許　謹(jǐn), 席劍輝, 王揚(yáng)揚(yáng)

(沈陽航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院, 遼寧 沈陽　110136)

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面向航空的自動化專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)實踐教學(xué)探討

許謹(jǐn), 席劍輝, 王揚(yáng)揚(yáng)

(沈陽航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院, 遼寧 沈陽110136)

為培養(yǎng)面向航空的自動化專業(yè)創(chuàng)新型人才,從實踐環(huán)節(jié)入手,在大三下學(xué)期試驗性地增加旋翼飛行器的實踐環(huán)節(jié),該實踐環(huán)節(jié)突破學(xué)時限制,在整個學(xué)期穿插進(jìn)行。學(xué)生以旋翼機(jī)為平臺自行設(shè)計課題,給學(xué)生充分的空間和時間自由發(fā)揮,學(xué)生的能動性、自主性、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力在教育過程中得到培養(yǎng)。同時彌補(bǔ)了單個實驗相互獨立、缺乏系統(tǒng)性的不足,學(xué)生在課題開展的過程中,將自動化專業(yè)知識與航空知識有效結(jié)合,達(dá)到了較好的效果。

自動化專業(yè)； 創(chuàng)新型人才； 實踐環(huán)節(jié)； 旋翼飛行器

如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實踐能力的人才一直是高等教育討論的熱點話題,也是高等學(xué)校的使命,高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)是落實科學(xué)發(fā)展、實現(xiàn)科技強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)[1-2]。哈佛大學(xué)前校長陸登庭曾指出：在邁向新世紀(jì)的過程中,一種最好的教育就是有利于人們具有創(chuàng)新性,使人們變得更善于思考,更有追求的理想和洞察力,成為更完善、更成功的人。阻礙大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的兩個障礙是思維標(biāo)準(zhǔn)化和知識無活力化[3],每一名大學(xué)生在求學(xué)的道路上都要經(jīng)歷上千次的考試,隨著考試次數(shù)的增加，其靈感、悟性也隨之減弱,形成了受教育程度越高,思維越單一,視角越狹隘,凡事均按標(biāo)準(zhǔn)答案思考。考試的磨練使學(xué)生只會運(yùn)用所學(xué)知識答題,很少或不能在實踐中加以運(yùn)用,終使學(xué)生學(xué)非所用,學(xué)用脫離。航空航天工業(yè)的發(fā)展都伴隨著技術(shù)、產(chǎn)品、材料、工藝及管理方法的創(chuàng)新,同時需要具有創(chuàng)新意識的人才投入,而培養(yǎng)面向航空的創(chuàng)新型人才是航空航天類院校的重要使命。

1　問題提出

在我國很多工科大學(xué)的學(xué)生在大一、大二主要學(xué)習(xí)數(shù)理基礎(chǔ),從大三開始學(xué)習(xí)專業(yè)相關(guān)課程,一個學(xué)期需要學(xué)5～6門專業(yè)課,許多課程都不知道為什么學(xué),更談不上如何運(yùn)用。做實驗也是馬馬虎虎,動手機(jī)會少，有的還不愿意動手,最后交一份實驗報告就行。大四下學(xué)期開始畢業(yè)設(shè)計,許多學(xué)生把先前學(xué)到的知識都已忘記,再加上就業(yè)壓力大,所以畢業(yè)設(shè)計也失去了原有的意義,大部分學(xué)生突擊完成,應(yīng)付了事。

我校自動化專業(yè)成立于2000年,與航空相關(guān)的自動化專業(yè)實踐教學(xué)與其他同類院校相比基礎(chǔ)薄弱,設(shè)備缺乏,專業(yè)課的實驗仍以傳統(tǒng)的為主,難以滿足面向航空的自動化專業(yè)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)需求。在實踐環(huán)節(jié)中有兩周下廠實習(xí),安排在大四上學(xué)期,通常是組織學(xué)生到航空企事業(yè)單位學(xué)習(xí),在一定程度上能直觀了解本專業(yè)和航空領(lǐng)域的某些實際情況,但由于企事業(yè)單位本身設(shè)計生產(chǎn)任務(wù)繁忙且有保密要求,沒有時間安排或不能讓學(xué)生深入學(xué)習(xí),其實踐活動從某種意義上只能說是走馬觀花。

