江振宇， 張士峰， 楊華波， 胡 凡

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410073）

0 引言

知識(shí)源于實(shí)踐。創(chuàng)新人才除了具有創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新思維外，還要具備在實(shí)際工作中的創(chuàng)新實(shí)踐能力，并取得一定的創(chuàng)新成果。實(shí)踐應(yīng)成為創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。

航天技術(shù)的特點(diǎn)是高風(fēng)險(xiǎn)、高成本，同時(shí)涉及學(xué)科眾多，知識(shí)系統(tǒng)復(fù)雜，工程性強(qiáng)。為培養(yǎng)合格的空天領(lǐng)域創(chuàng)新人才，除傳統(tǒng)的課堂教學(xué)之外，開展創(chuàng)新實(shí)踐教育顯得尤為必要。小型火箭是一種典型的飛行器，其學(xué)科覆蓋面廣，綜合性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛，是一個(gè)理想的實(shí)踐教育切入點(diǎn)。近年來，國(guó)防科技大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，開展了以小型固體火箭為對(duì)象的項(xiàng)目式教學(xué)模式探索與實(shí)踐，逐步探索出一條實(shí)踐教學(xué)的可行之路。

1 項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)的進(jìn)展

項(xiàng)目式教學(xué)模式是由凱茲博士推創(chuàng)的一種以學(xué)生為本的教學(xué)方法，師生通過共同實(shí)施一個(gè)完整或設(shè)計(jì)的項(xiàng)目工作而進(jìn)行的教學(xué)活動(dòng)［1-6］。項(xiàng)目教學(xué)法能較好地將理論和實(shí)踐結(jié)合在一起，學(xué)習(xí)過程是全員參與的創(chuàng)造實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生可以獨(dú)立制定計(jì)劃并實(shí)施，自行組織、安排自己的學(xué)習(xí)行為;有明確而具體的成果展示;項(xiàng)目工作有一定的難度，要求學(xué)生運(yùn)用新學(xué)習(xí)的知識(shí)、技能，克服和解決過去從未遇到過的實(shí)際問題，項(xiàng)目的結(jié)果原則上要求每個(gè)小組最終形成一個(gè)成果或者一個(gè)具體的產(chǎn)品，一般有師生共同評(píng)價(jià)項(xiàng)目工作成果。真正實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主，在“做中學(xué)”的方法。

近年來，美國(guó)宇航局（NASA）認(rèn)識(shí)到，該國(guó)大量于上世紀(jì)參加過阿波羅登月、航天飛機(jī)等重大航天計(jì)劃的人員由于計(jì)劃內(nèi)的退休而導(dǎo)致知識(shí)重大流失［7］。為保持一支世界一流的航天科學(xué)家和工程師隊(duì)伍，維護(hù)航天強(qiáng)國(guó)地位，美國(guó)開始將目光投向院校，在學(xué)生教育過程中開展了大量以能力培養(yǎng)為導(dǎo)向的實(shí)踐項(xiàng)目，培養(yǎng)了學(xué)生從事航天技術(shù)研究的興趣，提升了創(chuàng)新實(shí)踐能力，完善了航天人才培養(yǎng)體系。

加州大學(xué)與Garvey飛行器公司聯(lián)合組織實(shí)施了大學(xué)-企業(yè)運(yùn)載火箭教育計(jì)劃，其主要目的是為在學(xué)生中培養(yǎng)下一代航天工程師提供運(yùn)載火箭開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)開發(fā)、試驗(yàn)和評(píng)估先進(jìn)運(yùn)載火箭技術(shù)。2003年以來，以學(xué)生為主設(shè)計(jì)開發(fā)了包含十余種型號(hào)的系列驗(yàn)證小火箭，分別進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，使得學(xué)生在學(xué)校階段就獲得了受益終身的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。普渡大學(xué)開展了驗(yàn)證小型運(yùn)載火箭關(guān)鍵技術(shù)的項(xiàng)目，主要目的是為學(xué)生提供將大學(xué)載荷發(fā)射到近地軌道的小型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)、制造和飛行等方面的教育機(jī)會(huì)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)航空宇航聯(lián)合會(huì)（AIAA）猶他州分會(huì)創(chuàng)立了由猶他州四所大學(xué)組成的協(xié)會(huì)，該協(xié)會(huì)被稱作“聯(lián)合IV”，為學(xué)生們提供固液混合發(fā)動(dòng)機(jī)學(xué)習(xí)和試驗(yàn)的機(jī)會(huì)。學(xué)生、教員和來自猶他州各工業(yè)部門的AIAA會(huì)員共同設(shè)計(jì)和試驗(yàn)固液混合發(fā)動(dòng)機(jī)，最終通過固液火箭將有效載荷送入 39.6 km 的高空［8-9］。

