“航天器再入返回控制”項目式教學探索與實踐

都延麗，劉燕斌

（南京航空航天大學航天學院 江蘇 南京 211106）

“航天器再入返回控制”是針對新工科專業“飛行器控制與信息工程”高年級本科生的一門專業課程，主要介紹航天器再入返回地球大氣層的控制技術，具體內容包括：航天器再入返回基本概念、再入段飛行力學方程的建立、再入姿態控制器的設計、反作用控制系統與氣動舵面的復合控制、再入制導概念與設計方法等。通過本課程的學習，學生對航天器再入返回的控制理論和技術有較為全面的認識，為今后從事相關領域的研究和技術工作打下堅實基礎。同時，本課程依托南京航空航天大學“航天進入減速與著陸技術重點實驗室”，進一步加強學生多學科理論知識的融合能力和科研項目的設計與實踐能力，力求培養理論基礎扎實、工程實踐和創新能力強的航天領域高素質專門人才，為國家的航天事業做出貢獻。

1 課程教學特點

“航天器再入返回控制”課程難度較大，綜合性強，不僅需要理論力學和自動控制原理作為基礎鋪墊，還需要培養學生的系統設計能力與工程實踐能力。課程中涉及的再入飛行力學和控制、制導理論橫跨“航空宇航科學與技術”以及“控制科學與技術”兩個學科。它們都屬于抽象嚴謹的理論內容，包含較煩瑣的公式推導過程。若采用傳統的課堂講授式方法，學生難免會被紛繁復雜的數學公式弄得暈頭轉向，某種程度上產生厭學和抵觸情緒。因此，為滿足新工科專業對創新性、跨學科融合、強實踐能力的人才培養需求[1]，有必要對本課程傳統的教學方式進行改革。

“航天器再入返回控制”課程的特點決定了其教學方式需要理論緊密聯系實踐，邊講邊練，航天特色顯著也使得本課程便于同航天任務和項目建立關系以激發學習興趣，因此，課程團隊采用了“項目式”教學方法來開展教學改革工作。在該教學法中，學生不再是被動的知識接受者，而是知識與能力的主構建者，教師承擔的作用也不再是灌輸者，而是構建過程中的引導者[2]。項目式教學有幾大突出特點：首先，它以項目為內在邏輯來組織教學內容，教學方法主要是項目引導和任務驅動；其次，它分別有明確的和自主的項目任務，強調以學習者為中心，賦予學生更多的自主性；第三，理論與實踐緊密結合，學生從項目的操作實踐中、從解決項目的具體問題中構建自己的知識體系，從而形成高階學習能力[3]。

本課程的改革著力將上述特點貫穿于教學目標、教學內容、教學方法、思政教育以及考核評價五方面的教學設計工作當中。

2 課程教學設計與方法

2.1 教學目標設計

本課程以某高超聲速再入飛行器控制系統設計的科研項目為背景，教學目標總體是：以科研項目的構思-設計-實現-運作過程為載體組建航天器再入返回控制理論的知識體系，將學科前沿、工程實踐融入教學全過程，實現學習過程與科研實踐過程的對接，在多個子項目的實踐中促進學生知識、能力和素質的融合培養，同時使學生樹立再入飛行控制全系統協同創新的思想，最后通過綜合設計訓練來鍛煉學生團隊合作能力。具體理論知識、能力和素質的對應關系如表1 所示。

表1“航天器再入返回控制”理論知識與能力、素質的對應關系

2.2 教學內容設計

表1 中的理論知識基于升力式再入飛行器控制與制導系統的實際設計過程，以該設計過程為內在邏輯形成了本課程的教學內容體系，其中包含若干密切聯系的教學模塊。課程教學本著從易到難、由淺入深、循序漸進的原則來設計教學模塊的順序并組織項目實踐。圖1 是某高超聲速飛行器HSV[4]再入飛行控制大系統的總體框架，教學模塊①-⑤明確體現在各個子系統的設計過程當中。教學團隊按照圖1 中標號①-⑤的順序來開展教學工作（圖中CD 表示綜合設計）。

圖1 實際科研項目與課程教學模塊的邏輯關系

根據教學模塊①-⑤設計了如表2（p58）所示的學生項目實踐內容。

表2 “航天器再入返回控制”課程的項目任務表

2.3 教學方法設計

圍繞上述教學目標和內容，本課程主要采取“項目引導，任務驅動”的教學方法，實施“教、學、做”一體化的教學模式，以學生為主、教師為輔的任務驅動方式來構建整個教學過程，促使學生從“被動學習”向“主動學習”轉變。此過程由視頻教學、課堂理論教學、項目實踐教學共同組成。視頻教學于課下完成，課堂理論教學與項目實踐（軟件編程為主）在課堂中進行，邊教邊學邊做。

2.3.1 視頻教學

由于項目式教學需要在課堂上為學生提供充足的項目實踐內容，故一部分基礎的理論知識點需要學生在課下提前學習。本教學團隊制作了基礎知識點的教學視頻，形成了多個微課單元，每個不超過15 分鐘。微課教學視頻須邏輯清晰、重點突出，淺顯易懂，重視趣味性和觀賞性，以激發學生的學習興趣。例如，錄制了“再入返回技術”“再入返回過程”“半彈道式再入返回探秘”和“打造航天員的生命安全通道-再入走廊”等視頻，其中后兩者獲得了江蘇省高校微課教學比賽一等獎和二等獎的榮譽。另外，通過課程在線教學平臺上的國內外實際航天器再入飛行的視頻資料來幫助學生建立感性認識。

