邱玉婷，崔 劍，馬鵬舉，孟 瑩

（1.北京航空航天大學 工程訓練中心，北京 100191；2.北京航空航天大學 網(wǎng)絡空間安全學院，北京 100191）

新一輪科技革命“中國制造2025”“工業(yè)5.0”“人工智能”“5G 通信”等無不體現(xiàn)了多學科交叉與融合的態(tài)勢。目前，教育部正在積極推進新工科建設，提倡學科交叉融合[1-2]。普及交叉學科的研究和教育已成為世界一流大學的趨勢[3-5]。開展多學科交叉的教學不僅有助于拓寬學生的知識面，提升其多學科視角分析并解決綜合性科技問題和工程的能力，而且也是培養(yǎng)跨學科創(chuàng)新成果的復合型人才的重要舉措[6-8]。

2019 年度英國開放大學發(fā)布的《創(chuàng)新教學報告》曾指出，要用新技術賦能教學，特別強調(diào)了“基于無人機的學習”的教學法[9]。無人機技術的教學應用之所以引起了世界各國的高度重視，主要是因為這一載體融合了航空工程、機械工程、高新材料、信息科學、通信技術、工業(yè)設計等多個學科的多項應用技術，蘊藏著極其豐富的教育資源，也是理想的綜合性工程訓練的教學載體[10-14]。為了響應新工科建設的號召，北京航空航天大學工程訓練中心（以下簡稱“訓練中心”）以多旋翼無人機作為教學載體，開展了多學科交叉的實踐教學項目，精心設計了“無人機制作與競技”課程，以構建新的跨學科教學體系，達到培養(yǎng)學生學科交叉綜合應用能力的目標。

1 “無人機制作與競技”課程性質和教學目標

“無人機制作與競技”課程是訓練中心針對低年級本科生開設的實踐課程，以四旋翼無人機的組裝、材料測試、飛行調(diào)試、飛行技能為主要教學內(nèi)容，以實踐教學為主。課程計劃16 學時均安排在實驗室內(nèi)進行，飛行訓練所需課外場地及時間需預約教師團隊單獨指導，通常課內(nèi)課外學時按1∶1 計。

具體教學目標由以下四個層次組成：

（1）讓學生了解無人機的基本概念，系統(tǒng)了解其發(fā)展現(xiàn)狀和系統(tǒng)組成；

（2）讓學生理解無人機材料、飛行控制等前沿關鍵技術，強調(diào)知識面廣度的同時也注重知識深度；

（3）讓學生掌握材料實驗、電子加工、飛行控制等應用技術，注重理論與實踐相結合；

（4）讓學生以小組為單位完成“理論學習—先進制造—整機搭建—飛行競技”的閉環(huán)教學。

2 “無人機制作與競技”實踐教學的開發(fā)與設計

課程使用的四旋翼無人機主要由材料模塊（型號為250 四軸套機）、飛行控制器CC3D、無線通信模塊（9 通道航模遙控器和R9DS 遙控接收器）、電源模塊（11.1 V 鋰聚合電池和多軸通用電調(diào)分電板）、電子調(diào)速器和無刷直流電機等組成。系統(tǒng)硬件框圖如圖1(a)所示，淺色虛線代表該部件位于機架背面。

圖1 四旋翼無人機

課程由實驗室提供上述無人機硬件配件，同時提供四旋翼無人機裝機和調(diào)試操作手冊一份。此外本學期新增材料模塊測試環(huán)節(jié)：由實驗室提供鋁合金、低碳鋼、塑料、夾布膠木等標準力學性能測試試件；利用先進掃描電鏡直接觀察無人機碳纖維復合材料機架斷裂樣品，幫助學生加深對本課程使用的無人機材料的認識和理解。該課程的教學內(nèi)容由五大部分組成：無人機概述、飛行原理、無人機材料概述及測試、整機搭建和飛行競技。

2.1 無人機概述和飛行原理

無人機概述和飛行原理部分的教學方式均采用“課前自學+課堂學習”。課程面向處于通識教育階段的低年級本科生，如何設計理論教學環(huán)節(jié)進一步提升學生的學習興趣是本門課程的重點。通過整理三期課程積累下來的學生課堂反應，我們了解到學生對于無人機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢等很感興趣。顯然，學生在學習中對于現(xiàn)代“新”科技有著濃厚的興趣，如何在這些科普類內(nèi)容的基礎上引入合適的擴展內(nèi)容，是我們一直在思考和探索的問題。這要求我們在課堂上不僅要向學生展示新科技“炫酷的外衣”激發(fā)其興趣，也應適當引入無人機發(fā)展方向的難點和重點，以引導學生對無人機發(fā)展趨勢進行更加深入的思考。

