國內外“航天電子設計”課程實踐教學對比分析

丁丁 張志洲 李小康

摘 要：從培養高素質創新工程人才的角度，對國內外航天電子設計的課程結構設計和實踐教學方式進行了對比。在課程建設階段，分析了國外知名同類課程教學內容，對理論教學及實踐教學環節進行了規劃設計；在課程教學階段，采用以實踐引導教學的方式，對實踐性教學模式進行了探索。

關鍵詞：創新工程人才；航天電子設計；課程建設；實踐教學

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）05-0005-03

Abstract： To train more high-level innovative engineering talents， this paper compares the design of the course structures and the teaching practice of aerospace electronic design. At the course constructing stage， the teaching contents of the well-known foreign similar courses are analyzed， and the theoretical part and the practice part are programmed separately. At the course teaching stage， the course is led by practice， as well as the practical teaching/learning ways are explored.

Keywords： innovative engineering talents； aerospace electronic design； course constructing； practice teaching

一、概述

為了構建具有我軍特色的世界一流空天科學與工程領域創新人才培養體系，我校空天教學團隊充分調研美國麻省理工學院、美國海軍學院、英國布里斯托大學等國外一流大學空天科學與工程領域教學體系建設特點，深入分析國外一流大學空天類專業人才培養特點與空天軍事人才的培養需求，著重開展空天科學與工程專業人才培養實踐教學體系的改革與建設。《航天電子設計》課程作為空間科學與工程領域空間工程專業的本科生前沿拓展課程，在整個空天科學與工程的課程體系中占用重要地位。特別是在工程能力培養與基礎理論教學、專業素質培養并重的教學理念牽引下，通過調整《航天電子設計》的課程標準、充實教學內容、改進教學方法，在教學過程中全面體現工程化能力和創新能力培養的思路，對培養基礎理論、實驗教學、工程實踐為一體的空天科學與工程專業人才具有重要意義。

本文旨在從創新工程人才培養的角度研究航天電子設計的課程結構設計和實踐教學方式，在課程建設階段，將其與國外知名同類課程進行對比分析，對課程教學及實踐教學環節進行規劃設計；在課程教學階段，采用以實踐引導課程教學的方式，對小班制啟發式實踐教學模式進行了探索。

二、中外課程對比分析

美國麻省理工學院在工程學領域實力雄厚，連續多年在全美工科院校排名中位居第一，特別是其航空航天專業在美國大學專業排名中一直居于一二位，其人才培養理念世界聞名，人才培養體系先進。因此，本文選擇麻省理工開放課程《Prototyping Avionics》（《航空電子原型設計》）與我校空天教學體系中的《航天電子設計》課程進行對比分析，借鑒其經驗，分析其不足，充分結合我校空間專業本科生的現有知識結構，對課程教學及實踐教學環節進行了規劃設計，為進一步優化本科人才培養方案，改革與完善課程體系提供借鑒。

我校《航天電子設計》課程隸屬于設計和應用課程系列，共36學時，其中講授20學時，實驗16學時；另外還包括有綜合實驗課程《航天電子設計課程綜合設計》18學時。課程的總體目標是以航天電子系統為主線，系統地闡述航天電子設計的關鍵技術和開發流程，重點介紹航天電子系統中的器件特性、設計要點和實施步驟，最后落實到印刷電路板（PCB）的設計與焊接調試、模擬星載機設計與應用、太陽電池陣供電與電壓檢測等實踐環節上。

麻省理工《航空電子原型設計》課程隸屬于航空航天課程系列，共56學時，其中講授28學時，實踐28學時。課程目標是培養學員進行航空電子系統設計的必備技能——印刷電路板（PCB）的設計與制作。主要授課內容包括基本元器件使用、常用電路設計、設計軟件使用與焊接/調試以及嵌入式系統設計等知識。

