航空航天專業(yè)開展電子信息實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)設(shè)計(jì)

賈高偉　楊希祥

[摘 要]航空航天事業(yè)的快速發(fā)展迫切需要大量?jī)?yōu)質(zhì)人才。為適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代的新變化新要求，在飛行器總體設(shè)計(jì)課程支撐下，航空航天專業(yè)開設(shè)電子信息實(shí)驗(yàn)課程具有時(shí)代必要性。課題組論述了開設(shè)電子信息實(shí)驗(yàn)課程的必要性、挑戰(zhàn)性，并結(jié)合我校相關(guān)專業(yè)教學(xué)實(shí)踐，基于CDIO模型完成了對(duì)應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)方案制訂，有望為高等院校航空航天學(xué)科實(shí)踐教學(xué)改革提供有益借鑒。

[關(guān)鍵詞]航空航天;本科教學(xué);電子信息;實(shí)驗(yàn)課程

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2021）09-0101-03

我國(guó)航空航天事業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，迫切需要大量?jī)?yōu)秀的人才隊(duì)伍支撐，這對(duì)航空航天尖端科學(xué)技術(shù)人才的培養(yǎng)，提出了更為嚴(yán)格的要求，尤其體現(xiàn)在本科生教育上。航空航天領(lǐng)域具有天然的多學(xué)科交叉融合特點(diǎn)，這是航空航天平臺(tái)系統(tǒng)的綜合要求，也是航空航天領(lǐng)域持續(xù)快速發(fā)展的必然要求。結(jié)合我校空天科學(xué)學(xué)院人才培養(yǎng)特點(diǎn)，傳統(tǒng)的航空航天專業(yè)的本科生基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程實(shí)踐內(nèi)容重點(diǎn)圍繞力學(xué)、熱學(xué)、結(jié)構(gòu)、控制等方面[1-2]，較少有關(guān)于電子信息的實(shí)驗(yàn)，如無線通信實(shí)驗(yàn)、光電/微波載荷實(shí)驗(yàn)等。未開展電子信息類課程實(shí)驗(yàn)的原因主要包括三個(gè)方面：其一是傳統(tǒng)的航空航天專業(yè)學(xué)習(xí)內(nèi)容主要為航空器或者航天器，重點(diǎn)圍繞飛行器平臺(tái)本身的飛行能力和控制能力進(jìn)行授課，尚未涉及通信、載荷等電子信息知識(shí);其二是通信、光電與微波載荷等實(shí)驗(yàn)課程需要具備電子線路、模電/數(shù)電等基礎(chǔ)預(yù)備知識(shí)，航空航天專業(yè)本科生沒有精力全程學(xué)習(xí)，在零專業(yè)基礎(chǔ)的情況下開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)未知性較大，對(duì)授課教師和聽課學(xué)員都具有挑戰(zhàn)性;其三是傳統(tǒng)航空航天學(xué)院的學(xué)科基礎(chǔ)是航空宇航科學(xué)與技術(shù)、控制科學(xué)與技術(shù)，不具備開展電子信息試驗(yàn)的平臺(tái)和硬件。

但時(shí)代的發(fā)展促使航空航天飛行器需要有完成多樣化任務(wù)的能力，這對(duì)載荷、通信等需求變得愈加迫切。本文以航空航天的發(fā)展對(duì)復(fù)合型人才培養(yǎng)的新要求新趨勢(shì)為牽引，分析開設(shè)電子信息實(shí)驗(yàn)課程的必要性以及實(shí)踐的難點(diǎn)，并開展面向?qū)嵺`的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)。

