高校無人機學生社團開展創(chuàng)新教育的探索與展望

李繼宇, 蘭玉彬, 張亞莉

(華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院; 國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)合研究中心, 廣州 510642)

0 引 言

無人機專業(yè)與教育一直以來僅僅存在于老牌軍工背景院校中，如西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學等航天特色高校[1]。近年來，隨著小型無人機的應用日益成熟，農(nóng)用無人機市場出現(xiàn)井噴趨勢[2]，一方面是我國農(nóng)村勞動力緊缺，人力成本逐年上升，對植保機械化作業(yè)需求強烈[3]；另一方面是農(nóng)業(yè)植保產(chǎn)業(yè)面臨產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代，大量低效地面機械無法滿足高效、減量噴施的作業(yè)需求[4]。綜合社會背景與行業(yè)需求，農(nóng)用無人機及相關人才已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的社會需求。我校作為培養(yǎng)專業(yè)人才的農(nóng)業(yè)類綜合性大學[6-7]，開始嘗試對無人機專業(yè)人才培養(yǎng)的探索[8-9]。

1 農(nóng)業(yè)航空科研應用方向驅(qū)動“協(xié)會”誕生

2011年起，我校即將農(nóng)業(yè)航空關鍵技術研究作為學校農(nóng)業(yè)工程學科的重要研究方向，并積極從美國農(nóng)業(yè)部引進國家“千人計劃”專家蘭玉彬教授，推動了包括無人機在內(nèi)的農(nóng)業(yè)航空研究新熱點迅速升溫。高等院校的科學研究離不開學生的有效參與[13]，特別是顯著區(qū)別于傳統(tǒng)地面類機械的無人機方向的研究，為了保障空中植保機械能夠順利飛行試驗，亟須一批能夠熟練掌握遙控無人機技能的本科生積極參與科學試驗[5]。

廣東是我國航空事業(yè)發(fā)源地之一，僅廣州市的天河地區(qū)，就存在我國最早的機場、最早的飛行表演、最早開通國際航線的機場等。其歷史上曾先后建有5個機場：燕塘、天河、石牌、黃村、岑村機場[15]。盡管缺乏傳統(tǒng)航空航天專業(yè)院校，但廣州地區(qū)的民間航模運動更是經(jīng)久不衰，1953年廣州市舉辦過首屆航空模型輔導員訓練班，60年來每年參加航模人數(shù)超過十萬人以上[16]，更有相當數(shù)量的在校大學生熱衷于航模運動。2012年5月，“工程學院航模隊”(校無人機協(xié)會前身)在上述背景中應運而生，除筆者受過專業(yè)操控訓練之外，首批會員僅有4人，均為有一定飛行基礎的航模愛好本科生。成立初期的物質(zhì)條件非常有限。

“航模隊”的成立拉動了隊員的積極性，展開了招新、培訓、交流等活動。隨即于2013年9月在華南農(nóng)業(yè)大學注冊成立了“華南農(nóng)業(yè)大學航模協(xié)會”，制訂了協(xié)會章程，面向全校招收會員，并選舉出了協(xié)會的管理層，逐步展開了學習、設計制作、操控航模等活動。

期間協(xié)會的運行費用主要來自于從事農(nóng)業(yè)航空研究方向科研經(jīng)費與學院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)經(jīng)費的資助，逐步添置了激光雕刻機、小型機床、3D打印機等高端設備。協(xié)會培養(yǎng)的無人機駕駛員也于2013年在海南三亞、湖南岳陽等地的無人機風場測試試驗中提供了單旋翼、多旋翼無人機飛行服務，反哺科研試驗，如圖1所示，同時也讓更多的同學走到田間地頭深入了解到試驗的具體實施過程，提高了進一步科學研究的興趣，達到了協(xié)會創(chuàng)辦的初衷。2016年協(xié)會正式更名為“華南農(nóng)業(yè)大學無人機協(xié)會”，伴隨著越來越多具有飛行才華的全校各專業(yè)學生的加入，協(xié)會規(guī)模穩(wěn)步擴大。

