無人飛行器總體設計課程改革初探

魯亞飛 郭正 王鵬

［摘 要］無人飛行器作為新軍事變革的代表性裝備，在裝備序列中的地位日益提升，對相關專業技能人才培養的需求越來越大。無人飛行器總體設計課程作為無人機技術人才培養的基礎核心專業課程，具有啟蒙性、系統性、引領性等特點。對標“指技融合”高水平人才培養目標，該課程存在課程內容針對性不強、課時局限、教學與考核方式單一等問題。文章通過系統分析無人機飛行器總體設計的課程特點，系統深入地探討開展課程改革的若干思路：優化教學內容，創新教學方法，優化考核評價方式。

［關鍵詞］無人飛行器；總體設計；課程改革

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）09-0040-04

無人飛行器作為新軍事變革的代表性裝備，具有突防能力強、機動性好、效費比高的優點，正迅速成為現代軍事力量的重要組成部分，是未來戰爭信息化、網絡化、非接觸化能力發展的重要力量[1]。無人機在整個裝備體系中的地位日益凸顯，近十年來，無人機裝備的參戰比例和作戰效能逐步提升，并正從過去執行單一偵察任務向執行警戒、打擊乃至空戰等高等級任務發展，作戰樣式也從單一裝備的獨立作戰朝著有人無人協同、智能集群、分布式作戰應用等方向發展。

為了滿足需求側對無人機專業人才的要求，學員不僅要掌握基本知識和基本操作，還要深刻理解無人機系統涉及的信息獲取、處理、決策與控制等環節，并在實踐中創新運用，實現裝備能力的二次飛躍[2]。院校教育作為人才培養供給側的關鍵一步，毫無疑問要與崗位任職需求“精準對接”，實現強軍英才的高匹配輸送。

如何系統高效地組織教學內容，提高教學水平，是提高教學活動效果的關鍵。但無人飛行器總體設計課程存在課程內容針對性不強、教學方法不夠科學、課程考核片面等問題。筆者結合多年來開展無人飛行器總體設計課程教學的實踐經歷，在系統分析課程特點和面臨困境的基礎上，提出若干課程改革建議，以期為無人機專業人才的培養提供參考。

一、無人飛行器總體設計課程的特點

無人飛行器總體設計課程作為無人機專業技術人才培養的基礎課程，一方面，要求起到啟蒙教育的作用，讓學員系統認識無人機及其應用過程；另一方面，要求起到專業素養培養的作用，讓學員能夠熟練掌握無人飛行器總體設計的多個學科知識[3-4]。該課程有以下3個特點。

（一）系統性、總體性強

無人飛行器總體設計從飛行器的任務需求出發，確定系統總體方案，其中分系統與多參數綜合協調、折衷權衡與反復迭代是飛行器設計的重要環節。在授課過程中，該課程涉及飛行器設計、空氣動力學、航空材料學、飛行力學、導航技術、電磁學、航空氣象學、空域管理等多個學科知識。無人飛行器總體設計的過程是一個典型的多約束輸入、多參數輸出、多學科總體優化的過程。

（二）理論與實踐結合度高

無人飛行器總體設計除了要為學員建立一個無人機核心及相關技術的多層次、多梯度的理論知識體系外，還要通過實踐觀摩和驗證，培養學員對實際系統的工程認知和實踐動手能力。因為無人飛行器的最終目的是完成特定的任務，而不僅僅是解決飛行的問題。

（三）區別于傳統有人機設計課程

無人飛行器總體設計與傳統有人機設計既有技術繼承，又有設計思路、設計原則等諸多不同。傳統飛行器總體設計課程內容無法體現無人飛行器總體的特點，也難以涵蓋無人飛行器總體設計的全部內容，如載荷、通信系統設計、自主控制、任務規劃等內容對于無人飛行器總體設計而言更為重要，而這些內容在有人機設計過程中通常不作為重點內容考慮。

