任務(wù)驅(qū)動(dòng)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作在《導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》教學(xué)中的探索與成效

張?zhí)嵘Ｐ◇K，賀喜，梅懿芳

摘要：《導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》是武漢大學(xué)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)開設(shè)的碩士研究生課程。本課程以“任務(wù)為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”為教學(xué)理念，以研制高精度導(dǎo)航機(jī)器人為教學(xué)任務(wù)，探索了具有分工協(xié)作、知行合一、循序漸進(jìn)等特點(diǎn)的教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：任務(wù)驅(qū)動(dòng)；團(tuán)隊(duì)協(xié)作；導(dǎo)航控制系統(tǒng)；教學(xué)探索

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）47-0117-02

一、引言

導(dǎo)航定位是一門從A點(diǎn)到B點(diǎn)的藝術(shù)和科學(xué)，它既能畫出路線圖，又能讓人們循路前行[1]。控制是指控制主體按照給定的條件和目標(biāo)，對控制客體施加影響的過程和行為[2]。導(dǎo)彈制導(dǎo)等軍事需求催生了導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制這一跨學(xué)科專業(yè)。隨著科技的進(jìn)步，我們將逐步進(jìn)入智能化時(shí)代。蓬勃發(fā)展的無人機(jī)、無人車、機(jī)器人均屬于智能化產(chǎn)品，而它們均需要導(dǎo)航控制技術(shù)[3]。武漢大學(xué)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)開設(shè)了《導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課程，旨在加強(qiáng)智能化產(chǎn)品開發(fā)急需的高科技人才培養(yǎng)。

本科生課程的教學(xué)探索已有許多學(xué)者進(jìn)行了研究[4-5]，而研究生教學(xué)沒有得到足夠重視。目前，研究生課程教學(xué)存在的主要問題包括：（1）單一地灌輸理論知識(shí)的現(xiàn)象普遍存在，學(xué)生不能深刻體會(huì)學(xué)習(xí)這些理論知識(shí)的用途和意義，不能達(dá)到研究生教學(xué)的預(yù)期效果。（2）同一課程的研究生往往具有不同的本科背景，然而大部分課程在內(nèi)容和教學(xué)方式上不能充分考慮研究生的專業(yè)知識(shí)背景因素[6]。（3）考核方式仍然以理論知識(shí)考試為主，導(dǎo)致學(xué)生把時(shí)間和精力花在了應(yīng)付考試，而不是自主鉆研的能力培養(yǎng)上。

工科研究生是企業(yè)技術(shù)研發(fā)的主力軍，教學(xué)必須注重理論與實(shí)踐相結(jié)合。本課程將探索以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，以學(xué)生為主體，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作、知行合一的教學(xué)方法。

二、教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容

《導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課程目標(biāo)在于：一方面向研究生傳授導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論知識(shí)，讓學(xué)生掌握導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理及思想；另一方面，指導(dǎo)學(xué)生組隊(duì)參加典型導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。這門課將培養(yǎng)學(xué)生如何運(yùn)用理論知識(shí)指導(dǎo)科研實(shí)踐的能力，有助于提高學(xué)生的科研動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，同時(shí)，將增強(qiáng)學(xué)生的就業(yè)競爭力。

《導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課程設(shè)置為36個(gè)學(xué)時(shí)，授課方式包括講授、討論和實(shí)驗(yàn)。教學(xué)內(nèi)容具體包括：無人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)、目標(biāo)和計(jì)劃，智能車平臺(tái)，系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，藍(lán)牙通信技術(shù)，大地主題算法，導(dǎo)航算法，控制算法，直線導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)，圓形軌跡實(shí)現(xiàn)等。課程內(nèi)容設(shè)置充分體現(xiàn)了以“任務(wù)為主線、教師為主導(dǎo)、學(xué)生為主體”的教學(xué)理念。

