“航天探测技术”课程教学改革研究

王寅

摘要：本文以航天特色院校航天探测技术的教学为背景，通过研究和分析探测技术教学内容上的特点，提出从教学思路、教学方法和考核形式等方面进行改革，教学实践表明本文所提出的教学改革方法能够起到改善教学质量的效果。

关键词：探测技术；航空航天；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）17-0071-02

一、引言

航天探测技术是研究利用航天器所搭载的敏感装置，感知航天器自身状态和探测外部环境的理论与方法，是航天飞行器系统工程中的重要环节与基础[1]。航天探测技术与航天飞行器平台的导航、控制以及载荷技术息息相关，是航天器系统未来发展的重要方向之一。例如，航天器自身姿态、速率以及航天飞行器外部环境等参数在基于卫星的对地观测以及探测器地外行星软着等任务中均具有十分重要的作用，因此实时可靠的获取相关参数是航天器平台控制与载荷控制的必须条件与重要环节。对于具有航天特色的高等院校探测与制导专业来说，探测技术既是一个非常重要的研究方向也是学生所需要重点掌握和理解的基础理论。南京航空航天大学航天学院为本科探测制导与控制技术（航天）专业三年级学生开设了“航天探测技术”专业课。通过学习航天飞行器常见敏感装置的基本工作原理、数据处理方法和在航天器上的典型应用，使学生了解航天器对敏感装置的总体性能要求，掌握航天飞行器获取数据和数据处理的主要方法，同时培养学生形成科学的研究、分析问题的思维，为以后的工作和学习奠定良好的理论基础和积累初步的实践经验。

“航天探测技术”是一门多学科相互交叉、融合的综合性科学，具有宽泛的理论体系和数据处理的专门方法。由于所涉及知识面广，理论体系跨度大，纯理论讲授的教学方式很难激发学生主动学习该课程的积极性[2，3]。因此，需要合理的设计教学内容，调整教学思路，通过适当的教学方法和手段，使学生能够主动探求航天探测技术的相关理论，从而拓展学生的专业口径，加深学生对所掌握的知识体系的理解，建立对本专业的系统性、全局性认识，提高创新能力。本文以探测制导与控制技术（航天）专业为背景，结合作者在“航天探测技术”课程教学和自身科研中的经验，对该课程教学方法改革中的若干措施和手段进行总结和探究。

二、教学内容和教学难点

（一）教学内容

航天特色专业的探测技术课程具有所涉及的理论体系宽、知识面广，难点大等特点，因此很难围绕某一个专业的理论体系设置教学内容。在教学实践中，将课程的内容划分为四个相互独立的教学单元：航天探测技术的基本内容和概念；航天器姿态测量；主动式探测技术；光学探测技术。其中，第一部分是航天探测技术的基本概念，为学生构建本门课程的知识体系。第二部分是航天器导航系统的相关敏感装置原理和数据处理方法，包含惯性测量装置、光学姿态敏感器以及基于最优滤波的惯性天文组合原理三个主要内容。在教学中突出两类姿态测量方式的特点，让学生理解和掌握滤波的数学本质和组合测量的基本原理。第三部分主要讲授以激光雷达为代表的主动式探测装置的原理与应用。第四部分以CCD光学相机为代表的被动式探测手段的理论和方法，并结合探测器在地外星球软着陆中地表障碍物检测与识别的应用。

（二）教学难点

虽然学生经过大学本科阶段学习已经具有了一定的数学基础和信息理论的知识，但对这些学科中基本概念的理解不够深入，缺乏综合应用所掌握的基本原理解决问题的能力。因此，本课程的教学难点之一在于如何将探测技术中的相关理论和方法与学生已掌握的基本知识良好的结合，使学生在提高对航天器探测技术认知程度的基础上，加深对所学知识的理解与综合应用的能力。此外，航天探测技术具有学科口径宽和应用性强的特点，对于工科学生而言，不仅仅要求能够掌握各类敏感装置的基本工作原理和特点，还需要通过应用实例的学习加深对基本概念的理解，提高综合能力并培养工程思想。因此，航天探测技术教学的另一难点在于何如深入浅出地对探测技术在航天器应用的实例进行解读，帮助学生在融合理论知识的基础上加深对工程实践的认识，将抽象的概念与实践联系起来。

三、教学思路与教学方法改革

航天探测技术的主要教学目标是让学生了解航天器典型敏感装置的工作原理和特性，掌握选型和设计的依据。但敏感装置的原理具有涉及专业知识面广、基础理论要求高、概念抽象等特点，这往往令学生产生畏难情绪和抵触情绪，很难激发学生主动学习、自主学习的兴趣，这样也就无法达到这门课的教学目标。因此，需要对航天探測技术的理论和实验教学进行必要的改革。

