航天器总体设计课程教学的若干问题探索

摘 要：航天器总体设计课程是一门多学科交叉的系统工程技术。结合航天器总体设计课程的特点与其他院校教学改革的先进经验，从教材内容、教学方法、双语教学、考评方式等多方面分析了目前该课程教学中存在的问题，并分别提出了具体改革方案，部分方案经教学工作实践，取得了良好的效果。

关键词：航天器；总体设计；教学方法

Probing into some problems on teaching of spacecraft systems engineering

Wen Xin, Xiong Wu, Wang Yazhou, Jin Zhecheng, Zhao Yang

Nanjing university of aeronautics and astronautics, Nanjing, 210016, China

Abstract: Spacecraft systems engineering is an integrated course that combines multi-disciplines and technology development. according to the characteristics of the course and the valuable teaching experiences of other universities, the paper analyzes the existing problems of the lesson on teaching contents, teaching methods, evaluation methods and bilingual teaching were proposed. Some of the reformative schemes have been put into practice and obtained good teaching results.

Key words: spacecraft; system engineering; teaching methods

1 航天器总体设计课程的内涵

航天器总体设计中的“总体设计”一词是“中国航天之父”钱学森给出的定义，英文是“System Engineering”，所以学术界又称“航天器总体设计”为“航天器系统工程”。

什么是“总体设计”或“系统工程”？钱学森说它是一种科学方法，美国学者说是一门科学，还有专家说它是一门特殊工程学，但大多数科学家认为是一种管理技术。

航天器总体设计课程以航天器系统为基础，主要论述航天器系统级方面的问题，它所涉及的对象是工程大系统，所涉及的知识深度局限于设计最优大系统需要，所涉及的知识领域包含“机、光和电”等十几个技术的交叉学科。所以，“航天器总体设计”课程是培育航天器设计领军人才的专业课。

2 航天器总体设计课程的特征

从理论角度看，航天器总体设计属于系统工程范畴，涉及的对象是工程大系统。从航天任务角度看，航天器总体设计是探索、开发和利用太空以及太空以外天体的综合性工程技术，是集诸多科学领域之大成，它的发展又反过来促进各个学科领域向前发展。

航天器总体设计课程的内容包括航天任务分析、航天器环境分析、总体设计概述、总体方案设计、姿态与轨道控制系统、轨道动力学、运载器、地面测控站、通信系统、电源系统、结构与机构、电磁兼容性、地面测试和产品可靠性等。所以，不难看出，航天器总体设计课程的目标是使学生通过本课程的学习，基本了解航天器总体方案设计的方法，初步具备在任务分析基础上构思航天器总体方案的能力，如有能力和信心去挑战中国航天五院举办的“超越杯”竞赛。

3 航天器总体设计课程的教材

鉴于世界上最著名的自然科学方面的教材，几乎都是在剑桥、牛津和麻省理工学院这样的名校诞生的，所以，我校航天器总体设计课程选用的教材是由Peter Fortescue等人编写、WILEY出版的“Spacecraft Systems Engineering”[1]。该书从航天器系统级角度分析和论述了总体设计问题，包括航天器环境、任务分析和系统工程，以及系统设计中的核心子系统，如机构、电气、推进、热、控制、装配集成和测试试验等。

“Spacecraft Systems Engineering”最初源于欧洲Southampton大学的短期培训讲义，该讲义是20世纪70年代为毕业后希望成为航天器系统设计工程师的学生而编写。该书至今已经修订再版4次，每次都组织近30位专家和专业教师参加修订和编写。第一版是在“航天器系统”讲义基础上编写而成；第二版是在广大读者反馈意见基础上，进行修改完善；第三版是在新技术发展的推动下，特别是在小卫星的“重量轻、性能好、研制周期快、造价低”的理念技术推动下，为了适应先进技术发展的需要，进行修订；第四版是在原来基础上，每章内容都有所删减和增加，另外还增加了《航天器装调、集成和试验验证》一章。显而易见，在过去40年的时间里，由于作者的不断修订和更新，该书始终保持内容新颖和技术先进的状态。

“Spacecraft Systems Engineering”一直是国外著名大学航天器系统工程课程的教材或主要参考书，如麻省理工学院、高等航空航天学院(法国)、和帝国理工学院(英国)等[2]。

