“航天器再入返回控制”項(xiàng)目式教學(xué)探索與實(shí)踐

都延麗，劉燕斌

（南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院 江蘇 南京 211106）

“航天器再入返回控制”是針對新工科專業(yè)“飛行器控制與信息工程”高年級本科生的一門專業(yè)課程，主要介紹航天器再入返回地球大氣層的控制技術(shù)，具體內(nèi)容包括：航天器再入返回基本概念、再入段飛行力學(xué)方程的建立、再入姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)、反作用控制系統(tǒng)與氣動(dòng)舵面的復(fù)合控制、再入制導(dǎo)概念與設(shè)計(jì)方法等。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對航天器再入返回的控制理論和技術(shù)有較為全面的認(rèn)識，為今后從事相關(guān)領(lǐng)域的研究和技術(shù)工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)，本課程依托南京航空航天大學(xué)“航天進(jìn)入減速與著陸技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生多學(xué)科理論知識的融合能力和科研項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力，力求培養(yǎng)理論基礎(chǔ)扎實(shí)、工程實(shí)踐和創(chuàng)新能力強(qiáng)的航天領(lǐng)域高素質(zhì)專門人才，為國家的航天事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

1 課程教學(xué)特點(diǎn)

“航天器再入返回控制”課程難度較大，綜合性強(qiáng)，不僅需要理論力學(xué)和自動(dòng)控制原理作為基礎(chǔ)鋪墊，還需要培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力與工程實(shí)踐能力。課程中涉及的再入飛行力學(xué)和控制、制導(dǎo)理論橫跨“航空宇航科學(xué)與技術(shù)”以及“控制科學(xué)與技術(shù)”兩個(gè)學(xué)科。它們都屬于抽象嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚搩?nèi)容，包含較煩瑣的公式推導(dǎo)過程。若采用傳統(tǒng)的課堂講授式方法，學(xué)生難免會被紛繁復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式弄得暈頭轉(zhuǎn)向，某種程度上產(chǎn)生厭學(xué)和抵觸情緒。因此，為滿足新工科專業(yè)對創(chuàng)新性、跨學(xué)科融合、強(qiáng)實(shí)踐能力的人才培養(yǎng)需求[1]，有必要對本課程傳統(tǒng)的教學(xué)方式進(jìn)行改革。

“航天器再入返回控制”課程的特點(diǎn)決定了其教學(xué)方式需要理論緊密聯(lián)系實(shí)踐，邊講邊練，航天特色顯著也使得本課程便于同航天任務(wù)和項(xiàng)目建立關(guān)系以激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，因此，課程團(tuán)隊(duì)采用了“項(xiàng)目式”教學(xué)方法來開展教學(xué)改革工作。在該教學(xué)法中，學(xué)生不再是被動(dòng)的知識接受者，而是知識與能力的主構(gòu)建者，教師承擔(dān)的作用也不再是灌輸者，而是構(gòu)建過程中的引導(dǎo)者[2]。項(xiàng)目式教學(xué)有幾大突出特點(diǎn)：首先，它以項(xiàng)目為內(nèi)在邏輯來組織教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法主要是項(xiàng)目引導(dǎo)和任務(wù)驅(qū)動(dòng)；其次，它分別有明確的和自主的項(xiàng)目任務(wù)，強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，賦予學(xué)生更多的自主性；第三，理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，學(xué)生從項(xiàng)目的操作實(shí)踐中、從解決項(xiàng)目的具體問題中構(gòu)建自己的知識體系，從而形成高階學(xué)習(xí)能力[3]。

本課程的改革著力將上述特點(diǎn)貫穿于教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、思政教育以及考核評價(jià)五方面的教學(xué)設(shè)計(jì)工作當(dāng)中。

2 課程教學(xué)設(shè)計(jì)與方法

2.1 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

本課程以某高超聲速再入飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科研項(xiàng)目為背景，教學(xué)目標(biāo)總體是：以科研項(xiàng)目的構(gòu)思-設(shè)計(jì)-實(shí)現(xiàn)-運(yùn)作過程為載體組建航天器再入返回控制理論的知識體系，將學(xué)科前沿、工程實(shí)踐融入教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程與科研實(shí)踐過程的對接，在多個(gè)子項(xiàng)目的實(shí)踐中促進(jìn)學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的融合培養(yǎng)，同時(shí)使學(xué)生樹立再入飛行控制全系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新的思想，最后通過綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練來鍛煉學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作能力。具體理論知識、能力和素質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

表1“航天器再入返回控制”理論知識與能力、素質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系

2.2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

表1 中的理論知識基于升力式再入飛行器控制與制導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)過程，以該設(shè)計(jì)過程為內(nèi)在邏輯形成了本課程的教學(xué)內(nèi)容體系，其中包含若干密切聯(lián)系的教學(xué)模塊。課程教學(xué)本著從易到難、由淺入深、循序漸進(jìn)的原則來設(shè)計(jì)教學(xué)模塊的順序并組織項(xiàng)目實(shí)踐。圖1 是某高超聲速飛行器HSV[4]再入飛行控制大系統(tǒng)的總體框架，教學(xué)模塊①-⑤明確體現(xiàn)在各個(gè)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中。教學(xué)團(tuán)隊(duì)按照圖1 中標(biāo)號①-⑤的順序來開展教學(xué)工作（圖中CD 表示綜合設(shè)計(jì)）。