一、航空航天專業(yè)開設(shè)電子信息實(shí)驗(yàn)課的必要性

近年來，航空航天技術(shù)迎來了又一次的高速發(fā)展時(shí)期，商業(yè)航天、臨近空間、無人飛行器等新概念飛行器不斷涌現(xiàn)，呈現(xiàn)勃勃生機(jī)。航空航天快速發(fā)展有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：一是需求牽引的多樣化，如偵察、監(jiān)視、情報(bào)、打擊、干擾誘騙、信息中繼等;二是航空航天技術(shù)的擴(kuò)散導(dǎo)致研發(fā)力量多元化，如微納衛(wèi)星以及無人航空飛行器，研發(fā)門檻降低;三是航空航天與電子信息載荷的高度結(jié)合凸顯明確優(yōu)勢(shì)，如提供光學(xué)視頻信息的微小衛(wèi)星，提供WIFI功能的太陽能無人機(jī)和臨近空間浮空器、具有預(yù)警能力或通信中繼能力的戰(zhàn)術(shù)無人機(jī)等，航天航空飛行器平臺(tái)的設(shè)計(jì)輸入已經(jīng)不僅僅是維持飛行的可靠性，而是逐步演變?yōu)闉閷?shí)現(xiàn)某種電子信息服務(wù)。

在這樣的時(shí)代背景下，有學(xué)者歸納指出，我國(guó)第一代的飛機(jī)總設(shè)計(jì)師大多是學(xué)習(xí)氣動(dòng)專業(yè)出身的，第二代飛機(jī)總設(shè)計(jì)師大多是學(xué)習(xí)控制專業(yè)出身的，而第三代飛機(jī)總設(shè)計(jì)師將是學(xué)習(xí)電子信息專業(yè)出身的。事實(shí)上，專業(yè)之間并無高低之分，而是傳統(tǒng)專業(yè)發(fā)展到一定高水平后，需要通過學(xué)科交叉煥發(fā)出新的活力，而且滿足多樣化應(yīng)用需求已經(jīng)成為航空航天器設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)，這也是新概念飛行器的設(shè)計(jì)源泉。

為了拓展航空航天專業(yè)學(xué)生們的知識(shí)體系，從飛行器總體設(shè)計(jì)的角度，增加電子信息類實(shí)驗(yàn)課程，能夠?qū)⑼ㄐ?、載荷設(shè)計(jì)與應(yīng)用等知識(shí)納入飛行器的需求牽引和初步設(shè)計(jì)中，概括來講，其優(yōu)勢(shì)包括：

1.理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作相比，實(shí)踐操作更容易形成深刻的記憶。在實(shí)驗(yàn)課程框架設(shè)計(jì)上納入電子信息理論與實(shí)踐，并最終落實(shí)于實(shí)踐，能夠幫助學(xué)生們對(duì)電子信息相關(guān)知識(shí)快速形成直觀認(rèn)識(shí)，拓展知識(shí)邊界。

2.飛行器總體設(shè)計(jì)具有多學(xué)科屬性，在實(shí)驗(yàn)過程中，以飛行器總體設(shè)計(jì)為主線，靈活引入電子信息實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，內(nèi)容上主次區(qū)分、重點(diǎn)突出，能夠幫助學(xué)生們節(jié)約精力與時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率。

3.實(shí)驗(yàn)課程實(shí)施中涉及通信、電子與載荷等多樣化設(shè)備，這些設(shè)備有些與現(xiàn)實(shí)生活密切相關(guān)，如可見光/紅外攝像機(jī)、無線通信等，能夠幫助學(xué)生們從應(yīng)用層面激發(fā)新鮮感和創(chuàng)新潛能，從而活躍設(shè)計(jì)思路。

二、跨學(xué)科開設(shè)實(shí)驗(yàn)課的挑戰(zhàn)

（一）專業(yè)基礎(chǔ)差別較大

以通信實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為例，其關(guān)鍵要素包括天線增益、方向圖、無線傳輸模型、信道衰減模型等，這些知識(shí)大多數(shù)為電子信息專業(yè)三年級(jí)專業(yè)授課內(nèi)容，涉及增益、分貝、主瓣寬度、空間衰減、電磁波頻譜與波長(zhǎng)等，而這些概念與名詞對(duì)于航空航天專業(yè)本科生而言很陌生，較多的生僻名詞容易對(duì)學(xué)生帶來較大的抵觸感。

