科研帶動(dòng)教學(xué)、促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐

王峰 陳雪芹 陳健 張安慧

[摘要]以紫丁香2號(hào)衛(wèi)星學(xué)生團(tuán)隊(duì)培養(yǎng)為例，介紹了紫丁香2號(hào)研發(fā)及相關(guān)課程設(shè)計(jì)。微納衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)的建立是課堂教學(xué)的有效延伸，也是對(duì)科研帶動(dòng)教學(xué)的有益嘗試。紫丁香2號(hào)微納衛(wèi)星的成功發(fā)射及運(yùn)行驗(yàn)證了航天院校培養(yǎng)高水平人才創(chuàng)新培養(yǎng)新模式，為高等院校拔尖人才培養(yǎng)提供了新思路。

[關(guān)鍵詞]紫丁香2號(hào)微納衛(wèi)星;創(chuàng)新;拔尖人才

[中圖分類號(hào)]G64

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]2095-3437（2020）03-0146-03

以教學(xué)為中心，立德樹人是高校教育的根本。如何促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量，提升教學(xué)水平，是高校一直以來重要的課題。多年來的教學(xué)實(shí)踐表明，科研可以推動(dòng)教學(xué)的發(fā)展?？茖W(xué)研究工作對(duì)教學(xué)質(zhì)量的提升主要體現(xiàn)在以下幾方面：科研工作可以更新教學(xué)內(nèi)容，豐富教學(xué)體系;可以促進(jìn)教師教學(xué)水平的提高和教學(xué)理念的發(fā)展;可以豐富教學(xué)手段，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

傳統(tǒng)意義上的衛(wèi)星研制是龐大的系統(tǒng)工程，隨著商業(yè)資本陸續(xù)進(jìn)入航天市場(chǎng)，研制門檻較低的微納衛(wèi)星正逐漸成為航天研制的熱點(diǎn)。微納衛(wèi)星的研制如果仍依賴于傳統(tǒng)航天院所、高校教師，則其研制能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足目前的微納衛(wèi)星市場(chǎng)需求，因此，一些商業(yè)化的衛(wèi)星公司應(yīng)運(yùn)而生。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“哈工大”）近年來也在適應(yīng)社會(huì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，在突破傳統(tǒng)航天研制體系上進(jìn)行探索。其在科研上，結(jié)合理論研究，將一些全新的科研方法和成果應(yīng)用到承擔(dān)的型號(hào)衛(wèi)星中。在教學(xué)上，哈工大開設(shè)了一系列與衛(wèi)星研制密切相關(guān)的專業(yè)選修課，讓一線的衛(wèi)星總師、衛(wèi)星總指揮以及分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師走上講臺(tái)。結(jié)合科研與教學(xué)，哈工大試圖通過科研帶動(dòng)教學(xué)，通過教學(xué)促進(jìn)學(xué)生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)的形式，為航天領(lǐng)域培養(yǎng)富有競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新性工程人才和拔尖技術(shù)人才。

一、課程設(shè)計(jì)

小衛(wèi)星系統(tǒng)開發(fā)課程是由筆者開設(shè)的一門講授國(guó)際前沿科技微納衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計(jì)的課程。本課程將系統(tǒng)地講授當(dāng)前國(guó)際航天高校普遍流行的立方體微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)與研制涉及的各個(gè)方面，借助所在實(shí)驗(yàn)室擁有的衛(wèi)星研制方面的先進(jìn)條件為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)實(shí)踐，為哈工大培養(yǎng)了一批高水平的航天專業(yè)相關(guān)人才。

課程的目標(biāo)是讓學(xué)生初步了解與掌握衛(wèi)星的研制過程，鍛煉學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)相互配合的能力。

（一）課程內(nèi)容

小衛(wèi)星系統(tǒng)開發(fā)課程采用講授和實(shí)驗(yàn)兩種授課形式。課程的講授環(huán)節(jié)集中講解小衛(wèi)星研發(fā)過程中涉及的專業(yè)知識(shí)，包括小衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀、衛(wèi)星總體涉及、衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空間電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)與熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空間測(cè)控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、空間載荷應(yīng)用等衛(wèi)星總體及分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，具體包括以下幾個(gè)方面。

