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小卫星平台与基于PBL的航天工程教育创新结合

时间:2015-12-12 来源:未知 作者:傻傻地鱼 本文字数:7166字
摘要

  自改革开放到21世纪初期,中国的发展世界瞩目,我们不论在政治、经济、文化等方面都取得了长足的进步,中国已成为名副其实的世界大国,取得这样的成就,在很大程度上依赖于我国推行的科教兴国战略所造就的庞大的优秀人才队伍。然而,不容忽视的现实是,目前我国培养的工程师队伍虽然已经超出美国的10倍,但是工程师的整体知识水平、设计能力,尤其是优秀工程师的总体质量与美国、德国和日本等发达国家甚至一些发展中国家都有很大的差距[1],具体表现在工程教育方面就是教学内容与产业需求相脱节,工程实践经历缺乏,工程师培养体系不够健全等。

  导致这些问题的深层次原因主要在于我国的工程教育依然停留在科学范式而不是工程范式,工程教育过分强调了工程科学,而忽视了诸如设计等实践能力培养的环节[1-2].工程教育不同于自然科学教育,它是一种以技术科学为主要学科基础,以培养工程技术人才为主要目标的专门教育[3].即工程教育的目的就是培养工程师,这一理念在包括像MIT这样的世界一流大学早已达成共识,MIT的毕业生,无论学士、硕士或博士,到公司就职就是担任工程技术人员。通过工程教育提高工程师教育的水平,完成这一目标有两点很重要:教育的方式和教育的工具。PBL是一种应用广泛学科教学方法,它不仅仅使学生获取知识,并且要求他们学会运用知识。让学生能够将新的信息与学过的知识结合起来明白他们应该如何应用掌握知识。在建立学习的框架时,应当特别注意学生已有的知识基础并且激活这些知识。加快新信息的处理和帮助学生建立有意义的联系是教育和学习的基本要求。PBL促进学生主动参与和学习。学习变成一个发现的过程---讨论问题、研究背景、分析解决方法、设计方案、得出最终结果。这种主动学习方法不仅对于学生来说更加有趣,也使学生们对资料有了更深的了解。近年来,我国教育界的学者和奋战在一线的教育工作者们以这种理论为基础,针对我国教育教学的实际情况,进行了一系列基于PBL理论的教育教学改革理论研究和实践,取得了一定的效果。近年来",小卫星"已经成为航天发展的热点话题,而将小卫星作为航天工程教育的平台,也越来越成为一种趋势。以小卫星作为载体开展航天工程教育的优势在于:(1)成本低,多数大学里的实验室都可以开展这类项目;(2)开发周期短(一年到两年),学生可以在毕业前看到项目成果;(3)体积小,重量轻,使制造和测试可以在比较狭小的大学实验室内进行;(4)复杂度适中的卫星系统,使学生在参与整个卫星系统工程实施的过程中,能够获得一些具体的系统或子系统经验。作为教育工具,小卫星的重要意义在于:可由学生自主设计、制造甚至发射升空,即使不能发射,也应在与实际发射相似的环境中进行测试。这一点非常重要,因为这样学生可以得到真实情况的反馈,虽然有时实验会失败,但失败也都是下一次实验成功的基石。"设计-制造-测试-总结-再设计"这样的系统循环设计模式,可以很容易地在机器人或计算机这类领域实施,但空间系统发展所需的巨大成本和少有的发射机会让我们不得不停止发展空间教育中的这类循环模式。而小卫星计划可以提供一个工具以实现该模式。

  一、基于问题的学习

  基于问题的学习是一种以学生为中心的主动型教学模式和课程体系设置方法,其最初是由加拿大的麦克马斯特大学(McMaster University)医学院于20世纪60年代在医学课程教改中逐步形成并提炼出来的。

