王寅

摘要：本文以航天特色院校航天探測技術(shù)的教學(xué)為背景，通過研究和分析探測技術(shù)教學(xué)內(nèi)容上的特點，提出從教學(xué)思路、教學(xué)方法和考核形式等方面進行改革，教學(xué)實踐表明本文所提出的教學(xué)改革方法能夠起到改善教學(xué)質(zhì)量的效果。

關(guān)鍵詞：探測技術(shù)；航空航天；教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）17-0071-02

一、引言

航天探測技術(shù)是研究利用航天器所搭載的敏感裝置，感知航天器自身狀態(tài)和探測外部環(huán)境的理論與方法，是航天飛行器系統(tǒng)工程中的重要環(huán)節(jié)與基礎(chǔ)[1]。航天探測技術(shù)與航天飛行器平臺的導(dǎo)航、控制以及載荷技術(shù)息息相關(guān)，是航天器系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向之一。例如，航天器自身姿態(tài)、速率以及航天飛行器外部環(huán)境等參數(shù)在基于衛(wèi)星的對地觀測以及探測器地外行星軟著等任務(wù)中均具有十分重要的作用，因此實時可靠的獲取相關(guān)參數(shù)是航天器平臺控制與載荷控制的必須條件與重要環(huán)節(jié)。對于具有航天特色的高等院校探測與制導(dǎo)專業(yè)來說，探測技術(shù)既是一個非常重要的研究方向也是學(xué)生所需要重點掌握和理解的基礎(chǔ)理論。南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院為本科探測制導(dǎo)與控制技術(shù)（航天）專業(yè)三年級學(xué)生開設(shè)了“航天探測技術(shù)”專業(yè)課。通過學(xué)習(xí)航天飛行器常見敏感裝置的基本工作原理、數(shù)據(jù)處理方法和在航天器上的典型應(yīng)用，使學(xué)生了解航天器對敏感裝置的總體性能要求，掌握航天飛行器獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理的主要方法，同時培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)的研究、分析問題的思維，為以后的工作和學(xué)習(xí)奠定良好的理論基礎(chǔ)和積累初步的實踐經(jīng)驗。

“航天探測技術(shù)”是一門多學(xué)科相互交叉、融合的綜合性科學(xué)，具有寬泛的理論體系和數(shù)據(jù)處理的專門方法。由于所涉及知識面廣，理論體系跨度大，純理論講授的教學(xué)方式很難激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)該課程的積極性[2，3]。因此，需要合理的設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，調(diào)整教學(xué)思路，通過適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和手段，使學(xué)生能夠主動探求航天探測技術(shù)的相關(guān)理論，從而拓展學(xué)生的專業(yè)口徑，加深學(xué)生對所掌握的知識體系的理解，建立對本專業(yè)的系統(tǒng)性、全局性認識，提高創(chuàng)新能力。本文以探測制導(dǎo)與控制技術(shù)（航天）專業(yè)為背景，結(jié)合作者在“航天探測技術(shù)”課程教學(xué)和自身科研中的經(jīng)驗，對該課程教學(xué)方法改革中的若干措施和手段進行總結(jié)和探究。

二、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)難點

（一）教學(xué)內(nèi)容

航天特色專業(yè)的探測技術(shù)課程具有所涉及的理論體系寬、知識面廣，難點大等特點，因此很難圍繞某一個專業(yè)的理論體系設(shè)置教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)實踐中，將課程的內(nèi)容劃分為四個相互獨立的教學(xué)單元：航天探測技術(shù)的基本內(nèi)容和概念；航天器姿態(tài)測量；主動式探測技術(shù)；光學(xué)探測技術(shù)。其中，第一部分是航天探測技術(shù)的基本概念，為學(xué)生構(gòu)建本門課程的知識體系。第二部分是航天器導(dǎo)航系統(tǒng)的相關(guān)敏感裝置原理和數(shù)據(jù)處理方法，包含慣性測量裝置、光學(xué)姿態(tài)敏感器以及基于最優(yōu)濾波的慣性天文組合原理三個主要內(nèi)容。在教學(xué)中突出兩類姿態(tài)測量方式的特點，讓學(xué)生理解和掌握濾波的數(shù)學(xué)本質(zhì)和組合測量的基本原理。第三部分主要講授以激光雷達為代表的主動式探測裝置的原理與應(yīng)用。第四部分以CCD光學(xué)相機為代表的被動式探測手段的理論和方法，并結(jié)合探測器在地外星球軟著陸中地表障礙物檢測與識別的應(yīng)用。