飛行原理涉及多個學科知識，考慮到學時有限和學生基礎水平較為薄弱，課程教學內(nèi)容并不涉及無人機系統(tǒng)設計，因此在本部分并未按照飛機設計流程進行教學安排，而是以本課程實踐載體四旋翼飛行器為例，重點講述其加減速、滾轉、俯仰、偏航等運動原理；同時對控制系統(tǒng)部分的飛行控制器、動力部分的電機與電調(diào)及傳感器等做基礎性講解。從教學內(nèi)容上來看，這部分內(nèi)容的理論知識比重較大，學習初期學生不一定完全理解，但在后期試飛階段遇到具體飛行困難時，學生會主動返回到該章節(jié)內(nèi)容，利用飛行原理中的具體知識去解決實際飛行中的諸多問題。

2.2 無人機材料概述和實驗

無人機材料既有傳統(tǒng)航空材料的共性，又有其“無人”特點所決定的特性。隨著無人機技術的蓬勃發(fā)展，無人機材料必將引起人們更多的重視，因此增加先進材料概述、發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，不僅可以拓寬學生知識面的廣度，也有助于學生充分利用跨學科思維去探索無人機未來的發(fā)展趨勢?？鐚W科教學體系的建立，既可以幫助學生在今后高階性無人機系統(tǒng)設計中奠定基礎，也可以提升學生利用多學科視角去分析并解決其他綜合性科技問題和工程的能力。

考慮到學生在材料知識方面零基礎的情況，本部分內(nèi)容借助現(xiàn)有先進儀器設備、現(xiàn)有無人機材料、先進材料應用的視頻素材等手段，通過任課教師的深入講解和自身實驗操作，達到實際操作牽引零基礎理論知識的教學效果。牽引的重點是利用先進技術展示現(xiàn)有無人機材料的微觀世界和學生通過真切的實驗環(huán)節(jié)感知材料的宏觀性能，其中包含利用掃描電子顯微鏡對現(xiàn)有無人機碳纖維復合材料的表征（圖2）、幾種典型材料的比強度測定和比剛度測定。通過推進現(xiàn)代科學技術與教學深度融合，加深學生對無人機材料的未來發(fā)展趨勢的理解，進一步激發(fā)學生對于未來材料的探索，變被動學習為主動學習。

圖2 無人機機架顯微結構

2.3 四旋翼無人機整機搭建

整機搭建是分小組進行，3～4 人為一組，每組分配一架四旋翼無人機、一個遙控器和一套拆裝工具。通過任課教師的課件演示說明，由小組學生逐步完成四旋翼無人機拆卸，包括機架結構支架的拆裝、電機和電調(diào)的拆裝（涉及電路板的焊接與測試）、旋翼機整體結構的拆裝、飛行控制系統(tǒng)的校準和調(diào)試（具體教學步驟見圖3）。其中掌握無人機傳感器和遙控器的校對方法是至關重要的，因為飛行姿態(tài)指令的微小偏差會直接影響到飛行路徑，最終對無人機能否完成指定飛行動作產(chǎn)生影響。無人機傳感器和遙控器的校對方法和注意事項也是本門課程教學過程中的重點和難點。

為了最大限度地擴充學生實踐操作時間，這部分內(nèi)容的教學設計采用了翻轉教學。翻轉課堂中，課下學生以任課教師關于無人機安裝和軟件調(diào)試的演示課件為基礎，借助視頻素材、仿真模擬平臺等手段，大致學會本部分內(nèi)容，并把具體問題帶到實踐課堂。課上任課教師以梳理知識脈絡引導學生深度思考為主，把更多時間留給學生開展實踐操作。在實踐操作過程中，多名任課教師集聚現(xiàn)場隨時解答學生問題，及時解決問題。

圖3 四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)的校準和調(diào)試

2.4 四旋翼無人機飛行訓練

飛行訓練是學生實現(xiàn)學以致用、檢驗實踐操作的有效途徑。飛行訓練即增強了“無人機制作與競技”這門課程的實踐性，又增加了這門課程的趣味性與挑戰(zhàn)性。倘若想在初次試飛環(huán)節(jié)中完成起飛、降落及懸停等指定動作，則要求各小組成員在順利完成前期實踐過程中的拆裝與調(diào)試的基礎上，熟練掌握無人機的飛行技能。上述任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能導致學生在試飛過程中無法成功試飛。

四旋翼無人機無法正常實現(xiàn)起飛、降落、懸停的原因與諸多因素有關，比如飛行姿態(tài)校準、飛行控制方向調(diào)整、電機校準、水平校準等。對于這些由學生個體實踐引出的具體問題，實際上都屬于未模型化的實際問題，需要任課教師鼓勵和啟發(fā)學生綜合利用已知的定律或原理去建立模型，從多學科視角去分析問題，去探究因果關系，從而獲得解決具體問題的方法。

