无人飞行器总体设计课程改革初探

鲁亚飞 郭正 王鹏

［摘 要］无人飞行器作为新军事变革的代表性装备，在装备序列中的地位日益提升，对相关专业技能人才培养的需求越来越大。无人飞行器总体设计课程作为无人机技术人才培养的基础核心专业课程，具有启蒙性、系统性、引领性等特点。对标“指技融合”高水平人才培养目标，该课程存在课程内容针对性不强、课时局限、教学与考核方式单一等问题。文章通过系统分析无人机飞行器总体设计的课程特点，系统深入地探讨开展课程改革的若干思路：优化教学内容，创新教学方法，优化考核评价方式。

［关键词］无人飞行器；总体设计；课程改革

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）09-0040-04

无人飞行器作为新军事变革的代表性装备，具有突防能力强、机动性好、效费比高的优点，正迅速成为现代军事力量的重要组成部分，是未来战争信息化、网络化、非接触化能力发展的重要力量[1]。无人机在整个装备体系中的地位日益凸显，近十年来，无人机装备的参战比例和作战效能逐步提升，并正从过去执行单一侦察任务向执行警戒、打击乃至空战等高等级任务发展，作战样式也从单一装备的独立作战朝着有人无人协同、智能集群、分布式作战应用等方向发展。

为了满足需求侧对无人机专业人才的要求，学员不仅要掌握基本知识和基本操作，还要深刻理解无人机系统涉及的信息获取、处理、决策与控制等环节，并在实践中创新运用，实现装备能力的二次飞跃[2]。院校教育作为人才培养供给侧的关键一步，毫无疑问要与岗位任职需求“精准对接”，实现强军英才的高匹配输送。

如何系统高效地组织教学内容，提高教学水平，是提高教学活动效果的关键。但无人飞行器总体设计课程存在课程内容针对性不强、教学方法不够科学、课程考核片面等问题。笔者结合多年来开展无人飞行器总体设计课程教学的实践经历，在系统分析课程特点和面临困境的基础上，提出若干课程改革建议，以期为无人机专业人才的培养提供参考。

一、無人飞行器总体设计课程的特点

无人飞行器总体设计课程作为无人机专业技术人才培养的基础课程，一方面，要求起到启蒙教育的作用，让学员系统认识无人机及其应用过程；另一方面，要求起到专业素养培养的作用，让学员能够熟练掌握无人飞行器总体设计的多个学科知识[3-4]。该课程有以下3个特点。

（一）系统性、总体性强

无人飞行器总体设计从飞行器的任务需求出发，确定系统总体方案，其中分系统与多参数综合协调、折衷权衡与反复迭代是飞行器设计的重要环节。在授课过程中，该课程涉及飞行器设计、空气动力学、航空材料学、飞行力学、导航技术、电磁学、航空气象学、空域管理等多个学科知识。无人飞行器总体设计的过程是一个典型的多约束输入、多参数输出、多学科总体优化的过程。

（二）理论与实践结合度高

无人飞行器总体设计除了要为学员建立一个无人机核心及相关技术的多层次、多梯度的理论知识体系外，还要通过实践观摩和验证，培养学员对实际系统的工程认知和实践动手能力。因为无人飞行器的最终目的是完成特定的任务，而不仅仅是解决飞行的问题。

（三）区别于传统有人机设计课程

无人飞行器总体设计与传统有人机设计既有技术继承，又有设计思路、设计原则等诸多不同。传统飞行器总体设计课程内容无法体现无人飞行器总体的特点，也难以涵盖无人飞行器总体设计的全部内容，如载荷、通信系统设计、自主控制、任务规划等内容对于无人飞行器总体设计而言更为重要，而这些内容在有人机设计过程中通常不作为重点内容考虑。

二、当前存在的问题

与无人飞行器总体设计接近的课程包括飞机总体设计、飞行力学、空气动力学、飞行控制等。国内外各航空领域优势高校均开设了类似的课程，如美国南新罕布什尔大学开设的无人飞行器系统设计（Design of Unmanned Aerial System）[5]，北京航空航天大学开设的飞机总体设计[6]等。同时，近年来，结合中国大学MOOC（慕课）、军职在线等在线平台，已经建设了部分在线课程，如南京航空航天大学的国家级精品在线课程无人机设计导论课[7]。然而，现有的无人飞行器总体设计课程教学体系在课程内容设置、课堂教学模式等方面都存在一定的局限性，制约了教学效果的进一步提升。主要体现在以下3个方面。

（一）课程内容针对性不强

无人飞行器作为传统有人机、新型传感器和控制技术相结合的高科技产物，既与传统飞机设计有相似的地方，也有诸多不同，如在设计流程、约束条件（过载要求、人机功效等）、系统组成（自驾仪、地面站、载荷、数据链等）等方面存在较大差别[8-11]。现有课程体系主要是基于传统飞行器设计知识的裁剪和综合，针对性不强，需要结合无人机设计的特点进一步优化。

（二）课时局限，学员难以深度掌握课程内容

无人飞行器总体设计课程是一门兼备综合性、创新性和实践性的课程，一方面要求学员掌握基本的气动、结构、动力、控制、载荷等基础知识，另一方面要求学员形成多学科总体设计权衡的思维，这就要求学员对相关学科的知识有深刻的理解[12-13]。然而，在有限的课时下，通常无法让学员在课堂上深度掌握该课程。为此，需要打破课时局限，利用线上资源和学员的自由时间，发挥学员自主学习的能动性。