  在PBL中,教师根据课程要求和学生的知识基础预先定义一个不完整的或劣构的问题,然后让学生进行研究,理论联系实际,运用已掌握的知识和技能提出解决问题的可行方案,让学生亲身参与问题求解的每一个步骤和知识构建的过程,从而将其先前获得的知识和经验很好地整合起来,使已有知识结构得到完善的同时达到对新知识的理解与掌。

  1.目标和基于问题的学习法的特点。基于问题的学习方法的主要目标不仅仅是让学生获得知识,并且要运用知识。PBL重视模型和问题的解决。它试图模拟现实生活中的工程研究和开发过程。Barrows这样描述PBL的主要特点:(1)学习是以学生为中心的,即学生选择怎样去学习和他们想要学习的内容。(2)学习在小团体中展开并且提倡协作学习。(3)老师是促进者、引导者或教练。(4) 问题形成组织重点并刺激学习。(5)问题是拓展真正的问题解决能力的工具。(6)新的信息是通过自学获得的。

  2.PBL工程教育案例---麻省理工学院航空航天工程系。几年前,在麻省理工学院的航空航天系成立了一个由教师和科研人员组成的新战略计划小组,专门负责课程改革。为了强调教育以学生为中心,讨论小组花费了一定的时间和精力通过对项目和学习成果进行验收,设计了新的教学方法,建造与之配套的实验室。尽管基于问题的学习是关键,但它不是课程组织的原则。新的航空航天工程课程以现实生活中产品完整的生命周期工程为背景,即构思、设计、实施和执行(CDIO),结合设计建造经验,贯穿于整个项目中。

  接下来就是从简单的项目到高度复杂的系统设计建立过程,以及从中取得的经验教训。第一年,在《航空航天设计导论》课上,学生们设计、构思并且试飞的由无线电控制浮空飞行器(LTA)。第二年,在《联立工程学》课上,学生们设计、搭建并且试飞了无线电控制的电推力飞行器。在一些比较深入的课程例如《空气动力学》课上,从工厂或者政府以往项目中提出航空工业中很常见一个实际的问题,像是以洛克希德·马丁战术飞机系统为模板提供项目设计方案。高级课程完全利用基于问题的学习方法,如:《实验项目实验室空间系统工程》、《CDIO高等课程》。在这些PBL体验中,学生发现自己感兴趣的问题,通过做实验找到解决方法,并用多学科方法设计出复杂系统。麻省理工学院航空航天系"复杂系统学习实验室"的主任提出了一个对于基于问题的学习方法的分类框架(见表1)。它将问题分为四个等级,给出了解决基础科学及先进工程课题的系统方法。

  一级:问题集。问题集是指在大多数工程课程中发现的传统问题。它们往往具有一定的结构与较成熟的解决方案(至少问题的设计者知道)。所有学生解决同样的问题,有时独自解决,有时以小组形式解决。问题需要在相对较短的时间内解决。二级:小型实验。小型实验是指在结构化问题下的实验课。例如测量或观察某种工程现象或数据。这些问题在一或两个学期内解决,可以"重复地进行",也就是说,每个学生团队解决与其他团队同样的问题。在麻省理工学院有许多例子,如《联立工程学》课上的桁架实验室,《空气动力学》课上对在风洞中的流速计的校准,《航空航天设计导论》课上对空气动力减速器的各种测试。三级:大型实验。比起前几个阶段,这个阶段的问题需要更长的时间去解决,可能会耗费几周或整个学期。到了这个阶段问题明显复杂了很多,需要更多的规划和教员支持。在麻省理工学院有许多如是例子:《实验项目实验室》课上的风洞试验、飞行器模型项目,《空气动力学》课上的机械项目,《航空航天教育导论》课上的轻于空气的飞艇,《联立工程学》课上的电动飞行器设计等。