2.3.2 課堂理論教學

課堂中主要講授較難理解的理論方法和算法推導，并對學生的問題進行答疑解惑。理論教學以項目為引導，通過分析項目中需要解決的實際問題，提出相關的理論及工程設計問題。講解中采用以問題為導向、探究式的教學方式，注重啟發和研討，同時采取可視化教學方式，利用直觀的實物模型、圖形圖像視頻和生動詳盡、圖文并茂的多媒體課件等手段提高知識點的可識別性，把抽象理論知識盡量可視化，使學生學習起來興趣盎然，在輕松愉快的氛圍中深化對抽象理論的掌握。更重要的是，在開始項目實踐前，向學生展示整體飛控系統完成后的可視化結果，以激發學生學習和實踐的興趣與熱情。

2.3.3 項目實踐教學

項目實踐教學的過程中穿插有理論教學，通常在項目進行前、銜接處或進行中的難點處適時向學生講解，以達到理論融合實踐的最佳效果。本課程的項目實踐基于Matlab/Simulink仿真平臺開展編程實踐工作，并利用專業的飛行控制工具箱開展系統的三維可視化展示。教師提供每個子項目的基礎程序框架，學生根據學習到的理論和方法設計具體的控制律或制導律，編制相關程序并展示和分析仿真結果。如表2 所示，6 個項目及結課項目層層遞進，最終組合成圖1 的再入飛行控制大系統。以此教學方法來實現提升學生系統創新思維與工程實踐能力綜合培養的目標。

因此，通過上述教學方法設計，教學模式由傳統灌輸式轉變為“基礎理論講授+層次化項目實踐教學融合”的形式。圖2（p59）提供了該教學方法設計的思路框圖。

圖2 “航天器再入返回控制”項目式教學方法設計框圖

如圖2 所示，建設課程的網絡管理系統，將基礎知識點的微課教學視頻以及學習資料上傳系統，方便學生預習和復習。在課堂教學中，教師主要按照項目任務內容來組織理論授課，通過分析項目要求提出理論問題，進而講授理論知識點，下一步引出需要學生實踐的具體項目任務。通常為項目任務提供基礎的仿真平臺和程序，學生基于此來進行任務的分析與分解，確定設計思路和算法，然后編制相關程序，調試系統，最終完成項目任務，并將成果向教師展示。結課的綜合設計項目將根據學生數量進行分組，通常4-5 人一小組，通過選題、綜合設計實現、撰寫報告、小組匯報等形式完成。

2.4 思政教學的設計

本課程的教學內容與我國航天事業的發展緊密相關，因此在原有教學目標之上，還引入了思政育人的目標：通過將思政教育元素與專業知識相結合，使學生樹立正確的人生觀、世界觀和價值觀，將航天精神貫穿到課程當中，培養學生立志扎根國家航空航天事業的決心。在教學內容中充分挖掘思政元素，通過講述中國近年來的航天成就為學生樹立民族自信心和自豪感，通過講述再入返回技術的發展歷程和日趨多樣化，使學生意識到“實踐沒有止境，理論創新也沒有止境”。

2.5 考核評價設計

教學團隊將以往理論考試形式改革為綜合評測模式，即采用多樣化考核模式和評價指標，以項目成果為導向，注重項目實踐過程中對學生知識、能力和素質的評價，側重于檢查學生利用理論知識來解決實際問題的能力以及創新思維的體現。整體評分維度包括：提出學習問題表現（20%）、課后作業完成（15%）、子項目實踐表現（40%）、綜合項目設計報告（15%）、綜合項目設計答辯（10%）形式。評分不僅重視學生平時上課聽講和思考的狀態，更重視學生制作、展示和拓展的能力。

近幾年本課程的項目式教學實踐都取得了優秀的評估成績，學生普遍認可這種教、學、做一體化的方式。最后，本年度團隊還搭建了類神舟飛船的再入模型，設計了制導系統，增加了再入飛行器的項目實例，不僅為學生學習半彈道式再入控制與制導方式奠定了實踐平臺基礎，還有助于融入中國航天成就的思政元素，進一步激發學生主動學習的熱情和提高學生的工程實踐能力。

3 結語

“航天器再入返回控制”理論較為抽象，實踐要求較高，傳統的教學方式已不適合新工科專業對培養高質量航天專門人才的需求，有必要對教學模式進行改革。本課程團隊采用了“項目式”教學方法來開展教學改革與實踐工作。將“項目引導，任務驅動”“理論與實踐緊密結合”等項目式教學特點貫穿于教學目標、教學內容、教學方法、思政教育以及考核評價五方面的教學設計工作當中。以某航天器再入返回控制系統設計的科研項目為背景，通過多個子項目和綜合項目的教學與實踐，進一步促進了學生的知識、能力和素質的培養，增強了學生多學科理論知識的融合能力以及項目設計與實踐能力。