（二）學(xué)習(xí)效益難以保證

對(duì)于跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如果課時(shí)充裕，循序漸進(jìn)補(bǔ)充關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，按部就班開展分階段實(shí)驗(yàn)，則可以保證學(xué)生們學(xué)有所獲。但課時(shí)過多又會(huì)本末倒置，因此要在課時(shí)有限的情況下提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)效益，必須對(duì)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的選擇、組織與實(shí)踐過程有精心設(shè)計(jì)[3-4]，這就對(duì)授課老師提出了更高要求，要求授課老師有復(fù)合型學(xué)緣基礎(chǔ)，能夠熟練駕馭多學(xué)科專業(yè)知識(shí)并深入淺出地教授學(xué)生。

（三）知識(shí)鞏固缺乏手段

在同一專業(yè)內(nèi)開展相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課程，相關(guān)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蛟诙鄠€(gè)課程中互有體現(xiàn)，交叉加深印象，如電工基礎(chǔ)與電子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)[5]、固體力學(xué)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)等，就能使知識(shí)得以鞏固?？鐚W(xué)科條件下，孤立地開設(shè)一門實(shí)驗(yàn)課，缺乏同類型相關(guān)課程的交叉強(qiáng)化，知識(shí)就容易遺忘，這就要求在進(jìn)行實(shí)踐操作之后仍要有文字性的設(shè)計(jì)或筆試來強(qiáng)化。

對(duì)上述挑戰(zhàn)的克服迫切需要合理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)踐過程設(shè)計(jì)，避免學(xué)生們因無基礎(chǔ)產(chǎn)生畏難情緒，因無興趣產(chǎn)生厭倦情緒，因無用途產(chǎn)生抵觸情緒。

三、面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

科學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)踐過程設(shè)計(jì)能夠培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生的構(gòu)思能力、創(chuàng)新能力以及系統(tǒng)性思辨能力。本節(jié)以無人飛行器總體設(shè)計(jì)課程為依托，堅(jiān)持面向應(yīng)用為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)為基本形式[6-7]，基于CDIO（構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行）工程教育理念[8]，介紹相關(guān)的電子信息實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)。圖1展示了基于CDIO的實(shí)驗(yàn)課程整體架構(gòu)：課程構(gòu)思包括課程定位和課程目標(biāo)的設(shè)置;課程設(shè)計(jì)包括實(shí)驗(yàn)原理知識(shí)的組織以及詳細(xì)指導(dǎo)書的編制、校審;實(shí)驗(yàn)實(shí)施主要包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境的設(shè)置以及小組配置與分工協(xié)作;持續(xù)運(yùn)行的重點(diǎn)是建立評(píng)價(jià)機(jī)制，同時(shí)基于無人機(jī)總體設(shè)計(jì)報(bào)告來強(qiáng)化記憶并以此作為實(shí)驗(yàn)評(píng)估的重要部分。CDIO設(shè)計(jì)的另一個(gè)特點(diǎn)是各模塊間可反饋，能夠依據(jù)反饋協(xié)調(diào)課程定位與最終評(píng)價(jià)呼應(yīng)，確保課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（一）課程綜合構(gòu)思

1.實(shí)驗(yàn)課程的定位

實(shí)驗(yàn)課程不能憑空設(shè)置，應(yīng)與某總體設(shè)計(jì)類專業(yè)課程結(jié)合，并以總體設(shè)計(jì)為牽引，因?yàn)榭傮w設(shè)計(jì)具有典型的多學(xué)科屬性，能夠兼容電子信息類專業(yè)知識(shí)，具體如無人機(jī)總體設(shè)計(jì)、臨近空間飛行器總體設(shè)計(jì)等，實(shí)驗(yàn)課程作為對(duì)應(yīng)的配套實(shí)驗(yàn)。飛行器總體設(shè)計(jì)課程涉及內(nèi)容多、知識(shí)面廣，在其內(nèi)安插電子信息的相關(guān)理論介紹與講解比較合適，其一，總體設(shè)計(jì)能為電子信息實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)立提供明確的需求支撐;其二，電子信息類實(shí)驗(yàn)及其內(nèi)置的設(shè)備、教具等又能充實(shí)飛行器總體設(shè)計(jì)的授課內(nèi)容，二者相得益彰。