圖1 協(xié)會會員為無人機試驗提供服務

2 公共選修課“小型飛行器基礎”推動協(xié)會發(fā)展壯大

教學是普通高等院校的主要任務[10]。我校為擴展本科生的學習視野，始終堅持面向全校本科生公共選修課的建設與開設[14]。筆者作為協(xié)會的指導教師，于2011年～2012年期間接受過無人機操控與理論的專業(yè)培訓。在長期關注航模運動與無人機發(fā)展的興趣愛好基礎上，于2013年春季始嘗試開設了公共選修課——“小型飛行器基礎”，32學時，第一次開設即有95人選修，課程的名稱與內(nèi)容引起了不同專業(yè)學生的極大興趣，隨后每學期的學生選課人數(shù)均保持在滿員狀態(tài)。該課程主要內(nèi)容如表1所示。

表1 “小型飛行器基礎”教學大綱

隨著該課程教學經(jīng)驗逐年積累，課程內(nèi)容也隨之慢慢有所調(diào)整。

(1) 增加了實踐教學環(huán)節(jié)[11]。結合課程的固定翼和旋翼式飛行器教學內(nèi)容，特別安排了室內(nèi)的模擬器訓練和室外的無人機飛行演示課程。不少選修課程的同學對該實踐教學環(huán)節(jié)大呼過癮，常常到了下課時間仍然依依不舍。在實踐課程中發(fā)現(xiàn)了幾名具有一定操控天賦的學生，并成功吸收加入?yún)f(xié)會。

(2) 建立了具有激勵機制的考核方式。學生是以獨立制作的一架小型飛行器或是錄制一段自己操控飛行器飛行的視頻作為成績評定的依據(jù)。以此激勵更多同學投入到實踐動手過程中去。在幾年的教學過程中，遇見了不少好的作品，如圖2所示。其中圖2(a)是2014級園藝學院王力同學的作品，該飛機造型奇特，雖然不是很符合空氣動力學原理，但結構齊備，動力得當，能夠成功飛行；圖2(b)則是2014級工業(yè)設計朱正麟同學結合本專業(yè)知識精心設計的飛機模型設計，主題是建筑輔助四旋翼，具有一定的應用價值；圖2(c)為2012級工程學院自動化專業(yè)吳應金同學的作品，在構造鋁合金機架的基礎上，自己編寫了開源飛行控制系統(tǒng)代碼，成功完成四旋翼飛行器的飛行；而圖2(d)是2012級工程學院自動化專業(yè)麥啟慶同學的杰作，他結合自學的編碼知識，對飛行器遙控器重新定義了頻率與特性，自主開發(fā)了一套簡易遙控器裝置。

(a) 甲殼蟲

(b) 工業(yè)設計

(c) 四旋翼

(d) 遙控器

(3) 緊密與農(nóng)用無人機應用實踐相結合。筆者憑借在農(nóng)業(yè)航空無人機領域的研究基礎與廣泛交流的經(jīng)驗，將近幾年風起云涌的農(nóng)用無人機市場上出類拔萃的代表技術與產(chǎn)品介紹給學生，如深圳大疆創(chuàng)新公司及其推出的MG-1農(nóng)用噴灑無人機和廣州極飛科技有限公司及其推出的P20型農(nóng)用植保無人機憑借優(yōu)良的宣傳視頻都深深吸引了選課學生的關注。及時分享農(nóng)用無人機的最新試驗過程與進展，如使用價值千元左右的氦氣球攜帶價值10萬元的高光譜設備差點高空逃逸的有趣試驗事例總是能引起哄堂大笑。還認真地與選課學生一起探討當下農(nóng)業(yè)航空領域發(fā)生的熱點新聞，比如2016年8月在陜西省渭南地區(qū)30萬畝玉米粘蟲大爆發(fā)，筆者參加了緊急馳援，親歷事件經(jīng)過，課堂上不少學生討論了無人機在該事件中的作用與意義，提出了深刻的見解。

總之，嘗試在華南農(nóng)業(yè)大學以公選課形式開設出無人機基礎課程，以培養(yǎng)在校生學習航空知識興趣為目的[17]，以培訓華南農(nóng)業(yè)大學無人機協(xié)會基礎理論為形式，突出飛行實踐教學，突出考核動手能力，突出結合科研應用，寓教于樂，每年300人次的選修學生數(shù)量為協(xié)會的發(fā)展壯大提供了生源，也為科研類全國航空航天模型錦標賽(CADC)及其他無人機比賽儲備了人才。