此外，歐空局以學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)為目的，開展了TEXUS項(xiàng)目，該項(xiàng)目由學(xué)生參與工業(yè)部門主導(dǎo)的探空火箭設(shè)計(jì)與系列發(fā)射，進(jìn)行極地上空電離層探測(cè)、測(cè)試慣性設(shè)備、振動(dòng)對(duì)兩相流的影響研究等。

歐美航天強(qiáng)國(guó)非常重視實(shí)踐教學(xué)，開展大量以火箭為對(duì)象的項(xiàng)目式實(shí)踐。通過總結(jié)和借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，航天科學(xué)與工程學(xué)院通過多年規(guī)劃，開展實(shí)施了小型火箭項(xiàng)目計(jì)劃，帶動(dòng)廣大學(xué)生從本科階段起就得到科學(xué)研究與發(fā)明創(chuàng)造的訓(xùn)練，改變目前高等教育培養(yǎng)過程中實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)薄弱，動(dòng)手能力不強(qiáng)的現(xiàn)狀，改變灌輸式的教學(xué)方法，推廣研究性學(xué)習(xí)和個(gè)性化培養(yǎng)的教學(xué)方式，形成創(chuàng)新教育的氛圍，建設(shè)創(chuàng)新文化，進(jìn)一步推動(dòng)高等教育教學(xué)改革，提高教學(xué)質(zhì)量。

2 小型火箭項(xiàng)目式教學(xué)的實(shí)施

2.1 項(xiàng)目特點(diǎn)

小型火箭項(xiàng)目以小型火箭為對(duì)象，以5-10名學(xué)員組成的團(tuán)隊(duì)為單位，綜合應(yīng)用力學(xué)、控制、機(jī)械和電子等多學(xué)科領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)，以完成創(chuàng)新性任務(wù)為目標(biāo)。小型火箭項(xiàng)目涉及火箭任務(wù)設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試與發(fā)射、測(cè)量與分析等生命周期全過程，為學(xué)員提供一個(gè)全方位認(rèn)識(shí)典型飛行器的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)以及綜合應(yīng)用所學(xué)基礎(chǔ)課程與航天類專業(yè)課程知識(shí)解決實(shí)際問題的實(shí)踐機(jī)會(huì)。在實(shí)施過程中體現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

（1）面向多層次人員。小型火箭實(shí)踐項(xiàng)目面向師生，項(xiàng)目任務(wù)設(shè)計(jì)與方案設(shè)計(jì)以高年級(jí)本科生和研究生為主，項(xiàng)目管理協(xié)調(diào)和相關(guān)成果轉(zhuǎn)化由教員完成;

（2）實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)。以培養(yǎng)學(xué)員航天相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)新實(shí)踐能力為主，以關(guān)鍵技術(shù)演示驗(yàn)證為次，成為實(shí)現(xiàn)多種目標(biāo)的實(shí)踐平臺(tái);

（3）與科研項(xiàng)目結(jié)合。小型火箭項(xiàng)目系統(tǒng)復(fù)雜，涉及火箭系統(tǒng)、發(fā)射裝置、運(yùn)輸設(shè)備等，因此實(shí)施過程中將與學(xué)院科研項(xiàng)目相結(jié)合，以科研項(xiàng)目需求為牽引，以科研項(xiàng)目條件為支撐，共享實(shí)驗(yàn)室資源。

2.2 實(shí)施原則

小型火箭項(xiàng)目在實(shí)施過程中，為最大限度發(fā)揮學(xué)員的積極性與主觀能動(dòng)性，提高項(xiàng)目的實(shí)踐性與創(chuàng)新性，遵循幾條原則：

（1）興趣驅(qū)動(dòng)。參與實(shí)踐項(xiàng)目的學(xué)員應(yīng)對(duì)航天技術(shù)及其應(yīng)用有濃厚興趣，在興趣驅(qū)動(dòng)下，在教員指導(dǎo)下完成項(xiàng)目實(shí)踐;

（2）自主研究。即參與計(jì)劃的學(xué)員要最大程度實(shí)現(xiàn)自主設(shè)計(jì)項(xiàng)目、自主完成項(xiàng)目、自主管理項(xiàng)目;

（3）重在過程。注重項(xiàng)目的實(shí)施過程，強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目實(shí)施過程中學(xué)員在創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐方面的收獲。

