軍民融合背景下無人機集群技術教學改革研究

摘 要 隨著軍民融合深度發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略，無人機系統(tǒng)作為新興高端裝備，其集群技術在國防和民用領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。這一趨勢對無人機集群技術專業(yè)人才的培養(yǎng)提出了更高的要求，亟須通過教育教學創(chuàng)新改革，推動軍民融合的發(fā)展。文章旨在探討軍民融合背景下，無人機集群技術課程教學改革的方向與策略，通過優(yōu)化教學內(nèi)容、改進教學方法和評價體系，以提升學生的創(chuàng)新能力與實踐能力，促進無人機技術的軍民融合發(fā)展。

關鍵詞 無人機；集群技術；軍民融合；教學改革

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.31.018

Research on Teaching Reform of UAV Cluster Technology under the

Background of Military-Civilian Integration

GAO Zhiyun， GU Jie

（School of Transportation Science and Engineering， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300）

Abstract With the deepening of military civilian integration becoming a national strategy， unmanned aerial vehicle systems， as emerging high-end equipment， have shown great potential for cluster technology in both national defense and civilian fields. This trend has put forward higher requirements for the cultivation of professionals in drone cluster technology， and there is an urgent need to promote the development of military civilian integration through innovative reforms in education and teaching. The article aims to explore the direction and strategies for the teaching reform of unmanned aerial vehicle cluster technology courses under the background of military civilian integration. By optimizing teaching content， improving teaching methods and evaluation systems， it aims to enhance students' innovation and practical abilities， and promote the development of military civilian integration of unmanned aerial vehicle technology.

Keywords unmanned aerial vehicle， cluster technology， military-civilian integration， teaching reform

隨著全球科技競爭的日益激烈，軍民融合作為國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，正以前所未有的速度和規(guī)模向前推進。無人機集群技術作為這一領域的一顆璀璨明星，憑借其獨特的優(yōu)勢——高效協(xié)同、靈活部署、低成本效益等，不僅在國防安全領域展現(xiàn)出強大的戰(zhàn)略價值，還在民用領域開辟了廣闊的應用前景。從軍事偵察、精確打擊到農(nóng)業(yè)植保、環(huán)境監(jiān)測、物流配送，無人機集群技術的應用場景日益豐富，成為推動社會進步和產(chǎn)業(yè)升級的重要力量[1-3]。然而，面對無人機集群技術的快速發(fā)展和廣泛應用，當前的高等教育體系在人才培養(yǎng)方面面臨著諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的無人機技術課程往往側重于單一技能或組件的教學，缺乏對學生系統(tǒng)性、創(chuàng)新性思維和跨領域合作能力的培養(yǎng)。特別是在軍民融合背景下，如何培養(yǎng)出既具備扎實理論基礎，又熟悉實際應用場景，同時能夠靈活應對復雜多變?nèi)蝿盏母咚刭|(zhì)無人機集群技術人才，成為一項重要課題。

因此，本文聚焦于無人機集群技術教學改革，旨在通過深入分析當前教學體系中存在的問題與不足，結合軍民融合發(fā)展的實際需求，探索出一套科學、合理、有效的教學改革方案，為無人機集群技術的軍民融合發(fā)展培養(yǎng)出一批優(yōu)秀的復合型人才。

1" 課程分析

1.1" 課程概述

無人機集群技術作為現(xiàn)代航空技術的前沿領域，其深遠意義遠不止于簡單的多機協(xié)同作業(yè)。這一技術深度融合了先進的通信技術、高精度的路徑規(guī)劃算法、高效的碰撞避免機制以及復雜的分布式控制策略，構建了一個高度協(xié)同、智能自主的系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，每一架無人機都是智能網(wǎng)絡中的一個節(jié)點，它們能夠實時共享信息、動態(tài)調(diào)整策略，以最優(yōu)化的方式共同應對復雜多變的任務環(huán)境。

