依托浮空無人飛行器培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實踐能力

楊希祥，郭 正

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410073）

浮空無人飛行器是指以氫氣或氦氣作為填充氣體，依靠浮力升空的輕于同體積空氣的飛行器。高空氣球和飛艇是典型的浮空無人飛行器。近年來，在偵察監(jiān)視、預(yù)警探測、移動互聯(lián)網(wǎng)等軍民需求牽引下，浮空無人飛行器發(fā)展受到航天大國和商業(yè)公司高度重視［1］。與此同時，在國外一些高校開展的學(xué)生創(chuàng)新實踐活動中，浮空飛行器項目占有重要地位。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界目前有50余所大學(xué)組織開展以高空氣球為代表的學(xué)生創(chuàng)新實踐活動［2－4］。

以浮空無人飛行器為載體，培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新實踐能力的教學(xué)模式，主要是以浮空飛行器為對象，面向空間工程、飛行器系統(tǒng)與工程、導(dǎo)彈工程、軍用材料工程等相關(guān)專業(yè)的本科生和航空宇航科學(xué)與技術(shù)、力學(xué)、材料科學(xué)與工程等專業(yè)的研究生，為學(xué)員提供從事飛行器概念論證、方案設(shè)計、加工制造、飛行試驗等全流程實踐活動的條件，極大激發(fā)學(xué)員的專業(yè)學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，培育工程素養(yǎng)，提升創(chuàng)新能力、實踐動手能力和協(xié)同攻關(guān)能力。

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院以浮空無人飛行器為載體的學(xué)員創(chuàng)新實踐活動，成效顯著。3年多以來，累計參與學(xué)員數(shù)達(dá)到32人，其中，博士研究生6人，碩士研究生12人，本科生14人。承擔(dān)國家級大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目1項，省級創(chuàng)新性實驗計劃項目1項、校級創(chuàng)新性實驗計劃項目4項，學(xué)校研究生創(chuàng)新資助項目2項。獲 “挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽獎勵1次，學(xué)?！伴L城信息杯”競賽獎勵2次，湖南省大學(xué)生創(chuàng)新論壇獎勵1次。團(tuán)隊學(xué)員發(fā)表浮空飛行器相關(guān)學(xué)術(shù)論文近30篇，其中，SCI檢索10篇，EI檢索8篇，申請專利3項，軟件著作權(quán)2項。多名學(xué)員獲光華獎學(xué)金、校級優(yōu)秀學(xué)員、軍隊優(yōu)秀博士學(xué)位論文提名等獎勵和榮譽。

1 以浮空無人飛行器為載體的創(chuàng)新實踐活動解決的主要教學(xué)問題

以浮空無人飛行器為載體，開展學(xué)生創(chuàng)新實踐活動，主要解決4個方面的教學(xué)問題。

1.1 解決學(xué)生缺乏創(chuàng)新能力和實踐動手能力問題

通過本科與研究生階段學(xué)習(xí)，培養(yǎng)良好的創(chuàng)新能力和實踐動手能力，對于未來走上工作崗位成長發(fā)展具有基礎(chǔ)性作用。受傳統(tǒng)教育模式和教育觀念影響，現(xiàn)階段我國高等院校學(xué)生創(chuàng)新實踐活動硬件條件仍顯薄弱，對創(chuàng)新實踐活動的機(jī)制保障仍顯不足，整體來看，無論本科生還是研究生，創(chuàng)新能力和實踐動手能力均處于較低水平，距離培養(yǎng)目標(biāo)相距甚遠(yuǎn)［5－6］。在航空航天專業(yè)，很多學(xué)生畢業(yè)之時，對飛機(jī)、導(dǎo)彈、運載火箭等飛行器組成和功能的理解僅限于書本基本知識，缺乏具體分系統(tǒng)和部件的認(rèn)知，有些學(xué)生甚至連基本構(gòu)成也不清楚，對于飛行器加工制造和飛行試驗等重要環(huán)節(jié)更無從知曉。

1.2 解決學(xué)生缺乏多學(xué)科交叉融合訓(xùn)練實踐問題

多學(xué)科交叉融合是出高水平創(chuàng)新成果的重要途徑［7－8］。盡管目前我國高校部分專業(yè)和學(xué)科已處于較高發(fā)展水平，但“圈子”文化仍然存在，學(xué)科界限仍然分明，學(xué)科交叉融合明顯不足，已推進(jìn)和實施的學(xué)科交叉項目往往屬于低水平面上交叉層次。各高校已開設(shè)的很多所謂創(chuàng)新實踐項目往往是具有課程實驗或?qū)嶒炚n程性質(zhì)的，針對單一學(xué)科、單一知識點的簡單重復(fù)的內(nèi)容，不能支持充分交叉融合和開展綜合實踐訓(xùn)練，不利于培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科交叉融合解決問題、實現(xiàn)提高創(chuàng)新素養(yǎng)的目標(biāo)。