1.微納衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)：結(jié)合當(dāng)前航天領(lǐng)域典型的衛(wèi)星型號(hào)應(yīng)用情況，介紹美國(guó)、日本、歐洲以及我國(guó)的微納衛(wèi)星起源、概念、特點(diǎn)以及用途;剖析微納衛(wèi)星設(shè)計(jì)與研制涉及的關(guān)鍵技術(shù)及其主要的解決方案。

2.微納衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)技術(shù)：以立方體衛(wèi)星為例介紹其組成與功能，并分析設(shè)計(jì)此類立方體衛(wèi)星時(shí)需要考慮的主要問題，如載荷、軌道、構(gòu)型、熱控、重量、功耗等相互之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，介紹該類衛(wèi)星的在軌典型運(yùn)行模式，以及各個(gè)模式設(shè)立的目的和用途。最后介紹衛(wèi)星研制需要經(jīng)歷的流程與關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.微納衛(wèi)星綜合電子設(shè)計(jì)技術(shù)：介紹立方體衛(wèi)星綜合電子系統(tǒng)的組成與功能，以及通?？刹捎玫脑O(shè)計(jì)手段，包括星載計(jì)算機(jī)、星地通信等相關(guān)應(yīng)用情況。最后介紹進(jìn)行綜合電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制需要的典型設(shè)備、手段、流程和方法。

4.微納衛(wèi)星姿軌控設(shè)計(jì)技術(shù)：介紹立方體衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)的組成與功能，以及通?？刹捎玫脑O(shè)計(jì)與分析方法，包括姿軌控?cái)?shù)學(xué)仿真與物理仿真方法、敏感器/執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與研制、星載控制軟件開發(fā)等。最后介紹進(jìn)行姿軌控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制需要的典型設(shè)備、手段、流程和方法。

（二）課程形式

實(shí)驗(yàn)前設(shè)置問卷調(diào)查，對(duì)學(xué)生興趣愛好、專業(yè)基礎(chǔ)、課外知識(shí)儲(chǔ)備以及專業(yè)規(guī)劃等方面進(jìn)行調(diào)查，以便更加合理地將學(xué)生劃分成不同的小組開展實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。

在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中，根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果、學(xué)生的興趣和專業(yè)規(guī)劃，將學(xué)生劃分為4-6個(gè)小組，明確各小組需要完成的任務(wù)，并確定各個(gè)小組的負(fù)責(zé)人。要求學(xué)生圍繞2U的立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)與研制任務(wù)，相互協(xié)作，共同完成衛(wèi)星的總體方案設(shè)計(jì)。筆者利用負(fù)責(zé)紫丁香微納衛(wèi)星學(xué)生工場(chǎng)的有利條件，按小組分工，將小組成員對(duì)應(yīng)分配到紫丁香微納衛(wèi)星學(xué)生工場(chǎng)各小組中，讓其承擔(dān)某一分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制工作。經(jīng)過前期分系統(tǒng)階段的設(shè)計(jì)與研制，以及系統(tǒng)集成與測(cè)試階段對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行綜合集成與測(cè)試，最后形成由學(xué)生自主設(shè)計(jì)、加工、開發(fā)、調(diào)試與測(cè)試的立方體微納衛(wèi)星。

本課程面向航空宇航、力學(xué)、控制、通信、機(jī)電、微電子、熱能等諸多與航天專業(yè)相關(guān)的學(xué)生開放，通過多學(xué)科學(xué)生之間的交流學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了以科研項(xiàng)目為依托的跨學(xué)科復(fù)合型人才培養(yǎng)模式的探索。

采用啟發(fā)式教學(xué)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、分析問題和解決問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)通過實(shí)踐和自學(xué)獲得自己感興趣的專業(yè)知識(shí)。將學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣放在首位，根據(jù)不同的興趣安排學(xué)生的分工，這樣學(xué)生的學(xué)習(xí)興致高，專業(yè)技能提升快。

采用多媒體教學(xué)，提高課堂教學(xué)信息量，增強(qiáng)教學(xué)的直觀性。根據(jù)對(duì)實(shí)際案例的分析，理論教學(xué)與工程實(shí)踐相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用自然科學(xué)和工程科學(xué)的基本原理，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和手段，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真，培養(yǎng)其識(shí)別、表達(dá)和解決專業(yè)相關(guān)工程問題的思維方法和實(shí)踐能力。