三、任務(wù)驅(qū)動(dòng)—團(tuán)隊(duì)協(xié)作教學(xué)探索

任務(wù)驅(qū)動(dòng)—團(tuán)隊(duì)協(xié)作教學(xué)法指教師根據(jù)當(dāng)前教學(xué)主題提出并設(shè)計(jì)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)需求和學(xué)生各自特點(diǎn)組建團(tuán)隊(duì)，在任務(wù)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，通過對理論知識(shí)的主動(dòng)學(xué)習(xí)，進(jìn)行自主探索、協(xié)作、討論的學(xué)習(xí)，在協(xié)同完成任務(wù)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)內(nèi)各成員的知識(shí)共享、能力互補(bǔ)、共同進(jìn)步的教學(xué)方法[7]。本課程以研制高精度導(dǎo)航機(jī)器人為教學(xué)任務(wù)，探索該教學(xué)方法的分工協(xié)作、知行合一、循序漸進(jìn)等特點(diǎn)。

1.分工協(xié)作。開展分工協(xié)作需要注意三個(gè)要點(diǎn)：任務(wù)分解、任務(wù)分工、協(xié)作開展。首先需要將總?cè)蝿?wù)分解成若干個(gè)子任務(wù)模塊。本課程的總?cè)蝿?wù)為實(shí)現(xiàn)一個(gè)導(dǎo)航機(jī)器人，在其人機(jī)界面輸入目的地，導(dǎo)航機(jī)器人自動(dòng)引領(lǐng)主人到達(dá)目的地。任務(wù)可以分解為六個(gè)子任務(wù)模塊：（1）導(dǎo)航機(jī)器人硬件平臺(tái)搭建；（2）藍(lán)牙通信與數(shù)據(jù)傳輸；（3）高精度定位算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；（4）路徑規(guī)劃算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；（5）導(dǎo)航控制算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；（6）人機(jī)交互界面制作。

其次，根據(jù)每位同學(xué)的專業(yè)背景和興趣愛好，合理安排其承擔(dān)的子任務(wù)模塊。例如：藍(lán)牙通信與數(shù)據(jù)傳輸比較適合電子工程背景同學(xué)，測繪背景同學(xué)擅長高精度定位算法。結(jié)構(gòu)合理的協(xié)作小組是開展小組協(xié)作學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，這決定著后面的小組協(xié)作能否順利高效開展。

最后，團(tuán)隊(duì)需要推薦一名隊(duì)長，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和推動(dòng)整個(gè)小組的工作開展。隊(duì)長責(zé)任包括監(jiān)督各位成員的工作進(jìn)展，協(xié)調(diào)成員之間的工作銜接，指揮任務(wù)的整體聯(lián)調(diào)，同時(shí)也要促進(jìn)團(tuán)隊(duì)成員的團(tuán)結(jié)、和諧。

2.知行合一。知行合一教學(xué)模式實(shí)施分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段是根據(jù)任務(wù)需求，開展理論知識(shí)學(xué)習(xí)；第二個(gè)階段是在理論知識(shí)指導(dǎo)下，開展任務(wù)實(shí)現(xiàn)工作；第三個(gè)階段是通過對任務(wù)成果的測試和分析，驗(yàn)證和完善理論。

理論學(xué)習(xí)階段：首先，在課堂上，教師根據(jù)各子任務(wù)模塊的要求，分析需要用到的理論知識(shí)點(diǎn)；其次，同學(xué)們在課后查閱文獻(xiàn)，對理論知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)和總結(jié)；最后，在課題上，同學(xué)們講解理論知識(shí)要點(diǎn)、任務(wù)實(shí)現(xiàn)的思路、存在的疑問等，教師和同學(xué)們進(jìn)行討論分析。

