國內(nèi)外“航天電子設(shè)計(jì)”課程實(shí)踐教學(xué)對(duì)比分析

丁丁 張志洲 李小康

摘 要：從培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新工程人才的角度，對(duì)國內(nèi)外航天電子設(shè)計(jì)的課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)踐教學(xué)方式進(jìn)行了對(duì)比。在課程建設(shè)階段，分析了國外知名同類課程教學(xué)內(nèi)容，對(duì)理論教學(xué)及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)；在課程教學(xué)階段，采用以實(shí)踐引導(dǎo)教學(xué)的方式，對(duì)實(shí)踐性教學(xué)模式進(jìn)行了探索。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新工程人才；航天電子設(shè)計(jì)；課程建設(shè)；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G640 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2018）05-0005-03

Abstract： To train more high-level innovative engineering talents， this paper compares the design of the course structures and the teaching practice of aerospace electronic design. At the course constructing stage， the teaching contents of the well-known foreign similar courses are analyzed， and the theoretical part and the practice part are programmed separately. At the course teaching stage， the course is led by practice， as well as the practical teaching/learning ways are explored.

Keywords： innovative engineering talents； aerospace electronic design； course constructing； practice teaching

一、概述

為了構(gòu)建具有我軍特色的世界一流空天科學(xué)與工程領(lǐng)域創(chuàng)新人才培養(yǎng)體系，我?？仗旖虒W(xué)團(tuán)隊(duì)充分調(diào)研美國麻省理工學(xué)院、美國海軍學(xué)院、英國布里斯托大學(xué)等國外一流大學(xué)空天科學(xué)與工程領(lǐng)域教學(xué)體系建設(shè)特點(diǎn)，深入分析國外一流大學(xué)空天類專業(yè)人才培養(yǎng)特點(diǎn)與空天軍事人才的培養(yǎng)需求，著重開展空天科學(xué)與工程專業(yè)人才培養(yǎng)實(shí)踐教學(xué)體系的改革與建設(shè)?！逗教祀娮釉O(shè)計(jì)》課程作為空間科學(xué)與工程領(lǐng)域空間工程專業(yè)的本科生前沿拓展課程，在整個(gè)空天科學(xué)與工程的課程體系中占用重要地位。特別是在工程能力培養(yǎng)與基礎(chǔ)理論教學(xué)、專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)并重的教學(xué)理念牽引下，通過調(diào)整《航天電子設(shè)計(jì)》的課程標(biāo)準(zhǔn)、充實(shí)教學(xué)內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法，在教學(xué)過程中全面體現(xiàn)工程化能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的思路，對(duì)培養(yǎng)基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、工程實(shí)踐為一體的空天科學(xué)與工程專業(yè)人才具有重要意義。

本文旨在從創(chuàng)新工程人才培養(yǎng)的角度研究航天電子設(shè)計(jì)的課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)踐教學(xué)方式，在課程建設(shè)階段，將其與國外知名同類課程進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)課程教學(xué)及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)；在課程教學(xué)階段，采用以實(shí)踐引導(dǎo)課程教學(xué)的方式，對(duì)小班制啟發(fā)式實(shí)踐教學(xué)模式進(jìn)行了探索。

二、中外課程對(duì)比分析

美國麻省理工學(xué)院在工程學(xué)領(lǐng)域?qū)嵙π酆瘢B續(xù)多年在全美工科院校排名中位居第一，特別是其航空航天專業(yè)在美國大學(xué)專業(yè)排名中一直居于一二位，其人才培養(yǎng)理念世界聞名，人才培養(yǎng)體系先進(jìn)。因此，本文選擇麻省理工開放課程《Prototyping Avionics》（《航空電子原型設(shè)計(jì)》）與我?？仗旖虒W(xué)體系中的《航天電子設(shè)計(jì)》課程進(jìn)行對(duì)比分析，借鑒其經(jīng)驗(yàn)，分析其不足，充分結(jié)合我?？臻g專業(yè)本科生的現(xiàn)有知識(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)課程教學(xué)及實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步優(yōu)化本科人才培養(yǎng)方案，改革與完善課程體系提供借鑒。

