無人系統(tǒng)工程專業(yè)素養(yǎng)提升探索與實(shí)踐

武萌 郭傲兵 韓斌

摘要 無人作戰(zhàn)是信息化戰(zhàn)場的戰(zhàn)略前沿和發(fā)展熱點(diǎn)，是推動戰(zhàn)爭形態(tài)從信息化向智能化發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。作為科技前沿專業(yè)，無人系統(tǒng)工程的課程體系優(yōu)化，需要以專業(yè)知識、專業(yè)理論、專業(yè)技能、綜合實(shí)踐能力等方面為切入點(diǎn)，基于先進(jìn)的教學(xué)科研條件建設(shè)，拓寬專業(yè)理論；通過搭建一體化實(shí)驗(yàn)平臺、構(gòu)建系列化實(shí)踐環(huán)節(jié)打牢實(shí)踐基礎(chǔ)；基于任務(wù)牽引設(shè)置綜合實(shí)踐訓(xùn)練科目，提升實(shí)踐操作等能力；通過戰(zhàn)術(shù)綜合演習(xí)，豐富戰(zhàn)斗經(jīng)驗(yàn)，促使學(xué)員素養(yǎng)全面提升，為新型裝備列裝使用、新質(zhì)戰(zhàn)斗力生成奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 無人系統(tǒng)工程；綜合實(shí)踐能力；專業(yè)背景課程；戰(zhàn)術(shù)綜合演習(xí)

中圖分類號：E251文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.7.023

專業(yè)素養(yǎng)是指具有專業(yè)知識、專業(yè)理論、專業(yè)技能、必要的組織管理等方面的能力。專業(yè)素養(yǎng)的高低直接決定相關(guān)專業(yè)教育質(zhì)量的高低，在教育教學(xué)過程中，提升學(xué)員專業(yè)素養(yǎng)不是一蹴而就的，而是一個(gè)不斷發(fā)展、與時(shí)俱進(jìn)、不斷內(nèi)化提升的動態(tài)過程，是教員和學(xué)員群體共同追求、奮斗的前進(jìn)歷程。

無人作戰(zhàn)是新型的作戰(zhàn)力量，是全新的作戰(zhàn)方式，無人系統(tǒng)工程專業(yè)對標(biāo)教育部自動化類機(jī)器人工程本科專業(yè)，聚焦無人作戰(zhàn)系統(tǒng)所涉及的理論、方法、技術(shù)、運(yùn)用，為新型裝備的使用、維護(hù)、訓(xùn)練等奠定基礎(chǔ)。本文旨在面向無人系統(tǒng)工程專業(yè)學(xué)員專業(yè)素養(yǎng)提升進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期通過研究形成具有實(shí)踐指導(dǎo)意義的理論觀點(diǎn)和實(shí)踐方案，提升無人系統(tǒng)工程專業(yè)學(xué)員專業(yè)素養(yǎng)，提升本專業(yè)教學(xué)水平，以提高無人系統(tǒng)工程相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量。

1基于培養(yǎng)方案，依托OODA環(huán)梳理課程體系，構(gòu)建知識體系框架

1.1依托OODA作戰(zhàn)環(huán)梳理課程體系，構(gòu)建知識體系框架

由于OODA環(huán)可以對無人作戰(zhàn)行動的整個(gè)過程進(jìn)行高度抽象、全維感知，基于OODA環(huán)進(jìn)行課程梳理分析，構(gòu)建以智能與控制為基礎(chǔ)的無人作戰(zhàn)要素齊全（OODA作戰(zhàn)環(huán)）的知識體系框架，即“觀察與檢測→行為與判斷→規(guī)劃與決策→行動與打擊”，梳理課程內(nèi)容、知識體系結(jié)構(gòu)，提升教學(xué)水平，提升學(xué)員專業(yè)素養(yǎng)，如圖1所示。

