一、关于举办中小学无人机赛事的整体建议
感谢邀请我参与这个研讨会。在此，我想分享几点关于中小学无人机赛事活动设计的想法。这些想法源于我们举办此类活动的初衷，即作为科学教育的一部分，也来自于我的一些实际经验。无人机作为一种活跃的航空器，它不仅贴近我们的生活，而且其动手操作的天然属性能够激发学生的兴趣，以一种独特的方式，帮助他们学习知识、技能、工具运用能力，培养创新精神。这些能力的训练和培养应该自然地融入到赛事活动中。
1. 赛事的目的
首先，我们需要明确赛事的目的。我认为赛事的目的主要有两个方面：第一，促进学生的学习；第二，播下创新的种子。尽管不同年龄段的学生在知识结构和储备上存在差异，但这两个核心目的应当是我们共同和始终追求的。首先，赛事旨在促进学生的学习，帮助他们打下坚实的知识基础。其次，赛事还旨在激发学生的创新热情和能力。简而言之，我将赛事目的概括为学习和创新两大核心目的。
2. 赛事的分类
基于上述目的，我们应该如何对赛事进行分类呢？这也是我在介绍大奖赛时不可避免的问题，甚至是最为关键的问题。
经过多年的思考与实践，我认为无论是成人还是儿童，赛事本质上可以分为两大类：竞技（athletics）和创意（creativity）。尽管竞技中也包含创意元素，但我们更强调的是参赛者根据既定任务，运用自己的作品和创造力，展现其适应性和一致性。
“竞技”一词借鉴了体育运动的概念。我们设想的项目应该是可比较的，具有严格、严谨、公正的评判标准。如田径比赛那样，无论是田赛还是径赛，都属于竞技范畴。同样，体操比赛，无论是自选动作还是规定动作，也都属于竞技。
第二类是创意。创意赛事鼓励所有有价值的创新探索，不受年龄和赛事活动类型的限制。
总体来说，我认为大多数赛事活动都可以归入竞技和创意这两大类别。这是关于赛事分类的设想和设计。
3. 赛事活动的基本要素
第三点，我想讨论的是赛事活动设计中应包含的基本要素。这些要素主要有四个：知识、技能、工具和团队。前三者相结合，可以构成一个系统，也可以统称为科技。此外，团队作为完成竞赛活动的组织形式，无论是个人还是团队，都是不可或缺的。实际上，个人背后往往也有团队的支持。这四个要素是否可以在我们的赛事设计中得到体现，无论是有意还是无意，它们的核心都是知识、技能、工具和团队。
工具在这里是一个广泛的概念，包括我们后续会提到的编程比赛所需的基本工具，软硬件工具，以及孩子们最初接触的各种器械。这些都是工具的一部分。
4. 从情境出发，与社会资源关联
第四点，经过多年的经验积累，我认为要激发孩子们的兴趣，让赛事活动更加热烈，不仅需要组织者和设计者的思维劳动，还需要激发学校科技教师的热情。一个关键的出发点是，我们应该从情境或场景应用出发，考虑这些活动将来会如何牵引特定的情境、场景和应用。通过这种方式，我们可以更好地将赛事活动与社会资源相联系，将赛事与系统、设备、装备自然地结合起来，从而使活动更加完善。
5. 做出特色，与既有赛事有效衔接
最后，我想强调的是，鉴于目前类似活动较多，我们的赛事应该体现其独特性。这需要我们将前面提到的四大要素融入赛事设计中，并根据两大类别分别设计，以创造出自己的特色。
同时，我们还需要考虑如何与现有的大环境和已经确立的项目有效衔接。例如，教育部白名单中的中国航空学会全国青少年无人机大赛就是一个值得重视和衔接的赛事。自2017年以来，该大赛已经成功举办了七届，今年是第八届。在学会的官方网站上，有关第八届无人机大赛的通知以及24项比赛的详细规则和规程都可以找到。我们应该考虑如何与这样的大赛更好地关联起来。
二、国际无人飞行器创新大奖赛
接下来，应研讨会要求，我想和大家分享一下我在退休后参与的一项重要科普活动——由中国航空学会主办、从2011年开办的国际无人飞行器创新大奖赛的策划与组织情况。