從上述問題可看出導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力不高的基本原因：以理論知識灌輸?shù)慕虒W(xué)方式為主；理論知識闡述與實踐環(huán)節(jié)脫離,實踐環(huán)節(jié)淡化；考核機(jī)制單一且標(biāo)準(zhǔn)化。這幾點都不利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。究其根源,主要原因是對教學(xué)過程中學(xué)生主體地位的忽視[4]。教育過程中,學(xué)生的主體性并不是與生俱來的,可在后天進(jìn)行培養(yǎng)[5]，在實踐教學(xué)中亦是如此。我校自動化專業(yè)實踐環(huán)節(jié)存在著各門課程的實驗或一門課程的單個實驗相互獨立、缺乏系統(tǒng)性的情況,實驗多以驗證性為主,對于一些綜合性、設(shè)計性實驗，由于設(shè)備數(shù)量不足,只有部分動手能力強(qiáng)、愿意積極思考的學(xué)生得到鍛煉。要通過實踐有效地培養(yǎng)廣大學(xué)生的動手實踐能力及綜合應(yīng)用專業(yè)知識解決實際工程問題的能力，使學(xué)生在學(xué)校中形成的主體意識和主體能力有堅實的基礎(chǔ),學(xué)生走出校門后,就能很快地適應(yīng)復(fù)雜多變的社會生活[6]。

2　旋翼飛行器實踐教學(xué)方案

2.1方案提出

為了加強(qiáng)學(xué)生在教育過程中的主體地位,發(fā)揮學(xué)生在教育過程中的能動性、自主性和創(chuàng)造性,在大三自動化專業(yè)部分學(xué)生中試驗性的增加旋翼飛行器的實踐環(huán)節(jié)。旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎、機(jī)動性強(qiáng)、性能卓越的垂直起降無人機(jī),現(xiàn)階段已顯示出其重要的軍事、民用及科研價值[7]。學(xué)生可借助于旋翼飛行器平臺,開展多學(xué)科綜合設(shè)計研究及實驗的創(chuàng)新實踐活動。通過旋翼飛行器實踐環(huán)節(jié)的實施,學(xué)生能達(dá)到：了解旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)組成；掌握旋翼飛行器的控制方法；熟悉旋翼飛行器的操作和相關(guān)應(yīng)用。

2.2方案設(shè)計

很多從事航空領(lǐng)域工作的專家曾指出：航空模型的設(shè)計與制作對從事飛機(jī)設(shè)計的人員,有不可忽視的作用[8]。旋翼飛行器涵蓋了計算機(jī)科學(xué)、傳感器、機(jī)械設(shè)計、通信電子以及自動控制等多種交叉學(xué)科的技術(shù)[9-11],根據(jù)旋翼飛行器和自動化專業(yè)的特點設(shè)計實踐環(huán)節(jié),我校自動化專業(yè)大三的學(xué)生已經(jīng)掌握了一些力學(xué)及機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)的基礎(chǔ)知識,并學(xué)習(xí)了電類和編程語言的相關(guān)知識,通過教師的引導(dǎo)和學(xué)生學(xué)習(xí),可以完成旋翼飛行器的制作、調(diào)試、試飛等工作。

實踐環(huán)節(jié)安排在大三下學(xué)期穿插進(jìn)行。初始階段集中安排4學(xué)時左右的理論基礎(chǔ)授課,主要講述旋翼機(jī)的結(jié)構(gòu)和飛控的原理等基礎(chǔ)知識。然后組織學(xué)生自由進(jìn)行分組,要求學(xué)生經(jīng)過小組討論,獨立就旋翼飛行器某一應(yīng)用提出設(shè)計和試驗方案,或?qū)ζ渲械囊粋€重要環(huán)節(jié)提出深入研究和試驗方案,給學(xué)生充分的空間和時間自由發(fā)揮,通過學(xué)生主動地查閱資料,與同學(xué)、教師探討,提高學(xué)生的主動性和創(chuàng)造性。學(xué)生設(shè)計出的如旋翼飛行器實現(xiàn)送餐、姿態(tài)檢測模塊設(shè)計、飛控算法研究等課題,利用一個學(xué)期的時間自行對課題展開研究,并最終提交實踐報告并通過答辯評定成績，其實施流程如圖1所示。

圖1　實踐環(huán)節(jié)實施流程

在成績評定方面,重視學(xué)生對問題的研究過程,鼓勵學(xué)生進(jìn)行團(tuán)隊合作,不以項目能否完成為單一的評定標(biāo)準(zhǔn),即使有些項目失敗,能提交一份詳盡的分析報告,對失敗的原因進(jìn)行充分分析和總結(jié),也會獲得很好的成績,這樣能培養(yǎng)學(xué)生的探索精神。

2.3方案實施

根據(jù)學(xué)生提出的研究方案為學(xué)生提供旋翼飛行器的基本配件,如常規(guī)機(jī)架、自動駕駛儀、遙控、電調(diào)、電機(jī)、槳葉等,若不是常規(guī)布局的飛行器,則提供相關(guān)加工材料、設(shè)備及場地。因自動駕駛儀開發(fā)難度較大,為學(xué)生提供開源自動駕駛儀APM_V2.8.0,該款自動駕駛儀可應(yīng)用于固定翼、直升機(jī)、多旋翼、地面車輛等,同時還可以搭配功能強(qiáng)大的地面控制站。地面控制站中可以在線升級固件、調(diào)參,使用一套全雙工的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在地面站與自駕儀之間建立起一條數(shù)據(jù)鏈,即可組成一套無人機(jī)自動控制系統(tǒng),非常適合自動化專業(yè)學(xué)生進(jìn)行無人機(jī)項目研發(fā)。其硬件包括[12]處理器ATMEGA2560、六軸MEMS傳感器MPU6000、高精度數(shù)字空氣壓力傳感器MS-5611、存儲器AT45DB161D、三軸磁力計HMC5883等,其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　APM_V2.8.0硬件結(jié)構(gòu)框圖

