面向航空的自動化專業創新型人才培養實踐教學探討

許　謹, 席劍輝, 王揚揚

(沈陽航空航天大學 自動化學院, 遼寧 沈陽　110136)

?

面向航空的自動化專業創新型人才培養實踐教學探討

許謹, 席劍輝, 王揚揚

(沈陽航空航天大學 自動化學院, 遼寧 沈陽110136)

為培養面向航空的自動化專業創新型人才,從實踐環節入手,在大三下學期試驗性地增加旋翼飛行器的實踐環節,該實踐環節突破學時限制,在整個學期穿插進行。學生以旋翼機為平臺自行設計課題,給學生充分的空間和時間自由發揮,學生的能動性、自主性、創新精神和創新能力在教育過程中得到培養。同時彌補了單個實驗相互獨立、缺乏系統性的不足,學生在課題開展的過程中,將自動化專業知識與航空知識有效結合,達到了較好的效果。

自動化專業； 創新型人才； 實踐環節； 旋翼飛行器

如何培養具有創新精神和實踐能力的人才一直是高等教育討論的熱點話題,也是高等學校的使命,高素質創新型人才的培養是落實科學發展、實現科技強國戰略的重要環節[1-2]。哈佛大學前校長陸登庭曾指出：在邁向新世紀的過程中,一種最好的教育就是有利于人們具有創新性,使人們變得更善于思考,更有追求的理想和洞察力,成為更完善、更成功的人。阻礙大學生創新能力培養的兩個障礙是思維標準化和知識無活力化[3],每一名大學生在求學的道路上都要經歷上千次的考試,隨著考試次數的增加，其靈感、悟性也隨之減弱,形成了受教育程度越高,思維越單一,視角越狹隘,凡事均按標準答案思考。考試的磨練使學生只會運用所學知識答題,很少或不能在實踐中加以運用,終使學生學非所用,學用脫離。航空航天工業的發展都伴隨著技術、產品、材料、工藝及管理方法的創新,同時需要具有創新意識的人才投入,而培養面向航空的創新型人才是航空航天類院校的重要使命。

1　問題提出

在我國很多工科大學的學生在大一、大二主要學習數理基礎,從大三開始學習專業相關課程,一個學期需要學5～6門專業課,許多課程都不知道為什么學,更談不上如何運用。做實驗也是馬馬虎虎,動手機會少，有的還不愿意動手,最后交一份實驗報告就行。大四下學期開始畢業設計,許多學生把先前學到的知識都已忘記,再加上就業壓力大,所以畢業設計也失去了原有的意義,大部分學生突擊完成,應付了事。

我校自動化專業成立于2000年,與航空相關的自動化專業實踐教學與其他同類院校相比基礎薄弱,設備缺乏,專業課的實驗仍以傳統的為主,難以滿足面向航空的自動化專業創新型人才培養需求。在實踐環節中有兩周下廠實習,安排在大四上學期,通常是組織學生到航空企事業單位學習,在一定程度上能直觀了解本專業和航空領域的某些實際情況,但由于企事業單位本身設計生產任務繁忙且有保密要求,沒有時間安排或不能讓學生深入學習,其實踐活動從某種意義上只能說是走馬觀花。

從上述問題可看出導致學生的創新實踐能力不高的基本原因：以理論知識灌輸的教學方式為主；理論知識闡述與實踐環節脫離,實踐環節淡化；考核機制單一且標準化。這幾點都不利于創新人才的培養。究其根源,主要原因是對教學過程中學生主體地位的忽視[4]。教育過程中,學生的主體性并不是與生俱來的,可在后天進行培養[5]，在實踐教學中亦是如此。我校自動化專業實踐環節存在著各門課程的實驗或一門課程的單個實驗相互獨立、缺乏系統性的情況,實驗多以驗證性為主,對于一些綜合性、設計性實驗，由于設備數量不足,只有部分動手能力強、愿意積極思考的學生得到鍛煉。要通過實踐有效地培養廣大學生的動手實踐能力及綜合應用專業知識解決實際工程問題的能力，使學生在學校中形成的主體意識和主體能力有堅實的基礎,學生走出校門后,就能很快地適應復雜多變的社會生活[6]。

