航空航天专业开展电子信息实验课的教学设计

贾高伟　杨希祥

[摘 要]航空航天事业的快速发展迫切需要大量优质人才。为适应网络信息时代的新变化新要求，在飞行器总体设计课程支撑下，航空航天专业开设电子信息实验课程具有时代必要性。课题组论述了开设电子信息实验课程的必要性、挑战性，并结合我校相关专业教学实践，基于CDIO模型完成了对应的教学设计和实验检验方案制订，有望为高等院校航空航天学科实践教学改革提供有益借鉴。

[关键词]航空航天;本科教学;电子信息;实验课程

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2021）09-0101-03

我国航空航天事业的持续快速发展，迫切需要大量优秀的人才队伍支撑，这对航空航天尖端科学技术人才的培养，提出了更为严格的要求，尤其体现在本科生教育上。航空航天领域具有天然的多学科交叉融合特点，这是航空航天平台系统的综合要求，也是航空航天领域持续快速发展的必然要求。结合我校空天科学学院人才培养特点，传统的航空航天专业的本科生基础实验课程实践内容重点围绕力学、热学、结构、控制等方面[1-2]，较少有关于电子信息的实验，如无线通信实验、光电/微波载荷实验等。未开展电子信息类课程实验的原因主要包括三个方面：其一是传统的航空航天专业学习内容主要为航空器或者航天器，重点围绕飞行器平台本身的飞行能力和控制能力进行授课，尚未涉及通信、载荷等电子信息知识;其二是通信、光电与微波载荷等实验课程需要具备电子线路、模电/数电等基础预备知识，航空航天专业本科生没有精力全程学习，在零专业基础的情况下开展相关实验未知性较大，对授课教师和听课学员都具有挑战性;其三是传统航空航天学院的学科基础是航空宇航科学与技术、控制科学与技术，不具备开展电子信息试验的平台和硬件。

但时代的发展促使航空航天飞行器需要有完成多样化任务的能力，这对载荷、通信等需求变得愈加迫切。本文以航空航天的发展对复合型人才培养的新要求新趋势为牵引，分析开设电子信息实验课程的必要性以及实践的难点，并开展面向实践的实验课程设计。

一、航空航天专业开设电子信息实验课的必要性

近年来，航空航天技术迎来了又一次的高速发展时期，商业航天、临近空间、无人飞行器等新概念飞行器不断涌现，呈现勃勃生机。航空航天快速发展有以下几个方面的特点：一是需求牵引的多样化，如侦察、监视、情报、打击、干扰诱骗、信息中继等;二是航空航天技术的扩散导致研发力量多元化，如微纳卫星以及无人航空飞行器，研发门槛降低;三是航空航天与电子信息载荷的高度结合凸显明确优势，如提供光学视频信息的微小卫星，提供WIFI功能的太阳能无人机和临近空间浮空器、具有预警能力或通信中继能力的战术无人机等，航天航空飞行器平台的设计输入已经不仅仅是维持飞行的可靠性，而是逐步演变为为实现某种电子信息服务。

在这样的时代背景下，有学者归纳指出，我国第一代的飞机总设计师大多是学习气动专业出身的，第二代飞机总设计师大多是学习控制专业出身的，而第三代飞机总设计师将是学习电子信息专业出身的。事实上，专业之间并无高低之分，而是传统专业发展到一定高水平后，需要通过学科交叉焕发出新的活力，而且满足多样化应用需求已经成为航空航天器设计的基本出发点，这也是新概念飞行器的设计源泉。

为了拓展航空航天专业学生们的知识体系，从飞行器总体设计的角度，增加电子信息类实验课程，能够将通信、载荷设计与应用等知识纳入飞行器的需求牵引和初步设计中，概括来讲，其优势包括：

1.理论学习与实践操作相比，实践操作更容易形成深刻的记忆。在实验课程框架设计上纳入电子信息理论与实践，并最终落实于实践，能够帮助学生们对电子信息相关知识快速形成直观认识，拓展知识边界。

2.飞行器总体设计具有多学科属性，在实验过程中，以飞行器总体设计为主线，灵活引入电子信息实验内容，内容上主次区分、重点突出，能够帮助学生们节约精力与时间，提高学习效率。