二、當前存在的問題

與無人飛行器總體設計接近的課程包括飛機總體設計、飛行力學、空氣動力學、飛行控制等。國內外各航空領域優勢高校均開設了類似的課程，如美國南新罕布什爾大學開設的無人飛行器系統設計（Design of Unmanned Aerial System）[5]，北京航空航天大學開設的飛機總體設計[6]等。同時，近年來，結合中國大學MOOC（慕課）、軍職在線等在線平臺，已經建設了部分在線課程，如南京航空航天大學的國家級精品在線課程無人機設計導論課[7]。然而，現有的無人飛行器總體設計課程教學體系在課程內容設置、課堂教學模式等方面都存在一定的局限性，制約了教學效果的進一步提升。主要體現在以下3個方面。

（一）課程內容針對性不強

無人飛行器作為傳統有人機、新型傳感器和控制技術相結合的高科技產物，既與傳統飛機設計有相似的地方，也有諸多不同，如在設計流程、約束條件（過載要求、人機功效等）、系統組成（自駕儀、地面站、載荷、數據鏈等）等方面存在較大差別[8-11]?，F有課程體系主要是基于傳統飛行器設計知識的裁剪和綜合，針對性不強，需要結合無人機設計的特點進一步優化。

（二）課時局限，學員難以深度掌握課程內容

無人飛行器總體設計課程是一門兼備綜合性、創新性和實踐性的課程，一方面要求學員掌握基本的氣動、結構、動力、控制、載荷等基礎知識，另一方面要求學員形成多學科總體設計權衡的思維，這就要求學員對相關學科的知識有深刻的理解[12-13]。然而，在有限的課時下，通常無法讓學員在課堂上深度掌握該課程。為此，需要打破課時局限，利用線上資源和學員的自由時間，發揮學員自主學習的能動性。

（三）教學與考核方式單一，難以滿足對學員綜合知識運用能力的考核要求

目前，無人飛行器總體設計課程的授課形式主要以課堂授課為主，考核形式主要以平時作業和課程考試為主。由于無人飛行器總體設計的實踐性和創新性較強，若單純采用課堂授課的方式，學員的參與度有限，動手實踐更是難以實現，學員的學習興趣和潛能不能被激發出來。需要進一步優化教學形式，通過課堂講授、創新研討與綜合實踐相結合，提高教學效果?？己朔绞椒矫?，單一的考核方式只能體現學員對基礎知識和基本方法的考核，無法滿足對學員高階性、創新性和挑戰度的能力考核要求。所以，應進一步改革傳統的考核方式，多方面考核、評估學員的能力。

三、課程改革建議

針對無人飛行器總體設計課程當前存在的問題，從課程內容優化、教學手段創新、考核評價方式改革等方面，提出課程改革的建議。

（一）優化教學內容

以培養高素質新型無人飛行器總體設計人才為目的，對現有課程內容進行優化。在強調基礎理論和基礎方法的基礎上，注重知識、能力、素質的有機融合，培養學員解決復雜問題的綜合能力和高級思維。課程內容有前沿性和時代性，以應用需求為牽引，堅持基礎理論與應用兩條線并行；圍繞總體設計方法開展教學，培養學員系統分析、總體設計、靈活應用的能力，幫助學員快速理解裝備。

無人飛行器總體設計課程的內容可分為概念與總體設計方法、氣動設計與性能分析、關鍵分系統設計、戰術運用四個大的模塊（見圖1）。概念與總體設計方法模塊主要針對無人機的發展應用歷史、分類與特點，以及多學科多參數耦合的總體設計方法進行講授。氣動設計與性能分析模塊主要講授無人飛行器的飛行原理、飛行性能分析、結構與制造基礎知識，讓學員理解飛行器的基本設計方法，特別是在復雜極端條件下的飛行能力約束。關鍵分系統設計模塊包括無人飛行器作為一個完整系統所必須掌握的知識點，回答不同任務環境下的動力與推進設計、任務載荷系統設計、數據鏈設計、發射回收系統設計等裝備運用中面臨的實際問題。戰術運用模塊圍繞任務指揮層面涉及的任務方案規劃、航跡規劃、集群作戰等知識要點開展高階教學，培養學員對抗式戰術綜合運用的思維。