基于OODA作戰(zhàn)環(huán)構(gòu)建課程知識體系框架，對課程內(nèi)容進(jìn)行梳理如下：

“O”，觀察與檢測，基于“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”和“環(huán)境感知技術(shù)”兩門課程，通過計(jì)算機(jī)接口控制、傳感器數(shù)據(jù)獲取、環(huán)境數(shù)據(jù)分析等內(nèi)容分析戰(zhàn)場環(huán)境信息，完成無人作戰(zhàn)要素中的觀察與檢測。

“O”，行為與判斷，基于“運(yùn)動控制技術(shù)”課程對無人機(jī)/車自主運(yùn)動行為進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)，通過慣導(dǎo)/衛(wèi)星組合導(dǎo)航、SLAM導(dǎo)航進(jìn)行行為判斷并確定運(yùn)動方向，完成無人作戰(zhàn)要素中的行為與判斷。

“D”，規(guī)劃與決策，基于“任務(wù)規(guī)劃技術(shù)”課程，通過路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)鏈路規(guī)劃、威脅模型評估、任務(wù)分配、載荷運(yùn)用等內(nèi)容，完成無人作戰(zhàn)要素中的規(guī)劃與決策。

“A”，行動與打擊，基于“火力打擊技術(shù)”課程實(shí)現(xiàn)無人作戰(zhàn)環(huán)終極行為：火控系統(tǒng)信息獲取、穩(wěn)定與跟蹤、目標(biāo)威脅評估、火力打擊等內(nèi)容，完成無人車/機(jī)中的行動與打擊。

通過課程知識體系進(jìn)一步對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理，構(gòu)建結(jié)構(gòu)完整的知識體系框架。

1.2細(xì)化分析課程設(shè)置

基于課程體系框架對課程設(shè)計(jì)進(jìn)一步細(xì)化分析，其中“自動控制原理”“人工智能原理及其應(yīng)用”和“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”是無人系統(tǒng)工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)，在此之上基于“環(huán)境感知技術(shù)”搭建“運(yùn)動控制技術(shù)”“任務(wù)規(guī)劃技術(shù)”“火力打擊技術(shù)”等課程，其中“自主運(yùn)動控制”在自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)地面無人平臺和無人機(jī)運(yùn)動控制方法，“任務(wù)規(guī)劃技術(shù)”學(xué)習(xí)威脅模型評估、任務(wù)分配、路徑規(guī)劃、載荷運(yùn)用和數(shù)據(jù)鏈路規(guī)劃等，“火力打擊技術(shù)”學(xué)習(xí)無人系統(tǒng)火控系統(tǒng)信息獲取、穩(wěn)定與跟蹤、導(dǎo)彈與制導(dǎo)、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)火控、火力打擊等內(nèi)容。最終通過“無人系統(tǒng)工程專業(yè)綜合訓(xùn)練”課程實(shí)踐科目從理論到實(shí)踐進(jìn)行綜合，基于綜合實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

課程設(shè)置如圖2所示。

課程設(shè)置聚焦無人作戰(zhàn)重要要素環(huán)節(jié)：智能、感知、任務(wù)規(guī)劃、運(yùn)動控制、火力打擊等內(nèi)容，注重體系化設(shè)置。

2一體化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，以科研促教學(xué)，拓寬專業(yè)理論

一體化建立基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室和專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。其中人工智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室，支撐“人工智能及其應(yīng)用”和“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”專業(yè)基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)；自主運(yùn)動控制技術(shù)、地面無人平臺行走機(jī)構(gòu)、無人系統(tǒng)人機(jī)交互、任務(wù)載荷技術(shù)、無人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)等專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，支撐“環(huán)境感知技術(shù)”“運(yùn)動控制技術(shù)”“任務(wù)規(guī)劃技術(shù)”“火力打擊技術(shù)”和“無人系統(tǒng)工程專業(yè)綜合訓(xùn)練”等專業(yè)課程實(shí)驗(yàn)。

