接受真实世界的挑战,这群高中生用＂无人机＂解决了城市绿化侦测的难题! ...

空中女孩

最近，某市发布了一个工程投标：
 
设计一项无人机工程，在1.6*1.6km的城市绿化用地内，调查植被的总体健康状况，并报告哪些植物需要额外护理。这项工程需要在一年中执行8 次调查目标（在春季、夏季、秋季和冬季各执行2次）。


如果你是参与投标的公司，你会设计出怎样的无人机工程方案呢？
1月25日-26日，2018-2019 RWDC 真实世界设计挑战项目化学习展就以此为题，在上海市复兴高级中学举办了系列成果展评活动。
本次挑战共吸引了来自上海、北京、深圳、杭州4 个地区的 24 支队伍。最终，经过激烈的角逐，上海中学的Wanhoo（万户）队荣获中国区冠军。

图：RWDC答辩现场（上海中学万户团队）

与此同时进行的还有DRE 无人机空中竞技挑战，考验的是学生的对无人机的实际操控能力。
参与挑战的24支队伍需要选出4名选手，分别以第一和第三视角来操控飞机，通过穿越穹门、吊门，绕过刀旗等障碍物最后抵达终点。

图：DRE 无人机空中竞技挑战现场

最终，上海市建平中学Hepta-Hercules队凭借着稳健的技术，捧回了团体挑战的冠军奖杯。

图：上海市建平中学选手在现场调试无人机
负责计时的教练员于老师介绍说：“这次有不少队伍是第一次接触无人机，但基本都拿到了成绩。建议大家要稳定心态，掌握技术要点，掌握战略战术，还有就是平时要多加练习。”
01.
一个小型的工程项目
RWDC全称是“Real World Design Challenge”，中文名为“真实世界设计挑战”，起源于美国，是面向全球高中生的航空航天设计项目，旨在鼓励青少年运用课堂上学习的内容去解决实际工作中会遇到的技术挑战，进一步提升青少年的科学素养和国际视野，培养团队协作能力
RWDC可以看成是一个小型工程项目，需要学生运用数学和其他自然学科的知识，以“问题”为导向，设计出满足用户需求的方案。
这对还在读高中的学生来说无疑是一个挑战。

图：RWDC答辩现场（深圳市红岭教育集团高中部）
此次挑战的评委之一同济大学航空航天与力学学院院长助理李军老师提到：
“一方面学生需要自学各种跨学科的高阶知识来弥补现有知识结构的欠缺；另一方面，工程项目不仅仅考验的是知识储备，运算能力，而更需要‘面向任务’，要琢磨透用户的‘需求’，还要综合各种因素，如成本、预算、安全、性能等，再按照‘需求’做任务的分解。”
02. 
真的是解决“真实世界”的问题
比较新颖的是，这个挑战还真的是发生在真实世界。
以今年的题目为例，实则是为了提供给美国东海岸某城市以参考，让当地政府了解“无人机”这种方案是否可以满足城市绿化检测的需求。

图：RWDC答辩现场（上海市建平中学）
各校的同学们以“队”为“公司”，用自己精心设计“无人机方案”来竞标。谁的方案更贴合政府的需求，谁的公司就能中标。因此，对于各方面都更加出彩的队伍来说，他们不仅能获得挑战的胜利，设计的方案还能被当地政府采纳或作为参考。 
为了更接近真实的“工程项目”，真实挑战还设置了7 个角色：

Project manager 项目组长
Software engineer 软件设计者
Marketing&communications 商业负责
Project scientist 项目科学家
Project mathematician 项目数学家
Systems&test engineer 系统&测试工程师
Simulation engineer 仿真工程师

每家“公司”的成员都要选择其中的一个角色，并承担与之相应的使命。

03. 

痛并快乐着——两支团队的经历

能设计工程，还能以展评的方式参与投标，解决真实的问题，听上去是不是很酷？但就像所有光彩熠熠的事情一样，我们看到的只是光鲜的外表，背后辛酸只有身处其中的人才知道。
上海中学Wanhoo（万户）队：
 众人合力，做当代“万户”

“万户”确有其人，是“被誉为中国飞天第一人”的明朝科学家、发明家，万户队队名也正来源于此，寄托了组员们愿做“当代万户”，为科学献身的情怀，他们也用亲身经历证明了这一点。
据团队成员介绍，万户队自成立起，便竭尽所能，从略带懵懂地凑到一起，到逐渐变得目标统一，他们边学着磨平自己的棱角和其他组员沟通，边努力攻克着技术难关。
谈起这段经历，担任队内数学家的胡睿圣感慨颇多：“我作为组内的技术人员，承担着重任。在我初步做出这款混合翼无人机的设计后，又进行了一次次的修改。这个过程很困难，因为整架无人机的量化需要很多大学物理知识，我通过翻阅资料自学，并不断演算，才啃下了这块硬骨头。”
他们这次设计的工程方案以安全性为基本立足点，选用的是混合翼无人机，搭载了cmos图传相机，能使飞机在飞行过程中完成对植物质量的检测。
要在短短3个月的时间里设计出此方案，并兼顾安全、性能、预算等方面，难度可想而知。
同样身为技术人员的科学家李亘杰感叹道：“在三个月中，我曾在深夜里剪断最后一根烛心，只为尽可能找到最合适的技术；也曾在电脑屏前与队员们激烈讨论，不知午夜的钟声已然响起……”
在寻找最合理的技术之途中，沟通不容忽视。“有什么问题就要提出来，而且要把话说清楚。”原本不擅长与人交流的系统&测试工程师孙姝然，通过这次挑战得出了新的经验。
“我本来是发现问题只跟组长说，希望他再转达给其他人，但后来学会了自己去沟通，就像计算机网络拓扑结构从星型变成了总线型，效率提高了！”
能得到这次中国区的总冠军，团队合作也至关重要。
“我们的队伍中没有独当一面的大侠，这样的成功，离不开我们小组内七名成员的不懈努力，只要每个人做好自己份内的工作，组长做好组内、组外连接工作，那么整个组就会爆发出令自己都叹为观止的力量。”项目组长费凡说。
万户队的指导老师廖老师也对团队的合作精神表示肯定，认为这是他们能够获胜的关键。
“他们对新近学习的航空航天知识还有待熟练，而现在要解决一个具体的实际的问题，这对他们是很大的挑战。但就在这样一种比较危机的状态下，他们反而被激发出了学习热情和潜力，通过团队合作克服了困难，完成了任务，互相之间也建立良好的情感纽带。”
上海市实验学校
 Fluoroantimeonicacid 队：
14.4岁！平均年龄最小的队伍

