“航空航天大數(shù)據(jù)智能設(shè)計”課程中的實踐性教學(xué)探索

［摘 要］ “航空航天大數(shù)據(jù)智能設(shè)計”是南京航空航天大學(xué)為航空航天類學(xué)生在新工科要求的背景下設(shè)立的新課程，也是培養(yǎng)“航空航天+人工智能”領(lǐng)域未來人才的新探索。為加強學(xué)生實踐能力和培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的自驅(qū)力，在課程教學(xué)中引入了實踐性教學(xué)形式，采用學(xué)生“編程實操無人機”和“開放性迷你項目”相結(jié)合的方式，配合實踐性的課程考核模式，在實踐中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時傳遞數(shù)據(jù)思維的認知方法，完善學(xué)生個人的知識體系，提升在未來可預(yù)見的航空航天前沿領(lǐng)域運用數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法解決實際工程問題的能力。課程的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)不僅有益于學(xué)生，同時也對教師綜合素質(zhì)和相關(guān)實踐案例資源庫構(gòu)建提出了更高的要求，將有利于教師綜合教學(xué)能力的提升。

［關(guān)鍵詞］ 實踐性教學(xué)；航空航天大數(shù)據(jù)智能設(shè)計；模式轉(zhuǎn)變；無人機實操

［基金項目］ 2021年度江蘇高等教育教改立項研究課題“飛行器環(huán)境與生命保障工程專業(yè)核心課工程案例庫建設(shè)的研究與實踐”（2021JSJG348）；2021年度南京航空航天大學(xué)教改項目“面向‘航空航天+人工智能’工程實踐的教學(xué)模式探索——以‘航空航天大數(shù)據(jù)智能設(shè)計’課程為例”（YJG21018）

［作者簡介］ 朱光亞（1990—），男，安徽巢湖人，博士，南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院講師，主要從事飛行器環(huán)境控制與數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計研究；高宜勝（1984—），男，福建福州人，博士，南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院講師，主要從事飛行器設(shè)計與數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計研究；陳維建（1979—），男，山東新泰人，博士，南京航空航天大學(xué)航空學(xué)院副教授，主要從事飛行器環(huán)境控制與飛行器防除冰研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）44-0097-04 ［收稿日期］ 2023-10-13

引言

進入21世紀(jì)以來，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能以及大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域取得了新突破，正不斷推動社會各領(lǐng)域從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化加速發(fā)展［1］。

長久以來，南京航空航天大學(xué)建立起了“航空、航天、民航”的三航特色，為了響應(yīng)國家對于“人工智能+X”的迫切需求，急需高質(zhì)量的“航空航天+人工智能”的深度融合課程。然而，目前對于“航空航天+人工智能”的教學(xué)體系乃至課程都缺乏相關(guān)經(jīng)驗積累和教學(xué)模式探索。近年來，航空航天交叉研究院大數(shù)據(jù)智能設(shè)計研究中心已在長空學(xué)院（航空航天大類專業(yè)本科）開設(shè)了“航空航天大數(shù)據(jù)智能設(shè)計”課程，但前期課程設(shè)置上也存在著課程內(nèi)容缺乏體系、教學(xué)模式不明晰以及教學(xué)與行業(yè)實踐聯(lián)系不夠緊密等問題。從已有的教學(xué)實踐情況反饋來看，學(xué)生對于人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)興趣濃厚，學(xué)習(xí)熱情高，但由于尚未系統(tǒng)性學(xué)習(xí)航空航天專業(yè)課程，大多數(shù)學(xué)生的航空航天專業(yè)知識略顯不足，對于兩者的結(jié)合更是知之甚少，實踐能力不成體系。因此探索適合于“航空航天大數(shù)據(jù)智能設(shè)計”課程的教學(xué)模式，一方面有助于響應(yīng)國家號召推動人工智能在航空航天領(lǐng)域的深入應(yīng)用，另一方面也有助于在“航空航天+人工智能”領(lǐng)域培養(yǎng)拔尖的復(fù)合型創(chuàng)新人才。