教員在項(xiàng)目實(shí)施中充分發(fā)揮指導(dǎo)、組織和協(xié)調(diào)作用，包括為每名參與項(xiàng)目的學(xué)生配備對(duì)應(yīng)導(dǎo)師，負(fù)責(zé)針對(duì)性指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn);協(xié)調(diào)學(xué)院職能部門人員，制定切實(shí)可行的管理辦法，提供后勤、財(cái)務(wù)等支撐條件;開放學(xué)院相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，為參與項(xiàng)目的學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備。

2.3 實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)是小型火箭項(xiàng)目實(shí)施的核心。實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)包含兩個(gè)層次：

（1）項(xiàng)目培養(yǎng)目標(biāo)設(shè)計(jì)。培養(yǎng)目標(biāo)決定著小火箭項(xiàng)目的組織實(shí)施過程，結(jié)合學(xué)校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需求和學(xué)校教學(xué)培養(yǎng)方案要求，根據(jù)學(xué)員實(shí)際情況，設(shè)計(jì)合理的培養(yǎng)目標(biāo)。

（2）項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容設(shè)計(jì)。實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容設(shè)計(jì)影響著小火箭項(xiàng)目的實(shí)施效果，針對(duì)研究生和本科生的研究方向和知識(shí)結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)行課程體系特點(diǎn)，開展小火箭項(xiàng)目實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。依托項(xiàng)目組現(xiàn)有的創(chuàng)新實(shí)踐條件，自頂向下對(duì)小型火箭項(xiàng)目實(shí)踐內(nèi)容進(jìn)行分解，結(jié)合學(xué)?？仗鞂I(yè)課程體系，將整個(gè)項(xiàng)目分解為適合學(xué)員相對(duì)獨(dú)立完成的內(nèi)容，包括小型火箭試驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)、總體方案設(shè)計(jì)、氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)、地面測(cè)試發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

2.4 實(shí)施效果

小型火箭項(xiàng)目依托湖南省和學(xué)校本科學(xué)員創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目、學(xué)校研究生創(chuàng)新實(shí)踐基地等支撐條件，探索并建立以項(xiàng)目為核心的教學(xué)模式，以學(xué)生為主體，調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)，逐漸掌握思考問題、解決問題的方法、提高其創(chuàng)新實(shí)踐的能力，如圖1所示。前期在高年級(jí)本科生和研究生中開展小型火箭的設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)活動(dòng)，著眼提高學(xué)員綜合知識(shí)應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)員在飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。

圖1 小型火箭項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)組織示意圖

小型火箭項(xiàng)目從2009年開始，在學(xué)校合訓(xùn)類導(dǎo)彈工程專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了初步嘗試，由5名學(xué)員組成團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過緊張的4個(gè)月奮戰(zhàn)，在長(zhǎng)沙市月亮島成功完成三發(fā)小型火箭發(fā)射，射高200 m，射程500 m，實(shí)現(xiàn)實(shí)踐項(xiàng)目的全程探索，為項(xiàng)目后續(xù)開展積累了經(jīng)驗(yàn)。至2011年，在技術(shù)類飛行器系統(tǒng)與工程專業(yè)和空間工程專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了深入探索，并與教研室研究生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目相結(jié)合，設(shè)計(jì)制造了2發(fā)“天創(chuàng)一號(hào)”火箭，全長(zhǎng)1.8 m，直徑150 mm，當(dāng)年8月在湖南汨羅市廣袤的河灘成功進(jìn)行了發(fā)射試驗(yàn)，以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)射高800 m，射程2 km。試驗(yàn)中，火箭成功實(shí)現(xiàn)了滾轉(zhuǎn)通道的控制和箭上遙測(cè)信息的發(fā)射與接收，火箭落點(diǎn)與理論預(yù)測(cè)值非常接近。

經(jīng)過三年的實(shí)踐，小型火箭項(xiàng)目逐步形成一套完整的實(shí)踐流程和體系。實(shí)踐表明，該項(xiàng)目極大地激發(fā)了學(xué)員對(duì)飛行器設(shè)計(jì)研究的興趣，提高了動(dòng)手能力，加強(qiáng)了工程素養(yǎng)，訓(xùn)練了創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)了協(xié)作精神。小型火箭項(xiàng)目作為一項(xiàng)探索性教學(xué)實(shí)踐項(xiàng)目將在學(xué)院持續(xù)開展。

3 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)模式是一種具有系統(tǒng)性和整體性的教學(xué)方法［10-15］。通過在本科生和研究生培養(yǎng)過程中實(shí)施小型火箭項(xiàng)目式實(shí)踐教學(xué)模式，結(jié)果證明該模式操作性強(qiáng)、成效顯著，實(shí)現(xiàn)了“求創(chuàng)新、重實(shí)踐、低成本”的目標(biāo)，為空天專業(yè)學(xué)員創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)探索了新模式。

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