通過一體化實(shí)驗(yàn)室，加強(qiáng)教學(xué)科研條件建設(shè)，對無人作戰(zhàn)理論、試驗(yàn)、平臺技術(shù)、協(xié)同作戰(zhàn)等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行相關(guān)教學(xué)科研研究；自主無人車團(tuán)隊(duì)參加“跨越險(xiǎn)阻陸上無人系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽”，這些深入的研究為課程教學(xué)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐；科研案例入課堂，引入CDIO工程教育模式，如基于無人平臺設(shè)計(jì)運(yùn)用相應(yīng)案例，講解“自主運(yùn)動控制”課程中的地面機(jī)動平臺運(yùn)動控制和無人機(jī)自主飛行控制等相關(guān)內(nèi)容。

3系列化實(shí)踐環(huán)節(jié)提升專業(yè)技能，任務(wù)牽引的綜合訓(xùn)練科目，提升綜合實(shí)踐能力

3.1系列化實(shí)踐環(huán)節(jié)打牢實(shí)踐基礎(chǔ)，提升專業(yè)技能

無人系統(tǒng)工程專業(yè)背景課程基于一體化實(shí)驗(yàn)室，設(shè)置系列化、高品質(zhì)實(shí)驗(yàn)平臺。以stm32系列CPU為基礎(chǔ)搭建通用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，基于機(jī)器人操作系統(tǒng)搭建系列ROS機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺（含AI機(jī)器人），搭建機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動平臺（含足球機(jī)器人、無人車等）。

通用機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，可支撐“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)”“自主運(yùn)動控制”等課程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

ROS機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺（含AI機(jī)器人），可支撐“人工智能原理及其應(yīng)用”“環(huán)境感知技術(shù)”“運(yùn)動控制技術(shù)”等課程實(shí)驗(yàn)。

機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動平臺，含足球機(jī)器人教學(xué)平臺和多款無人車，可支撐“運(yùn)動控制技術(shù)”“任務(wù)規(guī)劃技術(shù)”“火力打擊技術(shù)”“無人系統(tǒng)工程專業(yè)綜合訓(xùn)練”等課程實(shí)驗(yàn)。

這種專業(yè)背景課程實(shí)踐環(huán)節(jié)系列化的設(shè)計(jì)思路，遵循循序漸進(jìn)、連貫設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則，學(xué)員只用花較少的時(shí)間精力即可熟悉不同平臺，而更多地關(guān)注面向應(yīng)用的設(shè)計(jì)思路。這種一體化的連貫設(shè)計(jì)打牢了實(shí)踐基礎(chǔ)，加快了實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)度，可快速提升專業(yè)技能。

3.2任務(wù)牽引完成綜合訓(xùn)練科目，提升綜合實(shí)踐能力

針對前期課程學(xué)習(xí)主線，根據(jù)基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、實(shí)際裝備運(yùn)用、結(jié)合后期任職特點(diǎn)為牽引，在完成基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)科目基礎(chǔ)上，增加綜合訓(xùn)練科目，如：無人運(yùn)動平臺自主運(yùn)動行軍、目標(biāo)識別與導(dǎo)航、多平臺協(xié)同控制等。綜合訓(xùn)練科目基于“教為主導(dǎo)，學(xué)為主體”的教學(xué)思想，采取任務(wù)牽引、研究性學(xué)習(xí)方式開展，設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)性任務(wù)和挑戰(zhàn)性任務(wù)。完成達(dá)標(biāo)性任務(wù)可以得到及格成績，挑戰(zhàn)性任務(wù)則是基于教員設(shè)置的任務(wù)，逐步增加訓(xùn)練難度，由學(xué)員自主規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，自主完成整體設(shè)計(jì)方案，教員僅幫助解決問題，挑戰(zhàn)性任務(wù)根據(jù)實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行不同程度的加分，這種方式不僅可以提高學(xué)員興趣，并且能激發(fā)其學(xué)習(xí)的主動性和創(chuàng)造性，促進(jìn)提升綜合實(shí)踐能力。

