科技史引入“衛(wèi)星通信”的教學實踐研究

摘要：“衛(wèi)星通信”課程作為通信工程專業(yè)的必修課，對衛(wèi)星通信的基本原理和相關(guān)理論作了簡要介紹，該門課程理論難度大，需要學生掌握的基礎(chǔ)知識多，且大部分高校無法開展動手實踐。如何提升學生學習興趣實現(xiàn)更有效率的教學，制定將科技史（衛(wèi)星發(fā)展史）融入課程的教學設(shè)計，將授課內(nèi)容進行合理規(guī)劃，聯(lián)系實例與仿真實驗講解知識點，挖掘理論與科技史中的德育元素，結(jié)合地域特色與全方位育人建設(shè)，引入科技史的“衛(wèi)星通信”課程的講授能達到更好的教學效果。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信；科技史；教學實踐

一、前言

2023年距離我國第一顆衛(wèi)星“東方紅一號”的成功發(fā)射已有53周年；2020年6月，國家完成了北斗導航系統(tǒng)北斗三號的最后一顆衛(wèi)星組網(wǎng)，不僅在導航定位上有了更多話語權(quán)，在監(jiān)測預(yù)警、發(fā)短報文等其他方面也有具體應(yīng)用；夏天南方多地暴雨導致洪澇、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，可以運用衛(wèi)星通信的手段來保證應(yīng)急通信；運用廣播電視衛(wèi)星天線可以接收電視信號觀看電視節(jié)目；地處西藏，地廣人稀，對于一些人口密度低的農(nóng)牧區(qū)來說，衛(wèi)星移動通信是一種可行的通話方式……衛(wèi)星通信的應(yīng)用遍布很多領(lǐng)域，掌握相關(guān)課程理論與實際應(yīng)用對于通信專業(yè)的學生來說很有必要。目前“衛(wèi)星通信”課程存在著理論內(nèi)容多、抽象化等特點，將科技史融入教學當中，對于提升學生興趣、提升教學效果都是大有裨益的。

二、“衛(wèi)星通信”課程教學改革現(xiàn)狀

“衛(wèi)星通信”課程在西藏大學的2022版培養(yǎng)方案中設(shè)置54學時，包含8學時的實驗課程。該門課程理論難度較大，故針對理論知識點，目前的課程改革主要集中在雙語或是基于成果導向教育（OBE）開展的教學改革?！靶l(wèi)星通信”課程的實驗部分雖具有一定趣味性，但是大部分高校不具備開設(shè)實體實驗的條件，多采用仿真軟件來建立實驗場景。希望通過引入衛(wèi)星通信發(fā)展史，介紹典型案例，在理論和實驗教學中均有涉及，利于學生更好理解理論知識點及其應(yīng)用。

（一）科技史之于教改

目前，本科教學引入科學史在理學課程中運用較多：將數(shù)學史、物理學史、化學史等帶入教學。工科課程教學中引入則多是包含技術(shù)的科技史（history of science and technology），建筑、資勘等工科專業(yè)會開設(shè)中外建筑史、古生物地史學等課程學習專業(yè)的發(fā)展歷史，可見學習專業(yè)的發(fā)展歷程是建構(gòu)該專業(yè)的學生全面知識體系的基礎(chǔ)。通信專業(yè)相較其他學科發(fā)展時間較短，未設(shè)有專門的課程進行講解，涉及通信發(fā)展的部分，教材中或用一小節(jié)簡單梳理或是穿插在各個大章節(jié)的始末。在理論課程開始前用合適的課時對該專業(yè)領(lǐng)域從歷史的角度進行講解，學生可以從宏觀上進行把控，或者教師在授課過程中結(jié)合歷史發(fā)展講解會更加生動，通過了解科學家的卓越貢獻使得學生對他們的探索過程有了好奇再進行理論的講解會有更好的教學效果。