3 參加國家級無人機競賽，提升協(xié)會運行品質(zhì)

協(xié)會有了良好基礎與人才儲備后，如何提質(zhì)增效、打造出具有航空特色內(nèi)涵的新型學生社團是下一步需要解決的問題[18]。參加行業(yè)內(nèi)的高水平競賽一直以來都是凝聚協(xié)會主題，促進會員動力，提升社團品質(zhì)的好方法。中國國際飛行器設計挑戰(zhàn)賽暨科研類全國航空航天模型錦標賽(CADC)逐步進入到會員們的視線中。

中國國際飛行器設計挑戰(zhàn)賽暨科研類全國航空航天模型錦標賽由國家體育總局、教育部、科學技術部主辦，自2004年以來已經(jīng)舉辦了十屆，以北航、南航、哈工大為代表的傳統(tǒng)航空航天類院校(含解放軍部隊院校)全部參賽，賽事規(guī)模不斷擴大、科技含量逐年提升，競賽內(nèi)容豐富、多樣。2015年該賽事共吸引了全國“985”“211”等89所高校，1 600人參賽，華南農(nóng)業(yè)大學無人機協(xié)會也首次派出代表參加了比賽，其標志著廣東省公立高校對該賽事的首次參賽。比賽中，參賽隊員敢打敢拼，雖然首次參賽，經(jīng)驗不足，但依靠著我校農(nóng)業(yè)航空科研方向一直以來的科研積累，在工程學院“千人計劃”蘭玉彬教授的指導下，隊員親手制作的參賽無人機已經(jīng)具備了良好的科研創(chuàng)意和專業(yè)水準。在5人參加3個項目的高效率下，我校奪得“垂直起降載重”項目全國二等獎，喜獲“科技創(chuàng)新評比”項目全國三等獎。作為首次參賽代表隊，作品創(chuàng)意和比賽質(zhì)量均引起國內(nèi)其他院校的嘖嘖稱奇。同時，其他高校的優(yōu)秀作品也給了我們啟發(fā)與幫助。

2015年的成功參賽結果極大地鼓舞了會員的積極性，提升了他們的自信心。2016年暑期，許多隊員自發(fā)留校備戰(zhàn)2016年CADC大賽。按照比賽項目分成小組，從飛機的圖紙設計、縮比驗證、零件采購、結構安裝、電子器件調(diào)試、試飛試驗到按照規(guī)則進行模擬比賽，所有隊員一絲不茍，認真?zhèn)滟悺Ｏ啾扔?015年僅報名參加2個項目，2016年10月在江蘇鎮(zhèn)江舉辦的CADC競賽報名項目躍升到6個，極大擴展了協(xié)會的研究范疇與運行品質(zhì)。2015～2016年協(xié)會共參加了四項CADC大賽，獲一等獎1項，二等獎4項，三等獎3項。

從參賽到舉辦，2016年11月，由中國農(nóng)業(yè)工程學會主辦，我校承辦的2016首屆全國大學生無人機創(chuàng)新大賽在美麗的花城廣州市黃埔體育中心舉行，我校無人機協(xié)會負擔了裁判、賽制、場地、保障等工作。同時協(xié)會派出三組機組參加無人機障礙競技賽，獲得優(yōu)異成績。此外，筆者還代表“協(xié)會”參與了2016年5月第八屆安陽航空運動文化旅游節(jié)無人機大賽、2016年8月包頭愛飛客飛行那達慕無人機應用大賽、2016年10月中國無人機與機器人應用大賽等組織與裁判工作。通過各種賽事的鍛煉與積累，“協(xié)會”的無人機品質(zhì)逐步提升，“協(xié)會”的學生水平不斷攀升，“協(xié)會”的品牌影響力不斷擴大。

4 “協(xié)會”成果促進科研、融入教學、擴大學校影響力

隨著“協(xié)會”的日益強壯，同學們在制作、驗證各類無人機時不時與筆者碰撞出最新農(nóng)業(yè)航空領域的火花。特別是在農(nóng)用無人機的結構設計、負載類型、機載裝置、旋翼風場、檢測方法、作業(yè)方式、控制系統(tǒng)與地面站軟件方面均取得了相應的科研成果，制作的飛行器代表作品如圖3所示，公開、授權的專利共16項。這些成果體現(xiàn)出大學生活躍的思想與敏捷的思維，也間接提升了華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)用無人機的研究水平?；谶@些成果，筆者在近年申請到了廣東省科技計劃項目科普項目“小型農(nóng)用無人機室內(nèi)展示系統(tǒng)”(2016A070712015)等多個省部級項目，也發(fā)表了SCI、EI收錄科研論文10余篇。