圖1 實(shí)際科研項(xiàng)目與課程教學(xué)模塊的邏輯關(guān)系

根據(jù)教學(xué)模塊①-⑤設(shè)計(jì)了如表2（p58）所示的學(xué)生項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容。

表2 “航天器再入返回控制”課程的項(xiàng)目任務(wù)表

2.3 教學(xué)方法設(shè)計(jì)

圍繞上述教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容，本課程主要采取“項(xiàng)目引導(dǎo)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)”的教學(xué)方法，實(shí)施“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式，以學(xué)生為主、教師為輔的任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式來構(gòu)建整個(gè)教學(xué)過程，促使學(xué)生從“被動(dòng)學(xué)習(xí)”向“主動(dòng)學(xué)習(xí)”轉(zhuǎn)變。此過程由視頻教學(xué)、課堂理論教學(xué)、項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)共同組成。視頻教學(xué)于課下完成，課堂理論教學(xué)與項(xiàng)目實(shí)踐（軟件編程為主）在課堂中進(jìn)行，邊教邊學(xué)邊做。

2.3.1 視頻教學(xué)

由于項(xiàng)目式教學(xué)需要在課堂上為學(xué)生提供充足的項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容，故一部分基礎(chǔ)的理論知識點(diǎn)需要學(xué)生在課下提前學(xué)習(xí)。本教學(xué)團(tuán)隊(duì)制作了基礎(chǔ)知識點(diǎn)的教學(xué)視頻，形成了多個(gè)微課單元，每個(gè)不超過15 分鐘。微課教學(xué)視頻須邏輯清晰、重點(diǎn)突出，淺顯易懂，重視趣味性和觀賞性，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如，錄制了“再入返回技術(shù)”“再入返回過程”“半彈道式再入返回探秘”和“打造航天員的生命安全通道-再入走廊”等視頻，其中后兩者獲得了江蘇省高校微課教學(xué)比賽一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)的榮譽(yù)。另外，通過課程在線教學(xué)平臺上的國內(nèi)外實(shí)際航天器再入飛行的視頻資料來幫助學(xué)生建立感性認(rèn)識。

2.3.2 課堂理論教學(xué)

課堂中主要講授較難理解的理論方法和算法推導(dǎo)，并對學(xué)生的問題進(jìn)行答疑解惑。理論教學(xué)以項(xiàng)目為引導(dǎo)，通過分析項(xiàng)目中需要解決的實(shí)際問題，提出相關(guān)的理論及工程設(shè)計(jì)問題。講解中采用以問題為導(dǎo)向、探究式的教學(xué)方式，注重啟發(fā)和研討，同時(shí)采取可視化教學(xué)方式，利用直觀的實(shí)物模型、圖形圖像視頻和生動(dòng)詳盡、圖文并茂的多媒體課件等手段提高知識點(diǎn)的可識別性，把抽象理論知識盡量可視化，使學(xué)生學(xué)習(xí)起來興趣盎然，在輕松愉快的氛圍中深化對抽象理論的掌握。更重要的是，在開始項(xiàng)目實(shí)踐前，向?qū)W生展示整體飛控系統(tǒng)完成后的可視化結(jié)果，以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)踐的興趣與熱情。

2.3.3 項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)

項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)的過程中穿插有理論教學(xué)，通常在項(xiàng)目進(jìn)行前、銜接處或進(jìn)行中的難點(diǎn)處適時(shí)向?qū)W生講解，以達(dá)到理論融合實(shí)踐的最佳效果。本課程的項(xiàng)目實(shí)踐基于Matlab/Simulink仿真平臺開展編程實(shí)踐工作，并利用專業(yè)的飛行控制工具箱開展系統(tǒng)的三維可視化展示。教師提供每個(gè)子項(xiàng)目的基礎(chǔ)程序框架，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)到的理論和方法設(shè)計(jì)具體的控制律或制導(dǎo)律，編制相關(guān)程序并展示和分析仿真結(jié)果。如表2 所示，6 個(gè)項(xiàng)目及結(jié)課項(xiàng)目層層遞進(jìn)，最終組合成圖1 的再入飛行控制大系統(tǒng)。以此教學(xué)方法來實(shí)現(xiàn)提升學(xué)生系統(tǒng)創(chuàng)新思維與工程實(shí)踐能力綜合培養(yǎng)的目標(biāo)。

因此，通過上述教學(xué)方法設(shè)計(jì)，教學(xué)模式由傳統(tǒng)灌輸式轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎A(chǔ)理論講授+層次化項(xiàng)目實(shí)踐教學(xué)融合”的形式。圖2（p59）提供了該教學(xué)方法設(shè)計(jì)的思路框圖。