（二）“衛(wèi)星通信”課程現(xiàn)有教改模式

許多工程類高校針對“衛(wèi)星通信”課程均開展了不同層面的教學改革與實踐，集中在實驗教學（進行仿真）或是進行雙語教學以了解到最前沿的科研進展，或是針對當下新工科人才的培養(yǎng)進行有針對性的課程改革。過程中會引入一些衛(wèi)星通信發(fā)展的歷程，但沒有系統(tǒng)地進行講解?！靶l(wèi)星通信”課程是包含了通信技術(shù)、計算機技術(shù)以及航空航天技術(shù)的綜合性專業(yè)課程，其難度較大，對學生的基礎(chǔ)知識儲備要求較高。課程學習中，深奧、枯燥的原理性內(nèi)容使學生容易產(chǎn)生畏難情緒，學習熱情不高。在教學中引入我國乃至全世界的衛(wèi)星通信發(fā)展史，結(jié)合實際發(fā)展深入淺出地講授理論并且與實驗、實踐、應(yīng)用相結(jié)合。因課本注重原理闡釋，對于最新技術(shù)與實時應(yīng)用情況無法做到及時更新，引入科技史的講授使得學生可以更好地了解到前沿應(yīng)用與發(fā)展，并且可以幫助學生更好地理解抽象概念與科學的本質(zhì)。

三、科技史融入“衛(wèi)星通信”課程教學實踐

衛(wèi)星通信發(fā)展史見證了各個航天大國之間的國力角逐，以及自新中國成立以來，我國因為老一輩科學家的不斷努力而成為航天強國的歷程?？茖W史學科奠基人薩頓曾經(jīng)說過：“科學史是唯一能夠說明人類進步的歷史”。了解科學技術(shù)的發(fā)展歷史是掌握人類文明進步的鑰匙，它能打開人類文明之鎖、能促進人們從歷史中吸取經(jīng)驗教訓以掌握更好的技術(shù)。樹立文化自信不僅要了解中華民族的古代文明，更要了解近現(xiàn)代中國歷史，以及新中國成立、改革開放等一系列重大歷史事件，深刻感悟祖國走上了自強、富強的強國之路離不開我們自己的科技創(chuàng)新、自主研發(fā)，了解衛(wèi)星通信相關(guān)的科技史內(nèi)容助力我們極大地增強愛國情懷、民族自豪感。

（一）精確選擇課程內(nèi)容

通信工程專業(yè)伴隨著近些年信息化的加速成為發(fā)展迅猛的專業(yè)之一，而“衛(wèi)星通信”這門課程是該專業(yè)的必修課。自20世紀60年代前蘇聯(lián)成功發(fā)射第一顆衛(wèi)星始，航天強國間的太空競賽就未停止過，人造衛(wèi)星的發(fā)射和使用是航天國力的有力證明。在現(xiàn)有的教材中，多選用電子工業(yè)出版社出版的《衛(wèi)星通信導論》作為基礎(chǔ)理論的講解，課本中關(guān)于衛(wèi)星通信的發(fā)展史寥寥幾筆帶過，無法在其中學到科學家們嚴格清晰的創(chuàng)造過程，只能看到純粹的公式與計算，學生往往迷失在這些理論中，逐漸喪失興趣。在實際教學過程中，引入航天領(lǐng)域的一大分支——衛(wèi)星發(fā)展史，雖然它的發(fā)展不足百年，但是全世界在航天領(lǐng)域的競爭從未停止，技術(shù)發(fā)展快、發(fā)射頻率高等都見證著衛(wèi)星通信這一領(lǐng)域的極速發(fā)展[1]。中國在衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，尤其是在通信導航方面的發(fā)展速度是有目共睹的，發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量十分可觀，選擇哪些發(fā)展歷程作為課程內(nèi)容進行講解是有必要進行準確選擇的。20世紀70年代我們成功發(fā)射“東方紅一號”，奏響了屬于中國的航天序曲，這之后幾代航天人經(jīng)歷了成功和失敗。通過了解這一段國家在社會經(jīng)濟并不繁榮但仍然大力發(fā)展航天事業(yè)的歷史，足見老一輩的辛苦奮斗與追求成功的道路非常坎坷，挑戰(zhàn)和挫折并存。我們的電視直播行業(yè)起源于什么時候？運用衛(wèi)星進行電視信號轉(zhuǎn)播是什么時候？結(jié)合地域特色，至今仍用在西藏廣大農(nóng)牧區(qū)的“村村通”工程是如何發(fā)展起來的？在2008年汶川地震地面通信中斷，我們?nèi)绾卫眯l(wèi)星通信系統(tǒng)接通第一通電話……結(jié)合大家耳熟能詳?shù)氖录M行課程內(nèi)容設(shè)計，使得同學們暫時放下衛(wèi)星通信理論本身的疏離感和枯燥感，愿意更多地了解衛(wèi)星通信帶給人們的便利。