1. 大奖赛背景及理念
我们的大奖赛与我们今天讨论的赛事有所不同，它更侧重于科技创新和工程潜在应用的可能性。因此，我们将其定位为创新大奖赛。我们关注的是各种可以自由飞行的缩比无人飞行器，这与公众和青少年学生普遍接受的无人机有所区别。我们的赛事名称“无人飞行器创新大赛”正是基于这样的理念。
创新大赛从一开始就设计了两大类别：竞技赛和创意赛。
2. 竞技赛理念及规则
竞技赛的目的在于考察参赛作品的技术水平、集成创新能力和任务完成能力。我们要求参赛的无人飞行器具备动力装置，能够借助空气动力飞行，并且具备自主控制能力。这里所说的自主控制，是指飞行器能够自动感知、判断和决策，而不是通过遥控器进行操作。这一点与目前大多数无人机飞行器比赛有很大的不同。我们要求参赛者事先将程序装入无人机控制系统，全程自动控制飞行。目前，全世界还没有真正意义上的完全自主控制的无人机，但我们的飞行器缩比模型自主创新赛事就是要体现高科技。
我们最初的竞技赛题目是在中国航空博物馆跑道边的空地上设计场景的。我们模拟了一个缩比的瓦良格号航空母舰，要求参赛作品在全自动控制的情况下，判断模拟甲板的位置，并找到拦阻索的位置。这个任务要求非常高，因为它需要飞行器自主完成整个过程。这个赛事后来也经历了演变，从静止的模拟航母甲板到可以随机运动的平台。我们通过这种方式，逐步提高了竞技赛的技术水平。
我们的竞技赛包括了多种任务，如模拟舰载机在航母甲板上的着舰、模拟农业植保、重物运载、建筑物垒建以及模拟地面搜索目标锁定并投弹等。这些任务都是通过情境、场景和应用来引导参赛作品的设计。参赛作品不仅仅是一个飞行器，而是一个完整的系统，包括策略制定、行动规则、指令产生、目标位置判断以及载荷设备等。
竞技赛本身具有丰富的技术含量。例如，参赛者需要自行设计或选用固定翼无人机平台，并将其集成为具有全程自主飞行能力的系统。这包括自主起飞、航线飞行中搜索靶标、空投救援物品、触舰复飞和钩索着舰等一系列任务。
为了满足这些要求，我们制定了相应的技术规范，包括布局样式、外形尺寸、起飞重量、动力装置、控制方式、引导方式、起飞方式、着舰方式等。同时，我们还对场地和设备提出了具体要求，并提供了详细的示意图。在比赛现场，我们还提供了演练时间和相应的坐标信息，包括比赛场地、飞行空域、起飞跑道、空投区、拦阻着舰区等。
在竞技赛中，既有固定翼飞行器，也有旋翼飞行器。旋翼飞行器的一个典型任务是抓取重物、识别目标并进行喷药。例如，识别果树上病虫害发生的部位，并对该部位进行喷药。这要求旋翼飞行器配备识别系统，可能是视频、红外或其他类型的传感器。在目标背板上随机出现的病虫害区域号码，飞行器识别后，能够悬停在最佳位置并启动执行机构，如机器手或喷洒装置。
3. 创意赛理念及规则
接下来，我想向大家介绍创意赛的理念和规则。创意赛的核心目标是鼓励所有有价值的航空器创新探索。参赛作品应为可进行飞行演示的新型航空器，创意设计不受航空器类型的限制，但必须能够实现自由飞行。参赛者不能仅仅停留在理论或计算机模拟阶段，而必须通过模型机实际飞行来验证其创新。飞行可以是自动控制，也可以是人工遥控，这与竞技赛的规则有所不同，因为创意赛的目的是验证参赛者提出的创新要求。
创意赛鼓励的创新包括新机理的探索、空气动力学、新结构、机构、布局、新动力的采用、新样式，甚至鼓励使用全新的材料和制造技术。参赛者的作品应展现出与他人不同的优越性。我们形象地将创意赛称为“无边界创新”。为了鼓励科研机构和专业高校以外的社会人士和学生参与，我们还特别设立了业余组，对他们的要求有所不同。
