江振宇， 張士峰， 楊華波， 胡 凡

（國防科學技術大學航天科學與工程學院，湖南長沙 410073）

0 引言

知識源于實踐。創(chuàng)新人才除了具有創(chuàng)新意識與創(chuàng)新思維外，還要具備在實際工作中的創(chuàng)新實踐能力，并取得一定的創(chuàng)新成果。實踐應成為創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中不可或缺的環(huán)節(jié)。

航天技術的特點是高風險、高成本，同時涉及學科眾多，知識系統(tǒng)復雜，工程性強。為培養(yǎng)合格的空天領域創(chuàng)新人才，除傳統(tǒng)的課堂教學之外，開展創(chuàng)新實踐教育顯得尤為必要。小型火箭是一種典型的飛行器，其學科覆蓋面廣，綜合性強，應用廣泛，是一個理想的實踐教育切入點。近年來，國防科技大學航天科學與工程學院結合專業(yè)特點，開展了以小型固體火箭為對象的項目式教學模式探索與實踐，逐步探索出一條實踐教學的可行之路。

1 項目式實踐教學的進展

項目式教學模式是由凱茲博士推創(chuàng)的一種以學生為本的教學方法，師生通過共同實施一個完整或設計的項目工作而進行的教學活動［1-6］。項目教學法能較好地將理論和實踐結合在一起，學習過程是全員參與的創(chuàng)造實踐活動，學生可以獨立制定計劃并實施，自行組織、安排自己的學習行為;有明確而具體的成果展示;項目工作有一定的難度，要求學生運用新學習的知識、技能，克服和解決過去從未遇到過的實際問題，項目的結果原則上要求每個小組最終形成一個成果或者一個具體的產品，一般有師生共同評價項目工作成果。真正實現以學生為主，在“做中學”的方法。

近年來，美國宇航局（NASA）認識到，該國大量于上世紀參加過阿波羅登月、航天飛機等重大航天計劃的人員由于計劃內的退休而導致知識重大流失［7］。為保持一支世界一流的航天科學家和工程師隊伍，維護航天強國地位，美國開始將目光投向院校，在學生教育過程中開展了大量以能力培養(yǎng)為導向的實踐項目，培養(yǎng)了學生從事航天技術研究的興趣，提升了創(chuàng)新實踐能力，完善了航天人才培養(yǎng)體系。

加州大學與Garvey飛行器公司聯合組織實施了大學-企業(yè)運載火箭教育計劃，其主要目的是為在學生中培養(yǎng)下一代航天工程師提供運載火箭開發(fā)經驗，同時開發(fā)、試驗和評估先進運載火箭技術。2003年以來，以學生為主設計開發(fā)了包含十余種型號的系列驗證小火箭，分別進行了飛行試驗，使得學生在學校階段就獲得了受益終身的實踐經驗。普渡大學開展了驗證小型運載火箭關鍵技術的項目，主要目的是為學生提供將大學載荷發(fā)射到近地軌道的小型運載火箭的設計、制造和飛行等方面的教育機會和實際工程經驗。美國航空宇航聯合會（AIAA）猶他州分會創(chuàng)立了由猶他州四所大學組成的協會，該協會被稱作“聯合IV”，為學生們提供固液混合發(fā)動機學習和試驗的機會。學生、教員和來自猶他州各工業(yè)部門的AIAA會員共同設計和試驗固液混合發(fā)動機，最終通過固液火箭將有效載荷送入 39.6 km 的高空［8-9］。

此外，歐空局以學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)為目的，開展了TEXUS項目，該項目由學生參與工業(yè)部門主導的探空火箭設計與系列發(fā)射，進行極地上空電離層探測、測試慣性設備、振動對兩相流的影響研究等。

歐美航天強國非常重視實踐教學，開展大量以火箭為對象的項目式實踐。通過總結和借鑒國外先進經驗，航天科學與工程學院通過多年規(guī)劃，開展實施了小型火箭項目計劃，帶動廣大學生從本科階段起就得到科學研究與發(fā)明創(chuàng)造的訓練，改變目前高等教育培養(yǎng)過程中實踐教學環(huán)節(jié)薄弱，動手能力不強的現狀，改變灌輸式的教學方法，推廣研究性學習和個性化培養(yǎng)的教學方式，形成創(chuàng)新教育的氛圍，建設創(chuàng)新文化，進一步推動高等教育教學改革，提高教學質量。

2 小型火箭項目式教學的實施

2.1 項目特點

小型火箭項目以小型火箭為對象，以5-10名學員組成的團隊為單位，綜合應用力學、控制、機械和電子等多學科領域專業(yè)知識，以完成創(chuàng)新性任務為目標。小型火箭項目涉及火箭任務設計、方案設計、制造、測試與發(fā)射、測量與分析等生命周期全過程，為學員提供一個全方位認識典型飛行器的學習機會以及綜合應用所學基礎課程與航天類專業(yè)課程知識解決實際問題的實踐機會。在實施過程中體現出以下特點：

（1）面向多層次人員。小型火箭實踐項目面向師生，項目任務設計與方案設計以高年級本科生和研究生為主，項目管理協調和相關成果轉化由教員完成;