2.有限的明確的課程目標(biāo)

以無人機(jī)總體設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)包括：

（1）促進(jìn)學(xué)生在飛行器總體設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)過程中通過實(shí)踐掌握無線通信模型、飛行器隱身設(shè)計(jì)基本概念、光電與微波載荷的組成與使用等關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn);

（2）系統(tǒng)性地理解通信、隱身、光電與載荷設(shè)備之于飛行器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的重要作用[5]，通信、隱身、多樣化載荷已經(jīng)成為飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的最終目標(biāo)仍要落腳于提高飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平。

（二）課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

1.突出和組織關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)知識(shí)

圍繞有限而明確的課程目標(biāo)，梳理和飛行器總體設(shè)計(jì)與應(yīng)用密切相關(guān)的關(guān)鍵知識(shí)，如天線性能基本指標(biāo)參數(shù)（增益、方向圖、極化、Friss公式）、通信信道模型、雷達(dá)方程。建立關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)與飛行器總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，天線的選型及設(shè)計(jì)與飛行器的結(jié)構(gòu)外形有關(guān)，而天線的增益能夠影響無人機(jī)的有效通信距離，這便與飛機(jī)的有效航程相關(guān);通信信道模型是無線通信的基礎(chǔ)，同樣決定著飛行器的有效航程;雷達(dá)方程影響飛機(jī)的電磁隱身特性，而隱身處理方法中，依賴外形優(yōu)化所占的比重超過75%[9]，因此又與飛機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)。

通過關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的梳理并結(jié)構(gòu)化關(guān)聯(lián)到飛行器總體設(shè)計(jì)中，能夠形成立體的知識(shí)結(jié)構(gòu)，并牽引具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，滿足飛行器總體設(shè)計(jì)的一般需求。對(duì)于相關(guān)的更深入的知識(shí)點(diǎn)，感興趣的學(xué)生則可以在完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的前提下進(jìn)一步地深入學(xué)習(xí)。

2.重視實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書編制與實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

良好的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)對(duì)做好任何一門實(shí)驗(yàn)課程都是有益的[10-11]，這更適合于跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。預(yù)習(xí)的前提是授課教師編制科學(xué)的合理的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)原理部分，要能夠深入淺出、細(xì)致全面地介紹相關(guān)的電子信息知識(shí)。以無限通信實(shí)驗(yàn)為例，其試驗(yàn)指導(dǎo)書應(yīng)包括無線通信系統(tǒng)基本構(gòu)成、信道衰減公式等基本內(nèi)容，教師可巧妙地利用學(xué)生在大學(xué)物理公共課程中掌握的電磁方面的基礎(chǔ)知識(shí)，以及學(xué)生在現(xiàn)實(shí)生活中接觸的通信經(jīng)驗(yàn)，如手機(jī)WIFI信號(hào)強(qiáng)弱對(duì)上網(wǎng)速度的影響、生活中不同場(chǎng)合的常見天線類型、校園中常見的測(cè)速雷達(dá)等，將原理講解與學(xué)生的現(xiàn)實(shí)體會(huì)相關(guān)聯(lián)，讓學(xué)生產(chǎn)生共鳴，加深印象，提升興趣。

（三）實(shí)驗(yàn)的實(shí)施

分組完成實(shí)驗(yàn)，是高等院校開展綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)的通用辦法[12]，我們繼承了這一有效方式。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置方面，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建一般按照統(tǒng)一的規(guī)范要求落實(shí)。對(duì)于本課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為了激發(fā)學(xué)生們主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、主動(dòng)思考問題和主動(dòng)解決問題的積極性，可以結(jié)合授課教師在飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中積累的豐富工程、科研經(jīng)驗(yàn)，為各組實(shí)驗(yàn)隊(duì)員設(shè)置不同的“障礙”，它有如下幾個(gè)益處：