  四级:顶级CDIO实验。这个阶段在系统中整合了核心工程的顶级实验。麻省理工学院的航空航天工程项目用构思-设计-实施-操作(CDIO)的方法来设法更接近于实际工程。在顶级实验中,工程的四个阶段都将涉及。顶级实验室的项目均为研究的重点,需要更多的资金,工程的复杂度和依赖经验的程度也很高。例如麻省理工学院的自主卫星光学阵列项目和磁控编队飞行器。四级的项目需要学生、老师和研究员花费三个学期去完成。可以看出三级和四级问题的解决过程是由学生主导的、不受约束的、复杂的、多方面的且具有很高的主动性过程,符合之前所说的PBL标准。然而一级和二级中的项目体验过程更结构化,在这个过程中学生体验到关于问题构想的有用指导,使用工具进行研究发现。基于问题的学习方法和设计-制造经验贯穿了整个麻省理工学院航空航天工程系的本科生阶段。使用四个等级的框架来层次化PBL体验过程确保了从高度结构化问题到无约束和复杂问题情况的合理推广。

  3.基于问题的学习方法的评估。基于问题的学习方法的评估是多模式和长期性的。这些方法包括实验室期刊、技术简报、设计审查、技术报告、团队协作评估、设计作品、互评和自评。教师的角色主要是顾问和指导员,以及在学习过程中为学生提供大量反馈信息。在《航空航天设计导论》课上,学生们设计、制造并试飞由无线电控制的浮空飞行器,设计审查作品和最后的评估工作都是由飞行器竞赛的方式进行。在《综合工程》课的飞行器设计项目中,二年级学生分析在问题集中与气动性能、稳定性和推进装置有关的问题,并动手组装和试飞无线电控制的电推力飞行器。
  
  与第一年的课程相似,评估手段包括问题集、设计审查以及最后的一场比赛。除了评估认知能力的培养效果,情感变化也要被评估。评估学生们在问题处理过程中的信心、参与到解决具有挑战性问题中的意愿和控制问题解决进展的感觉也很重要。这些情感变化可以通过观察、访谈、作品、期刊和其他形式的自评进行评估。

  二、小卫星平台与基于PBL的航天工程教育创新结合途径

  在全球化大背景下,除去意识形态的差别,世界人才的标准正趋于统一。根据著名的CDIO(Con-ceive-Design-Implement-Operate,即:构想-设计-实现-运作)工程教育模型,工程教育包括以下几大培养目标:掌握深厚的基础知识和应用技术;善于构思、设计、实现和运作新产品或系统的能力;承担和实施复杂系统工程的能力;适应现代团队协作开发模式及其开发环境。这些目标是直接参照工业界的需求而制定的,它实际上定义了现代工程技术人员的素质构成。

  1.小卫星作为航天工程教育的意义。小卫星为空间发展提供了的一条新途径,这是与以往基于传统空间开发模式的"政府导向的大型项目"完全不同的。此外,NASA已经开展了很多项目为大学提供发射机会,让他们逐渐学会如何开发、运营卫星。超小型卫星计划是其中一个著名的案例,选定十所大学并给予他们项目资金,最终的成品将搭载航天飞机发射上天。凭借多年的项目经验,一些大学已经能够制造卫星,甚至出售卫星给其他大学或国家。小卫星为大型卫星上已经实现的一些任务提供了一条新的实现途径。一定数目的小卫星协作是一个非常重要的概念,通常被称为"星座"或"编队飞行".这种多卫星体系的优点是容错量大、重构能力强、系统的可扩展性好。

  2.基于小卫星平台的航天工程教育项目。小卫星的操作训练为大学生的太空教育提供了一个特别的机会,让他们能够体验从任务创建、卫星设计、制造、测试、发射、运行,直到结果的分析的整个太空项目周期。同时他们还能从这些项目中学到项目管理和团队协作等重要技能。小卫星项目不仅对教育有益,而且有望成为太空技术发展与商业运营中的一名新成员。

