【編者按】習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述，為深化新工程教育改革指明了方向、提供了根本遵循。將新時(shí)代我國工程建設(shè)領(lǐng)域的標(biāo)志性成果轉(zhuǎn)化為高水平案例教學(xué)資源，是推進(jìn)培養(yǎng)要素創(chuàng)新、服務(wù)卓越工程師培養(yǎng)的重要路徑。學(xué)校始終將工程案例開發(fā)與教學(xué)實(shí)踐作為研究生教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，通過構(gòu)建沉浸式案例情境，推動(dòng)理論知識(shí)與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與行業(yè)需求有機(jī)銜接，促進(jìn)研究型教學(xué)模式創(chuàng)新，著力培養(yǎng)具有系統(tǒng)工程思維、突出實(shí)踐創(chuàng)新能力、能解決復(fù)雜工程問題的新時(shí)代卓越工程師。
截至目前，學(xué)校已有一大批優(yōu)秀工程案例先后入選教育部學(xué)位中心案例庫。為進(jìn)一步推進(jìn)案例開發(fā)建設(shè)、深化教學(xué)應(yīng)用成效，新聞中心特推出"研究生精品課程”之“工程案例"系列報(bào)道，旨在為優(yōu)化工程案例開發(fā)、培育、應(yīng)用機(jī)制，持續(xù)提升學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力提供參考和借鑒。
無人集群系統(tǒng)自主協(xié)同是國家“新一代人工智能”共性關(guān)鍵技術(shù)，隨著人工智能與無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)蜂群技術(shù)因其高效協(xié)同、低成本和高靈活性的特點(diǎn)，在軍事、救災(zāi)、智能交通等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為國家戰(zhàn)略布局的重要組成部分。
電子科技大學(xué)持續(xù)深化工程碩博士培養(yǎng)改革，積極構(gòu)建與卓越工程師培養(yǎng)目標(biāo)適應(yīng)的產(chǎn)教融合課程體系，著力打造電子信息領(lǐng)域卓越工程師培養(yǎng)的“樣板間”。電子科學(xué)與技術(shù)研究院王磊副教授以“理論-算法-仿真-實(shí)踐”閉環(huán)培養(yǎng)為核心，開發(fā)了“基于光流估計(jì)和極限環(huán)避障的無人機(jī)蜂群控制研究案例”。這一案例不僅服務(wù)于研究生培養(yǎng)，還緊密結(jié)合國家戰(zhàn)略需求，推動(dòng)工程科研與教學(xué)的深度融合。
無人機(jī)表演背后的"隱形翅膀"
“無人機(jī)表演看似簡單，實(shí)則涉及環(huán)境感知、協(xié)同控制、動(dòng)態(tài)避障等核心技術(shù)?！弊鳛閷W(xué)校首批結(jié)項(xiàng)的優(yōu)秀研究案例之一，該項(xiàng)目首席專家王磊副教授與記者分享了該研究案例的特色做法與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
王磊（右一）在與學(xué)生記者交流中
王磊說，團(tuán)隊(duì)從2019年國防白皮書對(duì)“智能裝備小型化與協(xié)同化”的要求出發(fā)，結(jié)合科技部“科技創(chuàng)新2030—“新一代人工智能”重大項(xiàng)目申報(bào)指南”，將科研方向與教學(xué)案例深度融合，最終形成了這一閉環(huán)培養(yǎng)體系。
基于視覺感知的無人機(jī)集群飛行控制軟件