为了进一步鼓励创意，参赛者需要向由航空器设计制作专家和科教科普航模专家组成的裁判组进行现场答辩，展示其作品的创新内容。通过现场答辩和飞行演示的综合得分，最终确定获奖名次。
我个人认为，创意赛更加重要，因为它代表了无边界的创新。不同知识背景的参赛者在创新规模上可能有所不同，但他们都在朝着同一个大方向努力。近年来，创意赛中涌现出许多创新作品，特别是垂直起降飞行器，它们在前几届创新大奖赛中吸引了最多的参赛作品，创意突破点丰富，并引起了广泛关注。国际级专家也对此类比赛表示赞赏，并希望他们的团队能参与进来。这样的创意赛与当前全社会倡导的创新创业精神高度契合。
为了增强比赛的观赏性，我们还增加了一些兼具表演和比赛属性的项目，让相对成熟的飞行器进行表演性比赛。
在第三届创意赛的规则中，我们进一步细化了任务概要。参赛者需要设计并制作一款体现原始创新或集成创新的飞行器，技术创新点不受限制，可以包括原理、布局、结构、动力、材料、任务载荷、飞行方式等方面的创新。参赛者需按照组委会提供的模板完成设计报告，并制作出可遥控或自动控制飞行的样机进行飞行演示。所有创新点都应在飞行状态下得到体现。例如，如果参赛者声称创新点在于驱动布局的创新，实现了垂直起降后立即转换为水平飞行的模态，但飞行状态未能体现这一创新，那么该创新点将不被认可。
创意赛的目的是通过对展示、答辩和飞行表演的综合评判，评出获奖名次，同时通过这种赛事形式倡导和鼓励展现航空文化、绿色航空理念，以及原始创新、集成创新的突破性思维和初步实践。
4. 像真模型挑战赛
为了增加比赛的趣味性，我们还增设了像真模型飞机挑战赛。这类比赛考察的是模型飞机和操纵手的综合技术水平和技能。参赛作品应以真实飞机样式制作或改制，通过遥控方式完成具有挑战性的规定动作或自选动作。这类比赛相对较难，但能够激发学生的创造力和动手能力。
例如，我们可以看到一些参赛者制作了仿歼-10或国外名机的模型飞机，这些模型飞机制作得非常逼真。有的是学校老师带领学生制作的，有的是学生自己购买零部件组装的。这些活动不仅鼓励学生的参与，而且对于付出更多努力和创意的参赛者，他们的作品可能会获得更高的评价和得分。
同时，这类比赛还考核操纵手与无人机的协同能力，这在无人机操作和飞手培训方面也是一个具有挑战性的职业领域。这些新增设的项目丰富了大赛的内容，但整个大赛的核心仍然是竞技和创意。
5. 创新大奖赛对于中小学赛事设计的降维转化
针对中小学的赛事设计和组织，我们可以借鉴国际无人飞行器创新大奖赛的理念和经验。以下是我对于如何结合的一些建议：
竞技类别的赛事设计
我们可以依据目前可获得的成熟技术，如飞行器、控制系统、执行机构、载荷、电机、电池等，根据学生的年龄层次设计竞赛内容。竞赛内容应由简单到复杂，由易到难，但总体目标是通过竞技活动牵引潜在的应用可能性。
创意类别的赛事设计
我建议创意赛应尽早融入学校活动。例如，现在小学阶段的编程教育已经非常普及，我们可以将赛事与人工智能、机器人技术、先进材料制造等领域的教学项目结合起来。这样可以大大扩展创意赛的领域和范围，同时鼓励有价值的航空器创新探索。
比赛活动的趣味性和竞争性
在比赛活动中，应保持一定的竞争色彩，让学生感受趣味性和挑战性。通过比赛，学生可以获得认可和奖励，从而激发他们的积极性。
三、对于中小学无人机赛事设计的交互讨论
1. 针对RWDC的回应
RWDC（在美国举办的一项名为“真实世界设计挑战——无人机系统构建”的赛事，中国上海、北京部分学校组队参加，该赛事在计算机上进行系统设计）是一个大型项目，每年都会根据不同的任务和需求提出新的挑战。在中国航空学会的无人机创新大赛里，我们与一位美国无人机大赛的专家罗伯特建立了良好的关系，他在国际上也创建了一个类似于RWDC的国际大学生飞行器创新大奖赛。但这个活动的特点在于它不仅仅是纸面和计算机界面上的，而是要求实际操作，即“真刀真枪”地进行。