無人機集群技術課程作為培養(yǎng)未來無人機技術專業(yè)人才的關鍵課程，其教學內(nèi)容和目標均體現(xiàn)了對這一領域全面而深入的理解。課程不僅涵蓋了無人機集群技術的基礎理論知識，如通信協(xié)議、傳感器技術等，還深入探討了集群協(xié)同作業(yè)的核心技術，包括但不限于：實時動態(tài)決策與自適應控制、分布式協(xié)同算法以及安全性與可靠性保障。此外，無人機集群技術課程還注重培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新思維。通過實驗室實踐、項目設計、模擬演練等多種形式，學生有機會親手操作無人機集群系統(tǒng)，將所學知識應用于解決實際問題。同時，課程鼓勵學生探索新技術、新方法，破解傳統(tǒng)思維的局限，為無人機集群技術的發(fā)展貢獻新的思路和解決方案。

1.2" 學情分析

1.2.1" 知識和技能基礎

本課程作為高級專業(yè)課程，開設于學生學術生涯的第7學期，這是一個集大成者的學習階段，旨在將學生在前六個學期所積累的深厚理論基礎與專業(yè)技能進一步升華與融合。在此之前，學生已經(jīng)系統(tǒng)學習了無人機領域的核心課程，包括但不限于無人機結構與系統(tǒng)、無人機嵌入式控制系統(tǒng)、無人機控制工程基礎、無人機導航與通信、無人機任務規(guī)劃、無人機飛行動力學以及無人機飛行控制等。這些課程不僅為學生構建了扎實的專業(yè)知識框架，還培養(yǎng)了他們在通信導航、任務規(guī)劃、傳感技術、控制理論等方面的能力。

進入無人機集群技術的學習，學生將站在一個新的高度面對無人機技術的前沿挑戰(zhàn)——如何實現(xiàn)多架無人機的協(xié)同作業(yè)與高效管理。課程將深度挖掘無人機集群技術的核心要素，如集群控制算法、分布式?jīng)Q策機制以及實時數(shù)據(jù)共享與處理等，引導學生將之前所學的專業(yè)知識綜合應用于這一復雜系統(tǒng)中。

1.2.2" 認知實踐能力

在學習無人機集群技術這一高級專業(yè)課程之前，學生已經(jīng)歷了一系列精心設計的實習與實踐環(huán)節(jié)，如專業(yè)認知實習、無人機應用場景實習以及無人機“1+X”實習等，這些實習課程不僅為學生搭建了理論知識與實際操作之間的橋梁，還讓他們在真實或模擬的工作環(huán)境中親身體驗了無人機的多種應用場景與技術挑戰(zhàn)。這些實習經(jīng)歷直觀地展示了學生在無人機技術領域的實操能力成長軌跡。

為了更加精準地把握學生的學習現(xiàn)狀，有效規(guī)劃后續(xù)的教學路徑，課程組進行了詳盡的學前摸底測試。測試結果顯示，大部分學生已經(jīng)牢固掌握了無人機動力系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)以及地面站操作等方面的基礎知識，這表明學生在無人機單體控制與管理方面具備了較為扎實的基礎。同時，學生在實習過程中展現(xiàn)出的解決問題的能力、創(chuàng)新思維以及對新技術的敏感度，也能為教師設計更具挑戰(zhàn)性和前瞻性的教學內(nèi)容提供有力依據(jù)。

1.3" 思政融入

為實現(xiàn)學生在無人機集群技術領域能力與素質(zhì)的全面躍升，應構建一個高度融合專業(yè)教育與職業(yè)素養(yǎng)的綜合性培養(yǎng)體系。這一體系以專業(yè)課教師深厚的專業(yè)素養(yǎng)為堅實支撐，通過身體力行成為學生的楷模，深刻詮釋“身教勝于言傳”的教育理念[4]。