課程的總體設計思想取決于學校相關課程體系設置。電子類課程體系的最終目標是實現從信號處理基礎理論向電子系統工程應用的過渡，整個過渡過程包含信號及電路原理、器件、電路設計和工程應用這幾個由低到高的階段。麻省理工《航空電子原型設計》的目標是實現從元器件級向電路板級的過渡，從而與其他相關課程之間實現重復銜接（見圖1），如《電路和電子》（Circuits and Electronics）、《電子、信號和測量導論》（Introduction to Electronics， Signals， and Measurement）、《模擬電子實驗教程》（Introductory Analog Electornics Laboratory）和《數字系統實驗教程》（Introductory Digital Systems Laboratory）等[1-4]。而我校傳統電子類課程體系中各階段課程設置較為獨立，如《電工與電路基礎》主要介紹電路原理，《模擬電子技術》和《數字電子技術》主要面向器件級電路設計，各課程之間的交叉較少，學員的知識體系結構難以實現從信號及電路原理向工程應用的自然過渡（見圖2）。為了彌補原有課程體系與工程應用聯系不緊密的問題，《航天電子設計》的課程目標偏重于培養學員進行航天電子設計的應用能力，提高動手能力，為從事航天工程實踐打下基礎。在教學內容的設置上，《航天電子設計》以實踐能力培養為導向，使學員從掌握基本電路知識過渡到具有開展航天電子設計實踐的能力。

從與《航空電子原型設計》的教學內容對比上來看，《航天電子設計》的教學內容編排更加注重知識結構的邏輯性，例如通過介紹航天器電子系統的系統結構，將課程前半部分的電子設計基礎知識（如放大器及信號整形電路設計、處理器等）與后半部分的航天電子系統（航天電子接口技術、星載計算機等）聯系起來，幫助學員將先修課程中已學過的基礎知識融會貫通到實際的工程應用中。通過介紹航天電子系統所面臨的特殊空間環境和設計約束條件，幫助學員理解進行航天電子設計所要解決的關鍵問題。一方面，培養學生設計制作印刷電路板（PCB）的基本技能，幫助學生體驗電子工程的實施階段；另一方面，使學生加深理解星載電子系統低功耗、高可靠性等等設計特點與難點。

而《航空電子原型設計》通過介紹分立元件直接轉到電路原理圖與PCB版圖的設計制作，容易使學員缺乏對航空電子原型的基本概念、結構特點等的總體認識，因此并不完全適用于我校航天課程體系。與MIT課程相比，本課程更加注重實際應用，添加豐富的有工程應用背景的案例，理論與實際結合更加緊密，更加注重內容的更新。課程設計目標是建設成一門知識性與實踐性并重、航天特色明顯，對學員電子實踐鍛煉全面的應用類課程。

三、實踐性教學設計

創新工程人才的培養是實踐性很強的教學，需要學生在掌握理論知識的同時，更加注重實踐知識的掌握，更加強調學生在工程情境中解決復雜問題的能力。因此從根本上講，創新工程人才培養模式最終體現為實踐教育理念對教學內容和教學方法的改革[1]。在工程教育中是否注重實踐對于學生的創新精神和創新能力的培養具有決定性的影響。針對這些問題，教育部發布的《教育部關于實施“卓越工程師教育培養計劃” 的若干意見》[4]指出，高校要以強化工程實踐能力、工程設計能力與工程創新能力為核心，著力推動基于問題的學習、基于項目的學習等多種研究性教學方法，加強大學生創新能力訓練。以此為契機，我們對《航天電子設計》課程進行以下方面的實踐性教學設計：

（一）優化內容結構

傳統學科領域人才更加強調系統而嚴密的知識邏輯體系，而在工程領域中卻更加注重解決工程實際問題的能力。為了凸顯以工程實踐為主導的問題本位教學，課程內容的設計應該主要依據航天工程中的實際問題，而非嚴密的學科知識系統。

在課程內容安排上，區別于麻省理工《航空電子原型設計》強調對電子設計基礎技能的掌握，我校《航天電子設計》突出教學重點的同時兼顧航天電子系統的完整性，在有限課時內使學員對航天電子設計既有全面認識，又能夠熟練掌握實踐所必需的基礎知識和必備技能。

