PBL-LBD教学法在无人机空气动力学课程中的应用研究

胡欣 齐福强

摘要 在新工科人才培养理念引领下，本研究分析无人机空气动力学作为无人驾驶航空器系统工程重要专业基础课程所存在的问题，引入PBL-LBD教学法，从“理论与实践相结合、基本知识与拓展知识相结合、继承与创新相结合”三方面探讨教学内容的优化，从“理论授课―案例讨论―专题研究―融会贯通”全流程探究教学方式的改革，为探索新工科无人驾驶航空器系统工程本科专业人才培养方式提供借鉴。

关键词 无人机空气动力学；PBL；LBD；无人驾驶航空器系统工程

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.14.035

当前我国民用无人机产业发展势头迅猛，包括无人机产品、企业、规模等都增长显著，全国开设无人驾驶系统工程专业的高等院校已达20多所。为做好无人机人才培养顶层设计，依据无人驾驶系统工程专业人才培养目标、最新专业课程标准等，高等院校一般将无人机空气动力学作为一门专业必修课程。该课程特色鲜明，将传统的空气动力学基础知识与现代高科技的代表无人机紧密结合，理论性高、实践性强。作为学校乃至整个国内新开设的课程，在教学内容和教学模式上有必要做一些研究和探索工作。

目前关于无人机的本科相关专业课程改革研究相对较少，无人机专业课程普遍缺乏理论联系实际，学生实践、创新能力不足[1-3]。而课堂教学在教学中占有重要地位，是实现人才培养目标的重要载体，是课程理念和教学内容的重要体现[4]。教学内容是否合理、教学方式是否先进，直接关系到教学成果的好坏。本文从本学科特点出发，借鉴PBL与LBD相结合的教学方法，详细研究无人机空气动力学课程的体系建设，从教学内容设计和教学方法上进行探索，为课程教学改革提供参考。

1课程问题分析

中国民航大学无人驾驶航空器系统工程专业于2019年申报获批，并于2020年开始招生，专业立足于无人驾驶航空行业，以无人驾驶航空器行业应用为特色，培养掌握扎实的基础理论、先进的系统科学理念、无人驾驶航空器系统工程相关学科的专业知识和运用技术、具有较强的工程实践能力、综合管理能力、国际交流能力和创新精神，具备较高的政治思想素质、良好的人文科学素养和高度的社会责任感，能够从事无人驾驶航空器飞行控制系统设计与开发、运行组织与保障和检测验证相关工作，适应无人驾驶航空器行业发展需求、德智体美劳全面发展的应用型高素质工程技术和管理人才。根据专业“立足民航，面向社会；重视基础，强调实践；层次分明，规模适度；教研结合，学用相辅”的目标定位，开设了四个研究方向：通用航空运行管理研究、通用航空新技术应用研究、无人机运行风险分析与控制研究以及无人机智能控制研究，注重学生理论知识的学习和实践能力的培养。

由于无人驾驶航空器系统工程专业具有涉及理论知识多、专业性强、实践要求高等特点，采用传统的教学模式，将会出现教条化、空洞化等诸多弊端，很难激发学生的学习兴趣和创新意识，教学环节与实际应用脱轨，严重影响教学效果[5]。无人机空气动力学课程主要介绍无人机飞行所面对的环境，阐述无人机为何能飞起来，探讨影响无人机空气动力特性的因素有哪些。课程建设目前处于起步阶段，总体来看，存在以下问题：

1.1教材难易差别很大，专业适用性不强

关于空气动力学的出版物较多，但难易差别较大，不易选取。有的教材内容选取简单，知识点不够细致，构不成体系；有的教材设计过于复杂，尤其高速空气动力学部分过于深入、晦涩难懂，偏向于航空工业设计制造学科，不适用于偏向低空运行的无人机空气动力学的教学。