2　旋翼飛行器實踐教學方案

2.1方案提出

為了加強學生在教育過程中的主體地位,發揮學生在教育過程中的能動性、自主性和創造性,在大三自動化專業部分學生中試驗性的增加旋翼飛行器的實踐環節。旋翼飛行器是一種結構新穎、機動性強、性能卓越的垂直起降無人機,現階段已顯示出其重要的軍事、民用及科研價值[7]。學生可借助于旋翼飛行器平臺,開展多學科綜合設計研究及實驗的創新實踐活動。通過旋翼飛行器實踐環節的實施,學生能達到：了解旋翼飛行器的結構組成；掌握旋翼飛行器的控制方法；熟悉旋翼飛行器的操作和相關應用。

2.2方案設計

很多從事航空領域工作的專家曾指出：航空模型的設計與制作對從事飛機設計的人員,有不可忽視的作用[8]。旋翼飛行器涵蓋了計算機科學、傳感器、機械設計、通信電子以及自動控制等多種交叉學科的技術[9-11],根據旋翼飛行器和自動化專業的特點設計實踐環節,我校自動化專業大三的學生已經掌握了一些力學及機械結構相關的基礎知識,并學習了電類和編程語言的相關知識,通過教師的引導和學生學習,可以完成旋翼飛行器的制作、調試、試飛等工作。

實踐環節安排在大三下學期穿插進行。初始階段集中安排4學時左右的理論基礎授課,主要講述旋翼機的結構和飛控的原理等基礎知識。然后組織學生自由進行分組,要求學生經過小組討論,獨立就旋翼飛行器某一應用提出設計和試驗方案,或對其中的一個重要環節提出深入研究和試驗方案,給學生充分的空間和時間自由發揮,通過學生主動地查閱資料,與同學、教師探討,提高學生的主動性和創造性。學生設計出的如旋翼飛行器實現送餐、姿態檢測模塊設計、飛控算法研究等課題,利用一個學期的時間自行對課題展開研究,并最終提交實踐報告并通過答辯評定成績，其實施流程如圖1所示。

圖1　實踐環節實施流程

在成績評定方面,重視學生對問題的研究過程,鼓勵學生進行團隊合作,不以項目能否完成為單一的評定標準,即使有些項目失敗,能提交一份詳盡的分析報告,對失敗的原因進行充分分析和總結,也會獲得很好的成績,這樣能培養學生的探索精神。

2.3方案實施

根據學生提出的研究方案為學生提供旋翼飛行器的基本配件,如常規機架、自動駕駛儀、遙控、電調、電機、槳葉等,若不是常規布局的飛行器,則提供相關加工材料、設備及場地。因自動駕駛儀開發難度較大,為學生提供開源自動駕駛儀APM_V2.8.0,該款自動駕駛儀可應用于固定翼、直升機、多旋翼、地面車輛等,同時還可以搭配功能強大的地面控制站。地面控制站中可以在線升級固件、調參,使用一套全雙工的無線數據傳輸系統在地面站與自駕儀之間建立起一條數據鏈,即可組成一套無人機自動控制系統,非常適合自動化專業學生進行無人機項目研發。其硬件包括[12]處理器ATMEGA2560、六軸MEMS傳感器MPU6000、高精度數字空氣壓力傳感器MS-5611、存儲器AT45DB161D、三軸磁力計HMC5883等,其硬件結構圖如圖2所示。

圖2　APM_V2.8.0硬件結構框圖

開始時項目組學生共同學習旋翼飛行器的基礎知識和開源自動駕駛儀硬件及軟件,然后通過項目組討論確定各功能模塊,根據學生的特長進行分工合作,例如,擅長硬件的學生承擔在開源自動駕駛儀上添加傳感器任務,擅長理論的學生可以設計濾波算法或控制算法,擅長軟件的學生承擔算法實現或上位機軟件開發,同時也可以把有操作興趣的學生培養為無人機操作手。通過項目組分工合作的實踐模式,學生在實踐中夯實了理論基礎,并在理論的指導下進行了實踐,提高了自動化專業航空方面的實踐能力。學生將自己的創意通過實驗進行驗證,大大提高了創新興趣。