3.实验课程实施中涉及通信、电子与载荷等多样化设备，这些设备有些与现实生活密切相关，如可见光/红外摄像机、无线通信等，能够帮助学生们从应用层面激发新鲜感和创新潜能，从而活跃设计思路。

二、跨学科开设实验课的挑战

（一）专业基础差别较大

以通信实验内容为例，其关键要素包括天线增益、方向图、无线传输模型、信道衰减模型等，这些知识大多数为电子信息专业三年级专业授课内容，涉及增益、分贝、主瓣宽度、空间衰减、电磁波频谱与波长等，而这些概念与名词对于航空航天专业本科生而言很陌生，较多的生僻名词容易对学生带来较大的抵触感。

（二）学习效益难以保证

对于跨学科的实验教学，如果课时充裕，循序渐进补充关键知识点，按部就班开展分阶段实验，则可以保证学生们学有所获。但课时过多又会本末倒置，因此要在课时有限的情况下提高学生们的学习效益，必须对关键知识点的选择、组织与实践过程有精心设计[3-4]，这就对授课老师提出了更高要求，要求授课老师有复合型学缘基础，能够熟练驾驭多学科专业知识并深入浅出地教授学生。

（三）知识巩固缺乏手段

在同一专业内开展相应的实验课程，相关知识和实践经验能够在多个课程中互有体现，交叉加深印象，如电工基础与电子设计实验[5]、固体力学与结构设计实验等，就能使知识得以巩固。跨学科条件下，孤立地开设一门实验课，缺乏同类型相关课程的交叉强化，知识就容易遗忘，这就要求在进行实践操作之后仍要有文字性的设计或笔试来强化。

对上述挑战的克服迫切需要合理的实验内容与实践过程设计，避免学生们因无基础产生畏难情绪，因无兴趣产生厌倦情绪，因无用途产生抵触情绪。

三、面向应用的结构化课程内容设计

科学的实验内容与实践过程设计能够培养和训练学生的构思能力、创新能力以及系统性思辨能力。本节以无人飞行器总体设计课程为依托，坚持面向应用为基础，结构化设计为基本形式[6-7]，基于CDIO（构思、设计、实现、运行）工程教育理念[8]，介绍相关的电子信息实验课程设计。图1展示了基于CDIO的实验课程整体架构：课程构思包括课程定位和课程目标的设置;课程设计包括实验原理知识的组织以及详细指导书的编制、校审;实验实施主要包括实验环境的設置以及小组配置与分工协作;持续运行的重点是建立评价机制，同时基于无人机总体设计报告来强化记忆并以此作为实验评估的重要部分。CDIO设计的另一个特点是各模块间可反馈，能够依据反馈协调课程定位与最终评价呼应，确保课程目标的实现。

（一）课程综合构思

1.实验课程的定位

实验课程不能凭空设置，应与某总体设计类专业课程结合，并以总体设计为牵引，因为总体设计具有典型的多学科属性，能够兼容电子信息类专业知识，具体如无人机总体设计、临近空间飞行器总体设计等，实验课程作为对应的配套实验。飞行器总体设计课程涉及内容多、知识面广，在其内安插电子信息的相关理论介绍与讲解比较合适，其一，总体设计能为电子信息实验课程的设立提供明确的需求支撑;其二，电子信息类实验及其内置的设备、教具等又能充实飞行器总体设计的授课内容，二者相得益彰。

2.有限的明确的课程目标

以无人机总体设计课程实验为例，该实验的目标包括：

（1）促进学生在飞行器总体设计学习过程中通过实践掌握无线通信模型、飞行器隐身设计基本概念、光电与微波载荷的组成与使用等关键知识点;

（2）系统性地理解通信、隐身、光电与载荷设备之于飞行器系统总体设计的重要作用[5]，通信、隐身、多样化载荷已经成为飞行器系统设计的重要部分，实验教学的最终目标仍要落脚于提高飞行器系统设计水平。

（二）课程内容设计

1.突出和组织关键实验知识

围绕有限而明确的课程目标，梳理和飞行器总体设计与应用密切相关的关键知识，如天线性能基本指标参数（增益、方向图、极化、Friss公式）、通信信道模型、雷达方程。建立关键知识点与飞行器总体设计结构网络，如图2所示，天线的选型及设计与飞行器的结构外形有关，而天线的增益能够影响无人机的有效通信距离，这便与飞机的有效航程相关;通信信道模型是无线通信的基础，同样决定着飞行器的有效航程;雷达方程影响飞机的电磁隐身特性，而隐身处理方法中，依赖外形优化所占的比重超过75%[9]，因此又与飞机结构相关。

