胡欣 齊福強

摘要 在新工科人才培養(yǎng)理念引領(lǐng)下，本研究分析無人機空氣動力學(xué)作為無人駕駛航空器系統(tǒng)工程重要專業(yè)基礎(chǔ)課程所存在的問題，引入PBL-LBD教學(xué)法，從“理論與實踐相結(jié)合、基本知識與拓展知識相結(jié)合、繼承與創(chuàng)新相結(jié)合”三方面探討教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，從“理論授課―案例討論―專題研究―融會貫通”全流程探究教學(xué)方式的改革，為探索新工科無人駕駛航空器系統(tǒng)工程本科專業(yè)人才培養(yǎng)方式提供借鑒。

關(guān)鍵詞 無人機空氣動力學(xué)；PBL；LBD；無人駕駛航空器系統(tǒng)工程

中圖分類號：G424文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.035

當(dāng)前我國民用無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，包括無人機產(chǎn)品、企業(yè)、規(guī)模等都增長顯著，全國開設(shè)無人駕駛系統(tǒng)工程專業(yè)的高等院校已達20多所。為做好無人機人才培養(yǎng)頂層設(shè)計，依據(jù)無人駕駛系統(tǒng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)、最新專業(yè)課程標(biāo)準(zhǔn)等，高等院校一般將無人機空氣動力學(xué)作為一門專業(yè)必修課程。該課程特色鮮明，將傳統(tǒng)的空氣動力學(xué)基礎(chǔ)知識與現(xiàn)代高科技的代表無人機緊密結(jié)合，理論性高、實踐性強。作為學(xué)校乃至整個國內(nèi)新開設(shè)的課程，在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式上有必要做一些研究和探索工作。

目前關(guān)于無人機的本科相關(guān)專業(yè)課程改革研究相對較少，無人機專業(yè)課程普遍缺乏理論聯(lián)系實際，學(xué)生實踐、創(chuàng)新能力不足[1-3]。而課堂教學(xué)在教學(xué)中占有重要地位，是實現(xiàn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的重要載體，是課程理念和教學(xué)內(nèi)容的重要體現(xiàn)[4]。教學(xué)內(nèi)容是否合理、教學(xué)方式是否先進，直接關(guān)系到教學(xué)成果的好壞。本文從本學(xué)科特點出發(fā)，借鑒PBL與LBD相結(jié)合的教學(xué)方法，詳細研究無人機空氣動力學(xué)課程的體系建設(shè)，從教學(xué)內(nèi)容設(shè)計和教學(xué)方法上進行探索，為課程教學(xué)改革提供參考。

1課程問題分析

中國民航大學(xué)無人駕駛航空器系統(tǒng)工程專業(yè)于2019年申報獲批，并于2020年開始招生，專業(yè)立足于無人駕駛航空行業(yè)，以無人駕駛航空器行業(yè)應(yīng)用為特色，培養(yǎng)掌握扎實的基礎(chǔ)理論、先進的系統(tǒng)科學(xué)理念、無人駕駛航空器系統(tǒng)工程相關(guān)學(xué)科的專業(yè)知識和運用技術(shù)、具有較強的工程實踐能力、綜合管理能力、國際交流能力和創(chuàng)新精神，具備較高的政治思想素質(zhì)、良好的人文科學(xué)素養(yǎng)和高度的社會責(zé)任感，能夠從事無人駕駛航空器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、運行組織與保障和檢測驗證相關(guān)工作，適應(yīng)無人駕駛航空器行業(yè)發(fā)展需求、德智體美勞全面發(fā)展的應(yīng)用型高素質(zhì)工程技術(shù)和管理人才。根據(jù)專業(yè)“立足民航，面向社會；重視基礎(chǔ)，強調(diào)實踐；層次分明，規(guī)模適度；教研結(jié)合，學(xué)用相輔”的目標(biāo)定位，開設(shè)了四個研究方向：通用航空運行管理研究、通用航空新技術(shù)應(yīng)用研究、無人機運行風(fēng)險分析與控制研究以及無人機智能控制研究，注重學(xué)生理論知識的學(xué)習(xí)和實踐能力的培養(yǎng)。

