引言

随着低空经济和通用航空装备的发展，无人机行业对人才的要求已由掌握单项知识转向具备总体方案设计、结构设计、加工制作、系统集成、飞行调试和团队协作等综合能力。新工科建设也要求实践课程更加贴近真实工程任务，已有研究将学科竞赛、项目式学习和设计思维引入专业课程，为赛教结合提供了实践基础。无人驾驶航空器系统设计与制作是无人驾驶航空器系统工程专业的重要实践课程，既要求学生完成总体布局、动力匹配和结构设计，又要求其将数字模型转化为实物并完成飞行验证。原有教学按知识模块安排，设计、制作、调试和验证之间衔接不足，学生难以经历完整的工程过程。为此，本课程借鉴竞赛项目的任务要求和反复修改过程，围绕小型多旋翼无人机的设计与制作重新组织教学内容、实施过程和考核方式。本文总结课程改革的设计、实施及成效，为无人机类应用型本科实践课程建设提供参考。

一、课程教学基础与主要问题

（一）课程定位与教学要求

该课程以小型无人机系统为对象，综合运用机械制图、三维建模、空气动力学、动力系统、飞行控制和工程制造等知识。课程成果不是单一实验报告，而是由设计方案、三维模型、二维工程图、无人机实物、调试记录、性能测试和课程报告共同组成。其教学难点在于知识跨度大、任务关联度高，任何前期参数或结构错误都可能在加工、装配或试飞阶段放大。

课程教学需要将分散的知识内容和实践环节组织为连续任务，使学生在集中实践过程中完成从方案设计、加工制作到装配调试和飞行验证的全过程。

（二）原有教学组织中的三个问题

一是知识模块与整机任务之间存在脱节。学生可能完成零件建模、虚拟装配或工程图训练，但如果没有统一的任务指标，单项作业很难自然汇集为可制造、可调试的整机方案。二是教学安排与工程实践的反复修改过程不易协调。无人机设计需要在参数计算、建模、加工和试飞之间多次校核，前期错误发现得越晚，返工越多。三是团队成果与个人评价不易兼顾。整机项目需要分工协作，但如果考核只看最终作品，就容易忽视个人设计责任、过程记录和安全操作。

（三）竞赛资源直接进入课堂的局限

竞赛题目通常强调性能极限和现场结果，其难度、成本和训练周期未必适合全体学生。如果把竞赛规则原样搬入课堂，可能出现少数竞赛学生主导、普通学生参与不足，或者为追求结果而忽视基本工程规范等问题。因此，课程根据课堂教学需要对竞赛任务作适当调整：保留真实要求和反复修改过程，降低极限性能要求，把复杂任务分成全体学生都能完成和检查的阶段成果。

二、竞赛项目驱动教学模式的构建

（一）围绕完整工程任务安排课程目标

课程不再按照软件功能或知识章节平行展开，而是围绕小型多旋翼无人机的设计与制作，依次安排需求分析、总体方案、动力匹配、结构设计、加工制作、装配调试、飞行测试和总结改进八个环节。每个环节都包含相应的知识、能力要求和阶段成果。学生不仅要理解有关原理，还要完成本阶段的任务，为下一阶段作好准备。竞赛项目驱动的课程教学改革总体框架如图1所示。

工程环节	课程内容	主要能力	阶段成果
任务分析	指标分解与约束识别	工程需求分析	任务分析表
总体方案	构型、布局和主要参数	方案论证	总体方案书
动力匹配	电机、电调、螺旋桨和电池选型	参数计算与系统匹配	选型计算表
结构设计	机架、安装座、起落架及任务载荷接口	数字化设计	三维模型、工程图
加工制作	工艺规划、NC加工和零部件制作	工程制造	零部件与装配记录
系统集成	飞控、传感器、线路和任务载荷安装	整机装配	无人机实物
调试验证	校准、参数配置、基本飞行和性能测试	故障诊断与测试	调试及测试记录
总结评价	报告、答辩与问题总结	表达与持续改进	课程报告、答辩材料

