航空宇航類研究生測試技術課程教學改革探索

劉向陽 謝侃 王寧飛

摘 要：研究生測試技術課程是本科課程的深化與延伸，強調以創新和實踐能力培養為核心的知識體系廣度與探索實踐。文章以北京理工大學為例，闡述了研究生測試技術課程“航空宇航測試與試驗技術”的教學改革思路，并分析了教學改革的成效。

關鍵詞：航空宇航；測試技術；教學改革；研究生

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2016）11-0001-04

測試技術課是工程類專業的主干專業基礎課，對于學生的動手實踐和試驗探索能力培養具有非常重要的意義。該課程是一門綜合性和實踐性很強的課程，在教學過程中必須有效兼顧知識傳授的廣度和深度、試驗探索的理論與實踐兩對矛盾[1]。通常在本科和研究生層次上都會開設相應的課程。

創新能力培養已成為研究生教育改革的基本問題，應將其貫穿于包括課程教學在內的研究生培養的各個環節[2]。研究生創新能力的培養不僅影響高等學校知識創新的水平， 也關系國家未來的整體創新能力[3]。近年來，隨著航空宇航事業的迅猛發展和公眾對航空宇航的認知提升，研究生學歷已經成為從事航空宇航技術工作的基本條件，越來越多的學生跨專業進入航空宇航類專業的研究生行列。培養具有創新能力的航空宇航專業研究生對于提升我國航空宇航領域的技術實力和國際競爭力具有非常重要的意義。鑒于測試技術本身具有很強的實踐性，因此有必要探索能激發研究生積極思維和主動參與、具有航空宇航特色的測試技術課程教學模式，使測試技術課程教學成為培養研究生創新和實踐能力的重要環節。

關于本科階段測試技術課的教學改革和實踐，國內諸多學者進行了卓有成效的探索。針對機械工程與自動化及相關專業“測試技術”精品課程建設的需要，劉進志等從教學資源建設、師資隊伍建設、教學內容革新、實踐教學模式改革等方面進行了探索。王豐在“機械工程測試技術”課程體系優化、優質資源開發、教學技術改進、實驗內容建設、工程素養和創新能力培養等方面進行了一系列改革與實踐[4]。以培養學生綜合應用能力為目標，李孟源等提出了強化測試技術實踐教學的新思路，并在河南科技大學的教學過程中進行了實踐[5]。賀德全對通信、電子信息、測控工程專業測試技術課“現代測試技術及應用”的教學改革進行了有益的探索，提出了課程改革的新思路[6]。王鵬等對應用電子技術、信息工程、測控技術與儀器等專業的測試技術課“自動測試系統”課程建設進行了探索，在教學隊伍、教學內容、教學方法與教學手段、教材建設、教學管理和實踐教學等方面開展了教學改革實踐[7]。

不同于本科測試技術課程，研究生測試技術課更強調以創新和實踐能力培養為核心的知識體系廣度和試驗探索實踐。課程教學應充分借鑒國外頂尖高校的先進經驗，強化前沿性、研討性和實踐性等教學環節，激發學生主動參與和積極思維的創新意識，為學生創新實踐能力的培養提供充足的教學空間[8]。然而遺憾的是，如何對研究生測試技術課進行改革以適應創新實踐能力的培養需求在國內還是空白，更遑論航空宇航這樣具有鮮明專業特色的研究生測試技術課程的教學改革。

有鑒于此，本文以北京理工大學 “航空宇航測試與試驗技術”課程為樣本對航空宇航類專業研究生測試技術課程的教學改革進行了探索。在分析該課程的培養需求和教學目標基礎上，本文提出了課程教學改革思路和詳細的教學環節設置，總結了依托課程網站、科研課題和實驗室設備進行課程教學改革的經驗和實踐效果，以期對國內高校航空宇航類專業及類似專業的研究生測試技術課教學改革有所啟發。

