国内外“航天电子设计”课程实践教学对比分析

丁丁 张志洲 李小康

摘 要：从培养高素质创新工程人才的角度，对国内外航天电子设计的课程结构设计和实践教学方式进行了对比。在课程建设阶段，分析了国外知名同类课程教学内容，对理论教学及实践教学环节进行了规划设计；在课程教学阶段，采用以实践引导教学的方式，对实践性教学模式进行了探索。

关键词：创新工程人才；航天电子设计；课程建设；实践教学

中图分类号：G640 文献标志码：A 文章编号：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

為了构建具有我军特色的世界一流空天科学与工程领域创新人才培养体系，我校空天教学团队充分调研美国麻省理工学院、美国海军学院、英国布里斯托大学等国外一流大学空天科学与工程领域教学体系建设特点，深入分析国外一流大学空天类专业人才培养特点与空天军事人才的培养需求，着重开展空天科学与工程专业人才培养实践教学体系的改革与建设。《航天电子设计》课程作为空间科学与工程领域空间工程专业的本科生前沿拓展课程，在整个空天科学与工程的课程体系中占用重要地位。特别是在工程能力培养与基础理论教学、专业素质培养并重的教学理念牵引下，通过调整《航天电子设计》的课程标准、充实教学内容、改进教学方法，在教学过程中全面体现工程化能力和创新能力培养的思路，对培养基础理论、实验教学、工程实践为一体的空天科学与工程专业人才具有重要意义。

本文旨在从创新工程人才培养的角度研究航天电子设计的课程结构设计和实践教学方式，在课程建设阶段，将其与国外知名同类课程进行对比分析，对课程教学及实践教学环节进行规划设计；在课程教学阶段，采用以实践引导课程教学的方式，对小班制启发式实践教学模式进行了探索。

二、中外课程对比分析

美国麻省理工学院在工程学领域实力雄厚，连续多年在全美工科院校排名中位居第一，特别是其航空航天专业在美国大学专业排名中一直居于一二位，其人才培养理念世界闻名，人才培养体系先进。因此，本文选择麻省理工开放课程《Prototyping Avionics》（《航空电子原型设计》）与我校空天教学体系中的《航天电子设计》课程进行对比分析，借鉴其经验，分析其不足，充分结合我校空间专业本科生的现有知识结构，对课程教学及实践教学环节进行了规划设计，为进一步优化本科人才培养方案，改革与完善课程体系提供借鉴。

我校《航天电子设计》课程隶属于设计和应用课程系列，共36学时，其中讲授20学时，实验16学时；另外还包括有综合实验课程《航天电子设计课程综合设计》18学时。课程的总体目标是以航天电子系统为主线，系统地阐述航天电子设计的关键技术和开发流程，重点介绍航天电子系统中的器件特性、设计要点和实施步骤，最后落实到印刷电路板（PCB）的设计与焊接调试、模拟星载机设计与应用、太阳电池阵供电与电压检测等实践环节上。

麻省理工《航空电子原型设计》课程隶属于航空航天课程系列，共56学时，其中讲授28学时，实践28学时。课程目标是培养学员进行航空电子系统设计的必备技能——印刷电路板（PCB）的设计与制作。主要授课内容包括基本元器件使用、常用电路设计、设计软件使用与焊接/调试以及嵌入式系统设计等知识。

课程的总体设计思想取决于学校相关课程体系设置。电子类课程体系的最终目标是实现从信号处理基础理论向电子系统工程应用的过渡，整个过渡过程包含信号及电路原理、器件、电路设计和工程应用这几个由低到高的阶段。麻省理工《航空电子原型设计》的目标是实现从元器件级向电路板级的过渡，从而与其他相关课程之间实现重复衔接（见图1），如《电路和电子》（Circuits and Electronics）、《电子、信号和测量导论》（Introduction to Electronics， Signals， and Measurement）、《模拟电子实验教程》（Introductory Analog Electornics Laboratory）和《数字系统实验教程》（Introductory Digital Systems Laboratory）等[1-4]。而我校传统电子类课程体系中各阶段课程设置较为独立，如《电工与电路基础》主要介绍电路原理，《模拟电子技术》和《数字电子技术》主要面向器件级电路设计，各课程之间的交叉较少，学员的知识体系结构难以实现从信号及电路原理向工程应用的自然过渡（见图2）。为了弥补原有课程体系与工程应用联系不紧密的问题，《航天电子设计》的课程目标偏重于培养学员进行航天电子设计的应用能力，提高动手能力，为从事航天工程实践打下基础。在教学内容的设置上，《航天电子设计》以实践能力培养为导向，使学员从掌握基本电路知识过渡到具有开展航天电子设计实践的能力。