3　實施效果及思考

在實施過程中學生通過對資料和文獻的閱讀,掌握了旋翼飛行器的模型建立和仿真,并可以根據課題需求進行電機、電調、槳葉選型等。旋翼飛行器的實踐環節是一個連續的過程,類似于較完整的科研過程,能激發學生的學習興趣,在學習的過程中得到多方面的鍛煉,許多學生認為在實踐過程中培養了解決問題的能力,同時一些理論知識在實踐中也能得以運用。

在實施的過程中也反映了一些不足之處。首先,旋翼飛行器的實踐環節實施過程較長,有部分學生在前期和中期精力投入很少,在最后階段突擊完成；其次,有部分課題的大部分工作是由一兩名學生完成；再次,旋翼飛行器的實踐環節涉及的相關專業較多,對指導教師的要求較高,現有的教師資源不足；最后,旋翼飛行器的實踐環節實施時間長,但學時數有限,在一定程度上打擊了教師的積極性。如何進行有效的過程監控、如何調動項目組全體學生的積極性、如何培養具有綜合能力的指導教師、如何調動教師的積極性將是今后工作中需要解決和完善的問題。

4　結語

旋翼飛行器的實踐環節將航空相關知識、自動化專業的理論知識和創新實踐相結合,學生對知識的理解和運用得到提升,同時為學生提供了創新實踐的空間,在實踐的過程中學生發揮自己的專長,找到適合自己的發展方向,實踐環節的實施得到了學生的認可。

References)

[1] 顧秉林,王大中,汪勁松,等. 創新性實踐教育：基于高水平學科建設的創新人才培養之路[J]. 清華大學教育研究,2010,31(1) :1-5.

[2] 楊學軍. 加強實踐動手能力培養 改革創新人才培養模式[J]. 高等教育研究學報,2013(1) : 4-7.

[3] 岳曉東. 大學生創新能力培養之我見[J]. 高等教育研究,2004(1):84-91.

[4] 劉軍蓉. 關于構建高校創新型人才培養模式的思考[J]. 湖北經濟學院學報,2008(1):80-81.

[5] 宋磊,黃俊. 面向創新人才培養的飛行器設計專業教學改革研究與實踐[J]. 學位與研究生教育,2011(3):47-51.

[6] 儲皖中. 論人的主體性的發展與現代教育主體性原則的建立[J]. 北京師范大學學報,1989(4):75-80.

[7] 許云清. 四旋翼飛行器飛行控制研究[D]. 廈門: 廈門大學,2014.

[8] 程不時. 飛翔的思緒[M]. 北京: 機械工業出版社,2009.

[9] 聶博文,馬宏緒,王劍,等. 微小型四旋翼飛行器的研究現狀與關鍵技術[J]. 電光與控制,2007(6):113-117.

[10] 張廣玉,張洪濤,李隆球,等. 四旋翼微型飛行器設計[J]. 哈爾濱理工大學學報,2012(3):110-114.

[11] 岳基隆,張慶杰,朱華勇,等. 微小型四旋翼無人機研究進展及關鍵技術淺析[J]. 電光與控制,2010(10):46-52.

[12] 胡占雙. 無人機飛行姿態檢測及控制研究[D]. 沈陽: 沈陽航空航天大學,2012.

Discussion of cultivating innovative talent of automation specialty oriented to aviation

Xu Jin, Xi Jianhui, Wang Yangyang

(School of Automation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136, China)

In order to train the innovative talents of automation specialty oriented to aviation. Starting from the practice,the practical process of rotor aircraft was increased in next semester of Grade 3 experimentally,which breaks the limits of time and interspersed throughout the whole term. The students take the rotor machine as the platform, and design their own issues. This part gives students full space and time to play,and their activity,independence, and the innovation spirit and ability are cultivated in the process of education. At the same time,it makes up for the lack of mutual independence and lack of systematic study. In the process of carrying out the project,the students will combine the knowledge of automation and aviation knowledge effectively to achieve better results.

automation specialty; innovative talents; practical link; rotor aircraft

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.006

2015- 11- 27

遼寧省普通高等教育本科教學改革研究項目(UPRP20140201)

許謹(1977—)，男，陜西禮泉，碩士，高級工程師，主要研究方向為模式識別與智能系統.

E-mail：syhkxujin@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)5- 0017- 04