4學(xué)員俱樂部、學(xué)科競賽多維度拓展視野，綜合提升

實(shí)驗(yàn)室在一體化建設(shè)的同時(shí)，多維度共享，依托教學(xué)科研平臺搭建學(xué)員俱樂部，創(chuàng)造良好的學(xué)術(shù)氛圍，使部分學(xué)有余力的學(xué)員能夠參與到科研中去，開拓視野，進(jìn)一步補(bǔ)充課內(nèi)知識；組織學(xué)員參加學(xué)科競賽與更多科技工作者溝通交流，獲得更多專業(yè)知識，提高自身專業(yè)技能和組訓(xùn)管理水平。

當(dāng)前學(xué)校已依托人工智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室和無人機(jī)訓(xùn)練教室，基于戰(zhàn)場偵查俱樂部，組織學(xué)員參加無人機(jī)、無人車、足球機(jī)器人比賽，并擬于秋季參加RoboCup機(jī)器人世界杯中國賽。

5綜合戰(zhàn)術(shù)演習(xí)，提升靈活處置戰(zhàn)術(shù)情況的能力，提升戰(zhàn)斗素養(yǎng)

在專業(yè)背景課程和任職課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，通過綜合戰(zhàn)術(shù)課題演練，使參演學(xué)員進(jìn)一步理解無人裝備在作戰(zhàn)中的運(yùn)用，提升了靈活處置戰(zhàn)術(shù)情況的能力，全方位提升戰(zhàn)斗素養(yǎng)，豐富戰(zhàn)斗經(jīng)驗(yàn)，查找戰(zhàn)斗短板，固化能力，為即將開始的畢業(yè)任職奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

6結(jié)語

本文針對無人系統(tǒng)工程專業(yè)素養(yǎng)提升開展預(yù)先研究，從專業(yè)知識、專業(yè)理論、專業(yè)技能、綜合實(shí)踐能力等方面查找提升學(xué)員專業(yè)素養(yǎng)的方式方法，即基于OODA作戰(zhàn)環(huán)梳理課程體系模型，構(gòu)建完整的知識體系，提升課程理論深度和廣度；基于條件建設(shè)，引入CDIO工程教育模式，以無人作戰(zhàn)項(xiàng)目案例為導(dǎo)向，以最新科研成果促教學(xué)，應(yīng)用系列化實(shí)踐環(huán)節(jié)提升專業(yè)技能；通過學(xué)員俱樂部、參加學(xué)科競賽等活動加強(qiáng)學(xué)術(shù)交流，開拓視野，提升綜合實(shí)踐能力；戰(zhàn)術(shù)綜合演練使學(xué)員對無人裝備作戰(zhàn)運(yùn)用有了新的認(rèn)識，提升戰(zhàn)斗素養(yǎng)。后期將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化梳理，并不斷優(yōu)化驗(yàn)證，為切實(shí)提升無人系統(tǒng)工程專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]王恩久，邱霞.基于崗位能力培養(yǎng)的專業(yè)課教學(xué)改革的探討[J].大學(xué)教育，2012.7（7）：116-117.

[2]鄧元龍，孫秀泉.基于能力培養(yǎng)的工科專業(yè)課教學(xué)模式改革與探索[J].理工高教研究，2005.8（4）：48-49.

[3]陳閨中，蒙爭爭.應(yīng)用型高校畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)CDIO能力的培養(yǎng)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2010（20）：53-55.

[4]任洪春等.部隊(duì)比武對裝備維修教學(xué)的啟示[J].防化學(xué)報(bào)，2008.8（4）：45-47.

[5]劉全勝.論裝備實(shí)踐課教學(xué)中發(fā)揮學(xué)員主體作用的途徑[J].裝甲兵，2006.3（3）：37.

[6]馮小安.實(shí)踐教學(xué)評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建與實(shí)施[J].中國電力教育，2010（13）：32-34.

[7]鄭曉亮，祝龍記.利用實(shí)踐教學(xué)提升大學(xué)生就業(yè)競爭力[J].中國科技信息，2011（9）：27-29.