航天器總體設(shè)計(jì)課程教學(xué)的若干問題探索

聞 新 熊 武 王亞洲 金哲誠 趙 陽

南京航空航天大學(xué) 江蘇南京 210016

☆實(shí)踐教學(xué)與課程建設(shè)☆

航天器總體設(shè)計(jì)課程教學(xué)的若干問題探索

聞 新 熊 武 王亞洲 金哲誠 趙 陽

南京航空航天大學(xué) 江蘇南京 210016

航天器總體設(shè)計(jì)課程是一門多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程技術(shù)。結(jié)合航天器總體設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)與其他院校教學(xué)改革的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從教材內(nèi)容、教學(xué)方法、雙語教學(xué)、考評方式等多方面分析了目前該課程教學(xué)中存在的問題，并分別提出了具體改革方案，部分方案經(jīng)教學(xué)工作實(shí)踐，取得了良好的效果。

航天器；總體設(shè)計(jì)；教學(xué)方法

Abstract: Spacecraft systems engineering is an integrated course that combines multi-disciplines and technology development. according to the characteristics of the course and the valuable teaching experiences of other universities, the paper analyzes the existing problems of the lesson on teaching contents, teaching methods, evaluation methods and bilingual teaching were proposed. Some of the reformative schemes have been put into practice and obtained good teaching results.

Key words: spacecraft; system engineering; teaching methods

1 航天器總體設(shè)計(jì)課程的內(nèi)涵

航天器總體設(shè)計(jì)中的“總體設(shè)計(jì)”一詞是“中國航天之父”錢學(xué)森給出的定義，英文是“System Engineering”，所以學(xué)術(shù)界又稱“航天器總體設(shè)計(jì)”為“航天器系統(tǒng)工程”。

什么是“總體設(shè)計(jì)”或“系統(tǒng)工程”？錢學(xué)森說它是一種科學(xué)方法，美國學(xué)者說是一門科學(xué)，還有專家說它是一門特殊工程學(xué)，但大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為是一種管理技術(shù)。

航天器總體設(shè)計(jì)課程以航天器系統(tǒng)為基礎(chǔ)，主要論述航天器系統(tǒng)級方面的問題，它所涉及的對象是工程大系統(tǒng)，所涉及的知識深度局限于設(shè)計(jì)最優(yōu)大系統(tǒng)需要，所涉及的知識領(lǐng)域包含“機(jī)、光和電”等十幾個(gè)技術(shù)的交叉學(xué)科。所以，“航天器總體設(shè)計(jì)”課程是培育航天器設(shè)計(jì)領(lǐng)軍人才的專業(yè)課。

2 航天器總體設(shè)計(jì)課程的特征

從理論角度看，航天器總體設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)工程范疇，涉及的對象是工程大系統(tǒng)。從航天任務(wù)角度看，航天器總體設(shè)計(jì)是探索、開發(fā)和利用太空以及太空以外天體的綜合性工程技術(shù)，是集諸多科學(xué)領(lǐng)域之大成，它的發(fā)展又反過來促進(jìn)各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域向前發(fā)展。

航天器總體設(shè)計(jì)課程的內(nèi)容包括航天任務(wù)分析、航天器環(huán)境分析、總體設(shè)計(jì)概述、總體方案設(shè)計(jì)、姿態(tài)與軌道控制系統(tǒng)、軌道動(dòng)力學(xué)、運(yùn)載器、地面測控站、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、電磁兼容性、地面測試和產(chǎn)品可靠性等。所以，不難看出，航天器總體設(shè)計(jì)課程的目標(biāo)是使學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，基本了解航天器總體方案設(shè)計(jì)的方法，初步具備在任務(wù)分析基礎(chǔ)上構(gòu)思航天器總體方案的能力，如有能力和信心去挑戰(zhàn)中國航天五院舉辦的“超越杯”競賽。