我记得有一个特别的挑战，是在一系列房屋中，其中一个房间的桌子上放置了一个U盘，旁边还有一个真假难辨的道具U盘。参赛者需要操作飞行器飞到建筑群中，根据目标特征判断并最终抓取真正的U盘。这是一个非常复杂的任务，需要多年的努力才能完成。虽然奖金不多，但它激发了一整套飞行路径设计、飞行器设计、位置判断、目标识别以及识别系统的开发。没有系统的解决方案，这个任务是无法完成的。例如，清华大学在参加比赛时，他们在摇臂式机械手中增加了磁性装置，使得抓取过程更加灵活，而无需点对点精确定位。
我认为，在高中阶段可以提出以无人机为主要平台，牵引系统去解决现实问题的能力，这可以被称为应用场景或情境需求牵引。虽然目前参赛的主要是资源丰富的大城市学校，但我们可以通过设计高端项目，带动整个教学工作和赛事活动的持续开展，这具有很大的意义。
RWDC与我之前提到的国际无人飞行器大奖赛的创意赛非常相似，但有两个主要区别。我们的大赛更多关注技术本身，而没有涉及经济要素和社会因素；而RWDC更侧重于方案和设计，而不是实际实践。为了结合这两者，我们可以在高中阶段强调无人机平台的实现，通过无人机牵引出一个小系统来回应特定场景的需求。在高中阶段增加应用产品和技术牵引，可以形成一个新的赛事项目。
2. 对于小初高各阶段赛事侧重点的建议
在高中阶段，教学内容可以增加系统性问题解决方案的研究和提出，包括一部分实践操作。赛事可以以无人机为主要平台，提出解决问题的治理方案。例如，针对国防安全等大问题，可以引导学生在高中阶段明确提出系统设计的概念，这不仅是无人机任务需求的系统构想，也是创意的体现。如果没有现成的解决方案，就更需要鼓励原始创新和创意。
对于初中阶段，赛事应该更多地考虑与社会生活息息相关的问题，以激发他们对现实问题的关切。如果赛事仅仅停留在游戏和技能层面，学生的兴趣可能会逐渐消失。因此，必须在教学和赛事中注入科技创新的元素。
在小学阶段，重点是激发学生的兴趣。赛事设计应考虑如何让学校活动更加热闹，同时确保项目能够吸引学生的兴趣。在资源丰富的地区，如北京，可以适当提高赛事的层次，以实现普及性和提高性的结合。
教学和赛事是两个不同的领域。赛事可以根据不同的工作特色进行设计，而教学是一个逐步积累的过程。教学中使用的概念应具有继承性和连续性。赛事可以根据不同的工作需求有特色地设计。例如，赛事可以根据学生的年龄和兴趣设计不同的任务，而教学则需要从小学开始逐步建立相关概念。
在推动组织创新大赛时，我们强调与其他比赛不同，不仅要有设计，还要能够实际制造。虽然不可能完全按照1:1的比例制造，但我们可以引入缩比的创新飞行器概念，强调载荷和任务能力，使其超越传统的航空模型。
总的来说，从小学到高中，赛事设计应根据学生的年龄和发展阶段，提炼出适合的场景和需求。同时，教学内容应与赛事有所区分，确保概念的连续性和继承性，以便学生能够在不同的阶段逐步建立起对无人机和相关技术的理解。
3. 对于赛事类别的建议
在赛事类别的划分上，我对于将赛事分为创意和竞技两大类别有一些执念。这种划分是否恰当，可以通过实践来检验。我们可以分析各种不同领域的比赛，无论是无人机、航空、航天、生物工程还是汽车等领域，大致都可以归为这两类。这种分类是一种对赛事活动规划的认知方式。
