星形樹狀方法在無人機系統教學中的應用探索

劉戰合，田秋麗，王曉璐，王菁

摘 要：無人機系統是一門綜合性學科，涉及技術面廣、學科關聯度強、知識點多等問題，結合各學科特點，提出了基于多維度的星形知識點結構、樹狀邏輯構架的教學分析方法，形成系統化思想，有效融合各知識點，進而搭建知識脈絡，形成知識線，擴展為系統化知識面。通過無人機系統導論課程實際講授，獲得了較好的教學效果。

關鍵詞：無人機系統；星形；樹狀；教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）18-0054-03

Abstract： Unmanned Aerial Vehicle （UAV） system is a comprehensive discipline， which involves a wide range of technology and has strong association with other disciplines. In combination with the characteristics of various disciplines， this paper proposes a new teaching analysis method that involves a multidimensional star-shape structure of knowledge and a tree-shape logic structure. Then， this paper constructs a systematic thinking mode， effectively integrates all related knowledge points， builds up the structure of knowledge， and forms the knowledge lines and extends to systematic knowledge. Through the real teaching of the introductory course of UAV system， the new teaching method gets a better teaching effect.

Keywords： unmanned aerial vehicle system； star structure； tree structure； teaching

無人機產業[1]目前由軍用步入民用，且消費級無人機已經成為其主體產業之一，相應的，無人機系統[2]課程開始逐漸在本科院校、大專院校設立，同時，一些高校如南京航空航天大學、西北工業大學等傳統航空院校開設無人機設計等課程，并取得了較大成果，但作為無人機，更重要的體現在其系統化思想上，要求基于多學科，如飛行器總體設計、空氣動力學[3]、電磁波傳輸理論、結構力學、探測與識別、數據鏈技術等專業知識，形成學科融合的系統化專業課程。鑒于該課程存在的諸多問題，如新知識的不斷更新、教科書缺乏、知識復雜度難以統一等[4]，提出并開展了基于多知識“點”的星形樹狀教學方法研究，有效提高了無人機系統導論課程的教學方法，完善了教學內容。

一、無人機系統涉及學科

無論是以無人機本體設計為主的無人機設計課程，還是注重系統思想的無人機系統課程，從技術角度講，其所包含的主體學科方向大致可分為：總體設計、空氣動力學、推進技術、結構與材料、有效載荷、探測與識別技術、地面控制站、數據鏈、發射與回收技術。可以看出，以上各門類技術涉及面廣、各學科之間又具有比較強的關聯性，相對來講，知識面較多，形成了看似“雜亂無章”的學科關系，但如從無人機系統角度出發，我們可以將以上學科分成以下幾個層次：

（一）無人機平臺技術

以無人機為載體，包含傳統學科中的飛行器設計技術即總體技術、空氣動力學、推進技術、飛行性能等，甚至涉及到航空材料等。對不同的無人機，由于其產生推力的方式、升力的方式可能會存在一定的差異，將導致飛機總體設計技術、空氣動力學、推進技術等性能參數對不同飛行器而言各異，但從一般性技術講，每個學科技術應該融合起來，形成技術閉環。隨著新型戰爭形勢和技術的進一步發展，飛行器的反探測、隱身技術亟待提高，包含電磁隱身、聲隱身、紅外隱身等，從平臺角度出發，除具備傳統的技術支撐之外，還應具備結合空氣動力學、飛行器設計的電磁波、聲學、紅外等技術的綜合。

（二）地面指揮和控制站技術

地面指揮和控制站是無人機駕駛員最直接感受和發出指令的系統，一般包含接收和處理無人機平臺發回的無人機飛行姿態數據、有效載荷數據、飛行器固定載荷信息等數據，根據任務規劃及其實施情況，表現為數據處理、數據壓縮、數據截斷、數據發送和接收等技術，同時，涉及到圖像處理和匹配等數據技術。

（三）數據鏈路技術

作為飛行平臺與地面控制站之間的數據鏈路，除負責數據之間的通信和傳輸之外，還具備判斷和計算無人機與數據鏈天線之間的距離和角度，即實現定位功能，因此，涉及到雷達傳輸、電磁干擾、信號探測等技術。

（四）發射和回收技術

根據不同無人機特點，如無人機升力產生方式、起飛方式、無人機推力產生方式等，可以包含不同的發射和回收技術，包含跑到滑跑式、彈射式、手拋式、垂直起降式等，將包含空氣動力學、推進技術等共性技術。

（五）有效載荷

有效載荷是指除無人機平臺固有設備之外的有效載荷，不包含燃油系統、氣壓計、空速計等，主要指用于執行任務的載荷，一般為用于作戰的武器載荷和用于偵察監視的探測載荷。為有效提高探測能力，將采用可見光、雷達、紅外探測技術，也屬于電磁波理論范疇，同時，對武器系統，希望能有效探測和跟蹤地方武器平臺，需要提高探測和跟蹤能力，也對電磁波理論提出了要求。

二、星形分布方法

為有效提高無人機系統課程的融合性，并縮小甚至消除各學科之間的隔閡，通過系統化、合理分析和整理，尋找各學科共性知識點，組成星形的“點”，每個點對應其知識點，每個知識“點”橫向聯系學科，形成密集型關系。這至少包含兩個層次：一是對各學科建立知識“點”，以知識“點”為核心，形成學科內容框架，由小的知識“點”再匯聚成大的知識“點”，力爭實現一個學科僅包含少數幾個關鍵知識“點”；二是多學科之間共性知識“點”的建立，及該知識“點”在本學科中的影響作用，并與其他學科存在使用上、背景上的區別，又有何聯系？

