工以及组内协作纳入课程考核内容。

2.重复与强化。无人机实践项目中的机体组装、无线通信测试、飞行前检查等实践内容，步骤并不复杂，但逻辑性强，对飞行安全至关重要，有必要进行多次重复操作，其目的是通过强化训练，形成更为深刻的记忆。比如，飞行前结构检查中舵机运转、连杆衔接、中立位置调整；航电检查中电池电压、传感器初始化、自驾仪状态等基础性检查。通过反复强化，有助于提高学生理解并重视飞行安全，强化安全意识。

3.引导与“挖坑”。教员准确的引导是帮助学生在短时间内完成实践内容的重要保证，“挖坑”则是教员结合试验内容，对各组学员进行差异化的障碍设置。通过引导，督促学员在正确的方向上实践、进步；通过“挖坑”，促使学生更加认真，集中注意力，避免滥竽充数，也间接培养其发现问题、解决问题的能力。“坑”的大小要适当，太小了不能发挥作用，太大了又可能诱发学生的畏难情绪，需要结合实践效果，合理设置障碍。“挖坑”的合理程度将在不断实践积累中逐步优化。

4.引入特色“对抗”。凸显“对抗”特色，可以激发学生的学习热情，丰富实际应用中的处置经验。以开展无人机通信系统实践活动为例，可以选择某小组为“对手”，对其进行对抗挑战，对抗的形式包括：一是无线干扰，这在无人机实际通信应用中是常见的，该操作能够使学生在实践中更直观地理解无线信道的属性特征；二是对某一小组设备进行“人为破坏”，不再是理想的完好状态，引导学生主动修正通信设备状态参数并处置意外情况。

二、综合实践教学的考核

（一）实践项目报告的设计

项目报告书的设计与实践项目内容紧密配合。气动力分析方面，基于AVL（Athena Vortex Lattice）软件完成飞机外形建模及各类计算；飞行控制方面，依据功能映射，建立基于SIMULINK的飞控仿真环境，通过控制参数的调整，学习了解控制参数与飞行品质之间的联系；无线通信方面，采用行业内常用的视距通信电台，要求学生掌握无线电台基本参数的设置，了解影响通信时延、传输速率及传输距离的关键因素；全机总装集成以及地面检查方面，由教员组织制定结构检查与航电检查记录表，学生在组装与检查过程中，详细对照检查表，以图片和图表的形式完成记录。

综上所述，项目报告书的内容设计如图2所示，分为4个主要模块。

（二）实践项目考核结果分析

针对图2所示的四个实践内容，统计学生对应的得分及分数分布情况，每个实践子项目满分 20分。需要说明的是，在控制仿真实践和通信系统实践中均引入了“挖坑”环节。如表1及图3所示。

图3中纵坐标表示学生数量，横坐标对应实践子项目的得分。由表1及图3可知，气动计算实践和总装飞行实践平均得分高，且分数集中，控制仿真实践和通信系统实践平均得分最低，分数较为分散，凸显出“挖坑”技巧产生影响，有组员未能完全地“填坑”，导致部分测试数据错误，影响了得分。由此也可得知，“挖坑”环节的设置使得分数分布不再单一集中，减小了滥竽充数的可能。具体地说，在通信系统实践中，接收对抗测试的一组学生平均得分16分，高于全班平均分14.8，反映出对抗环节能够激发学生的热情，以更高的专注度更认真地完成实践活动。此外，也可看到图3中得分分布并不尽合理，不满足正态分布，这与考核得分设置及实践的挑战性设置有关，这一问题的改善在第四章节进行论述。

三、体会与思考

（一）实践性得分与测试性得分的权重

传统的理论课程，考核方式明确具体，以测试性得分为主。对于实践项目，学生按照试验指导书完成实践内容即可得分，即实践性得分为主。实践得分权重过高容易导致分数分布集中在优秀，体现不出差异性，这在气动计算和总装实飞实践中得以体现，难以衡量学习差异。若大幅提高测试性得分比重，则有可能引入偏理论授课的成分，一定程度上偏离实践课程的初衷。教改方式：针对具体的实践过程和步骤，适度增加测试性考核部分，考核内容为实践操作、关键注意事项及实验体会等，可以以测试卡的形式组织，平衡实践性得分权重，形成综合性的得分体系。

（二）障碍设置与实践风险的折中

实践得分表明，障碍设置和对抗训练有助于提高学生积极性，使得分数差异化，减少滥竽充数。但气动力计算与总装实飞实践中，考虑到这两个步骤对实际飞行影响较大，若障碍太大，有可能将错误的做法带入实际飞行中，增加实飞风险。教改方式：一是合理评估障礙难度，选择难度适宜的障碍测试学生反应，且障碍设置需在长期实践中逐步优化；二是对障碍进行编号、记录，并由助教密切关注所挖的“坑”是否被发现，并及时介入，保证最终实践过程的正确性和安全性。

实践项目的实施，目的是通过动手实践更好地消化知识、形成能力、培养素质，但过程设计及得分体系均会给培养效果带来深刻影响。在实践教学中，应尽可能调动学生积极性，体现过程差异性，避免走过场随大流，让学生扎实掌握实践要点，学有所得，学有所长。

参考文献

[1]习近平八一前夕视察空军航空大学并发表重要讲话[EB/OL].（2020-07-23）[2021-05-23].https：//baijiahao. baidu.com/s id=1673005455065707647&wfr=spider&-for=pc.

[2]杨润丰.无人机安防技术应用课程的教学设计与实践[J].中国现代教育装备，2019（7）：93-95.

[3]刘凯，龚辉，曹晶晶.无人机参与摄影测量学课程实践教学的应用探索[J].教育教学论坛，2020（1）：261-262.

[4]陈锦儒，郑春龙.基于虚拟仿真的电子技术课程设计教学改革[J].实验科学与技术，2020，18（6）：100-106.

[5]杨希祥.CDIO模式在航天学科创新实践项目指导中的应用[J].实验技术与管理，2016，33（8）：18-20+40.

[6]刘亚丰，杨祥良，朱艳红，等.虚实融合、自主设计、研究型实验教学模式研究[J].实验科学与技术，2020，18（6）：61-65.

Research on the Teaching Design of the Comprehensive Practice Course of Fixed-wing Unmanned Aerial Craft

JIA Gao-wei， YANG Xi-xiang， GUO Zheng（College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410072， China）

Abstract： According to the concept of knowledge-ability-quality training， it is necessary to carry out comprehensive practice by offering UAV design courses in aviation colleges and universities. By setting the ability standards that students should have and taking the project design as the starting point， we can organically combine the theoretical knowledge with the key abilities of the students. Through students’ hands-on operation and the real flight of UAV， students’ understanding level and knowledge application ability can be comprehensively improved. Aviation literacy can be cultivated through the forming of good habits. Combined with the actual situation of our school， the comprehensive practice teaching design and practice based on Fixed-wing Unmanned Aerial Craft， which serves as a practice platform， is carried out， which allows the students to complete the practices， such as the aerodynamic calculation， the communication measurement and control， the flight control， and the assembly integration， as well as the actual flight verification of UAV. This paper summarizes the teaching experience and extends the reform ideas， which has a good reference significance for the vocational education and the teaching model innovation of UAV students.

Key words： Fixed-wing Unmanned Aerial Craft； comprehensive practice； teaching design

3384500589246