（一）通过演示实验改善理论学习效果

从航天探测技术以往的教学经验来看，学生的学习主动性普遍不高，这是由于教学的内容过于偏向理论性，学生不理解学习内容有什么用处，不知道所学习的理论能够解决什么问题，缺乏对知识的探求欲。因此，激发学生的学习主动性是取得良好教学效果的重要前提。由于本科生阶段注重理论教学，实践教学环节较少，因此学生对于所掌握的基本原理的理解往往过于浅显，抽象思维能力还不足，因此在教学过程中应当避免大量的公式推导，对于能够反映基本原理的部分数学模型应当讲深讲透，并将数学模型中的各物理量与物理模型建立联系，通过将抽象的概念具体化帮助学生理解相关的理论。为此，在讲授理论知识之前，首先通过演示实验的方式向学生展示敏感装置测量的应用，让学生对将要学习的内容有直观的认识。同时，通过在演示实验的过程依据敏感元件的特性设置一些问题，供学生思考和讨论，进而再通过讲授这类元件或装置的原理，从而揭示产生某种现象的机理，使得学生能够更加深入的理解教学的内容。例如，在讲解航天器姿态的惯性测量原理时，第一次课在航天学院控制系实验室进行，利用角速率陀螺和单轴转台向学生演示角速率陀螺测量角速度的实验，使得学生对角速率测量元件有直观的认识。然后让学生思考如何利用角速度传感器估计姿态，再通过演示实验向学生展示由速率积分和转台光电编码器测量值的差异，让学生能够直观感受到惯性测量元件累积误差的特性。在此基础上，再讲解陀螺测量角速度和姿态的基本原理，引导学生探究产生累积误差/陀螺漂移的内在机制，总结惯性测量元件测量姿态的特性。通过互动式、理论与应用相互结合的教学方式逐步向学生传授思考和解决科学问题的方法，增强学生的科研能力。

（二）实验教学改革

实验教学一直是高等学校培养学生理论联系实际、综合技术应用、创新意识和能力等的重要环节和途径[4]。从实验课的反馈情况来看，大部分学生对实验的目的不明确，对实验过程的认知不够，大多都是按照实验指导書和老师的讲解和演示进行生搬硬套式的操作，并不能真正提高学生独立思考的能力。这样的实验教学往往无法达到加深学生理解理论知识体系的目的，为了使学生学好航天探测技术这门课，掌握几种典型敏感装置工作原理和及其选型的一般方法，必须进行实验教学的改革。实验改革的主要的思路是逐步进行自主式、开放式的实验，减少教师灌输式、填鸭式讲解的授课方式，同时增加学生自主学习和实验的时间。随着理论教学的进行，在完成一个教学单元后，以航天应用为背景提出测量的需求，学生通过掌握的理论知识，选择和设计能够满足需求的测量系统，并在实验室中验证自己的想法，不断完善和优化设计，从而达到培养学生独立思考和动手能力的目的。

（三）考核形式改革

传统的考核方法主要是通过期末考试来进行评定，这种考试方式能够在一定程度上反应学生掌握课程基本内容的情况，但是却不能充分反映学生平时的学习情况，难以达到促进和掌握学生学习状况的目的。根据“航天探测技术”课程的特点和教学经验，本门课程的成绩由课堂表现、大作业和期末考核几个方面组成。

1.课堂表现。课堂表现主要包括学生在教学过程中的出勤、课堂上的互动和实验环节的动手能力几个方面的内容。在实验环节中主要考核学生是否对所应用的敏感装置的原理、性能了解，是否能正确分析实验数据并进行误差处理。这部分成绩占学生总成绩的30%。

2.大作业。每个教学单元结束后都留有大作业和实验环节。大作业一般给出几个与教学单元内容相关的题目，学生根据题目自由探索和学习，重点考察学生自主学习和综合运用所掌握知识的能力，实现理论知识到实践技能的迁移。这部分成绩占学生总成绩的30%。

3.期末考核。期末考核采用闭卷考试的形式，这部分成绩占总成绩的40%。期末考试主要考察学生对基本概念的理解和综合运用知识的能力。考试的题型由填空、简答和分析计算组成。填空题以航天探测技术的常识性知识为主，主要考察学生对课程所涉及的技术领域的了解程度。简答题主要考察学生对敏感装置基本原理的理解，有利于学生梳理课程知识体系和基本概念。分析计算题考察学生综合运用知识的能力，答案相对开放，有利于培养学生的创新思维。

四、结论

对于航空航天特色院校的探测与控制专业学生而言，探测技术是专业理论体系的重要环节和重点研究方向，因此学习和掌握航天常用敏感装置的基本原理和应用技术十分必要。本文针对课程的特点和学生的基本情况，研究和探讨了探测技术的教学内容、教学思路、教学方法以及考核形式的改革方法。经过教学实践，本文所提出的探测技术教学改革方案能够促进学生对敏感装置原理的理解，提高学生综合运用知识和创新思维，具有良好的教学效果。

参考文献：

[1]穆哈默德阿拜德.航天飞行器传感器[M].北京：中国计量出版社，2010.

[2]朱维斌.测控技术与仪器专业传感器系列课程的研究与实践[J].高教论坛，2009，（7）：82-83.

[3]喻言，马灵芝，赵泰样，等.传感器技术课程的改革研究与实践[J].中国科教创新导刊，2009，（11）：158.

[4]潘言全.传感器教学改革的探讨[J].科技信息，2007，（4）：180-181.