一、培養需求分析

“航空宇航測試與試驗技術”是北京理工大學宇航學院為航空宇航科學與技術專業開設的一門主干技術基礎課，是學術型碩士研究生、全日制碩士專業學位研究生以及本科起點博士的專業必修課。課程課內計劃學時為54學時，考核方式為平時考核與期末考試相結合的方式。其中，平時考核占70%，期末考試占30%。在測試技術、航天技術概論等課程學習的基礎上，本課程旨在構建合理的課程知識體系，著力培養研究生在航空宇航領域的創新和實踐能力，為培養肩負航空航天事業發展重任、理論與工程并重的高層次研究人才奠定必要的基礎。

表1給出了近3年來課程的選課情況。需要說明的是：除表中明確列出的四個方向外，學術碩士生和本科起點博士生的研究方向還包括航空宇航制造及其自動化和振動與噪聲控制兩個方向，專業碩士生的研究方向還包括發射理論與技術、材料與結構力學和空氣動力學三個方向。因人數較少，為簡化需求分析，表中將這些方向統一歸入其他項。從表1可以看出，本課程的選課研究生逐年階梯式上升，課程的重要性和效果得到了研究生的廣泛認可；選課研究生涵蓋了北京理工大學航空宇航科學與技術專業的主要研究方向和三個不同層次的研究生。因此課程內容需要精心設計，以滿足不同方向和不同層次研究生的學習需求。

與其他類型專業不同，航空宇航科學與技術是針對工程應用背景設置的專業。各研究方向的基礎知識和應用領域涵蓋很大的技術范疇，跨越機械、電子和信息等多個不同的領域，相應的測試需求也存在很大的差異。表2給出了主要研究方向的專業背景和測試需求。事實上，就本科層次而言，機械、電子信息、測控與儀器等不同專業類型的測試技術課程教學的側重點和教學內容也存在很大的差別。本課程的教學目標需要充分考慮相關方向研究生在專業基礎、應用背景和測試需求等方面的差異。

表2 主要研究方向專業背景及測試需求

鑒于航空宇航科學與技術專業具有專業涉及面寬、創新性強和測試需求明確等特點，本課程的教學目標定位在：（1）深化有關測試的基礎知識和理論，介紹相關研究方向測試技術發展前沿，兼顧深度與廣度、經典與現代兩對矛盾，構建合理的課程知識體系，激發研究生的主動參與熱情；（2）以測試系統設計和調試為手段，強化以知識應用為特征的實踐能力培養；（3）以文獻閱讀和

探索研究為手段，通過體會和體驗方式培養創新能力。

二、教學改革思路與措施

根據以上教學目標，本課程在北京理工大學精品課程建設項目的支持下，對“航空宇航測試與試驗技術”課程的教學進行了改革，期望通過優化課程教學過程，適當壓縮理論教學課堂授課內容，借助科研和實驗室優勢強化前沿性、研討性和實踐性教學環節，提升課程教學效果。

本課程的教學主要由理論教學、專題討論、測試系統設計和自選試驗四個環節組成。

根據教學計劃，理論教學應著力于深化測試與試驗的基礎知識和理論以及介紹本專業測試的工程需求，主要包括測試基礎理論及其應用和航空航天試驗技術兩個部分。具體內容為測試基礎理論、數據采集與虛擬儀器技術、測試系統設計及評估、航空航天試驗概述、航天測控系統、空間環境試驗技術、飛行試驗技術。其中，前三者主要著眼于深化測試與試驗的基礎知識和理論，后四者主要是幫助研究生了解其所在研究方向的測試需求。理論教學在實施過程中主要存在兩個方面的問題。一方面，選修本課程的研究生的基礎有較大的差異。在選修本課程的研究生中，部分是本校本專業的本科畢業生，選修過類似課程，對專業應用背景和測試需求已有一定的了解，但也有相當部分的研究生是跨專業的，對測試基礎知識和理論了解較少，對專業應用背景和測試需求了解不多。另一方面，理論教學學時有限和不同方向的研究生興趣差異也是需要考慮的問題。基于以上考慮，理論教學采用課堂講授和課后自學相結合的方式進行。對理論性較強的、各研究方向有共同興趣的內容采用課堂講授；對其他內容，依托精品課程項目支持建設的課程網站開展教學，以自學為主，通過網上測驗和答疑等方式幫助研究生檢驗和鞏固學習效果。