然而，是否必须在赛事的多维度拆解中体现这种分类，这是另一个问题。但在制定赛事规程时，我们无法避免对竞技和创意的阐释。这种阐释和理解会影响规则的制定。例如，在创意赛中，我们投入了大量的努力，最终设计了一个我们非常“得意”的评分公式：（A + B）* C。其中，A代表创新含量，即你的作品与他人的不同之处；B代表应用前景；C代表当前达到的水平和工程实现的可能性。A、B、C分别称为创新性评分、可用性评分和可实现性系数。这个公式的根源在于对创意的认知。这意味着在组织活动时，必须有评判标准，这些标准来自你对赛事活动设想的性质判断。只有这样，你才能进行操作，否则如何评判和排出名次呢？
在竞技赛中，评判标准可能更侧重于技术性能、完成任务的效率和准确性。而在创意赛中，评判标准则更注重创新性、实用性和可行性。这种分类有助于明确赛事的目标和评价体系，使得参赛者能够更好地理解如何准备和参与比赛，同时也为组织者提供了清晰的评判依据。
4. 对于平衡教学和禁飞的建议
考虑到北京地区的特殊情况，在禁飞的背景下，许多实践活动无法进行，我理解大家的困难。我建议不要触碰红线，在问题得到解决之前，我们仍然可以使用缩比模型，利用轻质材料制作固定翼飞机，在室内、如体育馆内低速飞行。这样，我们实际上可以解决很多问题，而不会因为这个问题而削弱动手操作的特色。
动手操作有两个含义：一是动手制作，二是操控。这两者都是必不可少的。当然，操控本身包括手工操控和非手工操控，这可以从简单到复杂逐步提高。但既然我们举办的是赛事活动，我还是主张要强调动手操作和操控。操控应从手工的趣味性、游戏性转变为更多地结合自动控制，与人工智能、编程和机器人技术有机结合。
对于大型无人机，学校一般不适合进行研发。如果确实有创新概念和初步成果，可以考虑与相应的商业公司和工业部门合作。这样不仅解决了问题，而且在北京以外的地区，超过一定高度的飞行可能就没有问题了。
然而，仅凭学校自身可能还是面临困难。因此，我建议我们应该专注于自由飞模型，将高端航模与低端无人机结合起来，赋予其载荷和任务解决的能力，这样，它们就会从航模蜕变成真正的无人机。我们应该将这个概念贯彻到我们的教学和赛事中。我相信，只要我们一步一步来，情况很快就会好转。
5. 对于研究性学习在赛事中如何体现的回应
鼓励学生自主阐述和表达解决问题的合理方法、思路和方案，这对国内外学生都非常重要。国外的学生很早就开始接触并学习解决问题的方案，我们国内的学生也应该在这方面得到培养。
在动手实践和现实问题解决之间，我们应该适当区分。鼓励学生表达和阐述自己的解决问题方案的思维逻辑、成果以及预期效果，这对他们的成长至关重要。在工业部门中，技术人员在这方面的能力也有明显的高低之分。有的人即使加班加点，也比不上那些思维逻辑清晰、方案策划周到的人。这种能力从小就应该培养，这是工程思维或科学思维的重要组成部分。如果你们已经意识到这个问题，那么在工作中应该有意识地加强这方面的培养。同时，我们在教授学生时，自身也面临着同样的挑战，要终生学习，不断提高。
我认为，根据不同年龄段和学习阶段，当学生能够提出汇报方案时，我们可以在相应的赛事中为他们设定合适的方案展示模板。例如，在中国航空学会的无人机创新大赛业余组的比赛中，也有一些中学生参与，为鼓励他们参加，模板就不应过于复杂。如果学生无法完全展示他们的创新点，他们可以在实验室录制视频。同时，我们可以规定设计报告的长度，不要太长，7、8页可能就足够了。根据实际情况，我们可以实事求是，但作为活动设计者，我们需要将这些要素纳入考虑范围。
至于赛事活动中的教学和评判，我们可以进行阶段性的区分。在赛事活动初期，评判标准是否可以不一样，一开始是否可以不那么刚性和具体？例如，我刚才提到的（A + B） * C的公式就很简单。我经常参与一些评审活动，发现如果评分标准过于细致，最终可能导致评价系统崩溃，失去了实操的价值，甚至可能与我们的初衷背道而驰。因此，我认为在没有足够实践经验的情况下，我们不应过于琐碎和具体地设定限制。