3 航天器總體設(shè)計(jì)課程的教材

鑒于世界上最著名的自然科學(xué)方面的教材，幾乎都是在劍橋、牛津和麻省理工學(xué)院這樣的名校誕生的，所以，我校航天器總體設(shè)計(jì)課程選用的教材是由Peter Fortescue等人編寫、WILEY出版的“Spacecraft Systems Engineering”[1]。該書從航天器系統(tǒng)級角度分析和論述了總體設(shè)計(jì)問題，包括航天器環(huán)境、任務(wù)分析和系統(tǒng)工程，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心子系統(tǒng)，如機(jī)構(gòu)、電氣、推進(jìn)、熱、控制、裝配集成和測試試驗(yàn)等。

“Spacecraft Systems Engineering”最初源于歐洲Southampton大學(xué)的短期培訓(xùn)講義，該講義是20世紀(jì)70年代為畢業(yè)后希望成為航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的學(xué)生而編寫。該書至今已經(jīng)修訂再版4次，每次都組織近30位專家和專業(yè)教師參加修訂和編寫。第一版是在“航天器系統(tǒng)”講義基礎(chǔ)上編寫而成；第二版是在廣大讀者反饋意見基礎(chǔ)上，進(jìn)行修改完善；第三版是在新技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，特別是在小衛(wèi)星的“重量輕、性能好、研制周期快、造價(jià)低”的理念技術(shù)推動(dòng)下，為了適應(yīng)先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的需要，進(jìn)行修訂；第四版是在原來基礎(chǔ)上，每章內(nèi)容都有所刪減和增加，另外還增加了《航天器裝調(diào)、集成和試驗(yàn)驗(yàn)證》一章。顯而易見，在過去40年的時(shí)間里，由于作者的不斷修訂和更新，該書始終保持內(nèi)容新穎和技術(shù)先進(jìn)的狀態(tài)。

“Spacecraft Systems Engineering”一直是國外著名大學(xué)航天器系統(tǒng)工程課程的教材或主要參考書，如麻省理工學(xué)院、高等航空航天學(xué)院(法國)、和帝國理工學(xué)院(英國)等[2]。

對于我校的航天器總體設(shè)課程來說，選擇該書的理由有三點(diǎn)：第一，能從總體上反映課程的知識結(jié)構(gòu)，包括各方面的知識點(diǎn)和拓展的需要；第二，有助于學(xué)生的學(xué)習(xí)，知識的來龍去脈交代清楚；第三，符合48學(xué)時(shí)的授課需要。

4 航天器總體設(shè)計(jì)課程的研討式教學(xué)

航天器總體設(shè)計(jì)課程在我國高校開設(shè)多年，隨著很多高校多媒體教學(xué)條件的完善，航天方面的紀(jì)錄片和故事片走進(jìn)了課題[3]，當(dāng)然也走進(jìn)了航天器總體設(shè)計(jì)的教學(xué)中。實(shí)踐證明，由于航天器總體設(shè)計(jì)內(nèi)容龐雜，傳統(tǒng)的教師講、學(xué)生聽以及看電影的灌輸式教學(xué)方法，造成學(xué)生食而不化。鑒于航天器總體設(shè)計(jì)課程的性質(zhì)和特征，現(xiàn)采用目前國外比較流行的“研討式教學(xué)方法”與“基于問題的授課方式”相結(jié)合的方式，在教學(xué)實(shí)踐中取得較好效果。在研討式教學(xué)過程中，教師給出問題及答案，讓學(xué)生積極地尋找中間的解答過程，教師和學(xué)生共同以研究探討的形式完成課程教學(xué)任務(wù)[4]。航天器總體設(shè)計(jì)涉及的學(xué)科范圍非常廣泛，帶著問題教和學(xué)，通過互動(dòng)教學(xué)環(huán)節(jié)，可以引導(dǎo)學(xué)生圍繞航天器設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行研究型學(xué)習(xí)，如通過航天器電源結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)空間環(huán)境的危害，這些問題無疑會(huì)引導(dǎo)學(xué)生自覺地理解和掌握系統(tǒng)性的知識，這不僅幫助學(xué)生“學(xué)會(huì)”了一門課程，而且還使學(xué)生掌握了“會(huì)學(xué)”的能力。