2.5 四旋翼無人機飛行競技

飛行競技是無人機實踐課程的考核特色之一。飛行競技共設置了三檔難易程度的操作技能關卡：起飛懸停、直線飛行和障礙飛行。起飛懸停的要求是以懸停20 s 為基準，若實現(xiàn)更長的穩(wěn)定懸?？勺们榧臃?；直線飛行是指無人機按照指定的直線航線，在飛機不落地的情況下，以飛機單程10 m 為基準，若實現(xiàn)多個單程動作可酌情加分；障礙飛行是設定三根旗桿作為障礙物，飛機不落地完成繞一根旗桿圓行飛行1 次以上、繞兩根旗桿八字形飛行1 次以上和繞3 根旗桿穿繞飛行。每人每項有三次操作機會。在開展飛行競技之前，學生通過預約場地和任課教師的時間進行多次飛行訓練。在平日的飛行訓練中，學生與團隊成員會自主地反復推敲課堂上的飛行原理，利用原理來指導無人機的飛行。

3 “無人機制作與競技”實踐教學效果分析

3.1 無人機是跨學科多層次教學的理想載體

無人機涵蓋材料科學、信息與通信、自動控制、動力系統(tǒng)選型與設計、飛行器設計、軟件設計、機械設計、導航與控制、先進加工制造等多個學科的專業(yè)知識，是跨學科教學的理想載體。正是由于無人機這一教學載體的綜合性極強，因此在教學過程中可以實現(xiàn)不同領域專業(yè)知識的模塊化組合。本學期課程探索了合理融入材料科學（新模塊）、信息與通信、自動控制等多個專業(yè)知識，通過多位不同學科背景的任課教師共同為學生構建綜合能力訓練的立體化教學場景。

無人機這個課程載體的可訓練性強，既可以用于初級層次的通識教育，又能用于高級層次的綜合創(chuàng)新訓練。實現(xiàn)無人機實踐課程的多層次教學，實際上是任課教師對無人機教學模塊的重新規(guī)劃與再創(chuàng)作的過程。針對興趣濃厚的學生或具有一定學科背景的高年級學生，在現(xiàn)有課程中合理融入無人機設計、導航與控制、新增傳感器執(zhí)行各種任務等專業(yè)性更強的教學模塊，必然有助于他們實踐能力的鍛煉和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

3.2 實踐是學以致用的有效途徑

在本課程的教學設計上，每個理論模塊都緊跟配套的實踐環(huán)節(jié)，學生需要參與材料測試、無人機拆裝、通信系統(tǒng)焊接、飛行訓練等多個實踐環(huán)節(jié)。在跨學科、充滿未知、充滿挑戰(zhàn)的實踐環(huán)節(jié)做到讓學生有問題可思考、有方法可推敲，重點培養(yǎng)學生解決復雜問題的綜合能力。

解決實踐中各類具體問題的成就感就是學生反復分析與推敲、深入挖掘新理論知識的內(nèi)在動力。在學習過程中，將知識點與操控的無人機聯(lián)系在一起，學生可以更加直觀地掌握這些知識，并迅速讓無人機完成指定飛行動作。無人機順利完成指定動作帶來的成就感，是學生深入學習飛行氣動等相關知識的內(nèi)在動力。我們希望學生更多地依靠內(nèi)在動機而不是外在的壓力去學習，這種深層次的內(nèi)在動力必然會督促學生反復分析與推敲實踐中的具體問題，不僅可以激發(fā)他們學習的興趣，也可以促進他們開展更深層次的有效學習。

3.3 競技的考核形式可提升學習的成效

無人機的飛行競技在本課程的考核中占有重要比例。在最終考核中設立競技選項，從本質上說就是需要激發(fā)學生更深層次的學習動機。飛行競技可以理解為是一道加分題，也可以理解為是一類競技類表演。競技的氛圍可以激發(fā)學生的學習動機，使他們更加主動地去學習。有競技項目作為考核目標，學生在競技過程中表現(xiàn)出來的學習態(tài)度是嚴肅認真的。盡管有人會認為學生是以更高成績?yōu)槟康亩M行學習或者飛行訓練，但他們在競技的過程中更多的是關注是否完成了挑戰(zhàn)任務或者其飛行技術是否超越了同伴。自開課以來，這門課程一直受到學生的好評，選課人數(shù)遠超課程容納人數(shù)，需要以抽簽形式選課。

4 結語

為了更好地培養(yǎng)出具備多學科交叉融合知識背景的復合型人才，本文提出了以無人機為載體的多學科交叉實踐教學，探索了材料科學、信息與通信、自動控制等多個專業(yè)知識的教學環(huán)節(jié)設計，并指出通過優(yōu)化無人機實踐內(nèi)容的深度與廣度，建立多層次教學梯度，以滿足不同知識水平的學生的需求，為他們營造良好的學科交叉融合氛圍。此外，貫穿于無人機實踐教學課程中的多個實踐環(huán)節(jié)不僅極大地提高了學生開展跨學科學習的自主性，而且培養(yǎng)了學生采用多學科視角分析解決實際問題的能力。