3个15岁，4个14岁，这组平均年龄只有14.4岁的“小”队获得了RWDC 真实世界设计挑战一等奖的好成绩。
Fluoroantimeonicacid队想法非常活泼。队名取自氟锑酸，是已知酸性最强的酸。至于缘由，是因为团队的7名成员中有好几位对化学很感兴趣。
另外，团队的设计方案也天马行空。项目组长顾景文告诉记者，不同于其他队，选用了市场上可以买到的无人机，他们工程项目中所用的无人机是自主研发的。
“我觉得这个尝试非常有趣。我们在看市面上的无人机时觉得没有能满足我们项目需求的机型，所以就打算自己设计一个。 ”
他们设计的无人机一共有两种模式，一种是传统的四旋翼无人机飞行模式，一种是类似飞机的固定翼飞行模式。
通过折叠机翼的部分零件来实现两种模式间的切换，如此一来，无人机能适用的范围就更广泛了，除了能执行长途飞行任务，还能执行精确的飞行任务，甚至是垂直的飞行任务。
不过任何尝试都会冒些风险。顾景文随后提到，虽然尝试大胆，但是却不够成熟。 
“因为无人机是自主设计的，所以每个参数都需要自己计算，但是却没有找到一个符合心意的软件，尤其是在空气动力学方面的分析我们做得还不够。另外，我们的最后设计的无人机成品也不够完整吧……”，顾景文有些遗憾地说道，“所幸，我们在路径规划上做了弥补，我觉得这也是我们的亮点之一。”他们队巧妙利用了田字型的道路规划，设计出了一条最优化的路径。
在当天的展评活动上，Fluoroantimeonicacid队的答辩也很抢眼，全英文的演讲铿锵有力，气宇轩昂，评委同济大学航空航天与力学学院副教授许震宇老师说：“感觉像是国家元首的就职演说。”

图：RWDC答辩现场（上海市实验学校）

顾景文告诉记者，虽然在答辩上他们并没有做特别多的准备，但当天确实属于“超水平发挥”，不少成员拿出了自己目前来的最好状态。
提及参与此次挑战的收获，顾景文说：“我本来是一个完美主义者，什么方面都力求做到最好，也喜欢所有的事都揽着自己做，怕别人做不好。但现在，也许是这次挑战改变了我的一些想法——我觉得不用过多纠结某方面，比如如果我们过多纠结在分析空气动力学参数上，那很可能耽误比赛进度，所以就把焦点集中在路径分析上，把这个作为我们队伍的特色，然后把这个特色发挥到极致。”
“另外，就是觉得每个人都有自己的潜能吧，他/她可能比你自以为是的想象要强大得多……而我现在也应该更懂得如何合作了吧。”顾景文笑着说道。 
04. 
面向用户需求，然后大开脑洞吧！
像上海市实验学校这样有创意想法的队伍还有不少。比如上海市嘉定一中的Top队，就使用了飞艇和无人机这样‘组合式’的方案，让评委和观众眼前一亮。
评委李军老师提到：“我们鼓励创新的思维和涌现创造力的作品。当然因为这是一个工程项目，所以更需要‘面向任务’、‘面向需求’。”
“大家要有这样的概念，工程设计并不是一定要寻求最优的解决方案，而是要面向用户的需求去做。另外，平时多阅读文献，多参加挑战，对训练工程思维很有帮助。”李军补充道。
据记者了解到，按照“RWDC真实世界设计挑战”的评分规则，评审由两部分组成，一是提交工程设计笔记，二是现场团队设计展示。
工程设计笔记报告详细记录学生的设计过程和团队的最终结果，长度被限制在80页文档之内，统一提交给美国组委会进行评审。报告的叙述部分要包含评委需要的信息，来验证各团队分析和设计的可行性。
现场团队设计展示则由各团队提交一份不超过20张幻灯片的电子文稿，通过不超过15分钟的现场演讲，展示同学们的设计方案，接受评委答辩。其中需要包括学生参加 RWDC经历的重要元素，比如描述获胜战略、设计的演变、以及随着设计方案的推进，团队对于得到最终设计方案的科学原则的理解。
据悉，2018-2019 RWDC真实世界设计挑战全球赛将于4月13日在美国华盛顿4H国家会议中心举行，中国的优秀队伍将与来自全美各州的冠军队伍同场竞技。
附录：
  RWDC 真实世界设计挑战获奖名单 


 DRE 无人机空中竞技挑战获奖名单

来源：第一教育

 

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