智能无人飞行器“三位一体”创新实践教学模式及应用

摘  要：创新实践能力是高素质专业化人才的核心能力，创新实践教学已成为高校教育教学的重要工作。针对飞行器设计创新实践能力培养需求，围绕智能无人飞行器创新实践的教学设计、教学方法和教学条件三个方面开展研究，构建以“实战化教学设计、智慧式教学方法、复合型教学平台”为内涵的“三位一体”创新实践教学模式，并应用于无人机、浮空器、火箭、导弹和卫星等智能无人飞行器实践教学，在激发学习兴趣、培养创新能力、保障部队演训等方面显现良好效果。

关键词：实践教学；教学模式；创新能力；无人飞行器；飞行器设计

中图分类号：G643   文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）34-0060-04

Abstract： Innovative practical ability is the core ability of high-quality innovative talents， and innovative practical teaching has become an essential task of education and teaching reform in colleges. First， the actual needs of military technical education and engineering education of the intelligent unmanned aerial vehicles are clarified. Second， the teaching design， teaching methods， and teaching conditions for innovative practice of intelligent unmanned aerial vehicles are investigated， and a trinity mode for innovative practice teaching is proposed， which is expatiated as "practical teaching design， intelligent teaching methods， and composite teaching platform". Finally， the innovative practice teaching mode is applied to practical teaching of quad-rotors， aerostat， rockets， missiles， satellites and other intelligent unmanned aerial vehicles， which demonstrates good performances in stimulating learning interest， cultivating innovative abilities， and ensuring technical service.

Keywords： practice teaching; teaching mode; innovation ability; unmanned aerial vehicles; aircraft design

无人机、浮空器、火箭、导弹和卫星等无人飞行器广泛应用于侦察监视、通信中继、电子干扰、火力打击和毁伤评估等军事领域，已经成为联合作战力量体系的重要组成部分，并持续驱动战争形态的演化变革[1]。2017年7月，习近平主席向国防科技大学致训词：“国防科技大学是高素质新型军事人才培养和国防科技自主创新高地。要紧跟世界军事科技发展潮流，适应打赢信息化局部战争要求，抓好通用专业人才和联合作战保障人才培养，加强核心关键技术攻关，努力建设世界一流高等教育院校[2]”。2022年10月，党的二十大报告强调，加快无人智能作战力量发展[3]。由此可见，培养联合作战保障人才，特别是无人飞行器作战领域的高素质专业化军事人才，成为学校教育教学的重中之重。

实践教学是培养高素质专业化军事人才的重要途径和有效手段[4-6]。智能无人飞行器的实践教学涉及总体设计、建模分析、试验验证和实践应用等多个环节，当前，在以下三个方面尚有待改进与提高：一是偏重理论研究和设计分析的实践项目难以对接部队作战训练的实际需求；二是“边讲解边示教”“手把手教”等传统教学方法难以适应信息化、智慧式教学的发展趋势；三是单一的课程综合实验室、研究生创新实践中心等教学平台难以提供演示验证试验和实践应用所需的条件保障。综上，积极探索并不断优化智能无人飞行器创新实践教学模式，具有强劲需求驱动与重大实现意义。

