小型火箭项目式实践教学模式探索

江振宇， 张士峰， 杨华波， 胡 凡

（国防科学技术大学航天科学与工程学院，湖南长沙 410073）

0 引言

知识源于实践。创新人才除了具有创新意识与创新思维外，还要具备在实际工作中的创新实践能力，并取得一定的创新成果。实践应成为创新人才培养过程中不可或缺的环节。

航天技术的特点是高风险、高成本，同时涉及学科众多，知识系统复杂，工程性强。为培养合格的空天领域创新人才，除传统的课堂教学之外，开展创新实践教育显得尤为必要。小型火箭是一种典型的飞行器，其学科覆盖面广，综合性强，应用广泛，是一个理想的实践教育切入点。近年来，国防科技大学航天科学与工程学院结合专业特点，开展了以小型固体火箭为对象的项目式教学模式探索与实践，逐步探索出一条实践教学的可行之路。

1 项目式实践教学的进展

项目式教学模式是由凯兹博士推创的一种以学生为本的教学方法，师生通过共同实施一个完整或设计的项目工作而进行的教学活动［1-6］。项目教学法能较好地将理论和实践结合在一起，学习过程是全员参与的创造实践活动，学生可以独立制定计划并实施，自行组织、安排自己的学习行为;有明确而具体的成果展示;项目工作有一定的难度，要求学生运用新学习的知识、技能，克服和解决过去从未遇到过的实际问题，项目的结果原则上要求每个小组最终形成一个成果或者一个具体的产品，一般有师生共同评价项目工作成果。真正实现以学生为主，在“做中学”的方法。

近年来，美国宇航局（NASA）认识到，该国大量于上世纪参加过阿波罗登月、航天飞机等重大航天计划的人员由于计划内的退休而导致知识重大流失［7］。为保持一支世界一流的航天科学家和工程师队伍，维护航天强国地位，美国开始将目光投向院校，在学生教育过程中开展了大量以能力培养为导向的实践项目，培养了学生从事航天技术研究的兴趣，提升了创新实践能力，完善了航天人才培养体系。

加州大学与Garvey飞行器公司联合组织实施了大学-企业运载火箭教育计划，其主要目的是为在学生中培养下一代航天工程师提供运载火箭开发经验，同时开发、试验和评估先进运载火箭技术。2003年以来，以学生为主设计开发了包含十余种型号的系列验证小火箭，分别进行了飞行试验，使得学生在学校阶段就获得了受益终身的实践经验。普渡大学开展了验证小型运载火箭关键技术的项目，主要目的是为学生提供将大学载荷发射到近地轨道的小型运载火箭的设计、制造和飞行等方面的教育机会和实际工程经验。美国航空宇航联合会（AIAA）犹他州分会创立了由犹他州四所大学组成的协会，该协会被称作“联合IV”，为学生们提供固液混合发动机学习和试验的机会。学生、教员和来自犹他州各工业部门的AIAA会员共同设计和试验固液混合发动机，最终通过固液火箭将有效载荷送入 39.6 km 的高空［8-9］。

此外，欧空局以学生创新实践能力培养为目的，开展了TEXUS项目，该项目由学生参与工业部门主导的探空火箭设计与系列发射，进行极地上空电离层探测、测试惯性设备、振动对两相流的影响研究等。

欧美航天强国非常重视实践教学，开展大量以火箭为对象的项目式实践。通过总结和借鉴国外先进经验，航天科学与工程学院通过多年规划，开展实施了小型火箭项目计划，带动广大学生从本科阶段起就得到科学研究与发明创造的训练，改变目前高等教育培养过程中实践教学环节薄弱，动手能力不强的现状，改变灌输式的教学方法，推广研究性学习和个性化培养的教学方式，形成创新教育的氛围，建设创新文化，进一步推动高等教育教学改革，提高教学质量。

2 小型火箭项目式教学的实施

2.1 项目特点

小型火箭项目以小型火箭为对象，以5-10名学员组成的团队为单位，综合应用力学、控制、机械和电子等多学科领域专业知识，以完成创新性任务为目标。小型火箭项目涉及火箭任务设计、方案设计、制造、测试与发射、测量与分析等生命周期全过程，为学员提供一个全方位认识典型飞行器的学习机会以及综合应用所学基础课程与航天类专业课程知识解决实际问题的实践机会。在实施过程中体现出以下特点：