（二）教學(xué)難點

雖然學(xué)生經(jīng)過大學(xué)本科階段學(xué)習(xí)已經(jīng)具有了一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和信息理論的知識，但對這些學(xué)科中基本概念的理解不夠深入，缺乏綜合應(yīng)用所掌握的基本原理解決問題的能力。因此，本課程的教學(xué)難點之一在于如何將探測技術(shù)中的相關(guān)理論和方法與學(xué)生已掌握的基本知識良好的結(jié)合，使學(xué)生在提高對航天器探測技術(shù)認知程度的基礎(chǔ)上，加深對所學(xué)知識的理解與綜合應(yīng)用的能力。此外，航天探測技術(shù)具有學(xué)科口徑寬和應(yīng)用性強的特點，對于工科學(xué)生而言，不僅僅要求能夠掌握各類敏感裝置的基本工作原理和特點，還需要通過應(yīng)用實例的學(xué)習(xí)加深對基本概念的理解，提高綜合能力并培養(yǎng)工程思想。因此，航天探測技術(shù)教學(xué)的另一難點在于何如深入淺出地對探測技術(shù)在航天器應(yīng)用的實例進行解讀，幫助學(xué)生在融合理論知識的基礎(chǔ)上加深對工程實踐的認識，將抽象的概念與實踐聯(lián)系起來。

三、教學(xué)思路與教學(xué)方法改革

航天探測技術(shù)的主要教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生了解航天器典型敏感裝置的工作原理和特性，掌握選型和設(shè)計的依據(jù)。但敏感裝置的原理具有涉及專業(yè)知識面廣、基礎(chǔ)理論要求高、概念抽象等特點，這往往令學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒和抵觸情緒，很難激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)的興趣，這樣也就無法達到這門課的教學(xué)目標(biāo)。因此，需要對航天探測技術(shù)的理論和實驗教學(xué)進行必要的改革。

（一）通過演示實驗改善理論學(xué)習(xí)效果

從航天探測技術(shù)以往的教學(xué)經(jīng)驗來看，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性普遍不高，這是由于教學(xué)的內(nèi)容過于偏向理論性，學(xué)生不理解學(xué)習(xí)內(nèi)容有什么用處，不知道所學(xué)習(xí)的理論能夠解決什么問題，缺乏對知識的探求欲。因此，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性是取得良好教學(xué)效果的重要前提。由于本科生階段注重理論教學(xué)，實踐教學(xué)環(huán)節(jié)較少，因此學(xué)生對于所掌握的基本原理的理解往往過于淺顯，抽象思維能力還不足，因此在教學(xué)過程中應(yīng)當(dāng)避免大量的公式推導(dǎo)，對于能夠反映基本原理的部分數(shù)學(xué)模型應(yīng)當(dāng)講深講透，并將數(shù)學(xué)模型中的各物理量與物理模型建立聯(lián)系，通過將抽象的概念具體化幫助學(xué)生理解相關(guān)的理論。為此，在講授理論知識之前，首先通過演示實驗的方式向?qū)W生展示敏感裝置測量的應(yīng)用，讓學(xué)生對將要學(xué)習(xí)的內(nèi)容有直觀的認識。同時，通過在演示實驗的過程依據(jù)敏感元件的特性設(shè)置一些問題，供學(xué)生思考和討論，進而再通過講授這類元件或裝置的原理，從而揭示產(chǎn)生某種現(xiàn)象的機理，使得學(xué)生能夠更加深入的理解教學(xué)的內(nèi)容。例如，在講解航天器姿態(tài)的慣性測量原理時，第一次課在航天學(xué)院控制系實驗室進行，利用角速率陀螺和單軸轉(zhuǎn)臺向?qū)W生演示角速率陀螺測量角速度的實驗，使得學(xué)生對角速率測量元件有直觀的認識。然后讓學(xué)生思考如何利用角速度傳感器估計姿態(tài)，再通過演示實驗向?qū)W生展示由速率積分和轉(zhuǎn)臺光電編碼器測量值的差異，讓學(xué)生能夠直觀感受到慣性測量元件累積誤差的特性。在此基礎(chǔ)上，再講解陀螺測量角速度和姿態(tài)的基本原理，引導(dǎo)學(xué)生探究產(chǎn)生累積誤差/陀螺漂移的內(nèi)在機制，總結(jié)慣性測量元件測量姿態(tài)的特性。通過互動式、理論與應(yīng)用相互結(jié)合的教學(xué)方式逐步向?qū)W生傳授思考和解決科學(xué)問題的方法，增強學(xué)生的科研能力。