體系的核心設計緊密圍繞三大支柱展開：首先，強化航空“6S”素養(yǎng)，通過模擬真實的無人機集群作業(yè)環(huán)境，要求學生嚴格遵循操作規(guī)范，不僅錘煉其專業(yè)技能，還培養(yǎng)其細致入微的工作態(tài)度、緊密的團隊協(xié)作精神和高度的安全意識，為其日后的職業(yè)生涯奠定堅不可摧的基礎。其次，實訓環(huán)節(jié)深度融入勞動教育，讓學生親身體驗無人機集群從組裝、調(diào)試到維護的全過程，這不僅鍛煉了學生的動手能力、耐心與責任感，還通過團隊合作解決復雜任務，極大地提升他們的協(xié)作能力與集體榮譽感，為其未來的職業(yè)道路鋪設堅實的實踐基礎。再次，以軍用和民用無人機集群的廣泛應用為實踐平臺，精選應用視頻作為教學素材。通過展示無人機集群在國防建設、農(nóng)業(yè)植保、環(huán)境監(jiān)測等領域的卓越表現(xiàn)，旨在激發(fā)學生的民族自豪感，引導他們緊密關注科技發(fā)展的最新動態(tài)，點燃他們探索新知、掌握新技能的強烈欲望。同時，通過剖析無人機集群作業(yè)中因操作不當而引發(fā)的事故案例，深刻警示學生，增強他們的安全責任意識，培養(yǎng)其精益求精的工匠精神，確保他們在未來的工作中能夠嚴謹細致、萬無一失。最終目標是培養(yǎng)精通無人機集群技術、職業(yè)素養(yǎng)高、具備社會責任感與工匠精神的復合型人才，以專業(yè)的技能、嚴謹?shù)膽B(tài)度、高效的團隊協(xié)作推動技術創(chuàng)新，促進社會繁榮發(fā)展。

2" 教學策略

2.1" 優(yōu)化教學內(nèi)容

無人機集群技術教學優(yōu)化，是提升教學質(zhì)量的關鍵。教師需全面審視教學體系，實施針對性改進，以促進教學效果與學生能力同步提升。

首先，致力于強化理論基礎與前沿技術的深度融合。在扎實傳授控制理論、優(yōu)化算法、通信協(xié)議及傳感器等核心技術的基礎上，緊跟科技發(fā)展的脈搏，將人工智能、機器學習、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理等前沿技術引入課堂，通過生動的案例講解、實操演練等方式，讓學生深刻理解這些新技術如何重塑無人機集群技術的面貌，從而激發(fā)學生的學習興趣和探索欲望，拓寬他們的知識視野和思維邊界。其次，高度重視實踐技能的培養(yǎng)。增設的實驗課程不僅涵蓋無人機集群的搭建、調(diào)試、控制等基本技能，還融入對故障排查、性能優(yōu)化等高級技能的培養(yǎng)。通過模擬真實應用場景的實驗設計，讓學生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，鍛煉他們的動手能力和創(chuàng)新思維。同時，引入國內(nèi)外無人機集群技術的典型案例，通過案例分析與討論，讓學生深入了解無人機集群技術的實際應用和潛在價值，培養(yǎng)他們的行業(yè)洞察力和市場敏感度。再次，積極推動跨學科知識的融合。無人機集群技術是一個高度交叉的學科領域，涉及計算機科學、控制科學、通信工程、機械工程等多個學科。為了培養(yǎng)學生綜合運用多學科知識解決問題的能力，學校開設了跨學科課堂，邀請不同領域的專家進行授課和交流；同時，實施項目式學習模式，讓學生以團隊的形式參與無人機集群技術實際項目的研發(fā)，歷經(jīng)需求分析、設計、實現(xiàn)的全過程，既錘煉了學生的團隊協(xié)作與創(chuàng)新力，又深刻體驗了復雜的技術與挑戰(zhàn)。最后，始終關注倫理與法規(guī)教育。隨著無人機技術的廣泛應用，其倫理問題和法規(guī)要求也日益凸顯。為了引導學生樹立正確的價值觀和倫理觀，學校開設了專門的倫理與法規(guī)課程，通過案例分析、討論辯論等方式，讓學生深入了解無人機集群技術可能帶來的倫理問題和社會影響；同時，加強對相關法律法規(guī)的教育和宣傳，讓學生熟悉并遵守相關法規(guī)要求，培養(yǎng)他們的法律意識和合規(guī)意識。