（二）将竞赛任务改编为教学任务

课程从竞赛中吸收三类内容。第一，采用明确的任务指标，例如轴距、最大起飞重量、续航时间、悬停稳定性和任务载荷功能，使学生能够说明设计选择的依据。第二，采用“设计—制作—测试—修改”的工作过程，要求学生记录理论预期与实际结果之间的差异。第三，借鉴团队协作和现场管理要求，将岗位分工、工具管理、飞行安全和时间安排纳入考核。课程不以获奖或极限性能作为结课条件，而以完成设计、制作、测试和修改的全过程，遵守安全规范并保留完整记录作为基本要求。

（三）分层任务与阶段验收

课程任务书提供四旋翼、六旋翼和Y3六旋翼等构型选择，使各小组在统一要求下保留方案差异。基础任务包括总体设计、动力匹配、结构建模、整机装配和基本飞行；拓展任务可以增加定点投放、图像采集等任务载荷。教师分别在方案、图纸、装配和试飞前进行检查：方案阶段检查各项参数是否相互一致、部件是否匹配；图纸阶段检查尺寸、干涉和加工可行性；装配阶段检查结构与线束是否规范；试飞阶段检查电池固定、螺旋桨紧固和遥控链路等安全事项。这样既能及时发现问题，也可避免问题集中到课程末期。

三、项目化教学的组织实施

结合任务书和教案，课程按照任务分析、方案论证、数字化设计、加工制作、组装调试以及飞行与答辩等环节连续进行。各阶段以上一阶段完成的成果为基础，并明确本阶段应提交的材料和检查要求。学生在连续完成任务的过程中运用所学知识、开展小组协作，并根据检查结果修改存在的问题，具体安排如图2所示。各阶段的任务与学时安排见表2。

阶段	学时	主要任务	成果与检查点
方案论证	6	下达任务、查阅资料、确定构型与主要指标	方案书；完成方案评审
结构与动力设计	18	动力匹配、结构建模、工程图及设计计算	选型表、三维模型、工程图；检查干涉和可制造性
加工制作	6	生成加工文件、制作零部件并进行质量检查	零部件、加工记录；检查尺寸与工艺
组装调试	12	整机装配、飞控连接、传感器校准和任务载荷测试	整机、调试记录；完成安全核查
考核总结	6	飞行与性能考核、成果答辩和课程总结	飞行记录、课程报告、答辩材料

（一）方案论证：用指标约束设计选择

课程开始后，教师发布设计任务和技术指标，学生以小组为单位分析载重、续航、布局和任务载荷需求。学生先比较四旋翼、六旋翼和Y3等构型，说明选型理由，并完成电池、电机、电调和螺旋桨的初步匹配，然后再进入软件建模。教师通过集中评审指出参数不完整和假设不合理之处，未通过评审的方案不得直接进入结构设计。这样可以使问题在方案阶段得到处理，避免进入加工和装配环节后返工。

（二）数字化设计：建立参数、结构与制造的联系

结构与动力设计是课程投入最多的环节。学生依据总体参数完成机架、电机安装座、起落架和任务载荷接口等零部件的三维建模，并通过虚拟装配检查部件干涉、安装空间和拆装顺序。二维工程图不作为三维模型的附属输出，而用于明确尺寸、公差、材料和加工要求。教师重点引导学生解释“为什么这样设计”，要求关键尺寸能够追溯到布局、载荷或安装约束，避免只追求模型外观。

（三）加工制作：让设计接受实物约束

加工阶段要求学生依据图纸生成加工文件或制定制作工艺，完成零部件加工和质量检查。实际材料、设备精度和连接方式会暴露数字模型中未充分考虑的问题，例如安装孔位置、紧固空间、线束通道和结构刚度。课程将这些问题视为工程学习的一部分，要求学生保留修改记录，说明原设计、现场问题和改进方案之间的关系。