  (1)日本卫星设计大赛。上世纪90年代初期,日本的大学小卫星研究项目远远落后于美国和欧洲各国。然而,在意识到了小卫星在教育和技术发展上的重要性后,日本国内开始大力推动高校小卫星设计-制造计划。第一个里程碑是"卫星设计大赛".1992年三个学术社团共同成立了大赛组委会,他们分别是JSME、JSASS与IEICE.经过一年时间的准备,于1993年举办了第一届比赛。这项比赛的目的是为更多的大学生提供参与太空项目的机会,同时鼓励一流大学开始进行实体卫星的制造项目。评审项目分成两大类,创意类评审该项目的创意与想法,设计类评审卫星设计的可实现性。提交的项目首先会进行初步的评审,合格的项目才能入围最终的决赛。届时,将进行卫星模型的展示和评审。优秀的作品将获得"设计奖"、"创意奖"以及三大学术社团颁发的奖项。大赛每年都会收到20到30个创意独特的项目。
  
  (2) 大学空间系统研讨会(USSS)以及CanSat项目。USSS始于1998年,每年11月由JUSTSAP小卫星工作组在夏威夷举办。研讨会的形式十分独特,出席会议的日本和美国的大学首先提出自己卫星项目的构想,以及各大学自身的科研实力,然后将具有相同兴趣、能力或科研实力的大学进行组队。各组展开讨论,在一天半的研讨会后,各组需要向其他组展示他们的项目设计书。这些项目要在USSS结束后的一年内实施,他们的成果将在下一年的USSS上展示。其中最成功的项目就是CanSa(t罐装卫星)项目了。CanSat项目是1998年由特维格教授提出的。在最初的计划中,每所大学都要制造一个350mL饮料罐大小的微型卫星,卫星将被发射到轨道上,在下一年的USSS上进行控制操作。
  
  (3)立方体卫星。立方体卫星项目由特维格教授在1999年的USSS大会上提出。立方体卫星为重1kg,长宽高均为10cm的微型卫星。每所大学制作的立方体卫星都被放在一个名为"P-POD"的盒形载体内,它由俄罗斯的"第聂伯"火箭装载发射升空。为了减少立方体卫星和P-POD之间的机械和电气接口,P-POD释放机制设置得非常简单:当P-POD的门打开,里面的立方体卫星就被P-POD末端的弹簧弹出。东京大学和东京工业大学已经开始了立方体卫星项目,并大致完成了设计和EM级别的模型制造。这些大学的学生已经在立方体卫星项目中获得了微型卫星开发的基本专业知识。但他们现在需要面临新的挑战:如何使用现成的廉价的部件设计可靠的空间系统,如何进行空间环境试验(如真空热或辐射试验)并获得试验结果,以及如何处理更大的风险,更多的人力资源、时间和成本。目前计划于2002年底发射第一个立方体卫星。
  
  (4)欧洲大学生月球轨道航天器。欧洲大学生月球轨道航天器ESMO是欧空局教育卫星计划的第四项任务,它是基于"欧洲大学生太空探索与技术倡议"计划中的"SSETI-Express"卫星。ESMO项目是为了吸引和培养下一代的月球与其他行星的工程师和科学家。航天器有效载荷包括:船载液压双组元推进系统,用于飞船从地球同步轨道通过"日地系统中的拉格朗日点L1"转移到绕月运行轨道的过程,历时3个月;表面光学成像的窄角相机和一个用于测绘全球引力场的子卫星,将在历时超过6个月的时间里执行测量任务;可供选择的载荷还包括一个生物实验和一个微波辐射计。ESMO项目是未来欧洲的科学和勘探计划的一个强大的动手教育和公共宣传工具。它是一个面向大学生的项目,训练和培养了下一代的月球任务的工程师和科学家。