由于無人駕駛航空器系統(tǒng)工程專業(yè)具有涉及理論知識多、專業(yè)性強、實踐要求高等特點，采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，將會出現(xiàn)教條化、空洞化等諸多弊端，很難激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識，教學(xué)環(huán)節(jié)與實際應(yīng)用脫軌，嚴(yán)重影響教學(xué)效果[5]。無人機空氣動力學(xué)課程主要介紹無人機飛行所面對的環(huán)境，闡述無人機為何能飛起來，探討影響無人機空氣動力特性的因素有哪些。課程建設(shè)目前處于起步階段，總體來看，存在以下問題：

1.1教材難易差別很大，專業(yè)適用性不強

關(guān)于空氣動力學(xué)的出版物較多，但難易差別較大，不易選取。有的教材內(nèi)容選取簡單，知識點不夠細致，構(gòu)不成體系；有的教材設(shè)計過于復(fù)雜，尤其高速空氣動力學(xué)部分過于深入、晦澀難懂，偏向于航空工業(yè)設(shè)計制造學(xué)科，不適用于偏向低空運行的無人機空氣動力學(xué)的教學(xué)。

1.2忽視行業(yè)發(fā)展，滯后性明顯

無人機種類繁多、飛行時間靈活、發(fā)展速度快、安全保障體系尚未健全，相關(guān)法律法規(guī)在不斷更新中，與無人機相關(guān)的課程內(nèi)容陳舊，忽視行業(yè)發(fā)展，滯后性明顯，無法將理論與實際有效統(tǒng)一。另外，有關(guān)空氣動力與無人機結(jié)合部分的學(xué)科前沿成果與研究熱點較少，影響了課程自身特色的凸顯。

1.3缺乏系統(tǒng)規(guī)劃教材

空氣動力學(xué)一般聚焦在傳統(tǒng)的純理論研究，而無人機作為新業(yè)態(tài)，其設(shè)計、制造、運行與其氣動特性密切相關(guān)，鮮有教材將其二者緊密結(jié)合，或者教材專業(yè)背景偏向指揮作戰(zhàn)，與實際工作需求差距明顯，缺乏系統(tǒng)規(guī)劃的教材，體系不夠完整。

1.4難以實現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)

空氣動力學(xué)本身偏重基本原理的講解，注重知識的系統(tǒng)性和適用性，與無人機的多樣性結(jié)合，難以保證各類型無人機通用理論的求同存異，使得實踐應(yīng)用性弱，引導(dǎo)和啟發(fā)作用處于低階階段，在一定程度上限制了學(xué)生繼續(xù)探究無人機技術(shù)和運用的能力。

從以上分析可以看出，無人機空氣動力學(xué)課程建設(shè)困難重重，教學(xué)內(nèi)容與模式亟待完善。本課程將基于“新工科”人才培養(yǎng)模式，著重提高無人駕駛航空器系統(tǒng)工程專業(yè)學(xué)生的綜合安全素養(yǎng)和應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力，整合課程內(nèi)容，增加課堂專題研究比重，采用現(xiàn)代教育技術(shù)手段，提高教學(xué)效果。

2 PBL-LBD教學(xué)法在課程中的應(yīng)用

面對無人機產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，無人駕駛航空器系統(tǒng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)工作要在新工科專業(yè)建設(shè)方面進行同步升級改造，同時也需對人才培養(yǎng)過程中的各個環(huán)節(jié)進行持續(xù)不斷的創(chuàng)新與實踐，新工科建設(shè)發(fā)展的核心目標(biāo)是培養(yǎng)能夠適應(yīng)乃至引領(lǐng)新時代發(fā)展的高級工程技術(shù)人才[6-7]。本研究將在“新工科”背景下，針對應(yīng)用型人才培養(yǎng)的需求[8]，立足無人機飛行特性，探討教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化和教學(xué)方式的改革，重點培養(yǎng)學(xué)生扎實的專業(yè)知識、較強的實踐能力和優(yōu)秀的創(chuàng)新能力。