開始時項目組學(xué)生共同學(xué)習(xí)旋翼飛行器的基礎(chǔ)知識和開源自動駕駛儀硬件及軟件,然后通過項目組討論確定各功能模塊,根據(jù)學(xué)生的特長進(jìn)行分工合作,例如,擅長硬件的學(xué)生承擔(dān)在開源自動駕駛儀上添加傳感器任務(wù),擅長理論的學(xué)生可以設(shè)計濾波算法或控制算法,擅長軟件的學(xué)生承擔(dān)算法實現(xiàn)或上位機(jī)軟件開發(fā),同時也可以把有操作興趣的學(xué)生培養(yǎng)為無人機(jī)操作手。通過項目組分工合作的實踐模式,學(xué)生在實踐中夯實了理論基礎(chǔ),并在理論的指導(dǎo)下進(jìn)行了實踐,提高了自動化專業(yè)航空方面的實踐能力。學(xué)生將自己的創(chuàng)意通過實驗進(jìn)行驗證,大大提高了創(chuàng)新興趣。

3　實施效果及思考

在實施過程中學(xué)生通過對資料和文獻(xiàn)的閱讀,掌握了旋翼飛行器的模型建立和仿真,并可以根據(jù)課題需求進(jìn)行電機(jī)、電調(diào)、槳葉選型等。旋翼飛行器的實踐環(huán)節(jié)是一個連續(xù)的過程,類似于較完整的科研過程,能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,在學(xué)習(xí)的過程中得到多方面的鍛煉,許多學(xué)生認(rèn)為在實踐過程中培養(yǎng)了解決問題的能力,同時一些理論知識在實踐中也能得以運(yùn)用。

在實施的過程中也反映了一些不足之處。首先,旋翼飛行器的實踐環(huán)節(jié)實施過程較長,有部分學(xué)生在前期和中期精力投入很少,在最后階段突擊完成；其次,有部分課題的大部分工作是由一兩名學(xué)生完成；再次,旋翼飛行器的實踐環(huán)節(jié)涉及的相關(guān)專業(yè)較多,對指導(dǎo)教師的要求較高,現(xiàn)有的教師資源不足；最后,旋翼飛行器的實踐環(huán)節(jié)實施時間長,但學(xué)時數(shù)有限,在一定程度上打擊了教師的積極性。如何進(jìn)行有效的過程監(jiān)控、如何調(diào)動項目組全體學(xué)生的積極性、如何培養(yǎng)具有綜合能力的指導(dǎo)教師、如何調(diào)動教師的積極性將是今后工作中需要解決和完善的問題。

4　結(jié)語

旋翼飛行器的實踐環(huán)節(jié)將航空相關(guān)知識、自動化專業(yè)的理論知識和創(chuàng)新實踐相結(jié)合,學(xué)生對知識的理解和運(yùn)用得到提升,同時為學(xué)生提供了創(chuàng)新實踐的空間,在實踐的過程中學(xué)生發(fā)揮自己的專長,找到適合自己的發(fā)展方向,實踐環(huán)節(jié)的實施得到了學(xué)生的認(rèn)可。

References)

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Discussion of cultivating innovative talent of automation specialty oriented to aviation

Xu Jin, Xi Jianhui, Wang Yangyang

(School of Automation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136, China)

In order to train the innovative talents of automation specialty oriented to aviation. Starting from the practice,the practical process of rotor aircraft was increased in next semester of Grade 3 experimentally,which breaks the limits of time and interspersed throughout the whole term. The students take the rotor machine as the platform, and design their own issues. This part gives students full space and time to play,and their activity,independence, and the innovation spirit and ability are cultivated in the process of education. At the same time,it makes up for the lack of mutual independence and lack of systematic study. In the process of carrying out the project,the students will combine the knowledge of automation and aviation knowledge effectively to achieve better results.

automation specialty; innovative talents; practical link; rotor aircraft

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.006

2015- 11- 27

遼寧省普通高等教育本科教學(xué)改革研究項目(UPRP20140201)

許謹(jǐn)(1977—)，男，陜西禮泉，碩士，高級工程師，主要研究方向為模式識別與智能系統(tǒng).

E-mail：syhkxujin@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)5- 0017- 04