此外，該課程要求緊貼實戰，重視案例式教學，潛移默化開展思政教育。課程結合相關軍事熱點問題進行開放性專題研討。如近年來局部戰爭中無人機執行斬首行動、恐怖襲擊、飽和攻擊等作戰模式，通過分析攻防兩端的裝備特點和實際運用效果，激發學員對裝備能力和戰法運用重要性的思考。結合實際裝備發展和運用的案例，潤物細無聲地開展課程思政教育，培養學員的航空報國情懷[14]。同時，通過裝備對比分析，從技術的視角剖析客觀差距，培養學員的危機意識，激發學員趕超國際一流水平的激情。

（二）創新教學方法

翻轉課堂是線上線下混合式教學的有效策略，它是以學生為中心的教學方式的革命，顛覆了傳統課堂教學中老師講、學生聽的模式?？梢砸胄∫幠Ｏ拗菩栽诰€課程（Small Private Online Courses，SPOC）教學方法，在充分利用在線資源的基礎上，克服在線課程大規模、無互動和無先修條件等問題，發揮小班教學的優勢，提升學生的參與度，促進師生互動。

小規模限制性在線課程的實施思路如圖2所示。教師要分析無人飛行器總體設計課程知識點的層次，根據不同的教學內容，設計不同的混合式教學方案。將無人飛行器總體設計的知識點和技能點分成基礎知識、設計計算、工程案例三大類，這三者的難度依次增大。對于難度較低的基礎知識，課前預習以閱讀教材、觀看微課和課前測試為主。教師根據學生的線上學習情況及課前測試情況，在課堂上有針對性地講解，并對重點和難點進行總結和強調，同時回答學生的疑問，或組織學生之間互相提問解答。對于難度適中的設計計算，課前預習以閱讀教材、觀看微課動畫、查閱資料為主，教師在課堂上主要進行討論答疑、重難點講解，組織學生進行問題討論、頭腦風暴，并提供實踐案例進行分析，提高學生參與課堂的主動性。而對于難度較大的設計計算，課前預習以閱讀教材、查閱資料、做思考題為主，教師在課堂上組織學生討論答疑、學生互評或教師點評課前作業。

（三）優化考核評價方式

改革傳統的考核方式，加大過程化和實踐性考核的比重，形成形成性考核和終結性考核相結合的考核形式（見圖3）。形成性考核綜合在線學習情況、課后作業、實踐試驗報告、專題研討匯報等內容，主要考查學員在線預習、上課出勤、課堂討論、課前測試、隨堂測試、課后作業等情況，有助于提高學員參與課堂教學的積極性，從而更好地實現教學目標。終結性考核主要考查學員對基礎知識、基本概念的準確掌握程度和靈活運用所學知識解決實際問題的能力，其中知識運用題目在終結性考核中的占比達到70%，可以有效地把控學員對課程知識的掌握程度，為開展后續課程學習打好基礎。通過引入多樣化的考核機制，提高實踐試驗報告、專題研討匯報、知識運用等內容的考核比例，對基礎知識深入理解、關鍵方法牢固掌握、運用模式融會貫通等提出更高的要求，可以有效提升課程的挑戰度。

四、結語

無人飛行器總體設計課程是飛行器設計與工程專業的核心專業課程，課程內容系統性、總體性強，理論與實踐結合度高。本文以培養具有無人飛行器設計、論證、研制、試驗和應用等高水平專業人才為目標，深入剖析了制約課程教學效果的問題，提出若干課程改革建議，以期為后續開展教學實踐提供指導。

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［責任編輯：黃緊德］