PBL-LBD教學法在無人機空氣動力學課程中的應用研究

胡欣 齊福強

摘要 在新工科人才培養理念引領下，本研究分析無人機空氣動力學作為無人駕駛航空器系統工程重要專業基礎課程所存在的問題，引入PBL-LBD教學法，從“理論與實踐相結合、基本知識與拓展知識相結合、繼承與創新相結合”三方面探討教學內容的優化，從“理論授課―案例討論―專題研究―融會貫通”全流程探究教學方式的改革，為探索新工科無人駕駛航空器系統工程本科專業人才培養方式提供借鑒。

關鍵詞 無人機空氣動力學；PBL；LBD；無人駕駛航空器系統工程

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.035

當前我國民用無人機產業發展勢頭迅猛，包括無人機產品、企業、規模等都增長顯著，全國開設無人駕駛系統工程專業的高等院校已達20多所。為做好無人機人才培養頂層設計，依據無人駕駛系統工程專業人才培養目標、最新專業課程標準等，高等院校一般將無人機空氣動力學作為一門專業必修課程。該課程特色鮮明，將傳統的空氣動力學基礎知識與現代高科技的代表無人機緊密結合，理論性高、實踐性強。作為學校乃至整個國內新開設的課程，在教學內容和教學模式上有必要做一些研究和探索工作。

目前關于無人機的本科相關專業課程改革研究相對較少，無人機專業課程普遍缺乏理論聯系實際，學生實踐、創新能力不足[1-3]。而課堂教學在教學中占有重要地位，是實現人才培養目標的重要載體，是課程理念和教學內容的重要體現[4]。教學內容是否合理、教學方式是否先進，直接關系到教學成果的好壞。本文從本學科特點出發，借鑒PBL與LBD相結合的教學方法，詳細研究無人機空氣動力學課程的體系建設，從教學內容設計和教學方法上進行探索，為課程教學改革提供參考。

1課程問題分析

中國民航大學無人駕駛航空器系統工程專業于2019年申報獲批，并于2020年開始招生，專業立足于無人駕駛航空行業，以無人駕駛航空器行業應用為特色，培養掌握扎實的基礎理論、先進的系統科學理念、無人駕駛航空器系統工程相關學科的專業知識和運用技術、具有較強的工程實踐能力、綜合管理能力、國際交流能力和創新精神，具備較高的政治思想素質、良好的人文科學素養和高度的社會責任感，能夠從事無人駕駛航空器飛行控制系統設計與開發、運行組織與保障和檢測驗證相關工作，適應無人駕駛航空器行業發展需求、德智體美勞全面發展的應用型高素質工程技術和管理人才。根據專業“立足民航，面向社會；重視基礎，強調實踐；層次分明，規模適度；教研結合，學用相輔”的目標定位，開設了四個研究方向：通用航空運行管理研究、通用航空新技術應用研究、無人機運行風險分析與控制研究以及無人機智能控制研究，注重學生理論知識的學習和實踐能力的培養。

由于無人駕駛航空器系統工程專業具有涉及理論知識多、專業性強、實踐要求高等特點，采用傳統的教學模式，將會出現教條化、空洞化等諸多弊端，很難激發學生的學習興趣和創新意識，教學環節與實際應用脫軌，嚴重影響教學效果[5]。無人機空氣動力學課程主要介紹無人機飛行所面對的環境，闡述無人機為何能飛起來，探討影響無人機空氣動力特性的因素有哪些。課程建設目前處于起步階段，總體來看，存在以下問題：

1.1教材難易差別很大，專業適用性不強

關于空氣動力學的出版物較多，但難易差別較大，不易選取。有的教材內容選取簡單，知識點不夠細致，構不成體系；有的教材設計過于復雜，尤其高速空氣動力學部分過于深入、晦澀難懂，偏向于航空工業設計制造學科，不適用于偏向低空運行的無人機空氣動力學的教學。