2.1面向應(yīng)用型人才的課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化

無人機空氣動力學(xué)作為無人駕駛航空器系統(tǒng)工程重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)內(nèi)容從“理論與實踐相結(jié)合、基本知識與拓展知識相結(jié)合、繼承與創(chuàng)新相結(jié)合”的三個方面進行改革。首先，將課程核心內(nèi)容（流體屬性、流體力、流場、力學(xué)基本方程、膨脹波與激波、附面層、固定翼無人機飛行特性、無人直升機飛行原理、多旋翼無人機操縱方法等）從理論教學(xué)和實踐應(yīng)用兩個方面對課程內(nèi)容進行優(yōu)化。其次，鑒于本課程是民航專業(yè)類課程，涉及的理論知識多，在理論基礎(chǔ)知識部分引入“拓展知識模塊”，將航空氣象、空中交通管理、法律法規(guī)體系、無人機適航管理等構(gòu)建“整合課程”模式，使學(xué)生了解行業(yè)應(yīng)用背景，加深對知識的聯(lián)系、運用，也更能提高其分析問題和解決問題的能力。最后，由于無人機發(fā)展技術(shù)日新月異，與固定翼無人機飛行特性、無人直升機飛行原理、多旋翼無人機操縱方法這些有代表性的傳統(tǒng)知識相比，在實踐應(yīng)用部分加入“創(chuàng)新模塊”，對無人機電動的士、無人機機器小蜜蜂、無人機水下飛行器、無人機施工隊等專題展開研究討論，將繼承與創(chuàng)新相結(jié)合，從系統(tǒng)分析能力、知識綜合運用能力、科技創(chuàng)新能力方面解決以往學(xué)生“眼高手低”的問題。其課程內(nèi)容體系設(shè)置如圖1所示（p114）。

2.2面向應(yīng)用型人才的PBL-LBD教學(xué)模式優(yōu)化

PBL（Problem-Based Learning）教學(xué)法也稱作問題式學(xué)習(xí)，是以問題為導(dǎo)向，基于現(xiàn)實世界的“以學(xué)生為中心”的教學(xué)方式[9]。LBD（Learning-By-Doing）教學(xué)法也稱作實踐教學(xué)法，是以培養(yǎng)學(xué)生動手能力為主的實踐教學(xué)方法[10]。這兩種教學(xué)法相結(jié)合，能啟發(fā)學(xué)生思維，豐富教學(xué)成果，有效提高學(xué)生的實際動手能力。本項目改變傳統(tǒng)教師講授為主的“預(yù)習(xí)—聽課—復(fù)習(xí)—考試”的教學(xué)方法，開展以PBL-LBD結(jié)合模式靈活教學(xué)。結(jié)合無人機空氣動力學(xué)發(fā)展實際，從教學(xué)前提出問題、教學(xué)中解決問題與教學(xué)后評價改進三個層面，構(gòu)建PBL-LBD創(chuàng)新性教學(xué)模式。以理論結(jié)合實踐，進而改進提升，從“理論授課―案例討論―專題研究―融會貫通”全流程探究教學(xué)方法。結(jié)合課程實際教學(xué)進展，將學(xué)生進行分組，采用自行選題和給定議題結(jié)合的方式，以組為單位，通過劃分研究小組，學(xué)生承擔(dān)不同角色，完成各自任務(wù)、構(gòu)建知識“點”共識、形成研究報告。教師在這一過程中承擔(dān)咨詢、顧問的角色，而學(xué)生成為分析問題、解決問題的主角，使學(xué)生在掌握理論知識的基礎(chǔ)上，有能力解決問題和對實踐創(chuàng)新，最后能對所學(xué)知識融會貫通，通過設(shè)計并實現(xiàn)相關(guān)試驗，進一步對知識加以研究突破。其教學(xué)流程圖如圖2所示。

2.3創(chuàng)新性教學(xué)手段、教學(xué)資源的應(yīng)用

大學(xué)本科專業(yè)課教學(xué)的過程，既是學(xué)生專業(yè)水平技能提高的必然體現(xiàn)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)思維、知識系統(tǒng)性提高的過程。當(dāng)前的大學(xué)理論教育與社會實踐結(jié)合的重要體現(xiàn)，就是要教會學(xué)生學(xué)會創(chuàng)新，而創(chuàng)新意識的培養(yǎng)，又要從教學(xué)手段、教學(xué)資源的應(yīng)用上不斷創(chuàng)新。