長航時太陽能農(nóng)情遙感無人機固定翼水稻冠層起落架

垂直起降植株抓取機械臂可折疊三軸田間傳感器平臺

圖3 飛行器代表作品

除了科研外，協(xié)會的會員們積極響應學校教學改革與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，2014年起憑借著扎實的航空基礎與新穎的研究思路，屢屢斬獲大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)國家級、省級項目6項，校級5項，2017年協(xié)會組織申報了6項創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目全部獲批，且有5項已經(jīng)確定被推薦為省級、國家級項目，即將參加學校二次答辯。為積極將協(xié)會工作與學校的教學進行深度融合[13]，筆者在2016年申請華南農(nóng)業(yè)大學教學改革項目“農(nóng)業(yè)航空應用技術專業(yè)設置與培育”(2016047)并成功立項，擬通過整合校內(nèi)農(nóng)業(yè)工程專業(yè)學科和學科優(yōu)勢，通過農(nóng)業(yè)航空應用技術方向的建設，切實增加學校農(nóng)業(yè)工程學科的綜合實力。

隨著協(xié)會的名聲鵲起，許多社會組織紛紛伸來橄欖枝。例如，2015年12月廣州市航空模型運動協(xié)會與我校協(xié)會簽訂了合作協(xié)議，擬從多方面開展合作，2017年廣州市高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育項目“廣州大學生無人機創(chuàng)新大賽”由二者共同舉辦。又如，2016年5月廣州市科技文化周由黃埔區(qū)科信局舉辦了“藍天筑夢人工智能及無人機飛行表演”活動，協(xié)會隊員受邀參加，并展示了最新制作的翼展達4 500 mm的大型固定翼。再如，同年5月，由廣州市科技創(chuàng)新委員會、廣州無人機產(chǎn)學研技術創(chuàng)新聯(lián)盟、廣州市航空模型運動交流協(xié)會共同主辦的首屆廣州低空無人機大賽在廣州大學城中山大學舉行，比賽分為表演賽和專業(yè)賽，其中3個專業(yè)賽項目之一的“保駕護航”項目就是為“農(nóng)用植保無人機”專門設立的，協(xié)會受邀負責該項目的設置、規(guī)則、賽制、裁判與評判工作，筆者賽后代表華南農(nóng)業(yè)大學領取了大賽最佳服務獎。協(xié)會與外界展開交流并積極參與活動與比賽，有力擴大了我校的影響力。

5 結論與展望

2012年以來，我校無人機協(xié)會從無到有。依托農(nóng)業(yè)航空科研方向、開設飛行器公選課程、參加高水平無人機競賽，協(xié)會從最初的4人會員到現(xiàn)在300多人，從白手起家到現(xiàn)在擁有激光雕刻機、3D打印機等高端設備，從無法操控飛行器到現(xiàn)在能提供不同機型的飛行服務，從航空類競賽的旁觀者到屢獲國家級獎項，這些變化過程充分說明了我?；凇盁o人機協(xié)會”的培養(yǎng)模式取得了初步成效，已具備開設“農(nóng)業(yè)航空”相關專業(yè)的初步條件。

未來協(xié)會將與校新獲批的“國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)合研究中心”深入融合，成為該“中心”的下屬“創(chuàng)新實驗室”，繼續(xù)深入研究農(nóng)業(yè)航空；另外聯(lián)合相關教師再開設出多門農(nóng)業(yè)航空專業(yè)教學課程，詳細設置課程屬性與授課方式；最后計劃打造出成熟的無人機競賽賽事，特別是對農(nóng)用無人機賽制，賽項做進一步的完善，以賽促練，為“農(nóng)業(yè)航空”相關專業(yè)培養(yǎng)后備人才貢獻力量，盡早滿足設立“農(nóng)業(yè)航空”相關專業(yè)的成熟條件。