我校《航天電子設(shè)計(jì)》課程隸屬于設(shè)計(jì)和應(yīng)用課程系列，共36學(xué)時(shí)，其中講授20學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)；另外還包括有綜合實(shí)驗(yàn)課程《航天電子設(shè)計(jì)課程綜合設(shè)計(jì)》18學(xué)時(shí)。課程的總體目標(biāo)是以航天電子系統(tǒng)為主線，系統(tǒng)地闡述航天電子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和開發(fā)流程，重點(diǎn)介紹航天電子系統(tǒng)中的器件特性、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和實(shí)施步驟，最后落實(shí)到印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)與焊接調(diào)試、模擬星載機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用、太陽電池陣供電與電壓檢測(cè)等實(shí)踐環(huán)節(jié)上。

麻省理工《航空電子原型設(shè)計(jì)》課程隸屬于航空航天課程系列，共56學(xué)時(shí)，其中講授28學(xué)時(shí)，實(shí)踐28學(xué)時(shí)。課程目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)員進(jìn)行航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必備技能——印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)與制作。主要授課內(nèi)容包括基本元器件使用、常用電路設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)軟件使用與焊接/調(diào)試以及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等知識(shí)。

課程的總體設(shè)計(jì)思想取決于學(xué)校相關(guān)課程體系設(shè)置。電子類課程體系的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)從信號(hào)處理基礎(chǔ)理論向電子系統(tǒng)工程應(yīng)用的過渡，整個(gè)過渡過程包含信號(hào)及電路原理、器件、電路設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用這幾個(gè)由低到高的階段。麻省理工《航空電子原型設(shè)計(jì)》的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)從元器件級(jí)向電路板級(jí)的過渡，從而與其他相關(guān)課程之間實(shí)現(xiàn)重復(fù)銜接（見圖1），如《電路和電子》（Circuits and Electronics）、《電子、信號(hào)和測(cè)量導(dǎo)論》（Introduction to Electronics， Signals， and Measurement）、《模擬電子實(shí)驗(yàn)教程》（Introductory Analog Electornics Laboratory）和《數(shù)字系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程》（Introductory Digital Systems Laboratory）等[1-4]。而我校傳統(tǒng)電子類課程體系中各階段課程設(shè)置較為獨(dú)立，如《電工與電路基礎(chǔ)》主要介紹電路原理，《模擬電子技術(shù)》和《數(shù)字電子技術(shù)》主要面向器件級(jí)電路設(shè)計(jì)，各課程之間的交叉較少，學(xué)員的知識(shí)體系結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)從信號(hào)及電路原理向工程應(yīng)用的自然過渡（見圖2）。為了彌補(bǔ)原有課程體系與工程應(yīng)用聯(lián)系不緊密的問題，《航天電子設(shè)計(jì)》的課程目標(biāo)偏重于培養(yǎng)學(xué)員進(jìn)行航天電子設(shè)計(jì)的應(yīng)用能力，提高動(dòng)手能力，為從事航天工程實(shí)踐打下基礎(chǔ)。在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置上，《航天電子設(shè)計(jì)》以實(shí)踐能力培養(yǎng)為導(dǎo)向，使學(xué)員從掌握基本電路知識(shí)過渡到具有開展航天電子設(shè)計(jì)實(shí)踐的能力。

從與《航空電子原型設(shè)計(jì)》的教學(xué)內(nèi)容對(duì)比上來看，《航天電子設(shè)計(jì)》的教學(xué)內(nèi)容編排更加注重知識(shí)結(jié)構(gòu)的邏輯性，例如通過介紹航天器電子系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將課程前半部分的電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)（如放大器及信號(hào)整形電路設(shè)計(jì)、處理器等）與后半部分的航天電子系統(tǒng)（航天電子接口技術(shù)、星載計(jì)算機(jī)等）聯(lián)系起來，幫助學(xué)員將先修課程中已學(xué)過的基礎(chǔ)知識(shí)融會(huì)貫通到實(shí)際的工程應(yīng)用中。通過介紹航天電子系統(tǒng)所面臨的特殊空間環(huán)境和設(shè)計(jì)約束條件，幫助學(xué)員理解進(jìn)行航天電子設(shè)計(jì)所要解決的關(guān)鍵問題。一方面，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)制作印刷電路板（PCB）的基本技能，幫助學(xué)生體驗(yàn)電子工程的實(shí)施階段；另一方面，使學(xué)生加深理解星載電子系統(tǒng)低功耗、高可靠性等等設(shè)計(jì)特點(diǎn)與難點(diǎn)。