實踐性教學(xué)是理論教學(xué)以外的各種教學(xué)活動的總稱，包括實驗、實習(xí)、設(shè)計、工程測繪、社會調(diào)查等。不同于理論教學(xué)，實踐性教學(xué)更注重學(xué)生獲得感性知識，掌握技能、技巧，養(yǎng)成理論聯(lián)系實際的作風(fēng)和獨立工作能力［2］。“航空航天+人工智能”由于其專業(yè)背景適合實踐性教學(xué)，但“航空航天+人工智能”類課程并無現(xiàn)成的成功經(jīng)驗可以復(fù)制，需要探索新的教學(xué)方式。從航空航天領(lǐng)域工程實踐出發(fā)，以此為基礎(chǔ)更新教學(xué)內(nèi)容和課程實踐項目庫，并在教學(xué)過程中不斷探索新型實踐性教學(xué)模式，通過學(xué)生項目式實踐，提升學(xué)生科技創(chuàng)新能力，指導(dǎo)學(xué)生積極參加以項目實踐為基礎(chǔ)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競賽，并不斷地反饋教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)工程實踐，建立完整的學(xué)生考查體系，為“航空航天+人工智能”領(lǐng)域的教育教學(xué)提供實踐經(jīng)驗。

一、“航空航天大數(shù)據(jù)智能設(shè)計”課程概況與現(xiàn)實問題分析

在航空航天領(lǐng)域，人工智能已經(jīng)成為推動行業(yè)發(fā)展的強大力量。在這樣的背景下，掌握大數(shù)據(jù)、人工智能及其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)，既是提高個人核心競爭力的要求，也是推動我國航空航天創(chuàng)新發(fā)展的切實途徑。“航空航天大數(shù)據(jù)智能設(shè)計”課程是南京航空航天大學(xué)為航空航天大類專業(yè)學(xué)生專門開設(shè)的課程，包括數(shù)據(jù)驅(qū)動建模的基礎(chǔ)知識和航空航天智能設(shè)計的應(yīng)用實例兩部分。其中，數(shù)據(jù)驅(qū)動建模的基礎(chǔ)知識部分介紹大數(shù)據(jù)、人工智能的基本概念，以及常用軟件工具、常用算法等內(nèi)容。應(yīng)用實例部分以大數(shù)據(jù)、人工智能方法在多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計、超材料、智能結(jié)構(gòu)、飛行器控制等方面的使用實例，講授如何利用大數(shù)據(jù)、人工智能的基礎(chǔ)知識解決航空航天中的工程問題，培養(yǎng)學(xué)生實際運用大數(shù)據(jù)、人工智能知識的設(shè)計能力。

目前，人工智能正在逐步深入各行各業(yè)［3］。一方面，國內(nèi)的航空航天相關(guān)單位如各主機所對于人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用有著迫切需求，亟待借助人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)突破傳統(tǒng)的瓶頸問題，例如計算機輔助設(shè)計（CAD）、氣動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、飛行控制、隱身設(shè)計、推進系統(tǒng)、制造等方面皆是應(yīng)用的重點。但另一方面，當(dāng)前高校普遍開設(shè)的人工智能、大數(shù)據(jù)相關(guān)課程（以及現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源）往往局限在基礎(chǔ)原理或者更偏向圖像處理、自然語言處理等計算機行業(yè)相關(guān)應(yīng)用，“航空航天+人工智能”類課程并沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗［3］。課程以何種方式授課，既不能將課程變?yōu)橹黄蛉斯ぶ悄艿臄?shù)學(xué)基礎(chǔ)課或理論課，也不能將課程變成專業(yè)入門的科普課程，因此這個問題是此類課程開設(shè)和教學(xué)過程中面臨的主要難題，需要綜合考慮如何將航空航天專業(yè)涉及的問題同人工智能知識合理結(jié)合。

二、課程教學(xué)實踐

在實踐教學(xué)中，由于課程的特殊性，傳統(tǒng)課堂教學(xué)的方式不足以應(yīng)付該課程的需要［4］，因此課程采用實踐性教學(xué)，轉(zhuǎn)變教學(xué)模式和考核模式，以期滿足課程教學(xué)目的。