1.2忽视行业发展，滞后性明显

无人机种类繁多、飞行时间灵活、发展速度快、安全保障体系尚未健全，相关法律法规在不断更新中，与无人机相关的课程内容陈旧，忽视行业发展，滞后性明显，无法将理论与实际有效统一。另外，有关空气动力与无人机结合部分的学科前沿成果与研究热点较少，影响了课程自身特色的凸显。

1.3缺乏系统规划教材

空气动力学一般聚焦在传统的纯理论研究，而无人机作为新业态，其设计、制造、运行与其气动特性密切相关，鲜有教材将其二者紧密结合，或者教材专业背景偏向指挥作战，与实际工作需求差距明显，缺乏系统规划的教材，体系不够完整。

1.4难以实现培养目标

空气动力学本身偏重基本原理的讲解，注重知识的系统性和适用性，与无人机的多样性结合，难以保证各类型无人机通用理论的求同存异，使得实践应用性弱，引导和启发作用处于低阶阶段，在一定程度上限制了学生继续探究无人机技术和运用的能力。

从以上分析可以看出，无人机空气动力学课程建设困难重重，教学内容与模式亟待完善。本课程将基于“新工科”人才培养模式，着重提高无人驾驶航空器系统工程专业学生的综合安全素养和应用能力、创新能力，整合课程内容，增加课堂专题研究比重，采用现代教育技术手段，提高教学效果。

2 PBL-LBD教学法在课程中的应用

面对无人机产业的迅猛发展，无人驾驶航空器系统工程专业人才培养工作要在新工科专业建设方面进行同步升级改造，同时也需对人才培养过程中的各个环节进行持续不断的创新与实践，新工科建设发展的核心目标是培养能够适应乃至引领新时代发展的高级工程技术人才[6-7]。本研究將在“新工科”背景下，针对应用型人才培养的需求[8]，立足无人机飞行特性，探讨教学内容的优化和教学方式的改革，重点培养学生扎实的专业知识、较强的实践能力和优秀的创新能力。

2.1面向应用型人才的课程教学内容优化

无人机空气动力学作为无人驾驶航空器系统工程重要的专业基础课，教学内容从“理论与实践相结合、基本知识与拓展知识相结合、继承与创新相结合”的三个方面进行改革。首先，将课程核心内容（流体属性、流体力、流场、力学基本方程、膨胀波与激波、附面层、固定翼无人机飞行特性、无人直升机飞行原理、多旋翼无人机操纵方法等）从理论教学和实践应用两个方面对课程内容进行优化。其次，鉴于本课程是民航专业类课程，涉及的理论知识多，在理论基础知识部分引入“拓展知识模块”，将航空气象、空中交通管理、法律法规体系、无人机适航管理等构建“整合课程”模式，使学生了解行业应用背景，加深对知识的联系、运用，也更能提高其分析问题和解决问题的能力。最后，由于无人机发展技术日新月异，与固定翼无人机飞行特性、无人直升机飞行原理、多旋翼无人机操纵方法这些有代表性的传统知识相比，在实践应用部分加入“创新模块”，对无人机电动的士、无人机机器小蜜蜂、无人机水下飞行器、无人机施工队等专题展开研究讨论，将继承与创新相结合，从系统分析能力、知识综合运用能力、科技创新能力方面解决以往学生“眼高手低”的问题。其课程内容体系设置如图1所示（p114）。