為培養(yǎng)學(xué)生的探索和創(chuàng)新能力，通過創(chuàng)新教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、構(gòu)建學(xué)生“做中學(xué)”的教育理念，提升實踐教學(xué)效果與質(zhì)量，改變灌輸式的教學(xué)方法，推廣研究性學(xué)習(xí)和個性化培養(yǎng)的教學(xué)方式，建設(shè)創(chuàng)新文化，提高教學(xué)質(zhì)量[11]。將PBL-LBD教學(xué)法與創(chuàng)新性教學(xué)手段相結(jié)合，如人工智能、云課堂、微課、虛擬仿真實訓(xùn)等，能幫助教師更好地呈現(xiàn)知識點，增加師生互動、生生互動，提高教學(xué)效果[9]。如本門課程“無人機空氣動力學(xué)”，學(xué)生可以通過做一些傳統(tǒng)實驗了解流體力學(xué)的基本理論，但目前傳統(tǒng)的實驗內(nèi)容和手段無法滿足工科創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的學(xué)習(xí)要求。因此可幫助或鼓勵學(xué)生通過云課堂、虛擬仿真等手段自主研究設(shè)計一個系統(tǒng)性創(chuàng)新實驗，培養(yǎng)學(xué)生的問題導(dǎo)向式思維，通過研究性學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度，使學(xué)生具有更敏銳的知識創(chuàng)新思維和能力。

此外，也應(yīng)最大限度地對教學(xué)資源進行應(yīng)用，教師充分利用校內(nèi)外實訓(xùn)平臺，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)質(zhì)慕課、精品課等，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，豐富教學(xué)內(nèi)容，可加深學(xué)生對理論知識的理解，也能提高其專業(yè)實踐水平，鍛煉獨立思考和創(chuàng)新思維能力。另外還有諸如VR技術(shù)、云技術(shù)與APP等新型科技教學(xué)資源，能有效提升教學(xué)思路、水平與理念。其中，VR技術(shù)是一種虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可為使用者模擬聽覺、視覺等體會身臨其境之感，能有效代替以往實訓(xùn)實驗等操作環(huán)節(jié)。云計算技術(shù)是大數(shù)據(jù)技術(shù)下的產(chǎn)物，基于數(shù)據(jù)管理的新型計算方法，可讓用戶根據(jù)自身需求來選擇信息服務(wù)或數(shù)據(jù)存儲等功能，為師生課外學(xué)習(xí)提供一種新的科技手段。另外還有App（Application）客戶端與智能手機使學(xué)生有效實現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)，不僅節(jié)約時間，還可讓學(xué)生學(xué)習(xí)更為便捷，可以隨時隨地自我學(xué)習(xí)提升，大大減輕教師的教學(xué)壓力[12]。

3總結(jié)

“無人機空氣動力學(xué)”是無人駕駛航空器系統(tǒng)工程的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，將空氣動力學(xué)基礎(chǔ)知識與無人機緊密結(jié)合，主要研究空氣的基本流動規(guī)律、無人機氣動特性、空氣動力學(xué)應(yīng)用等。以“經(jīng)典教材+講義”的模式進行教學(xué)內(nèi)容的改革，編制校內(nèi)教材，既系統(tǒng)闡述了經(jīng)典的空氣動力學(xué)基礎(chǔ)理論，又結(jié)合無人機先進的氣動特性，理論與實踐有效統(tǒng)一，擺脫傳統(tǒng)教材“從理論到理論”的書寫與講授模式。同時，建立無人機空氣動力學(xué)課程教學(xué)的新思路和新方法，更好地培養(yǎng)和強化學(xué)生的自學(xué)能力、動手能力、實際應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力。采取面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)的PBL和LBD相結(jié)合的教學(xué)方法，以“理論授課―案例討論―專題研究―融會貫通”的新教學(xué)探索模式可在無人機空氣動力學(xué)課程教學(xué)中起到積極有效的作用。

基金項目：中國民航大學(xué)教育教學(xué)改革與研究項目“新工科背景下基于PBL-LBD理念的《無人機空氣動力學(xué)》教學(xué)模式的研究與實踐”（CAUC-2022-C2-008）。

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