1.3 解決學(xué)生缺乏團(tuán)隊協(xié)作精神和協(xié)同攻關(guān)能力問題

人類科技史表明，成功的科學(xué)家往往都具有良好的團(tuán)隊協(xié)作精神［9］。大力協(xié)同、合作攻關(guān)的團(tuán)隊協(xié)作精神，也是 “兩彈一星”、載人航天、“銀河”巨型計算機(jī)等國家重大項目研究中凝練出來的寶貴精神財富。特別是對于航空航天科技這樣的尖端科研領(lǐng)域，具有明顯的“大科學(xué)”特征［10－11］，涉及專業(yè)多、參與機(jī)構(gòu)雜、參與人員多，更是需要大范圍協(xié)同攻關(guān)的組織模式。由于在傳統(tǒng)高等教育模式中，本科生絕大部分時間都用于課堂學(xué)習(xí)，研究生絕大部分時間也是用于課程學(xué)習(xí)與學(xué)位論文理論研究，缺乏以群組方式協(xié)作開展實驗項目研究的機(jī)會，造成學(xué)員團(tuán)隊協(xié)作精神和協(xié)同攻關(guān)能力難以得到很好培養(yǎng)。

1.4 解決本科生和研究生缺乏交流合作問題

本科教育是高等教育的基礎(chǔ)階段，研究生教育是高等教育的高級階段，本科生和研究生實際上是緊密關(guān)聯(lián)的2個群體，但事實上，目前我國高等學(xué)校中本科生和研究生交融極少，尤其是大四之前的本科生和研究生交流幾乎近于零。事實上，研究生項目整體設(shè)計能力相對較強(qiáng)、解決問題視野范圍相對較寬，若能協(xié)同工作，可帶動提高本科生實踐動手能力和科研能力，實現(xiàn)其在研究生階段的高起點，也可一定程度上彌補(bǔ)本科生全程導(dǎo)師制中導(dǎo)師指導(dǎo)時間不足的問題［12］。

2 以浮空無人飛行器為載體的創(chuàng)新實踐教學(xué)模式

2.1 以概念創(chuàng)新設(shè)計為牽引，注重學(xué)研結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

在浮空無人飛行器創(chuàng)新實踐活動組織開展中，首先由指導(dǎo)教師提出總體技術(shù)指標(biāo)，其后工作以學(xué)生為主體完成。方案論證和方案設(shè)計是第一個環(huán)節(jié)，居于基礎(chǔ)性、關(guān)鍵性地位。目前，在浮空無人飛行器，尤其是可控高空浮空無人飛行器領(lǐng)域，國內(nèi)外基本處于概念設(shè)計與技術(shù)路線探索階段，新概念、新布局、新飛行原理不斷涌現(xiàn)，概念設(shè)計方面創(chuàng)新空間廣闊。活動實施過程中，特別注重鼓勵和引導(dǎo)學(xué)生充分了解國際前沿發(fā)展動態(tài)，融合所學(xué)專業(yè)知識，提出和設(shè)計創(chuàng)新方案。同時，指導(dǎo)團(tuán)隊注重引導(dǎo)學(xué)生將創(chuàng)新實踐過程收獲融入專業(yè)知識學(xué)習(xí)，實現(xiàn)研議輔學(xué)。

以概念創(chuàng)新設(shè)計牽引學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)實踐取得良好成效，指導(dǎo)的學(xué)員申報的“高空無人機(jī)氣球搭載式起飛及返回技術(shù)研究”獲國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目資助；“臨近空間試驗氣球放飛回收技術(shù)研究與實踐探索”、“微型智能戰(zhàn)場態(tài)勢感知浮空器”等項目獲學(xué)?！伴L城信息杯”創(chuàng)新項目資助；“臨近空間浮空平臺自主定點控制方法研究”獲學(xué)校研究生創(chuàng)新項目資助；“充氣式電動遙控?zé)o人機(jī)的研究與設(shè)計”獲“長城信息杯”競賽二等獎。參與上述項目的學(xué)員創(chuàng)新能力得到極大提升，取得以2項國家發(fā)明專利、多篇國際期刊論文為代表的一大批研究成果。

2.2 以研制和試驗為牽引，本科生和研究生緊密協(xié)作，強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力與協(xié)同攻關(guān)能力

浮空無人飛行器方案設(shè)計階段結(jié)束以后，即轉(zhuǎn)入研制階段。浮空無人飛行器研制涉及結(jié)構(gòu)、能源、螺旋槳推進(jìn)、航電等大量分系統(tǒng)，分系統(tǒng)又包含大量部件。研究生和本科生共同組成任務(wù)團(tuán)隊，按照航天任務(wù)模式進(jìn)行分工，團(tuán)結(jié)協(xié)作，親身參與部件測試、系統(tǒng)集成、軟件開發(fā)、軟硬件聯(lián)試等環(huán)節(jié)，如儲能電池性能測試、電機(jī)性能測試、光電載荷性能測試、控制系統(tǒng)半實物仿真試驗等。浮空飛行器放飛試驗也是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括充氣、測試、放飛、回收、試驗評估等諸多環(huán)節(jié)，也需綜合考慮氣象和安全因素，學(xué)生在此過程中同樣進(jìn)行明確分工，協(xié)同工作。通過研制和試驗階段實踐活動開展，學(xué)生實踐動手能力得到極大提高，工程素養(yǎng)得到培育，集體榮譽感和協(xié)同攻關(guān)能力得到提升。