2.2面向应用型人才的PBL-LBD教学模式优化

PBL（Problem-Based Learning）教学法也称作问题式学习，是以问题为导向，基于现实世界的“以学生为中心”的教学方式[9]。LBD（Learning-By-Doing）教学法也称作实践教学法，是以培养学生动手能力为主的实践教学方法[10]。这两种教学法相结合，能启发学生思维，丰富教学成果，有效提高学生的实际动手能力。本项目改变传统教师讲授为主的“预习—听课—复习—考试”的教学方法，开展以PBL-LBD结合模式灵活教学。结合无人机空气动力学发展实际，从教学前提出问题、教学中解决问题与教学后评价改进三个层面，构建PBL-LBD创新性教学模式。以理论结合实践，进而改进提升，从“理论授课―案例讨论―专题研究―融会贯通”全流程探究教学方法。结合课程实际教学进展，将学生进行分组，采用自行选题和给定议题结合的方式，以组为单位，通过划分研究小组，学生承担不同角色，完成各自任务、构建知识“点”共识、形成研究报告。教师在这一过程中承担咨询、顾问的角色，而学生成为分析问题、解决问题的主角，使学生在掌握理论知识的基础上，有能力解决问题和对实践创新，最后能对所学知识融会贯通，通过设计并实现相关试验，进一步对知识加以研究突破。其教学流程图如图2所示。

2.3创新性教学手段、教学资源的应用

大学本科专业课教学的过程，既是学生专业水平技能提高的必然体现，也是学生学习思维、知识系统性提高的过程。当前的大学理论教育与社会实践结合的重要体现，就是要教会学生学会创新，而创新意识的培养，又要从教学手段、教学资源的应用上不断创新。

为培养学生的探索和创新能力，通过创新教学手段，激发学生学习兴趣、构建学生“做中学”的教育理念，提升实践教学效果与质量，改变灌输式的教学方法，推广研究性学习和个性化培养的教学方式，建设创新文化，提高教学质量[11]。将PBL-LBD教学法与创新性教学手段相结合，如人工智能、云课堂、微课、虚拟仿真实训等，能帮助教师更好地呈现知识点，增加师生互动、生生互动，提高教学效果[9]。如本门课程“无人机空气动力学”，学生可以通过做一些传统实验了解流体力学的基本理论，但目前传统的实验内容和手段无法满足工科创新型人才培养的学习要求。因此可帮助或鼓励学生通过云课堂、虚拟仿真等手段自主研究设计一个系统性创新实验，培养学生的问题导向式思维，通过研究性学习，提高学生的学习兴趣和参与度，使学生具有更敏锐的知识创新思维和能力。

此外，也应最大限度地对教学资源进行应用，教师充分利用校内外实训平台，网络优质慕课、精品课等，优化教学设计，丰富教学内容，可加深学生对理论知识的理解，也能提高其专业实践水平，锻炼独立思考和创新思维能力。另外还有诸如VR技术、云技术与APP等新型科技教学资源，能有效提升教学思路、水平与理念。其中，VR技术是一种虚拟现实技术，可为使用者模拟听觉、视觉等体会身临其境之感，能有效代替以往实训实验等操作环节。云计算技术是大数据技术下的产物，基于数据管理的新型计算方法，可让用户根据自身需求来选择信息服务或数据存储等功能，为师生课外学习提供一种新的科技手段。另外还有App（Application）客户端与智能手机使学生有效实现碎片化学习，不仅节约时间，还可让学生学习更为便捷，可以随时随地自我学习提升，大大减轻教师的教学压力[12]。

3总结

“无人机空气动力学”是无人驾驶航空器系统工程的一门专业基础课，将空气动力学基础知识与无人机紧密结合，主要研究空气的基本流动规律、无人机气动特性、空气动力学应用等。以“经典教材+讲义”的模式进行教学内容的改革，编制校内教材，既系统阐述了经典的空气动力学基础理论，又结合无人机先进的气动特性，理论与实践有效统一，摆脱传统教材“从理论到理论”的书写与讲授模式。同时，建立无人机空气动力学课程教学的新思路和新方法，更好地培养和强化学生的自学能力、动手能力、实际应用能力和创新能力。采取面向应用型人才培养的PBL和LBD相结合的教学方法，以“理论授课―案例讨论―专题研究―融会贯通”的新教学探索模式可在无人机空气动力学课程教学中起到积极有效的作用。

基金项目：中国民航大学教育教学改革与研究项目“新工科背景下基于PBL-LBD理念的《无人机空气动力学》教学模式的研究与实践”（CAUC-2022-C2-008）。

参考文献

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