（一）教學(xué)模式轉(zhuǎn)變

首先，課程進行了教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。本課程主要目的在于激發(fā)學(xué)生在“航空航天+人工智能”領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣，自主探索航空航天應(yīng)用的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法。因此課程不再完全以教師課堂授課的方式進行，而是先在課堂授課中完成基本概念，數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法的講解，然后進行實踐性教學(xué)，以Tello無人機作為平臺，讓學(xué)生親自動手實操，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)可視化分析等環(huán)節(jié)，并結(jié)合翻轉(zhuǎn)課堂的形式，由學(xué)生自行講解自己的編程思路和方法，如圖1所示，學(xué)生能在實踐中完成數(shù)據(jù)思維的認知和數(shù)據(jù)驅(qū)動建模的一般方法，并能為學(xué)生進一步自主探索提供知識基礎(chǔ)。

其次，為了使學(xué)生了解人工智能在航空航天領(lǐng)域中具體應(yīng)用案例和場景，課程中還邀請具體領(lǐng)域的專家，以專題形式給學(xué)生講解人工智能在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用案例，為學(xué)生自主探索提供了方向借鑒，如圖2所示部分專題講座。

同時課程由于特殊性，無法通過32個學(xué)時完成所有內(nèi)容的講解，在課程建設(shè)中，還補充了大量的學(xué)習(xí)資料和案例庫（見圖3），供學(xué)生自主學(xué)習(xí)使用。學(xué)生可以在完成本課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，不斷自主探索，自主學(xué)習(xí)。

（二）考核模式轉(zhuǎn)變

課程更加重視學(xué)生實踐動手的過程，以學(xué)生實踐為主，結(jié)合學(xué)生實踐表現(xiàn)評判學(xué)生對基本概念和一般方法流程的掌握情況。實踐環(huán)節(jié)中，以學(xué)生操作無人機為主，考核環(huán)節(jié)首先考查學(xué)生完成情況，即主要目的為學(xué)生完成所有要求的動作環(huán)節(jié)作為基礎(chǔ)考核，而后以學(xué)生自主投票的方式產(chǎn)生最佳表現(xiàn)的學(xué)生，即刻給予獎勵，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。課堂授課結(jié)束后，布置迷你小項目（由授課教師科研過程中積累的實踐項目中的內(nèi)容簡化提取而來），供學(xué)生實踐操作，學(xué)生采用線上答辯的方式完成匯報，并最終以論文/報告形式撰寫，如圖4所示。

教學(xué)實踐表明，在無人機飛行中所有學(xué)生均能完成實踐部分的基本練習(xí)，并且學(xué)生還自行嘗試了很多課堂中未介紹的功能。對于迷你小項目，學(xué)生根據(jù)課堂所學(xué)，并結(jié)合自學(xué)資料和網(wǎng)絡(luò)資源，自主研究了課堂沒有介紹過的機器學(xué)習(xí)方法，甚至有學(xué)生直接參考最新的學(xué)術(shù)文獻將相關(guān)方法應(yīng)用于迷你小項目，取得了不錯的效果。這一方面反映了學(xué)生對于該課程的興趣，另一方面也展示了通過合理地設(shè)置實踐性環(huán)節(jié)，能夠達到培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的教學(xué)目的，為學(xué)生在該領(lǐng)域的深入學(xué)習(xí)和研究夯實了基礎(chǔ)。