从与《航空电子原型设计》的教学内容对比上来看，《航天电子设计》的教学内容编排更加注重知识结构的逻辑性，例如通过介绍航天器电子系统的系统结构，将课程前半部分的电子设计基础知识（如放大器及信号整形电路设计、处理器等）与后半部分的航天电子系统（航天电子接口技术、星载计算机等）联系起来，帮助学员将先修课程中已学过的基础知识融会贯通到实际的工程应用中。通过介绍航天电子系统所面临的特殊空间环境和设计约束条件，帮助学员理解进行航天电子设计所要解决的关键问题。一方面，培养学生设计制作印刷电路板（PCB）的基本技能，帮助学生体验电子工程的实施阶段；另一方面，使学生加深理解星载电子系统低功耗、高可靠性等等设计特点与难点。

而《航空电子原型设计》通过介绍分立元件直接转到电路原理图与PCB版图的设计制作，容易使学员缺乏对航空電子原型的基本概念、结构特点等的总体认识，因此并不完全适用于我校航天课程体系。与MIT课程相比，本课程更加注重实际应用，添加丰富的有工程应用背景的案例，理论与实际结合更加紧密，更加注重内容的更新。课程设计目标是建设成一门知识性与实践性并重、航天特色明显，对学员电子实践锻炼全面的应用类课程。

三、实践性教学设计

创新工程人才的培养是实践性很强的教学，需要学生在掌握理论知识的同时，更加注重实践知识的掌握，更加强调学生在工程情境中解决复杂问题的能力。因此从根本上讲，创新工程人才培养模式最终体现为实践教育理念对教学内容和教学方法的改革[1]。在工程教育中是否注重实践对于学生的创新精神和创新能力的培养具有决定性的影响。针对这些问题，教育部发布的《教育部关于实施“卓越工程师教育培养计划” 的若干意见》[4]指出，高校要以强化工程实践能力、工程设计能力与工程创新能力为核心，着力推动基于问题的学习、基于项目的学习等多种研究性教学方法，加强大学生创新能力训练。以此为契机，我们对《航天电子设计》课程进行以下方面的实践性教学设计：

（一）优化内容结构

传统学科领域人才更加强调系统而严密的知识逻辑体系，而在工程领域中却更加注重解决工程实际问题的能力。为了凸显以工程实践为主导的问题本位教学，课程内容的设计应该主要依据航天工程中的实际问题，而非严密的学科知识系统。

在课程内容安排上，区别于麻省理工《航空电子原型设计》强调对电子设计基础技能的掌握，我校《航天电子设计》突出教学重点的同时兼顾航天电子系统的完整性，在有限课时内使学员对航天电子设计既有全面认识，又能够熟练掌握实践所必需的基础知识和必备技能。

课程以航天电子原型系统为主线展开，分为三大部分：第一部分为传感器单元的前端电子电路设计，主要任务是完成信息的采集与测量；第二部分为数据管理分系统，主要任务是完成信息的处理、存储及分发，包括星载中央处理控制单元以及一些相应的接口；第三部分为电源分系统，主要任务是向航天器其他各分系统及部件供电。航天电子设计是一个综合性的问题，本课程的目的在于研究工程方法，培养分析和解决技术问题的能力。因此在有限的40课时以内，不可能对该领域所涉及的内容都进行深入而系统的介绍，而是只在介绍系统基本结构的基础上，针对专题实验和综合设计环节中所用到的硬件部件类型和芯片型号做详细的介绍，以帮助学员开展动手实践。