基于視覺感知理論與方法，本案例研究并解決無人機(jī)狀態(tài)感知、群體避障控制兩個(gè)關(guān)鍵問題，利用四旋翼無人機(jī)相機(jī)連續(xù)拍照，獲取鄰居無人機(jī)和環(huán)境障礙物圖像數(shù)據(jù)；基于光流估計(jì)建立目標(biāo)或障礙物狀態(tài)信息感知方法，檢測(cè)并提取觀測(cè)目標(biāo)的相對(duì)位置、速度、距離、外形等關(guān)鍵信息，結(jié)合凝聚、對(duì)齊、分離等群集行為準(zhǔn)則，改進(jìn)局部極限環(huán)避障方法，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)無人集群的飛行控制和避障控制算法和模塊；利用 AirSim、Unreal Engine 和 Matlab 仿真平臺(tái)，仿真驗(yàn)證飛行和避障控制算法，形成無人集群的分布式感知和避障控制能力。
科研"孵化"教學(xué)的閉環(huán)密碼
本案例面向工程碩博士研究生開設(shè)課程，通過講解、分析、討論及實(shí)踐指導(dǎo)等教學(xué)過程實(shí)施，致力于提高工程碩博士研究和分析問題的能力、算法分析與設(shè)計(jì)的能力、仿真實(shí)現(xiàn)的能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析總結(jié)的能力。
同時(shí)，案例深度融合理論知識(shí)與工程實(shí)踐，有助于提升研究生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，推動(dòng)和深化工程教育產(chǎn)教融合改革，服務(wù)卓越工程師人才培養(yǎng)的目標(biāo)和要求。
在教學(xué)理念上，王磊強(qiáng)調(diào)“學(xué)以致用”。他要求學(xué)生組會(huì)報(bào)告練表達(dá)、練概括、練氣場(chǎng)，不斷提高匯報(bào)內(nèi)容的質(zhì)量；平時(shí)多做實(shí)驗(yàn)、多寫筆記、多做交流、多做總結(jié)，夯實(shí)科研過程和細(xì)節(jié)的每一個(gè)步驟。這種“輸出倒逼輸入”的方式，不僅提升了學(xué)生的表達(dá)能力，更培養(yǎng)了他們的專業(yè)實(shí)踐能力。
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的速度可控?zé)o人機(jī)集群避障
“我們把科研流程拆解成教學(xué)模塊，讓學(xué)生從算法復(fù)現(xiàn)到參數(shù)優(yōu)化逐步實(shí)踐。”王磊介紹，團(tuán)隊(duì)采用“課題分解”策略，將無人機(jī)集群控制技術(shù)研究拆解為感知、飛控、避障和執(zhí)行等小模塊，以四個(gè)環(huán)節(jié)遞進(jìn)方式插入進(jìn)研究生教學(xué)及研究課題當(dāng)中，每個(gè)環(huán)節(jié)都以真實(shí)工程問題為導(dǎo)向。
王磊的課堂打破了傳統(tǒng)講授模式，以“翻轉(zhuǎn)課堂”問題鏈串聯(lián)起整個(gè)教學(xué)模塊。他采用“課前自主學(xué)習(xí)+課中深度研討+課后實(shí)踐迭代”的翻轉(zhuǎn)模式：學(xué)生課前通過經(jīng)典文獻(xiàn)研讀完成光流算法的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，課中圍繞“如何提升復(fù)雜環(huán)境下的障礙物感知定位精度”展開小組辯論，課后利用AirSim仿真平臺(tái)驗(yàn)證改進(jìn)方案。
“我們更關(guān)注學(xué)生的成長軌跡，而非一次考試的結(jié)果?！蓖趵谡f。基于這樣的理念，他突破傳統(tǒng)的筆試考核，以多元評(píng)價(jià)方式，聚焦“復(fù)現(xiàn)能力”“優(yōu)化能力”“創(chuàng)新能力”三個(gè)方面，讓學(xué)生自主選題，學(xué)習(xí)開源的算法模型，為此設(shè)計(jì)了"金字塔式"評(píng)價(jià)體系：底層是算法復(fù)現(xiàn)能力，要求學(xué)生能完整運(yùn)行開源避障算法；中間層是優(yōu)化能力，鼓勵(lì)學(xué)生通過參數(shù)調(diào)優(yōu)提升算法效率；頂層是創(chuàng)新能力，支持學(xué)生提出全新的避障策略，從而讓創(chuàng)新能力變得“可衡量”。