（2）實現多目標。以培養(yǎng)學員航天相關學科領域的創(chuàng)新實踐能力為主，以關鍵技術演示驗證為次，成為實現多種目標的實踐平臺;

（3）與科研項目結合。小型火箭項目系統(tǒng)復雜，涉及火箭系統(tǒng)、發(fā)射裝置、運輸設備等，因此實施過程中將與學院科研項目相結合，以科研項目需求為牽引，以科研項目條件為支撐，共享實驗室資源。

2.2 實施原則

小型火箭項目在實施過程中，為最大限度發(fā)揮學員的積極性與主觀能動性，提高項目的實踐性與創(chuàng)新性，遵循幾條原則：

（1）興趣驅動。參與實踐項目的學員應對航天技術及其應用有濃厚興趣，在興趣驅動下，在教員指導下完成項目實踐;

（2）自主研究。即參與計劃的學員要最大程度實現自主設計項目、自主完成項目、自主管理項目;

（3）重在過程。注重項目的實施過程，強調項目實施過程中學員在創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實踐方面的收獲。

教員在項目實施中充分發(fā)揮指導、組織和協調作用，包括為每名參與項目的學生配備對應導師，負責針對性指導學生進行創(chuàng)新性實驗;協調學院職能部門人員，制定切實可行的管理辦法，提供后勤、財務等支撐條件;開放學院相關實驗室，為參與項目的學生提供實驗場地和實驗儀器設備。

2.3 實踐環(huán)節(jié)設計

實踐環(huán)節(jié)設計是小型火箭項目實施的核心。實踐環(huán)節(jié)設計包含兩個層次：

（1）項目培養(yǎng)目標設計。培養(yǎng)目標決定著小火箭項目的組織實施過程，結合學校創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需求和學校教學培養(yǎng)方案要求，根據學員實際情況，設計合理的培養(yǎng)目標。

（2）項目實踐內容設計。實踐環(huán)節(jié)內容設計影響著小火箭項目的實施效果，針對研究生和本科生的研究方向和知識結構，結合現行課程體系特點，開展小火箭項目實踐環(huán)節(jié)設計。依托項目組現有的創(chuàng)新實踐條件，自頂向下對小型火箭項目實踐內容進行分解，結合學?？仗鞂I(yè)課程體系，將整個項目分解為適合學員相對獨立完成的內容，包括小型火箭試驗任務設計、總體方案設計、氣動外形設計、結構設計、控制系統(tǒng)設計、固體火箭發(fā)動機設計、回收系統(tǒng)設計、地面測試發(fā)射系統(tǒng)設計等。

2.4 實施效果

小型火箭項目依托湖南省和學校本科學員創(chuàng)新性實驗計劃項目、學校研究生創(chuàng)新實踐基地等支撐條件，探索并建立以項目為核心的教學模式，以學生為主體，調動學生的主動性、積極性和創(chuàng)造性，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識，逐漸掌握思考問題、解決問題的方法、提高其創(chuàng)新實踐的能力，如圖1所示。前期在高年級本科生和研究生中開展小型火箭的設計、制造與試驗活動，著眼提高學員綜合知識應用能力，培養(yǎng)學員在飛行器設計領域的創(chuàng)新能力。

圖1 小型火箭項目式實踐教學組織示意圖

小型火箭項目從2009年開始，在學校合訓類導彈工程專業(yè)本科畢業(yè)設計中進行了初步嘗試，由5名學員組成團隊，經過緊張的4個月奮戰(zhàn)，在長沙市月亮島成功完成三發(fā)小型火箭發(fā)射，射高200 m，射程500 m，實現實踐項目的全程探索，為項目后續(xù)開展積累了經驗。至2011年，在技術類飛行器系統(tǒng)與工程專業(yè)和空間工程專業(yè)本科畢業(yè)設計中進行了深入探索，并與教研室研究生創(chuàng)新實踐項目相結合，設計制造了2發(fā)“天創(chuàng)一號”火箭，全長1.8 m，直徑150 mm，當年8月在湖南汨羅市廣袤的河灘成功進行了發(fā)射試驗，以固體火箭發(fā)動機為動力，實現射高800 m，射程2 km。試驗中，火箭成功實現了滾轉通道的控制和箭上遙測信息的發(fā)射與接收，火箭落點與理論預測值非常接近。

經過三年的實踐，小型火箭項目逐步形成一套完整的實踐流程和體系。實踐表明，該項目極大地激發(fā)了學員對飛行器設計研究的興趣，提高了動手能力，加強了工程素養(yǎng)，訓練了創(chuàng)新意識，培養(yǎng)了協作精神。小型火箭項目作為一項探索性教學實踐項目將在學院持續(xù)開展。

3 結語

項目式實踐教學模式是一種具有系統(tǒng)性和整體性的教學方法［10-15］。通過在本科生和研究生培養(yǎng)過程中實施小型火箭項目式實踐教學模式，結果證明該模式操作性強、成效顯著，實現了“求創(chuàng)新、重實踐、低成本”的目標，為空天專業(yè)學員創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)探索了新模式。

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