（二）科技史與理論實踐相結(jié)合教學

作者長期擔任此門課的教學任務(wù)，深知學生在學習此門課程有哪些困難，比如應(yīng)用數(shù)學模型解決實際問題、因平時生活中接觸不到使得抽象理論不便理解，使大多數(shù)學生望而生畏。那么通過引入科技史的教學，增強課程的趣味性，不一味地將衛(wèi)星發(fā)展史放在理論學習之前進行講解，而是將理論知識與歷史進行穿插教學。根據(jù)學生實際與教學大綱的匹配度，在不占用過多學時的前提下進行講解，且不能泛泛而談。將枯燥的理論融入實際的歷史案例剖析，使得學生更加完整深刻地掌握知識點，搭建知識體系的基本框架。講授衛(wèi)星軌道的相關(guān)知識涉及衛(wèi)星的轉(zhuǎn)軌、軌道高度與運行周期等概念，用理論和數(shù)學公式的方式進行講述并不直觀，學生理解起來也很抽象，需要教師結(jié)合歷史上發(fā)射的真實衛(wèi)星數(shù)據(jù)做講解，理論與實際相結(jié)合。例如軌道分類的知識點，按形狀可以分為圓軌道和橢圓軌道，用中國第一顆衛(wèi)星“東方紅一號”的軌道參數(shù)進行舉例，它是近地點441千米、遠地點2368千米的橢圓軌道，而圓軌道按照高度又分為低軌道、中軌道、高軌道，全球星通信系統(tǒng)運用48顆低軌道衛(wèi)星無縫覆蓋除南北極以外的全球區(qū)域，以及衛(wèi)星覆蓋范圍與軌道高度之間的關(guān)系即可對比主要用靜止軌道衛(wèi)星實現(xiàn)覆蓋的國際海事衛(wèi)星組織的INMARSAT系統(tǒng)，它只需要使用4顆工作衛(wèi)星，也就體現(xiàn)了要達到一定的覆蓋范圍，衛(wèi)星數(shù)量與軌道高度之間的關(guān)系。因?qū)嶒灳哂兄庇^展示的效果，通過STK仿真軟件的操作，根據(jù)實際案例的參數(shù)進行衛(wèi)星軌道設(shè)計[2]。

（三）結(jié)合科技史事例撰寫課程論文

課程在中期的時候，布置課程小論文，主題圍繞衛(wèi)星發(fā)展史當中典型的人物或事件展開討論，不僅還原科學事件的過程，著重激發(fā)學生據(jù)此談主觀感受，使學生樂于搜集資料匯編成文稿，也是更加立體完整地梳理這些大國重器背后的艱辛，討論國際上的“群雄爭霸”，闡述我國在衛(wèi)星通信發(fā)展過程中遇到的種種機遇與挑戰(zhàn)，培養(yǎng)學生的辯證思維和愛國情懷。比如，2020年4月24日是中國第五個航天日，旨在紀念“東方紅一號”衛(wèi)星成功發(fā)射五十周年，老一輩科學家孫家棟、任新民為了“兩彈一星”的宏偉事業(yè)，義無反顧投身這一偉大事業(yè)，他們是創(chuàng)造歷史的一代人，新中國的成立伴隨著兩彈一星的成功才能使我國成為有影響的大國，反映了我們民族的凝聚力和能力。歷史和祖國不會忘記這些有著堅強毅力和攻堅克難精神的元勛，新時代大學生更應(yīng)該大力弘揚以“熱愛祖國、無私奉獻，自力更生、艱苦奮斗，大力協(xié)同、勇于登攀”為核心的“兩彈一星”精神；結(jié)合實際，身處西藏，這里缺氧但不缺精神，老一輩在藏工作者發(fā)揚“特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能忍耐、特別能團結(jié)、特別能奉獻”的“老西藏”精神，它與“兩彈一星”精神是一脈相承的，鼓勵學生發(fā)揚并傳承老一輩的實干精神。通過對典型個例進行深入挖掘，學生的感觸會更深。雖然經(jīng)過了推遲發(fā)射但最終于2020年6月23日北斗三號的升空，北斗全球組網(wǎng)成功，20年航天人的不懈努力，使得中國擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，2020年7月31日在人民大會堂舉行北斗全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)建成暨開通儀式。受制于人的局面激勵著中國航天人開始自主研發(fā)北斗，雖然航天事業(yè)歷程不長，但是一代一代的航天人付出了許多，國家在新中國成立之初就將航天事業(yè)納入規(guī)劃，將1970年成功發(fā)射第一顆衛(wèi)星、實現(xiàn)衛(wèi)星電視轉(zhuǎn)播、暗物質(zhì)探測衛(wèi)星的成功發(fā)射等科技史實布置給學生自行查閱資料，撰寫課程小論文，在自主學習的過程中感悟大國工匠精神、感受國家在航天強國路上走出的扎實的每一步[3]。