專題討論是兼具研討性和前沿性特點的綜合性重點教學環節，對構建研究生課程知識體系廣度、提高創新意識以及體會創新過程具有重要的作用。根據研究生人數的不同，本環節占本課程的教學總學時的1/3—1/2。專題討論要求研究生結合專業方向、課題組科研項目、參研課題或者個人感興趣領域的測試需求進行調研，以近5年內發表的重要文獻為主，完成專題報告，并在課堂上進行時長為20分鐘的講述以及現場質詢。現場質詢時，先由其他研究生根據自己的理解提出問題，教師補充提問和做最后的評價總結。原則上，專題報告必須有與測試相關的思考和分析，并應提交最終的電子文檔。教師根據研究生的報告以及現場回答情況給出相應的評定成績。研究生在他人報告的現場質詢環節所提出的問題的質量將作為其成績評定的重要組成部分。為便于研究生完成選題、搜集材料以及準備專題報告，教師會在課堂上結合自身的科研積累進行相應的專題報告，并給出選題方向和專題范例供研究生參考。

測試系統設計是針對實踐能力培養的教學環節，目的在于強化測試系統設計能力，是在本科課程基礎上對研究生知識應用能力的進一步深化。該環節分為兩個階段。一是教師在課堂上對若干個典型設計范例由淺入深地講解，采用互動教學方式加深研究生對設計難點的理解。課堂教學時共選用3個設計范例。其中，第1個范例較簡單，教師通過仔細講解使研究生對設計流程有所了解；后面進行更接近工程實際的兩個范例教學時，教師先給出設計題目，研究生若干人為一組討論后推薦1人作為代表在黑板上寫出設計結果，教師在課堂上組織學生對各組的設計結果進行充分討論后給出參考答案和總結，以突出設計難點和其解決思路。二是在上述基礎上，研究生自主選擇設計題目，教師通過對研究生提交的設計作業存在的典型問題進行點評，有針對性地糾正存在的共性問題。

不同于本科測試技術課程的實驗環節，自選試驗環節屬于研究性的試驗項目，是兼具前沿性和實踐性特點的綜合性環節，也是研究生體驗創新的重要途徑。整個試驗過程，研究生自主選題，自由組合，自行組織管理。試驗沒有確定的答案和結果，要求研究生若干人（一般4—6人）1組圍繞課題組科研項目、參研課題、實驗室特定設備和自己感興趣的主題開展試驗。自選試驗中發現問題、分析問題和解決問題的過程即是研究生體驗創新的過程。根據需要，學校可以適當資助研究生自行購置試驗器材，搭建測試系統開展試驗。教師通過選題討論、疑難解答和報告評定等方式管理和控制試驗進程和教學質量。

各教學環節與教學目標的關聯如圖1所示。由圖1可以看出，改革后各教學環節更有利于強調知識廣度和現代前沿的課程知識體系構建，并且設置的測試系統設計、專題討論和自選試驗三個環節大幅增加了前沿性、研討性和實踐性教學內容，有效加強了研究生創新能力和實踐能力的培養，形成了鮮明的航空宇航教學特色。這具體體現在以下幾個方面。

（1）通用與特色有機結合的教學內容、基礎與前沿并重的教學思路是構建課程知識體系的保障。一方面，本課程的教學內容在強調通用測試技術的基礎上更注重航空宇航特色，大多與專業應用背景有關，能夠有效激發研究生的專業學習興趣，并為研究生從事相關試驗工作奠定基礎。另一方面，理論教學安排注重夯實研究生的理論基礎，專題討論可使研究生了解先進測試技術的發展情況及其在航天領域的應用前景。