課程面向全校多學(xué)科、多專業(yè)本科生開放，這大大激發(fā)了本科生的求知欲望。16學(xué)時(shí)的課程內(nèi)容遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到自主研發(fā)衛(wèi)星的水平，但學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)和參與，表現(xiàn)出了對(duì)前沿科技的渴望，這促使學(xué)生自發(fā)地加入到微納衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)中來，并得到指導(dǎo)教師的支持。團(tuán)隊(duì)已由初建的十幾名本科生發(fā)展到現(xiàn)在的一百余人，并且不斷有碩士生、博士生加入。

二、教學(xué)實(shí)踐——紫丁香2號(hào)微納衛(wèi)星研發(fā)

在全國(guó)開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃的契機(jī)下，2014年3月，我們組織學(xué)生組成研發(fā)團(tuán)隊(duì)提交紫丁香2號(hào)項(xiàng)目意向書;學(xué)生團(tuán)隊(duì)由飛行器設(shè)計(jì)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制工程、機(jī)械工程、通信工程、電氣工程、熱能工程等學(xué)科的本科生和碩士研究生組成，覆蓋了微納衛(wèi)星各分系統(tǒng)，分工明確，由學(xué)生負(fù)責(zé)人統(tǒng)一整合調(diào)度。

學(xué)生通過查閱文獻(xiàn)，定期開組會(huì)、分析問題、解決問題。學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)調(diào)試，研制出能集成到微納衛(wèi)星上的單機(jī)設(shè)備。周末、假期甚至春節(jié)期間，學(xué)生都在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試、分析、總裝以及試驗(yàn)。經(jīng)過一年的研發(fā)，紫丁香2號(hào)終于在2015年9月20日成功發(fā)射。紫丁香2號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)首顆完全由在校學(xué)生自主設(shè)計(jì)、研制與管控的全COTS器件微納衛(wèi)星。衛(wèi)星重12kg，目前在軌運(yùn)行良好，遠(yuǎn)超3個(gè)月設(shè)計(jì)壽命，運(yùn)行1年內(nèi)累計(jì)接收26萬包遙測(cè)數(shù)據(jù)，已完成了在美、日、德、英、荷等34個(gè)國(guó)家150多個(gè)無線電愛好團(tuán)隊(duì)的通聯(lián)任務(wù)。

三、教學(xué)實(shí)踐成果——紫丁香2號(hào)研發(fā)試驗(yàn)與產(chǎn)品成果總結(jié)

紫丁香2號(hào)衛(wèi)星上采用了大量學(xué)生自主研發(fā)的產(chǎn)品，包括測(cè)控模塊A、B，計(jì)算機(jī)模塊A、B，供配電模塊A、寬頻接收機(jī)、接口模塊以及飛行軟件平臺(tái)等。自主選用工業(yè)級(jí)非制冷紅外相機(jī)，獲取了國(guó)內(nèi)首幅長(zhǎng)波紅外影像（2015年9月20日，17：20），至今已獲取有效圖像幾百幅，驗(yàn)證了采用微納衛(wèi)星進(jìn)行森林火災(zāi)與環(huán)境監(jiān)測(cè)的可行性。

此外，紫丁香2號(hào)還驗(yàn)證了低成本寬頻接收技術(shù)，基于開源硬件平臺(tái)與軟件無線電技術(shù)，在國(guó)內(nèi)首次驗(yàn)證了同一硬件平臺(tái)接收ADS-B和AIS信號(hào)的可行性;飛行軟件在軌試驗(yàn)技術(shù);多模式轉(zhuǎn)發(fā)器基于U/V測(cè)控應(yīng)答機(jī)硬件，實(shí)現(xiàn)APRS轉(zhuǎn)發(fā)、FM通話以及野生動(dòng)物跟蹤試驗(yàn);多模式轉(zhuǎn)發(fā)器等測(cè)試。