1.2忽視行業發展，滯后性明顯

無人機種類繁多、飛行時間靈活、發展速度快、安全保障體系尚未健全，相關法律法規在不斷更新中，與無人機相關的課程內容陳舊，忽視行業發展，滯后性明顯，無法將理論與實際有效統一。另外，有關空氣動力與無人機結合部分的學科前沿成果與研究熱點較少，影響了課程自身特色的凸顯。

1.3缺乏系統規劃教材

空氣動力學一般聚焦在傳統的純理論研究，而無人機作為新業態，其設計、制造、運行與其氣動特性密切相關，鮮有教材將其二者緊密結合，或者教材專業背景偏向指揮作戰，與實際工作需求差距明顯，缺乏系統規劃的教材，體系不夠完整。

1.4難以實現培養目標

空氣動力學本身偏重基本原理的講解，注重知識的系統性和適用性，與無人機的多樣性結合，難以保證各類型無人機通用理論的求同存異，使得實踐應用性弱，引導和啟發作用處于低階階段，在一定程度上限制了學生繼續探究無人機技術和運用的能力。

從以上分析可以看出，無人機空氣動力學課程建設困難重重，教學內容與模式亟待完善。本課程將基于“新工科”人才培養模式，著重提高無人駕駛航空器系統工程專業學生的綜合安全素養和應用能力、創新能力，整合課程內容，增加課堂專題研究比重，采用現代教育技術手段，提高教學效果。

2 PBL-LBD教學法在課程中的應用

面對無人機產業的迅猛發展，無人駕駛航空器系統工程專業人才培養工作要在新工科專業建設方面進行同步升級改造，同時也需對人才培養過程中的各個環節進行持續不斷的創新與實踐，新工科建設發展的核心目標是培養能夠適應乃至引領新時代發展的高級工程技術人才[6-7]。本研究將在“新工科”背景下，針對應用型人才培養的需求[8]，立足無人機飛行特性，探討教學內容的優化和教學方式的改革，重點培養學生扎實的專業知識、較強的實踐能力和優秀的創新能力。

2.1面向應用型人才的課程教學內容優化

無人機空氣動力學作為無人駕駛航空器系統工程重要的專業基礎課，教學內容從“理論與實踐相結合、基本知識與拓展知識相結合、繼承與創新相結合”的三個方面進行改革。首先，將課程核心內容（流體屬性、流體力、流場、力學基本方程、膨脹波與激波、附面層、固定翼無人機飛行特性、無人直升機飛行原理、多旋翼無人機操縱方法等）從理論教學和實踐應用兩個方面對課程內容進行優化。其次，鑒于本課程是民航專業類課程，涉及的理論知識多，在理論基礎知識部分引入“拓展知識模塊”，將航空氣象、空中交通管理、法律法規體系、無人機適航管理等構建“整合課程”模式，使學生了解行業應用背景，加深對知識的聯系、運用，也更能提高其分析問題和解決問題的能力。最后，由于無人機發展技術日新月異，與固定翼無人機飛行特性、無人直升機飛行原理、多旋翼無人機操縱方法這些有代表性的傳統知識相比，在實踐應用部分加入“創新模塊”，對無人機電動的士、無人機機器小蜜蜂、無人機水下飛行器、無人機施工隊等專題展開研究討論，將繼承與創新相結合，從系統分析能力、知識綜合運用能力、科技創新能力方面解決以往學生“眼高手低”的問題。其課程內容體系設置如圖1所示（p114）。