2.2" 改進教學方法

無人機集群技術教學改革中，教學方法的革新是關鍵。首先，構建全方位、多層次的教學體系，采用多元化的教學手段，以適應不同學生的學習風格與興趣偏好。線上線下融合教學不僅打破時間與空間的限制，讓學生可以靈活安排學習進度，還通過線上平臺的豐富資源和線下課堂的即時互動，實現(xiàn)對知識的深度理解與應用。此外，還可以引入虛擬現(xiàn)實（VR）與增強現(xiàn)實（AR）技術，打造沉浸式學習環(huán)境，讓學生親歷無人機集群操作與設計，增強學習的吸引力與效果。其次，在實踐教學環(huán)節(jié)，堅持“做中學、學中做”的理念，通過項目式學習和校企合作的深度融合，為學生搭建從理論到實踐、從課堂到職場的橋梁。學生在參與實際項目的過程中，不僅能夠綜合運用所學知識解決復雜問題，還能在團隊協(xié)作中鍛煉溝通協(xié)調(diào)能力和創(chuàng)新思維。與企業(yè)的緊密合作，則為學生提供了接觸行業(yè)前沿、了解市場需求的機會，幫助他們提前規(guī)劃職業(yè)生涯，為未來的職業(yè)發(fā)展奠定堅實的基礎。最后，通過設立創(chuàng)新實驗項目、組織科技競賽等方式，激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維和解決問題的能力。同時，在教學過程中融入批判性思維訓練，引導學生從不同角度審視問題、分析數(shù)據(jù)、得出結論，并鼓勵學生勇于表達自己的觀點和見解，從而培養(yǎng)出具有獨立思考能力和批判精神的未來科技人才。

2.3" 完善評價體系

在無人機集群技術課程的教學改革中，完善評價體系至關重要[5]。為此，高校應構建一個多元化、綜合性的評價體系，聚焦于學生對基礎理論與核心知識的掌握，通過實踐能力與創(chuàng)新能力的雙重評估，全面衡量學生的動手實操、項目執(zhí)行、問題解決及創(chuàng)新創(chuàng)造等多維度的能力。同時，巧妙融合過程性評價與結果性評價，關注學生的日常學習態(tài)度、方法及團隊協(xié)作能力，并依托考試、項目報告與學術論文等客觀標準，綜合評價其學習成效。此外，充分利用信息技術的優(yōu)勢，如在線評價平臺與大數(shù)據(jù)分析技術，提升評價的效率，確保評價的精準性與實效性。最后，建立及時的反饋機制，定期收集學生對課程教學的意見和建議，根據(jù)反饋結果調(diào)整教學內(nèi)容和方法，提高教學效果，為教學改進提供強有力的支撐與保障。

3" 結語

隨著無人機技術在軍用與民用領域的蓬勃發(fā)展，高等院校正高效推動無人機應用技能人才的培養(yǎng)與供給。基于明確的崗位技能標準，學校、行業(yè)、企業(yè)緊密合作，定制精準人才培養(yǎng)方案，實施“專業(yè)基礎夯實、核心能力精進、綜合能力飛躍”的培養(yǎng)策略，確保培養(yǎng)出緊貼市場與行業(yè)需求的高素質(zhì)無人機應用人才。

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務費（3122023QD18）。

參考文獻

[1] 韓亮，任章，董希旺，等.多無人機協(xié)同控制方法及應用研究[J].導航定位與授時，2018，5（4）：1-7.

[2] 段海濱，邱華鑫，陳琳，等.無人機自主集群技術研究展望[J].科技導報，2018，36（21）：90-98.

[3] 劉小明.基于5G的植保無人機多機協(xié)同系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學院，2022.

[4] 高雪，葉柏松.新工科背景下無人機植保技術課程教學改革[J].農(nóng)業(yè)工程，2023，13（2）：123-126.

[5] 李程程，張紅華，許延麗，等.人工智能背景下“無人機測繪技術”專業(yè)課程改革探索[J].科技與創(chuàng)新，2024（5）：146-148.