工程人才的培养仅仅通过课堂知识及理论知识的学习是远远不够的，既需要一个动手实践的环节来提高学生的实践技能，又需要一个综合性环节来总结和提升整个专业的理论知识。本课程的实践教学环节主要由专题实验和课程综合设计两部分组成，随课堂教学安排专题实验模块，并衔接后续课程综合设计对所学知识进行综合运用。综合设计课程依托空间工程实验室的实验平台条件，终极目标是要求学生自行构建一个航天电子原型系统，并以此作为课程基础知识教学的主线，在AD/DA、编码错误检测与纠正、测控与数传等专题实验模块的基础上进行个性化的设计实践。课程以对典型系统结构、电路、器件的剖析为引导，以我校自主研制的天拓系列小卫星为主体，向学生展示了直观、完整且操作性强的工程实践过程，借助对原型系统的深入剖析，使学生牢固掌握航天电子系统的基本原理、研究方法及工程设计思想，达到活学活用的目的，着重培养学生进行航天电子设计的应用能力。

（二）教学方法

在课程教学阶段，采用以实践引导课程教学的方式，充实实践性教学内容，着重培养学员进行航天电子设计的工程实践能力，加强创新训练，对实践性教学模式进行了探索。

1. 为在有限学时内使学员了解航天电子设计的全貌，对于介绍性内容和实践相关内容采取不同的教学方法。前者基于多媒体手段进行细致讲授。后者以小班制启发式实践教学为主，结合实物演示和多媒体手段，在课堂上使学员形成全面、直观的认识，引导学员在完成作业和实验的过程中继续深入掌握其中的细节。根据课程内容安排，选取在实验室开展日常教学活动，在课堂讲授的过程中，穿插安排演示实验，能够活跃课堂气氛，拉近师生之间的距离感，授课过程中遇到问题学员能够随时与教员进行交流，及时解决问题。

2. 随课堂教学同步安排专题实验模块。专题实验模块侧重电路器件的设计，使学员能够对基本器件和基本电路熟练掌握。随课程进展同步布置上机操作和实验，使学员掌握电路开发软件的使用、电子系统开发流程，硬件开发环境的搭建与使用，为专题实验模块和后续的课程综合设计奠定实践基础。

3. 课程综合设计环节采用小班制启发式实践教学模式，要求学生综合应用在课程中积累的知识、经验与技能，自行设计、开发并实现一个以星载计算机为核心的功能完整的航天电子原型系统，基本要求是能够实现AD/DA、编码错误检测与纠正、测控与数传等基本功能，能力较强的小组还可扩展如电源管理、姿态控制等其他典型功能。经验表明，实践应用性强、知识集成度高的课程综合设计能够充分地锻炼学生的工程创新能力。

四、结束语

工程创新人才培养是实践型很强的教学，课程建设与教学设计应以加强学生的综合创新能力和实践能力培养为出发点。由于学校相关课程体系的设置不同，国外知名同类课程的教学内容和教学模式并不完全适用于我校，在借鉴其经验、分析其不足的基础上，对理论教学和实践教学环节分别进行了设计，启发引导学员在主动进行工程实践的过程中提升自我学习状态，不断提高工程创新能力。

参考文献：

[1]白逸仙.高校培养创业型工程人才的方式研究[D].华中科技大学，2011.

[2]范玉芳，丁吉超.浅谈实践教育理念对于推进教学改革的指导意义[J].高等教育研究学报，2013（1）：8-10.

[3]张亚非，赵俭，华丹.着眼院校转型发展，创新人才培养模式[J].高等教育研究学报，2012（3）：4-6.

[4]教育部.教育部关于实施“卓越工程师教育培养计划”的若干意见（征求意见稿）[Z].2010.

[5]段海滨，龚光红，吴江，等.航空航天院校本科生科研创新团队模式研究与实践[J].电气电子教学学报，2009（31）：76-79.

[6]刘伟，姚莉，杨小亮，等.国内外“空气动力学”课程实践教学的对比分析[J].高等教育研究学报，2010（1）：68-71.

[7]李江霞.以学生为中心、以项目为驱动力、以结果为导向——美国伍斯特理工学院本科工程教育模式创新及启示[J].高等工程教育研究，2010（3）：115-119.

[8]陈国松.我国重点大学本科工程教育实践教学改革研究[D].华中科技大学，2012.