課程以航天電子原型系統為主線展開，分為三大部分：第一部分為傳感器單元的前端電子電路設計，主要任務是完成信息的采集與測量；第二部分為數據管理分系統，主要任務是完成信息的處理、存儲及分發，包括星載中央處理控制單元以及一些相應的接口；第三部分為電源分系統，主要任務是向航天器其他各分系統及部件供電。航天電子設計是一個綜合性的問題，本課程的目的在于研究工程方法，培養分析和解決技術問題的能力。因此在有限的40課時以內，不可能對該領域所涉及的內容都進行深入而系統的介紹，而是只在介紹系統基本結構的基礎上，針對專題實驗和綜合設計環節中所用到的硬件部件類型和芯片型號做詳細的介紹，以幫助學員開展動手實踐。

工程人才的培養僅僅通過課堂知識及理論知識的學習是遠遠不夠的，既需要一個動手實踐的環節來提高學生的實踐技能，又需要一個綜合性環節來總結和提升整個專業的理論知識。本課程的實踐教學環節主要由專題實驗和課程綜合設計兩部分組成，隨課堂教學安排專題實驗模塊，并銜接后續課程綜合設計對所學知識進行綜合運用。綜合設計課程依托空間工程實驗室的實驗平臺條件，終極目標是要求學生自行構建一個航天電子原型系統，并以此作為課程基礎知識教學的主線，在AD/DA、編碼錯誤檢測與糾正、測控與數傳等專題實驗模塊的基礎上進行個性化的設計實踐。課程以對典型系統結構、電路、器件的剖析為引導，以我校自主研制的天拓系列小衛星為主體，向學生展示了直觀、完整且操作性強的工程實踐過程，借助對原型系統的深入剖析，使學生牢固掌握航天電子系統的基本原理、研究方法及工程設計思想，達到活學活用的目的，著重培養學生進行航天電子設計的應用能力。

（二）教學方法

在課程教學階段，采用以實踐引導課程教學的方式，充實實踐性教學內容，著重培養學員進行航天電子設計的工程實踐能力，加強創新訓練，對實踐性教學模式進行了探索。

1. 為在有限學時內使學員了解航天電子設計的全貌，對于介紹性內容和實踐相關內容采取不同的教學方法。前者基于多媒體手段進行細致講授。后者以小班制啟發式實踐教學為主，結合實物演示和多媒體手段，在課堂上使學員形成全面、直觀的認識，引導學員在完成作業和實驗的過程中繼續深入掌握其中的細節。根據課程內容安排，選取在實驗室開展日常教學活動，在課堂講授的過程中，穿插安排演示實驗，能夠活躍課堂氣氛，拉近師生之間的距離感，授課過程中遇到問題學員能夠隨時與教員進行交流，及時解決問題。

2. 隨課堂教學同步安排專題實驗模塊。專題實驗模塊側重電路器件的設計，使學員能夠對基本器件和基本電路熟練掌握。隨課程進展同步布置上機操作和實驗，使學員掌握電路開發軟件的使用、電子系統開發流程，硬件開發環境的搭建與使用，為專題實驗模塊和后續的課程綜合設計奠定實踐基礎。

3. 課程綜合設計環節采用小班制啟發式實踐教學模式，要求學生綜合應用在課程中積累的知識、經驗與技能，自行設計、開發并實現一個以星載計算機為核心的功能完整的航天電子原型系統，基本要求是能夠實現AD/DA、編碼錯誤檢測與糾正、測控與數傳等基本功能，能力較強的小組還可擴展如電源管理、姿態控制等其他典型功能。經驗表明，實踐應用性強、知識集成度高的課程綜合設計能夠充分地鍛煉學生的工程創新能力。

四、結束語

工程創新人才培養是實踐型很強的教學，課程建設與教學設計應以加強學生的綜合創新能力和實踐能力培養為出發點。由于學校相關課程體系的設置不同，國外知名同類課程的教學內容和教學模式并不完全適用于我校，在借鑒其經驗、分析其不足的基礎上，對理論教學和實踐教學環節分別進行了設計，啟發引導學員在主動進行工程實踐的過程中提升自我學習狀態，不斷提高工程創新能力。

參考文獻：

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