以系留无人机项目为依托的新工科项目式教学探讨

张素侠 刘习军

［摘 要］ 随着国家“四新”建设的提出，以及创新人才培养“强基”“拔尖”计划的提出，培养具有解决复杂工程问题能力的创新人才的任务提上日程。从目前课程教学中存在的问题出发，考虑学生的认知规律、“拔尖”“强基”人才课程的设置及工程问题的特点，以系留无人机项目为背景，设计了系列项目式题目，实现新工科背景下的项目式教学。实践表明，项目式教学能够有效提高学生解决复杂工程问题的能力、多学科创新思维、动手实践能力和敏锐的工程观察能力，为拔尖创新人才的培养提供了有力支撑。

［关键词］ 项目式教学；多学科交叉；创新人才培养

［基金项目］ 2019年度天津市教委天津市线上线下混合式一流建设课程项目“工程振动与测试（振动力学）”；2014年度国家自然科学基金委员会国家自然科学基金项目“考虑松弛-张紧效应时深海系缆-平台耦合运动及稳定性研究”（51479136）；2018年度天津市科学技术委员会天津市自然科学基金项目“细长柔性体畸变模型的非线性修正规律研究”（JCYBJC18700）

［作者简介］ 张素侠（1978—），女，河北秦皇岛人，博士，天津大学机械工程学院力学系英才副教授，博士生导师（通信作者），主要从事动力学与控制领域研究；刘习军（1956—），男，河北定州人，学士，天津大学机械工程学院教授，博士生导师，主要从事非线性振动领域的教育研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）12-0022-04［收稿日期］ 2022-09-16

引言

新工科是主动应对新一轮科技革命和产业变革的战略行动，是“卓越工程师教育培养计划”2.0的核心内容和主要抓手，是新时代工程教育改革的新方向［1］。在新工科背景下，学生除了需要具备文献检索、模型抽象简化、程序编写、自学和动手实验等能力外，还要具备多学科创新思维、敏锐的工程观察能力、分析和决策能力及解决复杂工程问题的能力，这就对目前的高等教育和教学提出了新的要求。在新工科背景下，必须为学生提供更加接近真实情景、开放环境下的具有挑战性的任务［2］。在项目任务解决过程中，调用、整合多门学科知识，打破学科之间的壁垒，提升科学思维［3］，增强自身的知识获取能力、知识整合能力与运用能力，从而培养主动学习、积极探索的学习态度［4］。通过项目式的研究性学习，强调学生获取知识、训练能力的研究性角度和方式［5］，突出学生学习的主动性。本文以笔者承担的系留无人机有关的科研项目为背景，探索新工科背景下的项目式课程教学方法，培养学生解决具有多学科交叉融合特点的复杂工程问题的高阶思维和创新能力，为国家的发展和民族复兴培养卓越人才。

一、目前教学中存在的问题

（一）理论与工程实际脱节

目前教学中存在理论与工程实际脱节的问题，教学内容与工程实际联系不足。比如，振动力学有很大一部分内容为基础理论，学生的实践学习部分主要借助书本上简化后的独立的例题和习题，与实际工程问题联系不够紧密，很难将理论内容与实际工程联系。

（二）课程知识的系统性不足

学生难以系统性地掌握课程知识，对解决复杂工程问题的思维和能力的培养不足。学生的学习过程一般都是从独立的概念、理论出发，没有整体的、系统性的掌握课程知识的媒介和抓手，学生缺乏培养创新能力和创新思维的机会与载体。

（三）课程群体系建设不足

目前教学中各门课程内容相对独立，无法很好地体现多门课程间的关联性和综合性，学生难以形成对课程的整体认知，人才培养方案亟待完善，缺少多学科交叉融合和跨学科人才的培养平台。

二、以系留无人机项目为依托的项目式教学

为了解决实际教学中存在的问题，结合项目式教学的特点和承担的系留无人机相关科研项目的特点，提出了以舰载系留无人机项目为依托的项目式教学，在实际的实施过程中受到学生的广泛喜爱和欢迎。