例如，在“臨近空間試驗氣球放飛回收技術(shù)研究與實踐探索”項目中，博士生為項目總設(shè)計師，參與的其余研究生和本科生分別為氣球、探測載荷、充氣保障等分系統(tǒng)主任設(shè)計師，通過協(xié)同工作，完成了系統(tǒng)研制，在長沙氣象站最終完成了氣球放飛和回收試驗，獲得了地面到高空的大量風(fēng)場、溫度、濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.3 以浮空無人飛行器多學(xué)科特點為依托，培養(yǎng)學(xué)生交叉融合創(chuàng)新意識

浮空無人飛行器設(shè)計需綜合考慮浮力/重力平衡、推力/阻力平衡、能源供給/需求平衡，涉及飛行器設(shè)計、固體力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、材料學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、動力推進(jìn)、控制理論與控制工程等領(lǐng)域，具有典型的多學(xué)科交叉特征。以浮空無人飛行器多學(xué)科特征為依托，以飛行器設(shè)計、流體力學(xué)、固體力學(xué)、材料學(xué)、應(yīng)用化學(xué)等學(xué)科專業(yè)學(xué)生為重點，開展深度融合，兼顧與其余專業(yè)研究力量協(xié)同，為學(xué)生提供開展學(xué)科融合創(chuàng)新研究的實踐平臺，引導(dǎo)學(xué)生樹立交叉意識，提高創(chuàng)新能力。

例如：“微型智能戰(zhàn)場態(tài)勢感知浮空器”項目中，核心骨干為來自于飛行器總體設(shè)計、飛行器動力學(xué)與控制、流體力學(xué)、應(yīng)用化學(xué)、復(fù)合材料等方向的5名研究生和來自空間工程、導(dǎo)彈工程專業(yè)的2名本科生，其作品在2012年舉辦的學(xué)校創(chuàng)新作品展中受到多位專家的好評。

2.4 努力打造高水平的創(chuàng)新實踐活動指導(dǎo)教師隊伍

高水平的指導(dǎo)教師隊伍是搞好創(chuàng)新實踐活動的關(guān)鍵［13］。導(dǎo)師直接指導(dǎo)學(xué)生參與創(chuàng)新實踐活動的全過程。浮空無人飛行器創(chuàng)新實踐活動指導(dǎo)教師隊伍專業(yè)、職稱、年齡層次結(jié)構(gòu)合理，既有一定比例的有多年本科生和研究生培養(yǎng)經(jīng)驗的教授，又有大批留校不久的、年輕的、時間充裕、創(chuàng)新實踐能力強(qiáng)的青年教師，這些青年教師大都承擔(dān)重大專項浮空飛行器領(lǐng)域課題，本身具有浮空飛行器領(lǐng)域堅實的知識基礎(chǔ)，了解浮空飛行器發(fā)展的前沿動態(tài)。同時，指導(dǎo)團(tuán)隊還充分發(fā)揮在無人機(jī)領(lǐng)域研究優(yōu)勢，充分利用無人機(jī)團(tuán)隊的技術(shù)聘用人員參與指導(dǎo)創(chuàng)新實踐活動。在創(chuàng)新實踐活動開展過程中，指導(dǎo)教師和學(xué)生打成一片，親自參與包括飛行試驗在內(nèi)的全部環(huán)節(jié)，確保了創(chuàng)新實踐活動的效果。

2.5 開展校企、校校合作，拓展創(chuàng)新實踐活動可用資源

為優(yōu)化浮空無人飛行器研究支撐條件，彌補(bǔ)指導(dǎo)團(tuán)隊和所在研究所不足，更高水平實施創(chuàng)新實踐活動，與校外單位開展部分合作，解決了飛行試驗條件、飛行試驗技術(shù)與經(jīng)驗等方面面臨的問題。

例如，與長沙氣象站合作，開展臨近空間氣球放飛試驗，解決了放飛場地和放飛空域問題；與安徽華云廣告氣模有限責(zé)任公司合作，加快了浮空器研制進(jìn)程，少走了彎路；與上海交通大學(xué)合作，通過全程參與其氣球飛行試驗，積累了豐富的高空氣球放飛經(jīng)驗。

3 結(jié)束語

以浮空無人飛行器為載體，開展創(chuàng)新實踐活動，是探索提高航空航天相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量的一種新模式，從國防科技大學(xué)組織這一領(lǐng)域創(chuàng)新實踐活動的實際來看，活動的開展對于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實踐動手能力、協(xié)同攻關(guān)能力、工程素養(yǎng)等，對于促進(jìn)研究生與本科生合作交流，推動校企、校校合作，起到了重要作用。高等院校學(xué)生創(chuàng)新實踐活動的組織實施是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程［14］，亟待廣大教師和教學(xué)管理人員發(fā)揮聰明才智，走開高效路子，創(chuàng)新教學(xué)模式，持續(xù)推動創(chuàng)新實踐活動效果躍升。

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