圖2 “航天器再入返回控制”項(xiàng)目式教學(xué)方法設(shè)計(jì)框圖

如圖2 所示，建設(shè)課程的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，將基礎(chǔ)知識點(diǎn)的微課教學(xué)視頻以及學(xué)習(xí)資料上傳系統(tǒng)，方便學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)。在課堂教學(xué)中，教師主要按照項(xiàng)目任務(wù)內(nèi)容來組織理論授課，通過分析項(xiàng)目要求提出理論問題，進(jìn)而講授理論知識點(diǎn)，下一步引出需要學(xué)生實(shí)踐的具體項(xiàng)目任務(wù)。通常為項(xiàng)目任務(wù)提供基礎(chǔ)的仿真平臺和程序，學(xué)生基于此來進(jìn)行任務(wù)的分析與分解，確定設(shè)計(jì)思路和算法，然后編制相關(guān)程序，調(diào)試系統(tǒng)，最終完成項(xiàng)目任務(wù)，并將成果向教師展示。結(jié)課的綜合設(shè)計(jì)項(xiàng)目將根據(jù)學(xué)生數(shù)量進(jìn)行分組，通常4-5 人一小組，通過選題、綜合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、撰寫報(bào)告、小組匯報(bào)等形式完成。

2.4 思政教學(xué)的設(shè)計(jì)

本課程的教學(xué)內(nèi)容與我國航天事業(yè)的發(fā)展緊密相關(guān)，因此在原有教學(xué)目標(biāo)之上，還引入了思政育人的目標(biāo)：通過將思政教育元素與專業(yè)知識相結(jié)合，使學(xué)生樹立正確的人生觀、世界觀和價(jià)值觀，將航天精神貫穿到課程當(dāng)中，培養(yǎng)學(xué)生立志扎根國家航空航天事業(yè)的決心。在教學(xué)內(nèi)容中充分挖掘思政元素，通過講述中國近年來的航天成就為學(xué)生樹立民族自信心和自豪感，通過講述再入返回技術(shù)的發(fā)展歷程和日趨多樣化，使學(xué)生意識到“實(shí)踐沒有止境，理論創(chuàng)新也沒有止境”。

2.5 考核評價(jià)設(shè)計(jì)

教學(xué)團(tuán)隊(duì)將以往理論考試形式改革為綜合評測模式，即采用多樣化考核模式和評價(jià)指標(biāo)，以項(xiàng)目成果為導(dǎo)向，注重項(xiàng)目實(shí)踐過程中對學(xué)生知識、能力和素質(zhì)的評價(jià)，側(cè)重于檢查學(xué)生利用理論知識來解決實(shí)際問題的能力以及創(chuàng)新思維的體現(xiàn)。整體評分維度包括：提出學(xué)習(xí)問題表現(xiàn)（20%）、課后作業(yè)完成（15%）、子項(xiàng)目實(shí)踐表現(xiàn)（40%）、綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告（15%）、綜合項(xiàng)目設(shè)計(jì)答辯（10%）形式。評分不僅重視學(xué)生平時(shí)上課聽講和思考的狀態(tài)，更重視學(xué)生制作、展示和拓展的能力。

近幾年本課程的項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐都取得了優(yōu)秀的評估成績，學(xué)生普遍認(rèn)可這種教、學(xué)、做一體化的方式。最后，本年度團(tuán)隊(duì)還搭建了類神舟飛船的再入模型，設(shè)計(jì)了制導(dǎo)系統(tǒng)，增加了再入飛行器的項(xiàng)目實(shí)例，不僅為學(xué)生學(xué)習(xí)半彈道式再入控制與制導(dǎo)方式奠定了實(shí)踐平臺基礎(chǔ)，還有助于融入中國航天成就的思政元素，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情和提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

3 結(jié)語

“航天器再入返回控制”理論較為抽象，實(shí)踐要求較高，傳統(tǒng)的教學(xué)方式已不適合新工科專業(yè)對培養(yǎng)高質(zhì)量航天專門人才的需求，有必要對教學(xué)模式進(jìn)行改革。本課程團(tuán)隊(duì)采用了“項(xiàng)目式”教學(xué)方法來開展教學(xué)改革與實(shí)踐工作。將“項(xiàng)目引導(dǎo)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)”“理論與實(shí)踐緊密結(jié)合”等項(xiàng)目式教學(xué)特點(diǎn)貫穿于教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、思政教育以及考核評價(jià)五方面的教學(xué)設(shè)計(jì)工作當(dāng)中。以某航天器再入返回控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科研項(xiàng)目為背景，通過多個(gè)子項(xiàng)目和綜合項(xiàng)目的教學(xué)與實(shí)踐，進(jìn)一步促進(jìn)了學(xué)生的知識、能力和素質(zhì)的培養(yǎng)，增強(qiáng)了學(xué)生多學(xué)科理論知識的融合能力以及項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐能力。