（四）组装调试：突出系统集成与安全

在整机装配中，学生完成动力系统、飞控、传感器、遥控链路和任务载荷的连接，并进行电机方向、传感器校准、飞控参数和失控保护等调试。教师将安全规范列为必须遵守的要求，明确禁止在非指定区域带桨启动和违规试飞，并规定相应的处理办法。正式飞行前进行结构、电气和通信链路检查；在条件允许时，完成起飞、定高悬停、自旋和降落等基本动作，并测试最大起飞重量、续航时间或任务载荷功能。

（五）总结答辩：说明设计过程与改进情况

课程末期，每名学生提交个人课程设计报告，小组共同完成成果答辩。报告包括设计目的、方案论证、参数计算、结构与加工过程、测试数据、问题分析和优化建议；答辩则要求成员按照实际分工讲解负责模块，并回答技术选型、故障处理和团队协作方面的问题。通过个人报告与小组答辩结合，既保留团队项目的整体性，又强化个人责任。

四、过程与结果并重的考核评价

课程总成绩由过程性考核60%和期末考核40%构成。过程性考核包括考勤、设计方案、制作工艺、实验室纪律与安全、组装调试和团队协作；期末考核包括飞行考核、课程设计报告和答辩。考核内容按照课程进程安排，既检查各阶段成果和工程规范，也考查最终性能。

评价类型	考核项目	分值	评价重点
过程性考核	考勤	10	参与情况与时间纪律
过程性考核	设计方案	15	创新性、合理性、系统匹配和图纸质量
过程性考核	制作工艺	5	加工质量与设计符合度
过程性考核	纪律与安全	5	实验室规范和安全操作
过程性考核	组装调试	15	装配规范、线束布置、调试与试飞操作
过程性考核	团队协作	10	分工、沟通和问题协同解决
期末考核	飞行考核	15	基本飞行、性能指标和任务载荷
期末考核	课程设计报告	15	完整性、规范性、数据分析与改进建议
期末考核	答辩表现	10	陈述质量、技术理解和回答问题

考核改革主要考虑三个方面。第一，不把“是否飞起来”作为唯一标准，避免器材状态、场地和天气等偶然因素完全决定成绩。第二，把设计依据、过程记录、测试分析和安全规范纳入考核，要求学生完整记录各阶段的设计和操作过程。第三，通过个人报告、分工标注和答辩提问了解每名学生的实际贡献，减少小组项目中参与不均的问题。未通过安全检查或出现重大安全违规的，按照课程细则限制或取消飞行考核资格。

五、教学实施成效及其在竞赛中的应用

（一）形成前后衔接、便于检查的课程成果

在课程教学中，学生围绕任务书先后形成了设计方案、三维模型、工程图、调试与飞行记录、个人课程报告和小组答辩材料，并完成了无人机实物制作。与单项软件作业相比，这些成果在时间上前后衔接，在技术上能够相互校核。例如，动力选型影响结构尺寸和整机重量，结构模型决定加工与装配是否可行，飞行测试又可以检验前期参数是否合理。课程改革的直接价值首先体现在完整工程过程及其成果能够得到清楚地呈现，而不能只用一个分数来证明学生能力的变化。

（二）课程所学在课外竞赛中的应用

学生在课程中学习的总体设计、数字化建模、加工装配和调试验证方法，可以进一步用于中国大学生飞行器设计创新大赛、中国国际飞行器设计挑战赛、全国三维数字化创新设计大赛低空无人机设计仿真竞技专项赛等竞赛的项目实践。笔者指导的学生团队在2025年相关竞赛中获得了一等奖、二等奖和三等奖。竞赛准备过程中形成的结构设计、零部件加工、加载测试、整机调试和现场总结资料，也可以整理为课程案例，使后续学生接触更具体的工程问题。

竞赛成绩受参赛学生基础、训练投入、比赛难度和现场条件等多种因素影响，不能据此推断全体学生的学习效果显著提高。本文仅以笔者指导的竞赛实践说明课程所学能够用于课外创新活动，不作统计上的因果判断。学生在课程中掌握的方法可以用于竞赛，竞赛中积累的案例和记录也可用于后续教学，二者的关系如图3所示。

