?创新实践驱动的大学生综合能力提升模式探讨

    张燕军 徐勇 张超 徐弘

    摘? 要 以组织学生参加首届江苏省研究生无人机科研创新实践大赛过程为例，从深入有效的方案讨论、设计过程指导、制订进度计划、调试实验、指导改进设计、调整比赛心态以及组织现场学习等方面，探讨创新实践驱动的大学生综合能力提升模式，对当前增强大学生的自主创新能力、培养高素质人才具有一定的指导作用和参考价值。

    关键词 创新实践;大学生综合能力;无人机

    中图分类号：G645? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）10-0080-03

    Abstract Taking the process of organizing students to participate in the first Jiangsu Province Graduate Unmanned Aerial Vehicle Research Innovation Practice Competition as an example， this paper discussed the mode of improving the comprehensive ability of college students driven by innovative practice from the aspects of in-depth and effective scheme discussion， design process guidance， making progress plans， debugging experiments and guiding the improvement of design， adjusting the mentality of competition and organizing on-site learning， which has a certain guiding role and reference value for strengthening the independent innovation ability of college students and cultivating high-quality talents.Key words innovative practice; college students comprehensive ability; unmanned aerial vehicle

    1 引言

    在知識经济的新时代，既对当代大学生的创新能力提出更高的要求，也孕育着高等院校培养大学生创新能力的良好契机，客观认识大学生创新活动的现状，采取措施推动创新活动的深入开展，努力提升在校大学生的培养质量，对增强大学生的自主创新能力、造就能适应未来挑战的高素质人才具有重要的现实意义。

    在国家创新驱动发展战略指引下，大众创业万众创新得到深入发展，战略性新兴产业新技术、新产业在不断涌现。“十三五”国家战略性新兴产业发展规划将无人机列为主要发展方向，将无人机产业提升到国家战略层面。无人机技术属于典型的交叉学科科研领域，涉及控制工程、人工智能、模式识别、图像处理、计算机技术、遥测遥感、电子设计、机械工程等领域的专业知识，已经成为世界各国争相研究的热点课题。基于无人机平台强化对学生创新能力的培养，是锻炼学生的创新实践能力的有效途径之一。本文以学生参加的首届江苏省研究生无人机科研创新实践大赛过程为例，探讨创新实践驱动的大学生综合能力提升模式。

    在参加无人机科研创新实践大赛的学生中主要是研究生和本科生，虽然具备一定的理论基础知识和创新的热情，但对于无人机控制领域缺乏系统了解与实践经验。因此，无人机大赛这样的工程实践项目，对于他们有一定的挑战性。故而需要对大赛项目的实施先期进行总体规划，并抓住几个关键环节，对学生的思路进行引导，是保证顺利完成比赛任务、达到提高学生的科技创新能力的必要条件。

    在项目实施过程中总结出一些措施和方法，实现对大学生综合能力的锻炼和提升，主要包括：深入而有效的方案讨论，设计过程的具体指导，制订好比赛各项任务的进度计划，安排好室外调试实验时间，指导好改进设计，调整好比赛心态以及组织现场学习。

    2 组织深入有效的方案讨论

    这次无人机创新实践大赛主要包括五个环节，分别是空中物流、障碍规避、空中追踪、技能表演和技术解析等。

    空中物流任务要求无人机全程自主飞行，完成货物投放并返回。要求参赛选手携带飞机进入赛场后在指定点O点准备自主起飞，并装载两个500 g的货物，飞到指定的A点上空后抛下一个货物，然后继续飞行到指定的B点降落，放下另一个货物，接着再起飞返航至指定的起飞点O点并安全着陆。在比赛过程中，要求全程定高五米飞行（最高不得超过10米），在A、B点投放货物时按货物第一次触地位置计算得分，在O点降落时按飞机降落位置计算得分;参赛选手从入场开始计时，要求在15分钟内完成比赛。

    障碍规避要求无人机自主避障，在比赛场地中设置宽度为四米的障碍摆放区，比赛前随机摆放障碍物。无人机进入赛场后由起点起飞，然后沿直线路径自主飞行至终点，其间遇到障碍后需要从侧面做出躲避动作，然后回到初始路径继续前进，躲避过三个障碍后飞至终点安全降落。在比赛过程中，要求全程定高飞行（1～3米内），避障后需要回归初始路径。

    空中追踪比赛要求无人机自主识别载有色板的遥控小车并跟随飞行，跟随目标小车行进近150秒，比赛结束安全返航。

    技能表演主要突出技术水平而不是飞行技巧，评委根据此项技术的难度、新颖性、实用性等进行评分。

    技术解析则要求参赛选手对比赛用到的技术以PPT的形式进行讲解。

    由于是江苏省内首次举办高校无人机科研创新实践大赛，首先需要组织科创团队深入地解析比赛规则，制定针对比赛任务的方案策略。在展开充分调研后，团队成员就各自调研情况与方案进行深入讨论，按照比赛评分规则和任务权重，空中物流、障碍规避、空中追踪三项任务的难度逐项增加，或者说对于学生所在专业，图像处理方面的难度相对要更大一些，而第一项任务的权重最高。因此，在有限的时间、精力分配方面，要求学生合理分配，各个击破。对于能通过专业知识破解的技术问题，要高效创新性地解决;对于专业知识方面属于薄弱环节的，则采用消化吸收再创新的模式。

    总之，在此过程中指导教师以多听少说、顶层把握引导为主，让学生把各种可能的、不可能的，出色的、逊色的方案谈深谈透，引导作用在于把学生的想法归类，对符合比赛要求、满足飞行任务要求的无人机机型和开源飞控平台进行选型，并根据实际情况制订采购计划。