以無人機系統為例，對飛行器設計、空氣動力學基礎、動力系統等進行了詳細講解，首先，以飛行器設計為出發點，該學科涉及到飛行器飛行性能評估分析和計算，如升力、阻力、重力、推力等，可以將以上四種力作為四個知識“點”，各類知識“點”在其關聯學科中也有一定影響，為描述方便，將星形分布方法做如圖1來詳細說明：

如圖1所述，僅僅以空氣動力學基礎為例，將該知識點根據產生原因和基本原理分為兩類：分布力和集中力，進而將分布力分為升力、阻力、重力等，而降集中力分為推力、載荷力等，兩種力的知識“點”產生基本理論或機理對應為空氣動力學理論中的伯努力定理和質量流守恒兩大定理，并由此，各力學性能及參數對無人機的強度設計也會產生較大影響，特別體現在機構設計、材料設計、結構設計等基本知識“點”，并結合其他影響因素，即其他知識“點”，提高教學效果。

同時，對于以上星形分布方法，可以將知識“點”按照各級別，分為：基本知識“點”、二級知識“點”，二者之間聯系即產生知識“線”，從而形成完整的星形分布圖，需要注意的是，學科中的知識“點”選取，應該是具有代表性、典型性、基本性、關鍵性的知識，對于一個學科，不宜產生太多知識“點”，同時，形成的知識“點”可與其他學科形成相互之間的因果關系或鏈接關系。

三、樹狀方法

知識“點”星形分布方法盡管建立了各基本知識“點”及其之間的相互關系，但仍然存在零散、單一的缺點，按照本文前述定義，會局限于一門學科，盡管可擴充于多學科，為解決以上問題，通過深入研究和實際教學驗證，本文更進一步提出了樹狀方法。進一步描述如圖2：

圖2中僅僅說明了部分內容，對于各學科的基本知識“點”并未顯示出，實際上，基本知識“點”位于樹狀方法最細層，逐次網上為二級知識“點”、三級知識“點”等。三級知識“點”對應為基礎學科，如空氣動力學、推進技術、雷達技術、通信技術等；四級知識“點”為學科分類，如對無人機，可以將空氣動力學、推進技術、結構設計、材料學科等歸為飛行器總體技術，類似的，可以有數據鏈、控制站、有效載荷等四級知識“點”；依次再往上為最高級無人機系統，以系統化思想認識、分析無人機，并進行相關教學。

值得一提的是，盡管樹狀方法在建立過程中，各級知識“點”、相同級知識“點”之間并未明確聯系，但借鑒星形分布方法，可以將各級知識“點”聯系建立起來，并形成完成、系統化的無人機系統知識體系，構建成該學科的骨架系統。實際上，星形分布方法重在建立各知識“點”及二次知識“點”，樹狀方法形成各學科知識“點”層次關系和邏輯關系。

四、無人機系統教學實踐

結合現有教學條件和教學技術，通過精細化分析和處理[5-7]，采用文中形成的星形分布和樹狀體系，可以有導向性的形成基本課程邏輯框架體系，并結合主題式慕課、主題式翻轉課堂[8]，有效帶動學生參與課堂，理解知識體系。

在綜合采用優化教學技術的基礎上，針對無人機系統導論課程，結合其他相關航模制作實踐活動，鼓勵學生參與航空航天錦標賽、挑戰杯等賽事，形成趣味性、知識性、競技性、工程性等相互結合的教學效果。在實際制作過程中，強化和理解包括各級知識“點”在內的基本知識內容，提高實際接受能力，這也是無人機系統導論課程可進行延伸的原因之一。圖3為進入河南省“挑戰杯”決賽的兩個項目，左圖為吳登宇項目組的螺旋槳動力直驅型單旋翼無人機，右圖為游澤宇項目組的異類飛行器集群航跡規劃控制系統項目載體無人機。

五、結束語

針對無人機系統課程，從系統化思想分析了無人機系統所涉及學科；根據其學科特點，分別提出了用于提高無人機系統教學的星形分布方法和樹狀方法，星形分布方法主要針對學科建立基本知識“點”，初步形成二次知識“點”，同時重在各知識“點”聯系和關系；而樹狀方法重在梳理各學科之間的知識“點”層次關系，并建立各級知識“點”邏輯關系。經過教學實踐，證明了文中提出方法的有效性。

參考文獻：

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[2][美]法爾斯特倫，格里森.無人機系統導論[M]郭正，王鵬，陳清陽，等譯.北京：國防工業出版社，2015.

[3]王曉璐，代君，劉戰合，等.引導式教學方法在空氣動力學課程上的應用[J].教育教學論壇，2016，6（23）：170-171.

[4]栗中華，陳艷，張鵬，等.面向航空教育認證標準的實踐課程改革與實踐[J].實驗室研究與探索，2014，33（3）：146-149.

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[8]祝智庭，管鈺琪，邱慧賢.翻轉課堂國內應用實踐與反思[J].電化教育，2015，6：66-72.