  三、建立基于PBL的航天工程教育实验平台和培养范式

  我国在"十二五"规划中提出了"创新驱动,实施科教兴国战略和人才强国战略",要"围绕提高科技创新能力、建设创新型国家,以高层次创新型科技人才为重点,造就一批世界水平的科学家、科技领军人才、工程师和高水平创新团队。实施PBL教学是一项系统工程,由于受国情、传统教育教学模式和人才培养机制的约束,在中国工科大学中实施PBL教学存在问题案例少、实施成本高、评价方式单一和师生角色僵化等问题,因此,需要根据我国工程教育的现状和国情对PBL教学进行本地化处理,不能生搬硬套,具体来讲有以下几个方面需要注意。

  1.树立以学生为中心的教学理念。树立以学生为中心的教学理念是实施PBL教学的前提条件,PBL强调以学生为中心,作为PBL教学的实施者,教师必须要深刻认识到这一点。

  2.根据具体航天任务设计问题。丰富的问题案例是PBL教学成功的关键。每门专业课的设置都是基于学生已具备一定的先修课程基础为前提,但个体的差异不容忽视,教师或教师团队在进行某课程PBL问题设计的时候要充分了解学生的知识基础,结合具体的实施条件进行问题案例的设计。为了保持热情,学生们可以一种竞赛的形式开始项目,学生们互相分享自己的认识,用自己的双手选择出最吸引人并且最有意义的项目。

  3.提高卫星实验平台的开放性与多样性。除了教育实践空间项目对航空航天教育带来的价值之外,学生建造空间项目长期承诺创新型大学的任务是可直接有利于空间行业本身。目前,各大学中设立的大学或研究生开放实验室及其配套的开放创新基金都是一些很好的尝试,取得了很好的效果,但其范围需要扩大,让大学生能够进入一些比较前沿的和良好国际合作背景的研究型实验室,使其很早就能受到良好的学术熏陶,以促进其产生向更高层次发展的内部动机和欲望。

  4.加强学习能力的培养。发展学生的学习能力,使其成为高效、独立的终生学习者是PBL的重要目标之一。通过参加PBL学习,让学生明白学习不完全是个人的事情,在PBL小组中每个学生都担当一定的角色,并承担相应的责任,在小组讨论中无私贡献自己的学习成果,并吸取其他成员的学习成果,达到共同进步。

  5.建立合理多样化的评估体系。在实施PBL的过程中,可以采用学生自我评价、同学互评及教师评价相结合的办法,注重学生的过程表现,而不是结果。创新人才的多样性和创新思维的多样性决定了我们不能用一刀切的方法来评价学生,而是要采取灵活多样的评估体系,建立激发创新的长效机制。除了评估认知能力的发展和成就,情感变化也要被评估。评估学生们在问题处理过程中的信心、参与到解决具有挑战性问题中的意愿和控制问题解决进展的感觉也很重要。

  四、结论

  PBL植根于建构主义理论之上,强调发现和知识意义的构建,是一种先进的培育创新精神和激发创新思维活动的教学/学习方式。PBL强调以学生为中心,问题、教师和团队学习是PBL教学法实施的三大关键要素。本文在总结PBL理论的基础上,在此基础上根据我国航天工程教育的现状,从国外几个航空航天教育典型案例吸取经验,讨论了以小卫星作为航天工程教育工具的重要性;其次,叙述了它作为太空技术发展新成员的重要性。探讨了基于PBL理论的航天工程教育在学生群体中推行的途径,期望能促进教育工作者对有关问题的思考。

  由学生运作卫星项目极具挑战性,但这会给参与项目的学生和院校带来巨大回报。这些项目提供大学生关于设计、分析、测试、制造和操作空间系统方面的实践经历。有证据表明,参与空间飞行器设计项目的学生,能力得到显著提高。统计证据也显示如果相当数量的大学参与空间飞行器设计活动,进入空间领域工作的学生数量会显著增长。

  参考文献:
  [1]余晓,孔寒冰。能力导向的工程实践模式比较与评价[J].高等工程教育研究,2011,(3):28-34.
  [2]倪明江。创造未来[M].杭州:浙江大学出版社,1999.
  [3]张维,等。工程教育与工业竞争力[M].北京:清华大学出版社,2003.

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