（1）面向多层次人员。小型火箭实践项目面向师生，项目任务设计与方案设计以高年级本科生和研究生为主，项目管理协调和相关成果转化由教员完成;

（2）实现多目标。以培养学员航天相关学科领域的创新实践能力为主，以关键技术演示验证为次，成为实现多种目标的实践平台;

（3）与科研项目结合。小型火箭项目系统复杂，涉及火箭系统、发射装置、运输设备等，因此实施过程中将与学院科研项目相结合，以科研项目需求为牵引，以科研项目条件为支撑，共享实验室资源。

2.2 实施原则

小型火箭项目在实施过程中，为最大限度发挥学员的积极性与主观能动性，提高项目的实践性与创新性，遵循几条原则：

（1）兴趣驱动。参与实践项目的学员应对航天技术及其应用有浓厚兴趣，在兴趣驱动下，在教员指导下完成项目实践;

（2）自主研究。即参与计划的学员要最大程度实现自主设计项目、自主完成项目、自主管理项目;

（3）重在过程。注重项目的实施过程，强调项目实施过程中学员在创新思维和创新实践方面的收获。

教员在项目实施中充分发挥指导、组织和协调作用，包括为每名参与项目的学生配备对应导师，负责针对性指导学生进行创新性实验;协调学院职能部门人员，制定切实可行的管理办法，提供后勤、财务等支撑条件;开放学院相关实验室，为参与项目的学生提供实验场地和实验仪器设备。

2.3 实践环节设计

实践环节设计是小型火箭项目实施的核心。实践环节设计包含两个层次：

（1）项目培养目标设计。培养目标决定着小火箭项目的组织实施过程，结合学校创新人才的培养需求和学校教学培养方案要求，根据学员实际情况，设计合理的培养目标。

（2）项目实践内容设计。实践环节内容设计影响着小火箭项目的实施效果，针对研究生和本科生的研究方向和知识结构，结合现行课程体系特点，开展小火箭项目实践环节设计。依托项目组现有的创新实践条件，自顶向下对小型火箭项目实践内容进行分解，结合学校空天专业课程体系，将整个项目分解为适合学员相对独立完成的内容，包括小型火箭试验任务设计、总体方案设计、气动外形设计、结构设计、控制系统设计、固体火箭发动机设计、回收系统设计、地面测试发射系统设计等。

2.4 实施效果

小型火箭项目依托湖南省和学校本科学员创新性实验计划项目、学校研究生创新实践基地等支撑条件，探索并建立以项目为核心的教学模式，以学生为主体，调动学生的主动性、积极性和创造性，激发学生的创新思维和创新意识，逐渐掌握思考问题、解决问题的方法、提高其创新实践的能力，如图1所示。前期在高年级本科生和研究生中开展小型火箭的设计、制造与试验活动，着眼提高学员综合知识应用能力，培养学员在飞行器设计领域的创新能力。

图1 小型火箭项目式实践教学组织示意图

小型火箭项目从2009年开始，在学校合训类导弹工程专业本科毕业设计中进行了初步尝试，由5名学员组成团队，经过紧张的4个月奋战，在长沙市月亮岛成功完成三发小型火箭发射，射高200 m，射程500 m，实现实践项目的全程探索，为项目后续开展积累了经验。至2011年，在技术类飞行器系统与工程专业和空间工程专业本科毕业设计中进行了深入探索，并与教研室研究生创新实践项目相结合，设计制造了2发“天创一号”火箭，全长1.8 m，直径150 mm，当年8月在湖南汨罗市广袤的河滩成功进行了发射试验，以固体火箭发动机为动力，实现射高800 m，射程2 km。试验中，火箭成功实现了滚转通道的控制和箭上遥测信息的发射与接收，火箭落点与理论预测值非常接近。

经过三年的实践，小型火箭项目逐步形成一套完整的实践流程和体系。实践表明，该项目极大地激发了学员对飞行器设计研究的兴趣，提高了动手能力，加强了工程素养，训练了创新意识，培养了协作精神。小型火箭项目作为一项探索性教学实践项目将在学院持续开展。

3 结语

项目式实践教学模式是一种具有系统性和整体性的教学方法［10-15］。通过在本科生和研究生培养过程中实施小型火箭项目式实践教学模式，结果证明该模式操作性强、成效显著，实现了“求创新、重实践、低成本”的目标，为空天专业学员创新实践能力培养探索了新模式。

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