王寅

摘要：本文以航天特色院校航天探測技術的教學為背景，通過研究和分析探測技術教學內(nèi)容上的特點，提出從教學思路、教學方法和考核形式等方面進行改革，教學實踐表明本文所提出的教學改革方法能夠起到改善教學質(zhì)量的效果。

關鍵詞：探測技術；航空航天；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）17-0071-02

一、引言

航天探測技術是研究利用航天器所搭載的敏感裝置，感知航天器自身狀態(tài)和探測外部環(huán)境的理論與方法，是航天飛行器系統(tǒng)工程中的重要環(huán)節(jié)與基礎[1]。航天探測技術與航天飛行器平臺的導航、控制以及載荷技術息息相關，是航天器系統(tǒng)未來發(fā)展的重要方向之一。例如，航天器自身姿態(tài)、速率以及航天飛行器外部環(huán)境等參數(shù)在基于衛(wèi)星的對地觀測以及探測器地外行星軟著等任務中均具有十分重要的作用，因此實時可靠的獲取相關參數(shù)是航天器平臺控制與載荷控制的必須條件與重要環(huán)節(jié)。對于具有航天特色的高等院校探測與制導專業(yè)來說，探測技術既是一個非常重要的研究方向也是學生所需要重點掌握和理解的基礎理論。南京航空航天大學航天學院為本科探測制導與控制技術（航天）專業(yè)三年級學生開設了“航天探測技術”專業(yè)課。通過學習航天飛行器常見敏感裝置的基本工作原理、數(shù)據(jù)處理方法和在航天器上的典型應用，使學生了解航天器對敏感裝置的總體性能要求，掌握航天飛行器獲取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理的主要方法，同時培養(yǎng)學生形成科學的研究、分析問題的思維，為以后的工作和學習奠定良好的理論基礎和積累初步的實踐經(jīng)驗。

“航天探測技術”是一門多學科相互交叉、融合的綜合性科學，具有寬泛的理論體系和數(shù)據(jù)處理的專門方法。由于所涉及知識面廣，理論體系跨度大，純理論講授的教學方式很難激發(fā)學生主動學習該課程的積極性[2，3]。因此，需要合理的設計教學內(nèi)容，調(diào)整教學思路，通過適當?shù)慕虒W方法和手段，使學生能夠主動探求航天探測技術的相關理論，從而拓展學生的專業(yè)口徑，加深學生對所掌握的知識體系的理解，建立對本專業(yè)的系統(tǒng)性、全局性認識，提高創(chuàng)新能力。本文以探測制導與控制技術（航天）專業(yè)為背景，結(jié)合作者在“航天探測技術”課程教學和自身科研中的經(jīng)驗，對該課程教學方法改革中的若干措施和手段進行總結(jié)和探究。

二、教學內(nèi)容和教學難點

（一）教學內(nèi)容

航天特色專業(yè)的探測技術課程具有所涉及的理論體系寬、知識面廣，難點大等特點，因此很難圍繞某一個專業(yè)的理論體系設置教學內(nèi)容。在教學實踐中，將課程的內(nèi)容劃分為四個相互獨立的教學單元：航天探測技術的基本內(nèi)容和概念；航天器姿態(tài)測量；主動式探測技術；光學探測技術。其中，第一部分是航天探測技術的基本概念，為學生構(gòu)建本門課程的知識體系。第二部分是航天器導航系統(tǒng)的相關敏感裝置原理和數(shù)據(jù)處理方法，包含慣性測量裝置、光學姿態(tài)敏感器以及基于最優(yōu)濾波的慣性天文組合原理三個主要內(nèi)容。在教學中突出兩類姿態(tài)測量方式的特點，讓學生理解和掌握濾波的數(shù)學本質(zhì)和組合測量的基本原理。第三部分主要講授以激光雷達為代表的主動式探測裝置的原理與應用。第四部分以CCD光學相機為代表的被動式探測手段的理論和方法，并結(jié)合探測器在地外星球軟著陸中地表障礙物檢測與識別的應用。

（二）教學難點

雖然學生經(jīng)過大學本科階段學習已經(jīng)具有了一定的數(shù)學基礎和信息理論的知識，但對這些學科中基本概念的理解不夠深入，缺乏綜合應用所掌握的基本原理解決問題的能力。因此，本課程的教學難點之一在于如何將探測技術中的相關理論和方法與學生已掌握的基本知識良好的結(jié)合，使學生在提高對航天器探測技術認知程度的基礎上，加深對所學知識的理解與綜合應用的能力。此外，航天探測技術具有學科口徑寬和應用性強的特點，對于工科學生而言，不僅僅要求能夠掌握各類敏感裝置的基本工作原理和特點，還需要通過應用實例的學習加深對基本概念的理解，提高綜合能力并培養(yǎng)工程思想。因此，航天探測技術教學的另一難點在于何如深入淺出地對探測技術在航天器應用的實例進行解讀，幫助學生在融合理論知識的基礎上加深對工程實踐的認識，將抽象的概念與實踐聯(lián)系起來。

三、教學思路與教學方法改革

航天探測技術的主要教學目標是讓學生了解航天器典型敏感裝置的工作原理和特性，掌握選型和設計的依據(jù)。但敏感裝置的原理具有涉及專業(yè)知識面廣、基礎理論要求高、概念抽象等特點，這往往令學生產(chǎn)生畏難情緒和抵觸情緒，很難激發(fā)學生主動學習、自主學習的興趣，這樣也就無法達到這門課的教學目標。因此，需要對航天探測技術的理論和實驗教學進行必要的改革。