任務(wù)實(shí)現(xiàn)階段：結(jié)合導(dǎo)航機(jī)器人任務(wù)實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)和需求，將理論知識(shí)用于指導(dǎo)任務(wù)工作實(shí)現(xiàn)。例如：具體到導(dǎo)航機(jī)器人的控制算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，需要分析清楚比例、積分和微分后的物理意義是什么，具體選擇使用哪個(gè)環(huán)節(jié)。

驗(yàn)證理論階段：在任務(wù)完成后，通過實(shí)驗(yàn)測試分析任務(wù)成果的性能，得出的結(jié)論對理論進(jìn)行驗(yàn)證，并通過成果經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)理論體系的完善。

3.循序漸進(jìn)。循序漸進(jìn)是任務(wù)驅(qū)動(dòng)—團(tuán)隊(duì)協(xié)作教學(xué)的重要特征。在該課程教學(xué)實(shí)踐中，循序漸進(jìn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是理論學(xué)習(xí)和任務(wù)實(shí)現(xiàn)的從易到難、從淺到深；二是任務(wù)開展的從局部到整體、從模塊實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

同學(xué)們都是對科技創(chuàng)新有興趣、對自身發(fā)展有激情的研究生，但是在專業(yè)基礎(chǔ)、統(tǒng)籌能力及團(tuán)隊(duì)管理方面會(huì)缺乏一些經(jīng)驗(yàn)。在任務(wù)分配及下發(fā)以后，教師應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注團(tuán)隊(duì)運(yùn)行，及時(shí)為遇到困難的成員提供幫助，促進(jìn)任務(wù)的順利開展和完成。

該課程教學(xué)的一個(gè)重要且行之有效的循序漸進(jìn)方法就是，每次上課時(shí)都讓同學(xué)們匯報(bào)自己任務(wù)的進(jìn)展情況以及遇到的問題，教師對問題進(jìn)行分析并給出解算方案，同時(shí)制定下一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的進(jìn)展規(guī)劃。

四、教學(xué)成效

本課程已經(jīng)連續(xù)開設(shè)三年，取得的教學(xué)成效主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，包括課堂反饋、教學(xué)成果和學(xué)生就業(yè)。

受益于本課程的“任務(wù)驅(qū)動(dòng)—團(tuán)隊(duì)協(xié)作”特點(diǎn)，為同學(xué)們樹立了學(xué)習(xí)目標(biāo)，創(chuàng)造了學(xué)習(xí)平臺(tái)，激發(fā)了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣和責(zé)任心，大家每次都能保質(zhì)保量完成教師制定的進(jìn)展規(guī)劃。在課程總結(jié)時(shí)，同學(xué)們對該課程的教學(xué)方法給予充分肯定，并在課程結(jié)束后對課程任務(wù)成果進(jìn)行進(jìn)一步完善和增加功能。

部分同學(xué)對該課程教學(xué)上實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航機(jī)器人進(jìn)行了性能改進(jìn)和功能完善，參見了2016年中國研究生電子設(shè)計(jì)競賽，作品“基于GNSS RTK/INS的高精度導(dǎo)航機(jī)器人”獲得了第十一屆中國研究生電子設(shè)計(jì)競賽全國總決賽一等獎(jiǎng)，本課程的教學(xué)老師獲得了全國總決賽優(yōu)秀指導(dǎo)老師稱號(hào)。

五、結(jié)語

本文在介紹《導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》課程的開設(shè)重要性、教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以研制高精度導(dǎo)航機(jī)器人為教學(xué)任務(wù)，探索了任務(wù)驅(qū)動(dòng)—團(tuán)隊(duì)協(xié)作教學(xué)方法的分工協(xié)作、知行合一、循序漸進(jìn)特點(diǎn)，最后對教學(xué)方法的成效進(jìn)行了闡述。在武漢大學(xué)—大疆創(chuàng)新聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)支持下，下一步該課程將基于無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)一步提高教學(xué)品質(zhì)。另外，通過教學(xué)方法和成效逐年改善，本課程將嘗試申請研究生精品課程。

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