（三）教学与考核方式单一，难以满足对学员综合知识运用能力的考核要求

目前，无人飞行器总体设计课程的授课形式主要以课堂授课为主，考核形式主要以平时作业和课程考试为主。由于无人飞行器总体设计的实践性和创新性较强，若单纯采用课堂授课的方式，学员的参与度有限，动手实践更是难以实现，学员的学习兴趣和潜能不能被激发出来。需要进一步优化教学形式，通过课堂讲授、创新研讨与综合实践相结合，提高教学效果。考核方式方面，单一的考核方式只能体现学员对基础知识和基本方法的考核，无法满足对学员高阶性、创新性和挑战度的能力考核要求。所以，应进一步改革传统的考核方式，多方面考核、评估学员的能力。

三、课程改革建议

针对无人飞行器总体设计课程当前存在的问题，从课程内容优化、教学手段创新、考核评价方式改革等方面，提出课程改革的建议。

（一）优化教学内容

以培养高素质新型无人飞行器总体设计人才为目的，对现有课程内容进行优化。在强调基础理论和基础方法的基础上，注重知识、能力、素质的有机融合，培养学员解决复杂问题的综合能力和高级思维。课程内容有前沿性和时代性，以应用需求为牵引，坚持基础理论与应用两条线并行；围绕总体设计方法开展教学，培养学员系统分析、总体设计、灵活应用的能力，帮助学员快速理解装备。

无人飞行器总体设计课程的内容可分为概念与总体设计方法、气动设计与性能分析、关键分系统设计、战术运用四个大的模块（见图1）。概念与总体设计方法模块主要针对无人机的发展应用历史、分类与特点，以及多学科多参数耦合的总体设计方法进行讲授。气动设计与性能分析模块主要讲授无人飞行器的飞行原理、飞行性能分析、结构与制造基础知识，让学员理解飞行器的基本设计方法，特别是在复杂极端条件下的飞行能力约束。关键分系统设计模块包括无人飞行器作为一个完整系统所必须掌握的知识点，回答不同任务环境下的动力与推进设计、任务载荷系统设计、数据链设计、发射回收系统设计等装备运用中面临的实际问题。战术运用模块围绕任务指挥层面涉及的任务方案规划、航迹规划、集群作战等知识要点开展高阶教学，培养学员对抗式战术综合运用的思维。

此外，该课程要求紧贴实战，重视案例式教学，潜移默化开展思政教育。课程结合相关军事热点问题进行开放性专题研讨。如近年来局部战争中无人机执行斩首行动、恐怖袭击、饱和攻击等作战模式，通过分析攻防两端的装备特点和实际运用效果，激发学员对装备能力和战法运用重要性的思考。结合实际装备发展和运用的案例，润物细无声地开展课程思政教育，培养学员的航空报国情怀[14]。同时，通过装备对比分析，从技术的视角剖析客观差距，培养学员的危机意识，激发学员赶超国际一流水平的激情。

（二）创新教学方法

翻转课堂是线上线下混合式教学的有效策略，它是以学生为中心的教学方式的革命，颠覆了传统课堂教学中老师讲、学生听的模式。可以引入小规模限制性在线课程（Small Private Online Courses，SPOC）教学方法，在充分利用在线资源的基础上，克服在线课程大规模、无互动和无先修条件等问题，发挥小班教学的优势，提升学生的参与度，促进师生互动。

小规模限制性在线课程的实施思路如图2所示。教师要分析无人飞行器总体设计课程知识点的层次，根据不同的教学内容，设计不同的混合式教学方案。将无人飞行器总体设计的知识点和技能点分成基础知识、设计计算、工程案例三大类，这三者的难度依次增大。对于难度较低的基础知识，课前预习以阅读教材、观看微课和课前测试为主。教师根据学生的线上学习情况及课前测试情况，在课堂上有针对性地讲解，并对重点和难点进行总结和强调，同时回答学生的疑问，或组织学生之间互相提问解答。对于难度适中的设计计算，课前预习以阅读教材、观看微课动画、查阅资料为主，教师在课堂上主要进行讨论答疑、重难点讲解，组织学生进行问题讨论、头脑风暴，并提供实践案例进行分析，提高学生参与课堂的主动性。而对于难度较大的设计计算，课前预习以阅读教材、查阅资料、做思考题为主，教师在课堂上组织学生讨论答疑、学生互评或教师点评课前作业。

（三）优化考核评价方式

改革传统的考核方式，加大过程化和实践性考核的比重，形成形成性考核和终结性考核相结合的考核形式（见图3）。形成性考核综合在线学习情况、课后作业、实践试验报告、专题研讨汇报等内容，主要考查学员在线预习、上课出勤、课堂讨论、课前测试、随堂测试、课后作业等情况，有助于提高学员参与课堂教学的积极性，从而更好地实现教学目标。终结性考核主要考查学员对基础知识、基本概念的准确掌握程度和灵活运用所学知识解决实际问题的能力，其中知识运用题目在终结性考核中的占比达到70%，可以有效地把控学员对课程知识的掌握程度，为开展后续课程学习打好基础。通过引入多样化的考核机制，提高实践试验报告、专题研讨汇报、知识运用等内容的考核比例，对基础知识深入理解、关键方法牢固掌握、运用模式融会贯通等提出更高的要求，可以有效提升课程的挑战度。

四、结语

无人飞行器总体设计课程是飞行器设计与工程专业的核心专业课程，课程内容系统性、总体性强，理论与实践结合度高。本文以培养具有无人飞行器设计、论证、研制、试验和应用等高水平专业人才为目标，深入剖析了制约课程教学效果的问题，提出若干课程改革建议，以期为后续开展教学实践提供指导。

［ 参 考 文 献 ］

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［责任编辑：黄紧德］