    3 细致指导系统搭建过程

    无人机虽然在日常新闻报道中对于学生而言并不陌生，但是如果将其作为研究对象，目标是要很好地驾驭无人机，则对于学生而言还是有一定难度的。对于融合多门学科理论的无人机，学生缺乏复杂控制系统的设计经验，在系统架构设计、位姿算法设计、多传感数据信息融合、地面管理系统通信等方面还存在弱项，甚至对于如PX4/Pixhawk等开源飞控系统没有任何概念。这个阶段是学生最有可能停滞不前甚至丧失信心而影响比赛准备过程实施进度的，此时需要科学引导学生分块设计，分块学习应用软、硬件，化整为零，降低问题的复杂程度。指导学生重视对如Pixhawk的已有样例的学习，再逐步实现运用开源飞控提供的源码，而非全盘去设计及编码无人机飞行控制程序。

    由于空中物流任务在整个比赛中非常重要，因此，前一阶段主攻此项任务。对于空投系统，指导教师可鼓励学生运用较为流行、上手容易的Arduino开源平台，可使系统搭建顺利进行。指导教师通过参与学生工作现场讨论，抓住重点环节，给予具体建议，完成好既定的任务进度计划，并合理规划主要功能模块的实验室制作时间进度，以参谋、督促、审核、协调为主。

    4 充分调试，改进设计

    为了使设计的系统功能能够充分发挥，达到最佳的竞赛效果，指导学生搭建模拟场地显得十分必要。对于一般产品的设计研发流程，在模拟环境中进行功能与性能的测试验证及优化也是必不可少的一个环节。因此，对于无人机比赛任务的功能开发与实现过程，应尽可能多地引导学生争取更多的室外模拟场地调试实验时间。任何一个设计、一个工程项目的实施总会存在不足，加上学生没有经验且时间紧迫，问题一定会大量存在。室外调试实验过程越长，次数越多，“毛病”就暴露得越充分，就为解决问题赢得了时间。

    另外，学生普遍存在一种心理现象，即面对自己初次设计的作品，容易沉浸于欣赏和喜悦，看成绩多，找问题少。此时，教师要及时地引导学生，实事求是地对待科学研究。在肯定成绩的同时，让学生能够鼓足勇气寻找问题和不足之处，鼓励和督促学生进行大量的调试实验，从总体功能、机构动作、传感器效果、控制思路等多方面进行专项实验，衡量其有效性、可靠性和稳定性，进行详细记录。对于那些影响无人机飞行稳定性能和任务完成率较低的大问题，要坚决地加以改进设计。通过反复实验，从肯定到否定，再从否定到肯定，学生会从实验中总结提高，构思出更为理想的结构，使无人机的飞行稳定性和任务完成率逐步提高，同时培养开展科学研究和实验的能力、认真踏实的科研态度。

    5 稳定比赛心态，组织现场学习

    比赛过程是学生经受考验、锻炼意志和学习提高的好机会。参赛前，学生的心理负担较大，担心拿不到好成绩，而过大的心理压力將会严重地影响比赛的发挥。在比赛中就出现部分参赛队伍成员由于心理压力过大，在无人机解锁前忘记最基本的飞行起飞前的各项配置检查，导致无人机失稳而坠机。因此，赛前必须做好学生的思想工作，正确认识无人机大赛，为学生减负。

    “过程更重要，比赛中无人机能发挥出正常水平，就是成功。”反复向学生强调，之所以参加比赛，主要是为他们提供一次参与实际工程项目的机会，用此来探索一条工科教育教学改革的路子，在于营造一种良好的研究学习氛围，激发学生奋发向上、刻苦学习的热情。只要这个目的达到了，就已经取得了胜利。当然，比赛总是有名次的，只要用平静的心态，抱着向兄弟院校学习先进经验的态度，就能取得理想的成绩。学生能够轻装上阵，怀着愉快的心情参加比赛，无疑对学生心理素质的培养是有益的。

    赛程虽然很短，但过程的经历极其宝贵。26支参赛队伍就像一次无人机博览会，是一次难得的学习机会，在此期间更是观摩学习的机会，结合研讨方案时的体会，分析兄弟队的构思和结构，借鉴别人引入的先进技术，可极大地开阔思路，使学生的收获再上一个台阶。在所有参赛人员的努力下，参赛队伍夺取综合一等奖的成绩，赛后对比赛中出现的问题进一步总结，也将对后续学习研究工作的提升产生积极作用。

    6 结语

    以组织学生参加首届江苏省研究生无人机科研创新实践大赛过程为例，从深入有效的方案讨论、设计过程指导、制订进度计划、调试实验、指导改进设计、调整比赛心态以及组织现场学习等方面，探讨创新实践驱动的大学生综合能力提升模式，对当前增强大学生的自主创新能力、培养高素质人才具有一定的指导作用和参考价值。

    参考文献

    [1]汪冰，王晓丽，陈季萍.实践教学在工科大学生素质教育中的作用[J].教育教学论坛，2018（47）：142-143.

    [2]朱书卉，眭国荣.以大学生创新能力提升为导向的训练营模式探索[J].中国成人教育，2018（18）：63-66.

    [3]林佳，林晓明，石光.基于“挑战杯”竞赛培养大学生创新能力的探索[J].当代教育实践与教学研究，2018（9）：

    186-187.

    [4]刘灿昌，许英姿，云海，等.大学生科技创新竞赛团队组织管理模式研究[J].大学教育，2018（9）：200-202.