国外高校普遍重视创新实践教学。20世纪末，美国提出“回归工程”这一概念，注重高校与企业、社会的联系，大力加强实践教学[7-8]。德国采用校企合作方式和弹性学制，以此强化学生的实践能力[9]。英国高校采用“协作式”培养模式，将大学的基础研究优势与企业的应用需求紧密结合起来[10-12]。校企结合、强化实践是国外高校实践教学的鲜明特征。国内相关航空航天院校高度重视飞行器创新实践教学，建立工程训练中心和实习基地，制定并实施实践能力培养方案，不断强化实践教学。北京航空航天大学宇航学院实施了具有交叉融合特色的实践教学改革，从立体化实验体系、综合性教学大纲、智能化实践平台等方面，将飞行器、控制与信息处理等学科专业进行交叉融合，培养学生的系统思维、设计思维、工程思维[12]。国防科技大学空天科学学院以探空火箭、微纳卫星、无人机和浮空器等为研究对象，开展了多层次的飞行器实践教学探索，指导学生获得多项国家级科技竞赛奖励，全面提高了学生的创新实践能力[13-14]。西北工业大学通过开展科技制作、创新研究和学科竞赛等途径，引导学生学习和综合运用多学科知识，提高创新实践能力。同时，大力改革实践教学内容和教学方法，将科研项目成果转化为综合性、设计性、创新性实践项目，推动以掌握新知识为核心的教学模式改革，培养学生在实践中掌握新知识、应用新知识的水平和能力[15]。南京航空航天大学机电学院针对飞行器制造工程专业实践教学存在的问题，建立了相应的实践教学体系，该体系基于一个机型而不仅仅是几个典型零件，将实践教学和课程教学紧密结合，使各学科知识点贯穿为一条完整的“线”[16]。沈阳航空航天大学自动化学院突破实践环节的学时限制，将实践教学贯穿整个学期，将自动化专业知识与飞行器设计实践紧密结合，有效弥补了单个实验教学相互独立、缺乏系统性的不足[17]。南昌航空大学为适应航空产业转型升级对航空制造人才提出的新要求，将专业胜任能力、职业道德、工程实践能力贯穿人才培养全过程，构建了适应航空工艺装备设计制造需求的实践教学体系，有力支撑了产教融合的人才培养目标[18]。

上述研究成果为创新实践教学提供了参考和借鉴。然而，针对实战化教学与工程教育内涵发展的现实需要，如何将实践教学与部队作战训练需求和工程教育理念相结合，是军事院校创新实践教学亟需解决的核心问题之一。因此，本文以作战训练任务需求为牵引、以工程教育为基础、以能力产出为导向，从教学设计、教学方法和教学条件三个方面，开展智能无人飞行器创新实践教学改革与探索。

一 “三位一体”创新实践教学模式的内涵

创新实践教学模式是指在一定的教育思想和教育理论指导下，为实现创新实践能力培养这一目标而采取的一系列培养方式、方法、举措及配套条件[5，19-21]。本文针对前述三个方面的问题，紧贴部队作战训练任务需求、改进实践教学方法、整合军内外教学资源，围绕智能无人飞行器创新实践的教学设计、教学方法和教学条件等方面开展研究，构建了“三位一体”创新实践教学模式，如图1所示。以能力产出为导向，反向设计、正向实施“基础课程实验+专业综合设计+学位论文研究+课外科技竞赛+重大课题研究+部队实训实用”六层递阶式实践项目群；以实践项目为驱动，实施信息化智慧式实践教学方法；以联教联训为途径，构建“作战部队-试验基地-随营学校-科研院所-军工企业”复合型实践教学平台。

（一） 实战化实践教学设计

针对创新实践能力培养目标不够明确、实践项目军事特色不够鲜明等问题，深度融合“学为战”和工程教育理念，紧贴部队作战训练需求，以能力产出为导向，反向设计六层递阶式实践项目群。将智能无人飞行器创新实践能力培养定位为“具备能够创造性解决无人飞行器总体设计、分析、试验与应用中复杂工程问题的能力”，具体为：①运用系统性思维从作战训练实际需求中发现问题的能力；②设计、分析和优化智能无人飞行器总体方案的能力；③构建数学模型描述和解决导航、制导与控制问题的能力；④设计、实施和评估智能无人飞行器试验的能力；⑤运用无人飞行器解决作战训练实际问题的能力。对照上述创新实践能力，以作战训练需求为牵引，整合我校在无人机、浮空器、火箭、导弹和微纳卫星等方面的优质教学资源和高水平科研成果，依托国家重大专项、重大装备型号任务等科研项目，以能力产出为导向，采用反向设计的方法（图2），构建“基础课程实验+专业综合设计+学位论文研究+课外科技竞赛+重大课题研究+部队实训实用”的六层递阶式实践项目群，将实践能力培养目标通过一个个环环相扣、循序渐进的实践项目来实现。