5 航天器總體設(shè)計(jì)課程的考核方式

傳統(tǒng)的閉卷考試能夠延續(xù)至今，有其自身優(yōu)點(diǎn)，但針對航天器總體設(shè)計(jì)課程的特征和內(nèi)容而言，完全采用這種閉卷考試方式，很難評估學(xué)生的真正水平。該課程除了應(yīng)該檢查學(xué)生了解和掌握其系統(tǒng)級知識外，還應(yīng)考查學(xué)生對總體設(shè)計(jì)水平和系統(tǒng)指標(biāo)的把握能力，以及在多種約束條件下的優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合能力、語言表達(dá)和綜述能力。

我校在航天器總體設(shè)計(jì)課程考核方式方面，進(jìn)行了改革嘗試，加大了研究型學(xué)習(xí)的評價(jià)權(quán)重?？己说目傇u成績滿分為100分，其中，期末試卷重點(diǎn)考查基本概念的理解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與步驟，其試卷成績占總評成績的30%；課外作業(yè)，如方案設(shè)計(jì)、大論文、小論文等，占總評成績的50%；口頭匯報(bào)中的表達(dá)能力，即方案設(shè)計(jì)的講演占總評成績的20%。這樣的考核方式不僅可以促進(jìn)學(xué)生平時(shí)對課程的投入，還能提高學(xué)生在總體設(shè)計(jì)方面的綜合能力，保證了課程培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

6 航天器總體設(shè)計(jì)課程雙語教學(xué)

雙語教學(xué)是我國高等教育與國際接軌的必然趨勢，是培養(yǎng)適應(yīng)21世紀(jì)社會(huì)發(fā)展高素質(zhì)人才的需要。美國在航天器研究的多數(shù)領(lǐng)域都處于遙遙領(lǐng)先的地位，而我國航天器研究起步較晚，有許多地方需要向發(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)和借鑒。所以對航天器總體設(shè)計(jì)課程，開展雙語教學(xué)是非常必要的。

我校航天器總體設(shè)計(jì)課程的雙語教學(xué)，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際英文水平和開展雙語教學(xué)的不同階段確定在教學(xué)中英文所占的比例，同時(shí)以此為主要依據(jù)調(diào)整學(xué)時(shí)分配。另外，為了幫助學(xué)生理解，在“Spacecraft Systems Engineering”為主要教材基礎(chǔ)上，再給學(xué)生推薦一本國內(nèi)出版的教材，即《航天器系統(tǒng)工程》。該書由航天五院總師譚維熾和胡金剛主編，他們組織十幾位專家參考國外教材“Spacecraft Systems Engineering”的編寫模式，并結(jié)合中國航天器研制背景，編寫出版了本教材。這兩本書的編寫思路和技術(shù)用語基本類似，這樣學(xué)生在閱讀教材的時(shí)候不用把精力浪費(fèi)在學(xué)習(xí)不同稱謂的專業(yè)詞匯上。

另外，我校航天器總體設(shè)計(jì)課程開展雙語教學(xué)的目的，不僅僅是教給學(xué)生英語或者專業(yè)知識，而是用英語去認(rèn)知航天器專業(yè)領(lǐng)域的前沿知識和科技發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生接受最新專業(yè)知識的能力。

[1] Peter Fortescue,John Stark,Graham Swinerd.Spacecraft Systems Engineering 4th Edition[M].WILEY,2011.

[2] 英國帝國理工學(xué)院[EB/OL].http://www3.inperial ac. uk / ugprospectus.

[3] 朱憲偉,楊夏.國際一流航空航天類專業(yè)人才培養(yǎng)體系特點(diǎn)分析[J].高等教育研究學(xué)報(bào),2011,34:43-45,50.

[4] 劉俊.基于任務(wù)的教學(xué)法初探[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào),2006,S1:65.

Probing into some problems on teaching of spacecraft systems engineering

Wen Xin, Xiong Wu, Wang Yazhou, Jin Zhecheng, Zhao Yang Nanjing university of aeronautics and astronautics, Nanjing, 210016, China

2011-10-27

聞新，博士，教授，博士生導(dǎo)師。