（三）课程成绩的描述性结果

本文选取2021级和2022级共128名学生的课程成绩进行描述性统计，其中2021级54人、2022级74人。2021级总评成绩由平时成绩和期末成绩各占50%构成；2022级由过程性成绩占60%、期末成绩占40%构成，总评成绩取至0.5分。由于两届评价方式不同，本文仅报告均值、标准差和成绩等级比例，不进行显著性检验。

如图4所示，2021级过程性、期末和总评均值分别为80.68、73.19和76.93分，2022级分别为80.87、77.83和79.62分。两届过程性均值相近，2022级期末均值高4.65分、总评均值高2.69分；总评标准差由7.15降至4.79，说明2022级成绩分布相对集中。上述差异仅为两届成绩的事实性描述，不代表单一教学因素造成的效果。

成绩等级分布如图5所示。两届总评及格率均为100%；2021级与2022级良好及以上比例分别为38.9%和52.7%，优秀比例分别为9.3%和4.1%。这表明2022级学生更多集中在良好区间，但优秀比例并未同步提高，成绩变化并非简单的整体上移。

综合来看，成绩资料从一个方面反映了课程实施情况：两届过程性成绩较为稳定，2022级期末和总评均值较高，总评成绩分布也较为集中。不过，学生构成、评价权重和教学条件的差异限制了年级之间的直接比较，因此本文只把这些数据作为课程实施情况的说明。

六、存在的问题和改进方向

（一）学生基础差异与教学进度仍需协调

学生在三维建模、电气连接和飞控调试方面的基础不同，同一任务的完成速度也有差异。后续可将软件基础、飞控基础和安全规范制作成课前资源，并设置基础任务与拓展任务。基础薄弱的小组先完成总体设计、整机装配和基本飞行等规定任务；能力较强的小组可以增加任务载荷或性能优化。这样可以避免用同一难度要求所有学生而造成教学进度不一致。

（二）过程记录还不够规范

在实际教学中，课程实施过程和学生成果均有相应材料记录，但不同小组的记录完整程度不一。后续可以统一使用方案评审表、设计变更单、加工记录表、调试检查表和飞行测试表，使各阶段的记录格式一致、责任明确。这样既便于教师考核，也能为后续课程改进留下可以比较的资料。

（三）竞赛案例还需根据教学需要进行调整

竞赛项目往往有较高的技术要求，直接用于课堂可能增加学生负担。后续应从竞赛资料中选择典型问题，而不是完整复制竞赛任务。例如，可以从中国大学生飞行器设计创新大赛和中国国际飞行器设计挑战赛的竞赛资料中选取结构设计、载荷接口和系统集成等内容，整理为课堂案例，同时适当简化参数、提供标准模型，并明确安全操作要求。

（四）教学效果还需进一步验证

本文对两届学生成绩进行描述性统计，但没有开展问卷调查或显著性检验。由于2021级和2022级的学生构成、课程实施条件及总评权重不同，本文不把均值和成绩分布的差异解释为课程改革的直接效果。后续可以在统一评价方式的前提下，持续记录各阶段任务能否按时完成、设计修改次数、飞行考核项目完成情况和课程报告质量等数据，并结合学生反思记录，更全面地评价教学效果。

七、结语

针对无人驾驶航空器系统设计与制作课程中知识内容分散、工程环节衔接不足和团队项目评价困难等问题，本文参照竞赛项目的工程过程，重新安排课程目标、教学任务、实施节奏和评价方式。课程依次开展需求分析、方案论证、数字化设计、加工制作、装配调试、飞行验证和总结评价，并通过分阶段检查和过程性考核及时发现问题。课程教学成果和笔者指导的课外竞赛实践表明，课程中的知识和实践方法可以用于创新竞赛，竞赛案例也可以为后续教学提供具体材料。两届学生成绩的描述性统计显示，2022级期末和总评均值较高、总评成绩分布较为集中；但由于学生群体、评价权重和教学条件不同，这些结果只能作为课程实施情况的补充说明。后续仍需采用分层任务，规范过程记录，根据教学需要调整竞赛案例，并持续积累数据，使课程实施更加稳定，也更便于评价。

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