（二） 智慧式实践教学方法

针对实践教学方法较为单一、教学手段较为落后等问题，运用雨课堂、腾讯会议、云班课、微课等信息化教学手段构建“智慧教室”，实施启发式、案例式、研讨式、演示式和体验式等“智慧式”教学法（图3），参照重大工程研制组织结构，指导学生自主组建对应总体设计师、专业设计师、主任设计师及核心技术人员“四个职责”的创新研究小组，开展智能无人飞行器“虚拟仿真试验+模型在环试验+快速原型试验+硬件在环试验+演示验证试验+装备实际应用”六层递阶式实践教学，从而实现理论讲授和工程实践有机结合、基础知识与专业技能紧密联系、技术方案与系统研发有效贯通、装备应用与部队需求无缝对接的四个维度的教学目标。

（三） 复合型实践教学平台

针对实践教学平台较为匮乏、实践教学资源较为分散等问题，以作战部队、试验训练基地等部队为依托牵引军事需求和实装训练，以“快速响应空间系统与技术”教育部重点实验室、“空天跨域飞行器总体与控制”湖南省重点实验室、湖南省微小卫星研究生联合培养基地和研究生创新实践中心为基地实现能力培养和创新孵化，以航天科技集团、航天科工集团、兵器集团等工业部门为支撑形成技术应用与成果转化，构建集成“作战部队-试验基地-随营学校-科研院所-军工企业”的“五链式”创新实践平台（图4），跨学科、跨专业、跨单位、跨军地组建实践教学团队，在科研条件、教学资源和师资力量等方面与学校现有实践教学环境形成良性互补，协同支撑研究生开展课程学习、课内实践、课外创新、论文研究与部队实习，打造了“天拓”纳星、“天航”小火箭、“天翔”无人机和“天梭”浮空器等创新实践品牌，全方位提升了学生的创新实践能力，形成了“军-地-校”协同育人、共同发展的多赢局面。

二  “三位一体”创新实践教学模式的应用效益

（一）  直接服务于实践教学，受益面辐射全国

该教学模式直接服务于学校相关专业的创新实践教学，学生实践能力得到显著提升。2014年至2022年，累积开设10余门课程实验，选课人数达1 200人；累积开设综合实践项目10余项，选课人数达800人。面向全国率先建成了导弹总体设计国家级一流课程、航天器控制原理虚拟仿真试验系统，共有航天工程大学和火箭军工程大学、北京航天航空大学、哈尔滨工业大学和西北工业大学等10余所高校，共600余名学生使用，获得师生一致好评。多次组织实施了火箭测试发射试验教学，受到参训学生的一致好评。先后举办了“先进卫星技术”“先进飞行器设计”等多期国际研究生暑期学校，累计600余人参加。

（二）  支撑各类高水平创新实践活动，创新实践成果显著

指导学生开展各类高水平创新实践70余项，完成了以“天拓”微纳卫星、“天航”小火箭（图5）、“天梭”浮空器、反恐排爆无人机和智能单兵系统（图6）为代表的一系列军事特色鲜明的智能无人飞行器创新作品。以微纳卫星为例，依托研究生创新基地，先后成功发射世界首颗单板纳星“天拓一号”、国内首个集群卫星“天拓三号”、我国首个卫星在轨加注实验卫星“天源一号”，指导学生参与国际航天合作项目（QB50计划），成功研制“国防科大立方星”，取得了5年5次成功发射10颗微纳卫星的成绩。指导学生参加世界大学生立方星挑战赛、中国国际飞行器设计挑战赛、中国研究生未来飞行器创新大赛等高水平科技竞赛，获一等奖10余项、二等奖20余项。其中，《智能单兵系统》《仿生飞艇》等作品被中央电视台、《科技日报》和国际仿生工程学会等报道。