同學(xué)們的反饋也在評(píng)教結(jié)果上具象化，課程評(píng)教分?jǐn)?shù)逐年提升，學(xué)生反響也越來越好，部分研究生已能基于現(xiàn)有模型提出動(dòng)態(tài)避障算法優(yōu)化方案。
在王磊看來，教學(xué)的終極目標(biāo)是培養(yǎng)“既能鉆算法，又能造樣機(jī)”的復(fù)合型人才。他計(jì)劃帶領(lǐng)學(xué)生從基礎(chǔ)的STM32飛控板調(diào)試開始，逐步接觸ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)、PX4開源飛控框架，最終實(shí)現(xiàn)從算法開發(fā)到硬件部署的全流程掌握，“我們鼓勵(lì)學(xué)生先做‘模塊專家’，再成‘系統(tǒng)通才’”。
"光流"與"極限環(huán)"的育人哲學(xué)
“我們不追求一步到位的產(chǎn)品，而是通過漸進(jìn)式研究培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維。”王磊解釋道，這種“從仿真到實(shí)物”的培養(yǎng)模式，讓學(xué)生在理論學(xué)習(xí)和工程實(shí)踐之間找到平衡。
在王磊的課堂上，學(xué)生不僅學(xué)習(xí)理論知識(shí)，更要參與真實(shí)科研項(xiàng)目。團(tuán)隊(duì)開發(fā)的無人機(jī)去霧模型有望應(yīng)用于行業(yè)目標(biāo)識(shí)別，提高了小目標(biāo)的檢測(cè)能力。
2024級(jí)碩士生張佳杰在參與該項(xiàng)目后表示：“通過實(shí)際項(xiàng)目，我學(xué)會(huì)了如何將理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為工程實(shí)踐，為從‘算法研究者’到‘系統(tǒng)架構(gòu)師’打下基礎(chǔ)，這種能力對(duì)未來職業(yè)發(fā)展至關(guān)重要?！?
系統(tǒng)科學(xué)方向的碩士生李南茜認(rèn)為，課程讓她對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的建模有了更系統(tǒng)、更深入的理解，還對(duì)無人機(jī)避障算法有了全新的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)了自己從整體去看待問題的能力。而王磊的言傳身教也讓她學(xué)會(huì)去將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)踐當(dāng)中，提升實(shí)踐水平和創(chuàng)新能力，感受科技的魅力，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的互補(bǔ)與創(chuàng)新，激勵(lì)自身不斷前行。
“無人機(jī)技術(shù)不僅是科研課題，更是國家戰(zhàn)略需求?！蓖趵谠诮虒W(xué)中融入課程思政元素，引導(dǎo)學(xué)生將個(gè)人研究與科技報(bào)國結(jié)合。課題組已瞄準(zhǔn)低空經(jīng)濟(jì)行業(yè)項(xiàng)目，積極策劃與企業(yè)合作開發(fā)面向智能交通的無人機(jī)系統(tǒng)。
“無人機(jī)蜂群是連接學(xué)術(shù)探索與工程實(shí)踐的絕佳平臺(tái)?！蓖趵诒硎疚磥韺娜矫嫔罨芯浚阂皇且雱?dòng)態(tài)障礙避障與多機(jī)協(xié)同決策，升級(jí)算法框架；二是開發(fā)物理樣機(jī)，推動(dòng)仿真技術(shù)落地；三是對(duì)接低空經(jīng)濟(jì)、智能交通等新興領(lǐng)域，更新案例庫。
電子系統(tǒng)綜合與集成團(tuán)隊(duì)
“我們希望構(gòu)建‘軟算法+硬平臺(tái)’的完整培養(yǎng)體系，讓學(xué)生在漸進(jìn)式實(shí)踐中‘能創(chuàng)新、敢落地’，成長為國家戰(zhàn)略需要的兼具理論深度與實(shí)踐能力的復(fù)合型人才?！闭缢谡n堂上常說的：“科研的最終目的，是讓技術(shù)真正改變世界?！?