2.2面向應用型人才的PBL-LBD教學模式優化

PBL（Problem-Based Learning）教學法也稱作問題式學習，是以問題為導向，基于現實世界的“以學生為中心”的教學方式[9]。LBD（Learning-By-Doing）教學法也稱作實踐教學法，是以培養學生動手能力為主的實踐教學方法[10]。這兩種教學法相結合，能啟發學生思維，豐富教學成果，有效提高學生的實際動手能力。本項目改變傳統教師講授為主的“預習—聽課—復習—考試”的教學方法，開展以PBL-LBD結合模式靈活教學。結合無人機空氣動力學發展實際，從教學前提出問題、教學中解決問題與教學后評價改進三個層面，構建PBL-LBD創新性教學模式。以理論結合實踐，進而改進提升，從“理論授課―案例討論―專題研究―融會貫通”全流程探究教學方法。結合課程實際教學進展，將學生進行分組，采用自行選題和給定議題結合的方式，以組為單位，通過劃分研究小組，學生承擔不同角色，完成各自任務、構建知識“點”共識、形成研究報告。教師在這一過程中承擔咨詢、顧問的角色，而學生成為分析問題、解決問題的主角，使學生在掌握理論知識的基礎上，有能力解決問題和對實踐創新，最后能對所學知識融會貫通，通過設計并實現相關試驗，進一步對知識加以研究突破。其教學流程圖如圖2所示。

2.3創新性教學手段、教學資源的應用

大學本科專業課教學的過程，既是學生專業水平技能提高的必然體現，也是學生學習思維、知識系統性提高的過程。當前的大學理論教育與社會實踐結合的重要體現，就是要教會學生學會創新，而創新意識的培養，又要從教學手段、教學資源的應用上不斷創新。

為培養學生的探索和創新能力，通過創新教學手段，激發學生學習興趣、構建學生“做中學”的教育理念，提升實踐教學效果與質量，改變灌輸式的教學方法，推廣研究性學習和個性化培養的教學方式，建設創新文化，提高教學質量[11]。將PBL-LBD教學法與創新性教學手段相結合，如人工智能、云課堂、微課、虛擬仿真實訓等，能幫助教師更好地呈現知識點，增加師生互動、生生互動，提高教學效果[9]。如本門課程“無人機空氣動力學”，學生可以通過做一些傳統實驗了解流體力學的基本理論，但目前傳統的實驗內容和手段無法滿足工科創新型人才培養的學習要求。因此可幫助或鼓勵學生通過云課堂、虛擬仿真等手段自主研究設計一個系統性創新實驗，培養學生的問題導向式思維，通過研究性學習，提高學生的學習興趣和參與度，使學生具有更敏銳的知識創新思維和能力。

此外，也應最大限度地對教學資源進行應用，教師充分利用校內外實訓平臺，網絡優質慕課、精品課等，優化教學設計，豐富教學內容，可加深學生對理論知識的理解，也能提高其專業實踐水平，鍛煉獨立思考和創新思維能力。另外還有諸如VR技術、云技術與APP等新型科技教學資源，能有效提升教學思路、水平與理念。其中，VR技術是一種虛擬現實技術，可為使用者模擬聽覺、視覺等體會身臨其境之感，能有效代替以往實訓實驗等操作環節。云計算技術是大數據技術下的產物，基于數據管理的新型計算方法，可讓用戶根據自身需求來選擇信息服務或數據存儲等功能，為師生課外學習提供一種新的科技手段。另外還有App（Application）客戶端與智能手機使學生有效實現碎片化學習，不僅節約時間，還可讓學生學習更為便捷，可以隨時隨地自我學習提升，大大減輕教師的教學壓力[12]。

3總結

“無人機空氣動力學”是無人駕駛航空器系統工程的一門專業基礎課，將空氣動力學基礎知識與無人機緊密結合，主要研究空氣的基本流動規律、無人機氣動特性、空氣動力學應用等。以“經典教材+講義”的模式進行教學內容的改革，編制校內教材，既系統闡述了經典的空氣動力學基礎理論，又結合無人機先進的氣動特性，理論與實踐有效統一，擺脫傳統教材“從理論到理論”的書寫與講授模式。同時，建立無人機空氣動力學課程教學的新思路和新方法，更好地培養和強化學生的自學能力、動手能力、實際應用能力和創新能力。采取面向應用型人才培養的PBL和LBD相結合的教學方法，以“理論授課―案例討論―專題研究―融會貫通”的新教學探索模式可在無人機空氣動力學課程教學中起到積極有效的作用。

基金項目：中國民航大學教育教學改革與研究項目“新工科背景下基于PBL-LBD理念的《無人機空氣動力學》教學模式的研究與實踐”（CAUC-2022-C2-008）。

參考文獻

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