（2）高度參與互動的教學模式是創新能力培養的前提。創新意識是創新能力的基礎，獨特的互動教學模式有效激發了研究生的主動參與和積極思維的創新意識。本課程超過1/3的學時是圍繞專題討論展開的，課程要求研究生必須主動參與討論，同時，教師要將提問情況作為考評標準之一。此外，試驗環節也要求研究生相互協作，共同完成預定的試驗項目。

（3）理論與應用緊密結合的教學方式是實踐能力培養的基礎。測試技術課程是一門以知識應用為導向的實踐型課程。本課程設置的專題討論、測試系統設計以及自選試驗三個環節占整個課程學時的2/3以上，為研究生應用測試理論和基礎知識的學習提供了充分發揮想象力和創造力的展示平臺。

三、教學改革的成效

改革后的課程學時分配及考核情況如表3所示。借助于圖2所示的具有良好互動性的課程網站，課程的理論教學學時被壓縮到10學時。除了《測試基礎理論》、《測試系統設計與評估》以及《航空航天試驗概述》三章在課堂上講授以外，其余的理論教學內容均被安排為自學。這種安排方式充分保證了其他三個教學環節（特別是專題討論環節）的學時，為優化課程教學奠定了基礎。

表4給出了近三年專題討論選題的統計分析結果。需要說明的是：表中的“結合研究方向”是指研究生所選的題目能夠結合本學科各研究方向的應用需求。“結合前沿”是指研究生所選的題目能夠結合測試技術的發展前沿。“結合科研”是指研究生選題為所在課題組此前開展的科研工作。研究生可通過查閱前人公開發表的論文和已畢業研究生的學位論文了解，也可通過與導師或者高年級研究生的交流理解項目深層次的技術問題。“結合課題”是指研究生所選題目與該研究生作為主要參與人參加的研究課題有關。由表中數據可以看出：絕大多數專題都能夠結合研究方向，有助于研究生對專業前沿和工程需求的理解與把握。這主要得益于專題準備階段指導教師對選題的嚴格把關和有意引導研究生盡量選擇與研究方向相關的題目。專題中也有相當比例的題目結合科研或者課題。尤其是結合課題的專題，由于研究生親自參與了課題，有深刻的實際體驗，報告效果極佳，也易于激發課堂討論。需要說明的是：結合課題的選題數量基本保持不變，這主要是后續選課的飛行器總體設計和航天器系統與自主技術方向研究生相對接觸試驗性質科研項目較少以及部分研究生課題暫時沒有確定的緣故。

表5給出了2014年度自選試驗分析結果。由統計結果可以看出：絕大多數試驗選題都是結合科研、課題和實驗室設備進行的，并且有相當部分試驗使用了專業實驗室的重大實驗設備。自選試驗的調試過程對研究生發現、分析和解決問題的能力提出了挑戰。通過參與自選試驗，研究生了解了先進設備的用途和前沿課題的試驗需求。由于所參與的課題是前沿的，部分試驗獲得的結果本身就具有創新性。這表明，通過依托專業實驗室的科研儀器設備，自選試驗取得了良好的教學效果。

依托互動良好的課程網站、反映學科前沿的科研課題以及強大的實驗室科研設備，“航空宇航測試與試驗技術”課程教學改革壓縮了理論教學的學時，并通過專題討論、測試系統設計和自選試驗等三個教學環節，為研究生構建了合理的課程知識體系，加強了研究生創新能力和實踐能力的培養力度，取得了良好的教學效果。本課程的教學改革探索開辟了新的航空宇航類專業研究生測試技術課教學模式，也可為類似專業教學改革探索提供有益的借鑒和參考。

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