（一）项目式教学的特点

1.项目式教学便于实现抽象概念的具体化。项目式教学是将课程内容融合到一个具体的项目中，通过将课程内容应用于具体工程，抽象的概念在工程的具体问题和实际的工程现象中得以体现，利于学生深刻理解和掌握，在学习课程内容的同时解决工程问题。

2.项目式教学有利于学科的交叉融合。在常规的教学中，单一知识点与其他学科或者是知识点的关联较难实现。但是在具体的项目中，需要同时满足工程结构多个方面的需求，涉及各个学科的内容，所以容易实现学科的交叉融合。

3.项目式教学有利于课程内容的引申和推进。对于一般的工程问题，可以根据关注的问题，或者解决问题的阶段，形成不同的简化模型，简化为不同难度的问题，因此，可以给出不同难度系数的问题，这有利于学生创新能力的培养。

项目式教学的这些特点，很好地满足了目前新工科背景下学生的培养要求，所以开展项目式教学符合目前的人才培养需要。

（二）系留无人机项目的特点

系留无人机一般由无人机、综合缆绳和绞缆机三部分组成，如图1所示。其中综合缆绳是一般无人机与系留无人机的主要区别，集光纤、电缆、承力层和保护层于一体，电缆能够持续供电，支持无人机在空中的长时间悬停。这些设备工作于舰船上就构成了舰载系留无人机。以系留无人机项目为依托进行项目式教学，具有以下优点。

1.覆盖面广。项目内容涉及“流体力学”“固体力学”“振动力学”“弹性力学”“工程软件應用”等工程力学专业的主要课程，同时还包括自动化专业的“控制理论”“电路设计”等课程，以及机械设计专业的结构设计等相关内容，为学生提供了良好的学科交叉载体，具有多学科交叉融合的特点。

2.背景新。无人机在军用、民用、娱乐等不同的领域都得到广泛应用，无人机无处不在，是目前的热点内容，容易引发学生的好奇心。

3.出路寬。无人机的广泛应用，使学生可以根据自己的想象和实际需要进行必要的拓展，在此基础上进行创新。

4.时间长。系留无人机项目可以从学生入学一直延拓到毕业设计，甚至到研究生阶段。

（三）以科研项目为依托的项目式教学实施过程

在实际的教学工作中，考虑学生的认知规律、人才培养方案中课程的设置及工程问题的特点，以系留无人机项目为依托，设计了需要学生完成的系列题目：（1）无人机的组装。（2）放飞的气球。（3）系留无人机动力学方程的建立。（4）系留缆绳的材料性能分析。（5）系留无人机系统的载荷分析。（6）系留无人机的振动特性分析。（7）系留无人机的耦合动力学分析。（8）系留无人机的测试分析。具体的实施过程分为以下几个步骤。

1.首先带领学生了解国内外无人机的发展现状，讲解不同类型无人机的特点、功能和适用场合等，使学生对整个无人机行业的情况有一定的掌握，培养学生的信息检索能力和沟通能力。

2.针对系留四旋翼无人机，介绍其具体的组成结构、各部分结构的功能、结构材料、结构的连接方式、控制系统的具体设计等，使学生掌握具体的工程结构。

3.利用相关配件，鼓励机械、力学等专业的学生进行无人机的组装，由自动化等专业的学生进行飞控设计，培养学生的动手能力、自学能力、协作能力，对学生进行跨学科培养。

4.针对系留无人机进行缆索结构材料性能参数分析，锻炼学生知识应用能力和工程创新能力。

5.采用理论力学中的动力学原理，建立系留无人机系统的动力学方程，锻炼学生模型简化和理论联系工程实际的能力。

6.综合应用前面几个步骤的内容，进行系留无人机系统的振动分析。

7.进行系留无人机的动力学实验，探讨非接触式测试方法，完成实验设计和振动测试，培养学生的综合能力。

8.根据学生的个人爱好，以及前面的分析结果，针对整个系统提出局部改进措施，如改变结构、材料等，或者提出新的无人机应用领域和新的结构形式等，培养学生的创新思维。

9.项目验收［6］。在每一个题目完成后，要求学生对分析结果进行总结，撰写报告，通过PPT展示、口头讲解和实际无人机飞行等方式，评价学生的学习水平，考查学生的综合能力。