而《航空電子原型設(shè)計(jì)》通過介紹分立元件直接轉(zhuǎn)到電路原理圖與PCB版圖的設(shè)計(jì)制作，容易使學(xué)員缺乏對(duì)航空電子原型的基本概念、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等的總體認(rèn)識(shí)，因此并不完全適用于我校航天課程體系。與MIT課程相比，本課程更加注重實(shí)際應(yīng)用，添加豐富的有工程應(yīng)用背景的案例，理論與實(shí)際結(jié)合更加緊密，更加注重內(nèi)容的更新。課程設(shè)計(jì)目標(biāo)是建設(shè)成一門知識(shí)性與實(shí)踐性并重、航天特色明顯，對(duì)學(xué)員電子實(shí)踐鍛煉全面的應(yīng)用類課程。

三、實(shí)踐性教學(xué)設(shè)計(jì)

創(chuàng)新工程人才的培養(yǎng)是實(shí)踐性很強(qiáng)的教學(xué)，需要學(xué)生在掌握理論知識(shí)的同時(shí)，更加注重實(shí)踐知識(shí)的掌握，更加強(qiáng)調(diào)學(xué)生在工程情境中解決復(fù)雜問題的能力。因此從根本上講，創(chuàng)新工程人才培養(yǎng)模式最終體現(xiàn)為實(shí)踐教育理念對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革[1]。在工程教育中是否注重實(shí)踐對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有決定性的影響。針對(duì)這些問題，教育部發(fā)布的《教育部關(guān)于實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃” 的若干意見》[4]指出，高校要以強(qiáng)化工程實(shí)踐能力、工程設(shè)計(jì)能力與工程創(chuàng)新能力為核心，著力推動(dòng)基于問題的學(xué)習(xí)、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)等多種研究性教學(xué)方法，加強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新能力訓(xùn)練。以此為契機(jī)，我們對(duì)《航天電子設(shè)計(jì)》課程進(jìn)行以下方面的實(shí)踐性教學(xué)設(shè)計(jì)：

（一）優(yōu)化內(nèi)容結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域人才更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)而嚴(yán)密的知識(shí)邏輯體系，而在工程領(lǐng)域中卻更加注重解決工程實(shí)際問題的能力。為了凸顯以工程實(shí)踐為主導(dǎo)的問題本位教學(xué)，課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)應(yīng)該主要依據(jù)航天工程中的實(shí)際問題，而非嚴(yán)密的學(xué)科知識(shí)系統(tǒng)。

在課程內(nèi)容安排上，區(qū)別于麻省理工《航空電子原型設(shè)計(jì)》強(qiáng)調(diào)對(duì)電子設(shè)計(jì)基礎(chǔ)技能的掌握，我校《航天電子設(shè)計(jì)》突出教學(xué)重點(diǎn)的同時(shí)兼顧航天電子系統(tǒng)的完整性，在有限課時(shí)內(nèi)使學(xué)員對(duì)航天電子設(shè)計(jì)既有全面認(rèn)識(shí)，又能夠熟練掌握實(shí)踐所必需的基礎(chǔ)知識(shí)和必備技能。

課程以航天電子原型系統(tǒng)為主線展開，分為三大部分：第一部分為傳感器單元的前端電子電路設(shè)計(jì)，主要任務(wù)是完成信息的采集與測(cè)量；第二部分為數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)，主要任務(wù)是完成信息的處理、存儲(chǔ)及分發(fā)，包括星載中央處理控制單元以及一些相應(yīng)的接口；第三部分為電源分系統(tǒng)，主要任務(wù)是向航天器其他各分系統(tǒng)及部件供電。航天電子設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合性的問題，本課程的目的在于研究工程方法，培養(yǎng)分析和解決技術(shù)問題的能力。因此在有限的40課時(shí)以內(nèi)，不可能對(duì)該領(lǐng)域所涉及的內(nèi)容都進(jìn)行深入而系統(tǒng)的介紹，而是只在介紹系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)專題實(shí)驗(yàn)和綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中所用到的硬件部件類型和芯片型號(hào)做詳細(xì)的介紹，以幫助學(xué)員開展動(dòng)手實(shí)踐。