通过关键知识点的梳理并结构化关联到飞行器总体设计中，能够形成立体的知识结构，并牵引具体的实验内容，满足飞行器总体设计的一般需求。对于相关的更深入的知识点，感兴趣的学生则可以在完成实验任务的前提下进一步地深入学习。

2.重视实验指导书编制与实验预习

良好的实验预习对做好任何一门实验课程都是有益的[10-11]，这更适合于跨学科的实验课程教学。预习的前提是授课教师编制科学的合理的实验指导书。在教学实验原理部分，要能够深入浅出、细致全面地介绍相关的电子信息知识。以无限通信实验为例，其试验指导书应包括无线通信系统基本构成、信道衰减公式等基本内容，教师可巧妙地利用学生在大学物理公共课程中掌握的电磁方面的基础知识，以及学生在现实生活中接触的通信经验，如手机WIFI信号强弱对上网速度的影响、生活中不同场合的常见天线类型、校园中常见的测速雷达等，将原理讲解与学生的现实体会相关联，让学生产生共鸣，加深印象，提升兴趣。

（三）实验的实施

分组完成实验，是高等院校开展综合实验教学的通用办法[12]，我们继承了这一有效方式。在实验环境设置方面，传统的实验环境构建一般按照统一的规范要求落实。对于本课程实验内容，为了激发学生们主动发现问题、主动思考问题和主动解决问题的积极性，可以结合授课教师在飞行器系统设计与应用中积累的丰富工程、科研经验，为各组实验队员设置不同的“障碍”，它有如下几个益处：

1.各小组具体面临的实验“障碍”不完全一致，可避免各小组之间的抄袭模仿。

2.“障碍”的存在，使得学生们提高注意力，而不是按照实验指导书依葫芦画瓢，亦步亦趋。此外，“障碍”能够激发学生发现问题、思考问题、解决问题的潜能，帮助学生实现“做中学”。

3.试验过程中“障碍”的设置，都来源于工程应用实际，这样“接地气”的实践，直接填补了学生的工程经验，有助于学生在未来的工作中减少出错。

以无线通信实验为例，“障碍”的组成，可以包括但不限于：天线馈线配接不同的SMA接头、通信电台辐射功率的差异化设置、利用示波器对可以隐去标签的衰减器进行标定等。

（四）形成持续稳定的运行机制

1.课程效果的检验与回顾

回归到实验课程的定位，落脚点仍是优化完善飞行器的总体设计，一种可行的实验效果检验方法是完成面向某一具体应用的无人飞行器总体设计。在设计过程中，总体设计的内容不仅包括外形结构、气动布局、动力装置、飞控方案，也要考虑通信链路选取、隐身设计、光电与微波载荷的搭载与应用以及飞行轨迹设计等。通过课程综合设计，可以有效地检验学生对电子信息实验课程的掌握，实现量化的检验与回顾，这也是对所学知识的一种强化训练;总体设计报告的最后还设置了问题反馈环节，学生能够反馈在实验过程中遇到的问题或者提出相关的建议，这有利于持续提升该实验的授课质量。

2.科学、真实、灵活的评价制度

传统的实验评价内容包括执行度、完成度、正确率等，而对本课程实验除了进行传统评价外，还设计了特色化的评价方案，包括针对实验障碍处置的自由得分。相应的考评记录方式也需要完善，小组间得分由教师按照统一标准评判，但小组内得分则按照每位学生的实际贡献率实行差异化处置，避免平均主义，减少滥竽充数现象。

四、结语

时代的发展迫切需要大量具有航空航天飞行器总体设计能力的人才队伍，本文以推动航空航天领域学生创新实践教学改革为初衷，研究分析了如何在航空航天专业开设电子信息实验课程，以促进培养能够快速适应和满足行业任职需求的复合型高水平人才队伍。本文总结了开设电子信息实验课程的必要性，阐述了对应的课程设计要点，提出了基于CDIO的课程综合构思，创新了实验效果综合检验与评价方案。本文的工作对其他跨学科实验课程的设置同样具有参考意义。

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[责任编辑：钟 岚]