（二）實驗教學(xué)改革

實驗教學(xué)一直是高等學(xué)校培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、綜合技術(shù)應(yīng)用、創(chuàng)新意識和能力等的重要環(huán)節(jié)和途徑[4]。從實驗課的反饋情況來看，大部分學(xué)生對實驗的目的不明確，對實驗過程的認知不夠，大多都是按照實驗指導(dǎo)書和老師的講解和演示進行生搬硬套式的操作，并不能真正提高學(xué)生獨立思考的能力。這樣的實驗教學(xué)往往無法達到加深學(xué)生理解理論知識體系的目的，為了使學(xué)生學(xué)好航天探測技術(shù)這門課，掌握幾種典型敏感裝置工作原理和及其選型的一般方法，必須進行實驗教學(xué)的改革。實驗改革的主要的思路是逐步進行自主式、開放式的實驗，減少教師灌輸式、填鴨式講解的授課方式，同時增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)和實驗的時間。隨著理論教學(xué)的進行，在完成一個教學(xué)單元后，以航天應(yīng)用為背景提出測量的需求，學(xué)生通過掌握的理論知識，選擇和設(shè)計能夠滿足需求的測量系統(tǒng)，并在實驗室中驗證自己的想法，不斷完善和優(yōu)化設(shè)計，從而達到培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和動手能力的目的。

（三）考核形式改革

傳統(tǒng)的考核方法主要是通過期末考試來進行評定，這種考試方式能夠在一定程度上反應(yīng)學(xué)生掌握課程基本內(nèi)容的情況，但是卻不能充分反映學(xué)生平時的學(xué)習(xí)情況，難以達到促進和掌握學(xué)生學(xué)習(xí)狀況的目的。根據(jù)“航天探測技術(shù)”課程的特點和教學(xué)經(jīng)驗，本門課程的成績由課堂表現(xiàn)、大作業(yè)和期末考核幾個方面組成。

1.課堂表現(xiàn)。課堂表現(xiàn)主要包括學(xué)生在教學(xué)過程中的出勤、課堂上的互動和實驗環(huán)節(jié)的動手能力幾個方面的內(nèi)容。在實驗環(huán)節(jié)中主要考核學(xué)生是否對所應(yīng)用的敏感裝置的原理、性能了解，是否能正確分析實驗數(shù)據(jù)并進行誤差處理。這部分成績占學(xué)生總成績的30%。

2.大作業(yè)。每個教學(xué)單元結(jié)束后都留有大作業(yè)和實驗環(huán)節(jié)。大作業(yè)一般給出幾個與教學(xué)單元內(nèi)容相關(guān)的題目，學(xué)生根據(jù)題目自由探索和學(xué)習(xí)，重點考察學(xué)生自主學(xué)習(xí)和綜合運用所掌握知識的能力，實現(xiàn)理論知識到實踐技能的遷移。這部分成績占學(xué)生總成績的30%。

3.期末考核。期末考核采用閉卷考試的形式，這部分成績占總成績的40%。期末考試主要考察學(xué)生對基本概念的理解和綜合運用知識的能力?？荚嚨念}型由填空、簡答和分析計算組成。填空題以航天探測技術(shù)的常識性知識為主，主要考察學(xué)生對課程所涉及的技術(shù)領(lǐng)域的了解程度。簡答題主要考察學(xué)生對敏感裝置基本原理的理解，有利于學(xué)生梳理課程知識體系和基本概念。分析計算題考察學(xué)生綜合運用知識的能力，答案相對開放，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

四、結(jié)論

對于航空航天特色院校的探測與控制專業(yè)學(xué)生而言，探測技術(shù)是專業(yè)理論體系的重要環(huán)節(jié)和重點研究方向，因此學(xué)習(xí)和掌握航天常用敏感裝置的基本原理和應(yīng)用技術(shù)十分必要。本文針對課程的特點和學(xué)生的基本情況，研究和探討了探測技術(shù)的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)思路、教學(xué)方法以及考核形式的改革方法。經(jīng)過教學(xué)實踐，本文所提出的探測技術(shù)教學(xué)改革方案能夠促進學(xué)生對敏感裝置原理的理解，提高學(xué)生綜合運用知識和創(chuàng)新思維，具有良好的教學(xué)效果。

參考文獻：

[1]穆哈默德阿拜德.航天飛行器傳感器[M].北京：中國計量出版社，2010.

[2]朱維斌.測控技術(shù)與儀器專業(yè)傳感器系列課程的研究與實踐[J].高教論壇，2009，（7）：82-83.

[3]喻言，馬靈芝，趙泰樣，等.傳感器技術(shù)課程的改革研究與實踐[J].中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2009，（11）：158.

[4]潘言全.傳感器教學(xué)改革的探討[J].科技信息，2007，（4）：180-181.