工程人才的培養(yǎng)僅僅通過課堂知識(shí)及理論知識(shí)的學(xué)習(xí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，既需要一個(gè)動(dòng)手實(shí)踐的環(huán)節(jié)來提高學(xué)生的實(shí)踐技能，又需要一個(gè)綜合性環(huán)節(jié)來總結(jié)和提升整個(gè)專業(yè)的理論知識(shí)。本課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)主要由專題實(shí)驗(yàn)和課程綜合設(shè)計(jì)兩部分組成，隨課堂教學(xué)安排專題實(shí)驗(yàn)?zāi)K，并銜接后續(xù)課程綜合設(shè)計(jì)對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用。綜合設(shè)計(jì)課程依托空間工程實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)條件，終極目標(biāo)是要求學(xué)生自行構(gòu)建一個(gè)航天電子原型系統(tǒng)，并以此作為課程基礎(chǔ)知識(shí)教學(xué)的主線，在AD/DA、編碼錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正、測(cè)控與數(shù)傳等專題實(shí)驗(yàn)?zāi)K的基礎(chǔ)上進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)計(jì)實(shí)踐。課程以對(duì)典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電路、器件的剖析為引導(dǎo)，以我校自主研制的天拓系列小衛(wèi)星為主體，向?qū)W生展示了直觀、完整且操作性強(qiáng)的工程實(shí)踐過程，借助對(duì)原型系統(tǒng)的深入剖析，使學(xué)生牢固掌握航天電子系統(tǒng)的基本原理、研究方法及工程設(shè)計(jì)思想，達(dá)到活學(xué)活用的目的，著重培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行航天電子設(shè)計(jì)的應(yīng)用能力。

（二）教學(xué)方法

在課程教學(xué)階段，采用以實(shí)踐引導(dǎo)課程教學(xué)的方式，充實(shí)實(shí)踐性教學(xué)內(nèi)容，著重培養(yǎng)學(xué)員進(jìn)行航天電子設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐能力，加強(qiáng)創(chuàng)新訓(xùn)練，對(duì)實(shí)踐性教學(xué)模式進(jìn)行了探索。

1. 為在有限學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)員了解航天電子設(shè)計(jì)的全貌，對(duì)于介紹性內(nèi)容和實(shí)踐相關(guān)內(nèi)容采取不同的教學(xué)方法。前者基于多媒體手段進(jìn)行細(xì)致講授。后者以小班制啟發(fā)式實(shí)踐教學(xué)為主，結(jié)合實(shí)物演示和多媒體手段，在課堂上使學(xué)員形成全面、直觀的認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)學(xué)員在完成作業(yè)和實(shí)驗(yàn)的過程中繼續(xù)深入掌握其中的細(xì)節(jié)。根據(jù)課程內(nèi)容安排，選取在實(shí)驗(yàn)室開展日常教學(xué)活動(dòng)，在課堂講授的過程中，穿插安排演示實(shí)驗(yàn)，能夠活躍課堂氣氛，拉近師生之間的距離感，授課過程中遇到問題學(xué)員能夠隨時(shí)與教員進(jìn)行交流，及時(shí)解決問題。

2. 隨課堂教學(xué)同步安排專題實(shí)驗(yàn)?zāi)K。專題實(shí)驗(yàn)?zāi)K側(cè)重電路器件的設(shè)計(jì)，使學(xué)員能夠?qū)酒骷突倦娐肥炀氄莆?。隨課程進(jìn)展同步布置上機(jī)操作和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)員掌握電路開發(fā)軟件的使用、電子系統(tǒng)開發(fā)流程，硬件開發(fā)環(huán)境的搭建與使用，為專題實(shí)驗(yàn)?zāi)K和后續(xù)的課程綜合設(shè)計(jì)奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。

3. 課程綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)采用小班制啟發(fā)式實(shí)踐教學(xué)模式，要求學(xué)生綜合應(yīng)用在課程中積累的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)與技能，自行設(shè)計(jì)、開發(fā)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)以星載計(jì)算機(jī)為核心的功能完整的航天電子原型系統(tǒng)，基本要求是能夠?qū)崿F(xiàn)AD/DA、編碼錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正、測(cè)控與數(shù)傳等基本功能，能力較強(qiáng)的小組還可擴(kuò)展如電源管理、姿態(tài)控制等其他典型功能。經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)踐應(yīng)用性強(qiáng)、知識(shí)集成度高的課程綜合設(shè)計(jì)能夠充分地鍛煉學(xué)生的工程創(chuàng)新能力。

四、結(jié)束語

工程創(chuàng)新人才培養(yǎng)是實(shí)踐型很強(qiáng)的教學(xué)，課程建設(shè)與教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)以加強(qiáng)學(xué)生的綜合創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)。由于學(xué)校相關(guān)課程體系的設(shè)置不同，國外知名同類課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式并不完全適用于我校，在借鑒其經(jīng)驗(yàn)、分析其不足的基礎(chǔ)上，對(duì)理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)員在主動(dòng)進(jìn)行工程實(shí)踐的過程中提升自我學(xué)習(xí)狀態(tài)，不斷提高工程創(chuàng)新能力。

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