对于我校的航天器总体设课程来说，选择该书的理由有三点：第一，能从总体上反映课程的知识结构，包括各方面的知识点和拓展的需要；第二，有助于学生的学习，知识的来龙去脉交代清楚；第三，符合48学时的授课需要。

4 航天器总体设计课程的研讨式教学

航天器总体设计课程在我国高校开设多年，随着很多高校多媒体教学条件的完善，航天方面的纪录片和故事片走进了课题[3]，当然也走进了航天器总体设计的教学中。实践证明，由于航天器总体设计内容庞杂，传统的教师讲、学生听以及看电影的灌输式教学方法，造成学生食而不化。鉴于航天器总体设计课程的性质和特征，现采用目前国外比较流行的“研讨式教学方法”与“基于问题的授课方式”相结合的方式，在教学实践中取得较好效果。在研讨式教学过程中，教师给出问题及答案，让学生积极地寻找中间的解答过程，教师和学生共同以研究探讨的形式完成课程教学任务[4]。航天器总体设计涉及的学科范围非常广泛，带着问题教和学，通过互动教学环节，可以引导学生围绕航天器设计任务进行研究型学习，如通过航天器电源结构与机构的设计学习空间环境的危害，这些问题无疑会引导学生自觉地理解和掌握系统性的知识，这不仅帮助学生“学会”了一门课程，而且还使学生掌握了“会学”的能力。

5 航天器总体设计课程的考核方式

传统的闭卷考试能够延续至今，有其自身优点，但针对航天器总体设计课程的特征和内容而言，完全采用这种闭卷考试方式，很难评估学生的真正水平。该课程除了应该检查学生了解和掌握其系统级知识外，还应考查学生对总体设计水平和系统指标的把握能力，以及在多种约束条件下的优化设计综合能力、语言表达和综述能力。

我校在航天器总体设计课程考核方式方面，进行了改革尝试，加大了研究型学习的评价权重。考核的总评成绩满分为100分，其中，期末试卷重点考查基本概念的理解、系统设计方法与步骤，其试卷成绩占总评成绩的30％；课外作业，如方案设计、大论文、小论文等，占总评成绩的50％；口头汇报中的表达能力，即方案设计的讲演占总评成绩的20％。这样的考核方式不仅可以促进学生平时对课程的投入，还能提高学生在总体设计方面的综合能力，保证了课程培养目标的实现。

6 航天器总体设计课程双语教学

双语教学是我国高等教育与国际接轨的必然趋势，是培养适应21世纪社会发展高素质人才的需要。美国在航天器研究的多数领域都处于遥遥领先的地位，而我国航天器研究起步较晚，有许多地方需要向发达国家学习和借鉴。所以对航天器总体设计课程，开展双语教学是非常必要的。

我校航天器总体设计课程的双语教学，根据学生的实际英文水平和开展双语教学的不同阶段确定在教学中英文所占的比例，同时以此为主要依据调整学时分配。另外，为了帮助学生理解，在“Spacecraft Systems Engineering”为主要教材基础上，再给学生推荐一本国内出版的教材，即《航天器系统工程》。该书由航天五院总师谭维炽和胡金刚主编，他们组织十几位专家参考国外教材“Spacecraft Systems Engineering”的编写模式，并结合中国航天器研制背景，编写出版了本教材。这两本书的编写思路和技术用语基本类似，这样学生在阅读教材的时候不用把精力浪费在学习不同称谓的专业词汇上。

另外，我校航天器总体设计课程开展双语教学的目的，不仅仅是教给学生英语或者专业知识，而是用英语去认知航天器专业领域的前沿知识和科技发展，培养学生接受最新专业知识的能力。

参考文献

[1] Peter Fortescue,John Stark,Graham Swinerd.Spacecraft Systems Engineering 4th Edition[M].WILEY,2011.

[2] 英国帝国理工学院[EB/OL].www3.inperial ac. uk /ugprospectus.

[3] 朱宪伟,杨夏.国际一流航空航天类专业人才培养体系特点分析[J].高等教育研究学报,2011,34:43-45,50.

[4] 刘俊.基于任务的教学法初探[J].上海电机学院学报,2006,S1:65.