1.各小組具體面臨的實(shí)驗(yàn)“障礙”不完全一致，可避免各小組之間的抄襲模仿。

2.“障礙”的存在，使得學(xué)生們提高注意力，而不是按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書依葫蘆畫瓢，亦步亦趨。此外，“障礙”能夠激發(fā)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的潛能，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”。

3.試驗(yàn)過程中“障礙”的設(shè)置，都來源于工程應(yīng)用實(shí)際，這樣“接地氣”的實(shí)踐，直接填補(bǔ)了學(xué)生的工程經(jīng)驗(yàn)，有助于學(xué)生在未來的工作中減少出錯(cuò)。

以無線通信實(shí)驗(yàn)為例，“障礙”的組成，可以包括但不限于：天線饋線配接不同的SMA接頭、通信電臺(tái)輻射功率的差異化設(shè)置、利用示波器對(duì)可以隱去標(biāo)簽的衰減器進(jìn)行標(biāo)定等。

（四）形成持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行機(jī)制

1.課程效果的檢驗(yàn)與回顧

回歸到實(shí)驗(yàn)課程的定位，落腳點(diǎn)仍是優(yōu)化完善飛行器的總體設(shè)計(jì)，一種可行的實(shí)驗(yàn)效果檢驗(yàn)方法是完成面向某一具體應(yīng)用的無人飛行器總體設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容不僅包括外形結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)布局、動(dòng)力裝置、飛控方案，也要考慮通信鏈路選取、隱身設(shè)計(jì)、光電與微波載荷的搭載與應(yīng)用以及飛行軌跡設(shè)計(jì)等。通過課程綜合設(shè)計(jì)，可以有效地檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)電子信息實(shí)驗(yàn)課程的掌握，實(shí)現(xiàn)量化的檢驗(yàn)與回顧，這也是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一種強(qiáng)化訓(xùn)練;總體設(shè)計(jì)報(bào)告的最后還設(shè)置了問題反饋環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠反饋在實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題或者提出相關(guān)的建議，這有利于持續(xù)提升該實(shí)驗(yàn)的授課質(zhì)量。

2.科學(xué)、真實(shí)、靈活的評(píng)價(jià)制度

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)內(nèi)容包括執(zhí)行度、完成度、正確率等，而對(duì)本課程實(shí)驗(yàn)除了進(jìn)行傳統(tǒng)評(píng)價(jià)外，還設(shè)計(jì)了特色化的評(píng)價(jià)方案，包括針對(duì)實(shí)驗(yàn)障礙處置的自由得分。相應(yīng)的考評(píng)記錄方式也需要完善，小組間得分由教師按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判，但小組內(nèi)得分則按照每位學(xué)生的實(shí)際貢獻(xiàn)率實(shí)行差異化處置，避免平均主義，減少濫竽充數(shù)現(xiàn)象。

四、結(jié)語

時(shí)代的發(fā)展迫切需要大量具有航空航天飛行器總體設(shè)計(jì)能力的人才隊(duì)伍，本文以推動(dòng)航空航天領(lǐng)域?qū)W生創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)改革為初衷，研究分析了如何在航空航天專業(yè)開設(shè)電子信息實(shí)驗(yàn)課程，以促進(jìn)培養(yǎng)能夠快速適應(yīng)和滿足行業(yè)任職需求的復(fù)合型高水平人才隊(duì)伍。本文總結(jié)了開設(shè)電子信息實(shí)驗(yàn)課程的必要性，闡述了對(duì)應(yīng)的課程設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出了基于CDIO的課程綜合構(gòu)思，創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)效果綜合檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)方案。本文的工作對(duì)其他跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)置同樣具有參考意義。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：鐘 嵐]