（四）完善教學評價體系

在課前制定詳細教學計劃，征求學生意見進行課程內(nèi)容選擇的調(diào)查問卷，從大方向把握教學內(nèi)容，選擇學生感興趣的知識點在課上講解，課上運用小組式討論教學將典型案例吃透講深，課后優(yōu)化課程評價體系，在傳統(tǒng)的量化評教表（包含學生評教、同行評教、專家評教）的基礎(chǔ)上增加衛(wèi)星通信發(fā)展史內(nèi)容的小測試和主觀意愿的調(diào)查，針對學生的創(chuàng)新意愿和這門課所帶來的啟發(fā)以及未來對這門課程的期待有一個全面的了解[4]。

四、課程教學改革對于人才培養(yǎng)的意義

新時代背景下，課程教學也要作出相應(yīng)的變化更好地體現(xiàn)不僅教書，而且育人的效果。工科學生往往缺乏一些人文情懷，將科技史融入課堂，在提升課程趣味性的同時，也能引領(lǐng)正確的價值觀。

（一）增強認同感，激發(fā)家國情懷

信息爆炸時代，許多年輕人會迷茫于對榜樣的理解，陷在追星或“飯圈”的爭吵中，可能導致價值觀迷失。在專業(yè)課程的講授中引入科技史，在“衛(wèi)星通信”當中提到“中國航天之父”——錢學森和“中國航天四老”——任新民、黃緯祿、梁守槃、屠守鍔，樹立榜樣，學習并發(fā)揚老一輩科學家的工匠精神。根據(jù)專業(yè)和學科的特點，通過引入衛(wèi)星通信發(fā)展史的講解，達到更好的德育效果。結(jié)合時事，華為事件、TikTok事件讓國人可以更加客觀地面對別人的質(zhì)疑，正視自己的不足，更加需要奮發(fā)圖強的年青一代去完成使命。每一個時期有每一個時期的困難，而中國衛(wèi)星發(fā)展史恰好書寫了新中國奮斗篇章的一部分，我們從地面通信到星際鏈路的搭建，從單一音樂播放到活躍在各個領(lǐng)域的衛(wèi)星工作在浩瀚宇宙中，在軌衛(wèi)星數(shù)量居全球第二，這無疑是中國幾代航天人努力的結(jié)果，祖國的發(fā)展離不開這些航天重器，而這些關(guān)鍵技術(shù)的攻克也離不開國家的支持。在講授這些內(nèi)容的基礎(chǔ)上，安排學生自行查閱書籍和文獻資料，課上討論或者課后撰寫小論文進行詳盡分析，增強學生對祖國、對中華民族的認同感，在提高教學效果的同時激發(fā)學生的家國情懷。

（二）助多元思維，提高綜合素質(zhì)

傳統(tǒng)工科課程多與實驗結(jié)合，鍛煉學生理論與實踐相結(jié)合的能力以及動手操作能力，對于人文情懷的養(yǎng)成以及思維方式的鍛煉并沒有涉及太多，科技史的引入對工科學生的綜合能力提升有所幫助?？萍际返闹v授重點在于對知識的建構(gòu)和認識，用建構(gòu)的教學觀念代替?zhèn)鹘y(tǒng)的被動接受，用辯證的思維將眼界放到整個知識體系中去，使學生學到宏大的科學圖景、精確的科學方法及其適用性和靈活性。學生習慣于接受來自教科書的正確，往往很少體驗到錯誤，而在科技史的長河中，有了科學家們的不斷試錯和經(jīng)驗總結(jié)才有科技的不斷發(fā)展?？萍际返闹v解幫助學生對書中概念、定律的來龍去脈和具體發(fā)展過程有更深層次的理解和掌握，學習到這些科學家新的研究方法、勇于創(chuàng)新的科學態(tài)度，而不單單局限于書中的已知定理。還原科學家們的探索過程，對知識的產(chǎn)生和發(fā)展作出詳盡的歷史敘述，鼓勵學生敢于質(zhì)疑，注重“求異思維”“辯證思維”的養(yǎng)成。