同時(shí)，衛(wèi)星搭載的國(guó)際立方星標(biāo)準(zhǔn)電子模塊全COTS器件平臺(tái)電子系統(tǒng)符合國(guó)際CubeSat（立方星）標(biāo)準(zhǔn)，軟硬件與國(guó)際成熟產(chǎn)品兼容，顯示出與國(guó)際立方星產(chǎn)品具有良好的互換性與通用性。UHF雙圓極化天線，用于需要實(shí)現(xiàn)全向信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定的場(chǎng)合，尤其適用于微納衛(wèi)星等安裝空間緊張的衛(wèi)星。使用鈦鎳超彈合金材料，非展開時(shí)使用繞線固定于衛(wèi)星表面，在軌飛行時(shí)通過電熱熔斷繞線的方式展開的VHF可展開天線，以及國(guó)產(chǎn)新型小型敏感器均驗(yàn)證了良好的性能，為以后衛(wèi)星研發(fā)中的替代元器件的選擇提供了良好的可靠性測(cè)試及參考。

四、微納衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)業(yè)績(jī)

哈工大微納衛(wèi)星學(xué)生團(tuán)隊(duì)于2012年1月成立，由8個(gè)學(xué)院13個(gè)學(xué)科、100多名學(xué)生組成，骨干14人;2012年5月，紫丁香1號(hào)正式入選QB50項(xiàng)目;2014年3月，提交紫丁香2號(hào)項(xiàng)目意向書;2015年11月，開展紫丁香3號(hào)項(xiàng)目研究;假期定期接受學(xué)校相關(guān)專業(yè)學(xué)生實(shí)習(xí);2015年獲第14屆“挑戰(zhàn)杯”全國(guó)大學(xué)生科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng);2015年度全國(guó)大學(xué)生“小平科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”;2016年獲第10屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新獎(jiǎng);2016年第11屆中國(guó)大學(xué)生年度人物提名獎(jiǎng);其他獎(jiǎng)學(xué)金、優(yōu)秀大學(xué)生稱號(hào)等十人次;參與國(guó)內(nèi)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲獎(jiǎng)勵(lì)十余項(xiàng)。

紫丁香2號(hào)衛(wèi)星自2015年9月發(fā)射至今，仍在軌正常運(yùn)行，狀態(tài)良好，超額完成任務(wù)。團(tuán)隊(duì)吸引了8個(gè)學(xué)院13個(gè)專業(yè)100多名學(xué)生參加，其中60多人已順利畢業(yè)，通過在課程及團(tuán)隊(duì)實(shí)際項(xiàng)目中的訓(xùn)練，學(xué)生掌握了將自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)用于解決復(fù)雜工程問題的能力，并具備一定的國(guó)際視野，能夠在跨文化背景下進(jìn)行溝通和交流，受到用人單位的青睞。

目前，團(tuán)隊(duì)自主研制的紫丁香1號(hào)微納衛(wèi)星也已成功完成在軌演示驗(yàn)證任務(wù)，在軌運(yùn)行正常。團(tuán)隊(duì)主要成員參與研制了全球首個(gè)獨(dú)立完成地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行的微衛(wèi)星“龍江二號(hào)”，承擔(dān)并順利完成了其中的微型CMOS相機(jī)有效載荷的研發(fā)工作。該相機(jī)拍攝的地月合影（圖3）被《科學(xué)》（Science）雜志以圖片新聞的形式進(jìn)行了報(bào)道，英國(guó)《獨(dú)立報(bào)》在其報(bào)道中稱“這可能是迄今為止最棒的地球和月球合影”。央視新聞?lì)l道也跟蹤報(bào)道了這群為夢(mèng)想而生的紫丁香團(tuán)隊(duì)的年輕人是如何追逐他們的航天夢(mèng)的，同時(shí)這也生動(dòng)詮釋了哈工大的新一代是如何踐行和傳承“深厚博大的航天精神”和“心有大我、至誠(chéng)報(bào)國(guó)”的家國(guó)情懷的。

五、結(jié)論

目前，研究型高校中的青年教師在處理科研項(xiàng)目與教學(xué)課程的關(guān)系時(shí)，往往容易顧此失彼。通過本課程設(shè)計(jì)至實(shí)踐再到工程應(yīng)用一系列事實(shí)表明，科研與教學(xué)應(yīng)相輔相成、互相促進(jìn)，用科研成果指導(dǎo)教學(xué)體系的更新及教學(xué)方法的改進(jìn)，有利于學(xué)生的培養(yǎng)，尤其是有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的提高。

高校的本質(zhì)是人才培養(yǎng)，科研與教學(xué)并不矛盾，只要處理好其中的關(guān)系，對(duì)學(xué)校、學(xué)生、教師的發(fā)展都是有利無弊的。

[責(zé)任編輯：陳明]