在以上的实施步骤中，步骤1～3主要在“力学导论”课程中进行，通过完成题目（1）来实现；步骤4～7分别在“材料力学”“理论力学”“流体力学”“振动力学”和“振动测试技术”课程中进行，通过完成题目（2）～（8）来实现；在进入课题组前完成步骤8和步骤9，实现学生综合能力的培养。

（四）项目式教学实施效果

以题目（7）的考核过程为例，学生在考核中对无人机类结构的基本组成、模型简化、计算分析等过程进行讲解，题目（7）的求解和展示过程如图2所示，让学生从多个角度了解工程问题与课程内容的联系，通过集中解决系留无人机各个方面的问题，学会如何将所学内容应用于实际工程，锻炼学生的工程能力。

通过项目式教学，学生解决复杂工程问题能力、创新思维、动手能力和实践能力都得到明显提升，在毕业设计中更能抓住本质问题并顺利解决，提高毕业设计质量。多位同学获得了全国“新工科”本科生毕业设计大赛的奖项，多篇论文被评为全国高等学校力学类专业优秀本科毕业设计A类论文，由此可见，项目式教学组织模式值得推广。

结语

本文考虑学生的认知规律、人才培养方案中课程的设置及工程问题的特点，以系留无人机项目为依托，设计了系列项目式教学题目并在系列课程中实施，培养了学生的动手能力、自学能力、运用所学理论解决实际问题的能力、团结协作的能力，以及在现有技术基础上创新的能力，重点培养学生的创新思维，实现跨学科培养，以适应未来发展。以系留无人机为依托的项目式教学很好地满足了新工科背景下培养创新人才的需求。

参考文献

［1］新工科建设“天大方案”2.0发布［EB/OL］.（2020-06-16）［2022-08-12］.http：//www.tju.edu.cn/info/1026/3151.htm.

［2］赵永生，刘毳，赵春梅.高阶思维能力与项目式教学［J］.高等工程教育研究，2019（6）：145-148+179.

［3］黄满霞，秦晋，杨燕，等.核心素养导向下的“跨学科-项目式”教学设计：以“我帮稻农选好种”为例［J］.化学教学，2020（10）：50-55.

［4］张执南，陈珏蓓，朱佳斌，等.逆向教学设计法在项目式教学中的应用：以上海交通大学“工程学导论”为例［J］.高等工程教育研究，2018（6）：145-149.

［5］周光礼，姜嘉乐.研究性学习：本科教学改革的主导模式［J］.中国高等教育，2009（20）：40-42.

［6］齐卫，王文青.项目式教学过程与效果评价［J］.河北师范大学学报（教育科学版），2020，22（6）：119-121.

Exploration of Project-based Learning with Tethered UAV Project

ZHANG Su-xia， LIU Xi-jun

（School of Mechanical Engineering， Tianjin University， Tianjin 300354， China）

Abstract： With the proposal of the national “four news” construction， Strengthening Foundation Plan and Talent Training Plan， the task of cultivating innovative talents with the ability to solve complex engineering problems has been put on the agenda. Based on the problems existing in course teaching， considering the students cognitive law， the setting of courses and the characteristics of engineering problems， a series of project-based topics are designed against the background of tethered UAV to realize the project-based learning under the background of New Engineering. Practice shows that project-based learning can effectively improve students ability to solve complex engineering problems， multidisciplinary innovative thinking， practical ability and keen engineering observation ability， and provide strong support for the cultivation of top-notch innovative talents.

Key words： PBL; interdisciplinary; cultivation of innovative talents