（一）通過演示實驗改善理論學習效果

從航天探測技術以往的教學經(jīng)驗來看，學生的學習主動性普遍不高，這是由于教學的內(nèi)容過于偏向理論性，學生不理解學習內(nèi)容有什么用處，不知道所學習的理論能夠解決什么問題，缺乏對知識的探求欲。因此，激發(fā)學生的學習主動性是取得良好教學效果的重要前提。由于本科生階段注重理論教學，實踐教學環(huán)節(jié)較少，因此學生對于所掌握的基本原理的理解往往過于淺顯，抽象思維能力還不足，因此在教學過程中應當避免大量的公式推導，對于能夠反映基本原理的部分數(shù)學模型應當講深講透，并將數(shù)學模型中的各物理量與物理模型建立聯(lián)系，通過將抽象的概念具體化幫助學生理解相關的理論。為此，在講授理論知識之前，首先通過演示實驗的方式向?qū)W生展示敏感裝置測量的應用，讓學生對將要學習的內(nèi)容有直觀的認識。同時，通過在演示實驗的過程依據(jù)敏感元件的特性設置一些問題，供學生思考和討論，進而再通過講授這類元件或裝置的原理，從而揭示產(chǎn)生某種現(xiàn)象的機理，使得學生能夠更加深入的理解教學的內(nèi)容。例如，在講解航天器姿態(tài)的慣性測量原理時，第一次課在航天學院控制系實驗室進行，利用角速率陀螺和單軸轉(zhuǎn)臺向?qū)W生演示角速率陀螺測量角速度的實驗，使得學生對角速率測量元件有直觀的認識。然后讓學生思考如何利用角速度傳感器估計姿態(tài)，再通過演示實驗向?qū)W生展示由速率積分和轉(zhuǎn)臺光電編碼器測量值的差異，讓學生能夠直觀感受到慣性測量元件累積誤差的特性。在此基礎上，再講解陀螺測量角速度和姿態(tài)的基本原理，引導學生探究產(chǎn)生累積誤差/陀螺漂移的內(nèi)在機制，總結(jié)慣性測量元件測量姿態(tài)的特性。通過互動式、理論與應用相互結(jié)合的教學方式逐步向?qū)W生傳授思考和解決科學問題的方法，增強學生的科研能力。

（二）實驗教學改革

實驗教學一直是高等學校培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、綜合技術應用、創(chuàng)新意識和能力等的重要環(huán)節(jié)和途徑[4]。從實驗課的反饋情況來看，大部分學生對實驗的目的不明確，對實驗過程的認知不夠，大多都是按照實驗指導書和老師的講解和演示進行生搬硬套式的操作，并不能真正提高學生獨立思考的能力。這樣的實驗教學往往無法達到加深學生理解理論知識體系的目的，為了使學生學好航天探測技術這門課，掌握幾種典型敏感裝置工作原理和及其選型的一般方法，必須進行實驗教學的改革。實驗改革的主要的思路是逐步進行自主式、開放式的實驗，減少教師灌輸式、填鴨式講解的授課方式，同時增加學生自主學習和實驗的時間。隨著理論教學的進行，在完成一個教學單元后，以航天應用為背景提出測量的需求，學生通過掌握的理論知識，選擇和設計能夠滿足需求的測量系統(tǒng)，并在實驗室中驗證自己的想法，不斷完善和優(yōu)化設計，從而達到培養(yǎng)學生獨立思考和動手能力的目的。

（三）考核形式改革

傳統(tǒng)的考核方法主要是通過期末考試來進行評定，這種考試方式能夠在一定程度上反應學生掌握課程基本內(nèi)容的情況，但是卻不能充分反映學生平時的學習情況，難以達到促進和掌握學生學習狀況的目的。根據(jù)“航天探測技術”課程的特點和教學經(jīng)驗，本門課程的成績由課堂表現(xiàn)、大作業(yè)和期末考核幾個方面組成。

1.課堂表現(xiàn)。課堂表現(xiàn)主要包括學生在教學過程中的出勤、課堂上的互動和實驗環(huán)節(jié)的動手能力幾個方面的內(nèi)容。在實驗環(huán)節(jié)中主要考核學生是否對所應用的敏感裝置的原理、性能了解，是否能正確分析實驗數(shù)據(jù)并進行誤差處理。這部分成績占學生總成績的30%。

2.大作業(yè)。每個教學單元結(jié)束后都留有大作業(yè)和實驗環(huán)節(jié)。大作業(yè)一般給出幾個與教學單元內(nèi)容相關的題目，學生根據(jù)題目自由探索和學習，重點考察學生自主學習和綜合運用所掌握知識的能力，實現(xiàn)理論知識到實踐技能的遷移。這部分成績占學生總成績的30%。

3.期末考核。期末考核采用閉卷考試的形式，這部分成績占總成績的40%。期末考試主要考察學生對基本概念的理解和綜合運用知識的能力?？荚嚨念}型由填空、簡答和分析計算組成。填空題以航天探測技術的常識性知識為主，主要考察學生對課程所涉及的技術領域的了解程度。簡答題主要考察學生對敏感裝置基本原理的理解，有利于學生梳理課程知識體系和基本概念。分析計算題考察學生綜合運用知識的能力，答案相對開放，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維。

四、結(jié)論

對于航空航天特色院校的探測與控制專業(yè)學生而言，探測技術是專業(yè)理論體系的重要環(huán)節(jié)和重點研究方向，因此學習和掌握航天常用敏感裝置的基本原理和應用技術十分必要。本文針對課程的特點和學生的基本情況，研究和探討了探測技術的教學內(nèi)容、教學思路、教學方法以及考核形式的改革方法。經(jīng)過教學實踐，本文所提出的探測技術教學改革方案能夠促進學生對敏感裝置原理的理解，提高學生綜合運用知識和創(chuàng)新思維，具有良好的教學效果。

參考文獻：

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