三、困難與解決思路

實踐教學(xué)面臨諸多困難，首先學(xué)生學(xué)習(xí)自主性區(qū)別較大，對于習(xí)慣于傳統(tǒng)課堂教學(xué)的學(xué)生來說，對課程進度的把握和后續(xù)自主學(xué)習(xí)階段難以持續(xù)跟進。針對該問題，解決方法是一方面提升課程的趣味性，比如在講授基礎(chǔ)理論、方法的時候，直接配合Jupyter Notebook強大的交互式功能，實時演示理論、方法的結(jié)果，并讓學(xué)生自主嘗試修改參數(shù)觀看結(jié)果、促進理解。另外在實踐過程中也全力耐心解答學(xué)生的問題。其次，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的人工智能和大數(shù)據(jù)以Python編程語言作為主要工具，而部分學(xué)生并未接觸過該語言，而課程也無法完整講解編程語言的使用方法，因此在課程教學(xué)過程中，補充了配套的Python自學(xué)材料。更重要的方面，課程需要不斷提升配套建設(shè)豐富的工程實踐案例庫，以滿足實踐性教學(xué)的目的和保持課程的前沿性，對教師的要求更高。如何從實際項目中抽取簡化為學(xué)生可理解、可操作的迷你小項目，將影響課程教學(xué)效果，而由于課程需要緊密結(jié)合工程實踐，必須不斷更新課程內(nèi)容，因此本課程教學(xué)創(chuàng)新要求教師具備持續(xù)的探索精神，極大增加了授課教師的工作量，目前由于課程開課時間較短，這方面的素材積累還較為有限，有待后續(xù)進一步完善。后續(xù)教學(xué)中將進一步綜合人工智能和數(shù)據(jù)思維的基本知識、無人機實操和開放性迷你項目，從理論到實踐完整實現(xiàn)“航空航天+人工智能”的深度融合，真正讓學(xué)生學(xué)以致用。

結(jié)語

“人工智能+X”課程的教學(xué)模式在我國現(xiàn)有的課程體系中尚處于探索階段，尚無成熟的教學(xué)模式可供借鑒。圍繞“航空航天大數(shù)據(jù)智能設(shè)計”課程開展的實踐性教學(xué)授課模式嘗試，以加強學(xué)生實踐能力和培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的自驅(qū)力為基礎(chǔ)，在課程教學(xué)中采用學(xué)生“編程實操無人機”和“開放性迷你項目”相結(jié)合的方式，配套課程考核模式的轉(zhuǎn)變，通過實踐激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時將數(shù)據(jù)思維的認知方法傳達給學(xué)生，完善學(xué)生個人知識體系。本課程的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)對學(xué)生自主學(xué)習(xí)和教師不斷創(chuàng)新均有促進作用，同時該實踐性教學(xué)的嘗試也為“航空航天+人工智能”相關(guān)課程開設(shè)提供了參考。

參考文獻

［1］黃健.從終身教育的視角解讀《中國教育現(xiàn)代化2035》［J］.教育與教學(xué)研究，2020，34（8）：1-2.

［2］葛行軍，李嵩，劉冬.研究生前沿課程實踐性教學(xué)探索：以國防科技大學(xué)“脈沖功率技術(shù)”課程為例［J］.高等教育研究學(xué)報，2023，46（3）：98-101.

［3］黃淋云，林文斌，蘇玉潔.“人工智能+X”創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的教學(xué)改革探討［J］.中國現(xiàn)代教育裝備，2022（9）：147-149.

［4］程偉麗.應(yīng)用型人才為導(dǎo)向的“一體兩翼”實踐性教學(xué)模式構(gòu)建：以建筑工程質(zhì)量管理教學(xué)為例［J］.教育教學(xué)論壇，2020（18）：277-278.

Exploration of Practical Teaching in the Aerospace Big Data Intelligent Design Course

ZHU Guang-ya， GAO Yi-sheng， CHEN Wei-jian， CHEN Zhao-lin

（College of Aerospace Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing， Jiangsu 210000， China）

Abstract： Aerospace big data intelligent design is a newly established course for aerospace students at Nanjing University of Aeronautics and Astronautics in the context of new engineering requirements， and it is also a new exploration of cultivating future talents in the field of “aerospace + artificial intelligence”. In order to strengthen students’ practical abilities and cultivate their self-directed learning abilities， a practical teaching form has been introduced in this course teaching. The combination of students’ “drone programming” and “mini projects” has been adopted， and the practical assessment mode of the supporting course has enabled students to stimulate their interest in learning this subject in practice. At the same time， the cognitive methods of data thinking are conveyed to students， improving their personal knowledge system， and the ability to use data-driven modeling methods to solve practical engineering problems in the foreseeable forefront of aviation and aerospace in the future. The practical teaching section of this course not only benefits students， but also puts forward higher requirements for the comprehensive quality of teachers and the establishment of relevant practical case resource libraries， which will be conducive to the improvement of teachers’ comprehensive teaching ability.

Key words： practical teaching; Intelligent Design of Aerospace Big Data; mode transformation; drone operation