（三）促課程創(chuàng)新，培養(yǎng)新工科人才

現(xiàn)今，衛(wèi)星通信的下一步進入了量子通信、物聯(lián)網(wǎng)的趨勢，并且為5G和6G的到來提供支持，實現(xiàn)前所未有的跨行業(yè)連接。在校大學生在學好理論的同時，在科技史的海洋中體驗先輩的創(chuàng)造力。人工智能等技術(shù)的應(yīng)用使得衛(wèi)星能夠自主執(zhí)行更加復(fù)雜的功能，利用機器學習（ML）算法可以分析從地球觀測、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測和遙感獲得的衛(wèi)星數(shù)據(jù)……以上都對于學習通信工程專業(yè)的學生提出了更高的學好“衛(wèi)星通信”課程的要求，不僅是對于知識儲備和學習能力的檢驗，更是對綜合素質(zhì)的全面考查[5]。傳統(tǒng)工科過于注重工具理性，而新工科人才的培養(yǎng)價值導向是工具理性與價值理性兼具，不僅考慮經(jīng)濟效益，也要考慮人文倫理等因素；“衛(wèi)星通信”課程在課堂中無法直觀感受理論的應(yīng)用，通過影視資料與相關(guān)科技史的講解，一輩又一輩的科學家在推進大國智造的過程中的付出與無畏，衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新使得整個航天工業(yè)都有了巨大發(fā)展。從1970年的第一顆衛(wèi)星上天，無數(shù)老一輩科學家為了國家事業(yè)舍小家的奉獻精神、在孤獨中不斷創(chuàng)新勇攀科學高峰的種種事跡體現(xiàn)出來的“大國工匠”精神是值得新一代大學生學習的，學生的家國情懷、社會責任感、對于祖國的認同與自信進取的精神都會得到增強。

五、結(jié)語

通過開展“衛(wèi)星通信”的課程改革實踐，尋找將科技史引入工科課程教學的普適方法，選擇合適的課時量（在理論講解和動手實驗的環(huán)節(jié)分別引入4課時和2課時）、講解內(nèi)容（尋找衛(wèi)星通信發(fā)展史上典型事件尤其是中國的發(fā)展歷程）、時機的選擇（涉及相關(guān)知識點的時候加入科技史內(nèi)容的講解利于學生更好地掌握知識）以及帶來的課程效果（增加一定的課堂趣味性和互動）。助力學生對科學與社會、科學的思想體系等有宏觀的了解，對于思維以及品德培養(yǎng)等綜合素質(zhì)均有一定加強。且本門課程引入科技史的教學手段以及應(yīng)用價值對于其他工科專業(yè)課程的教學有著一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]林林.科技史介紹在數(shù)字信號處理課程教學中的作用[J].科技視界，2015（15）：143.

[2]夏小華.新工科人才的工程素質(zhì)及其培育路徑[J].上海理工大學學報（社會科學版），2020，42（04）：377-382.

[3]謝亞琴，宦海，王超.工程教育專業(yè)認證背景下衛(wèi)星通信與導航課程教學改革[J].高等工程教育研究，2021（03）：104-107+168.

[4]孫源.衛(wèi)星導航原理及應(yīng)用課程思政教學探索[J].中國教育技術(shù)裝備，2021（20）：90-92.

[5]李曉菲，黃觀文，王樂，等.融入北斗精神的衛(wèi)星導航類課程思政設(shè)計與實踐[J].測繪通報，2022（S1）：13-16+32.

基金項目：1.西藏自治區(qū)教育科學研究2022年課題——教學研究課題（課題編號：XZEDTP220099）；2.西藏大學2022年度教學研究與改革項目（課題編號：XZDXJXYJ202212）

作者單位：西藏大學信息科學技術(shù)學院、西藏大學信息技術(shù)國家級實驗教學示范中心

■ 責任編輯：周航