瞿智 徐胤勃 胡梅 陈建云 冯旭哲

[摘           要]  宇航技术的发展与微小卫星是面向全校新生的一门研讨选修课，通过课程学习，要求学生了解国内外卫星技术的发展历史与现状，熟悉微型化、网络化与智能化技术在航天中的应用及发展。为了让学生更好地通过自主学习参与研讨，精心设计了选题指南，学生自行分组自选课题，課后进行资料查阅和文献阅读，制作研讨课件进行课题汇报，基于各个课题汇报，引导学生基于问题组织深入研讨。通过汇报和研讨，学生了解了各不同选题方向的国内外研究现状和关键技术发展趋势，对其中感兴趣的技术细节进行深入学习，达到了研讨课的教学目的。

[关    键   词]  宇航技术;微小卫星;研讨;教学实践

[中图分类号]  G642                    [文献标志码]  A                  [文章编号]  2096-0603（2021）40-0094-03

一、新生研讨课特点和宇航技术的发展与微小卫星课程

大学一年级新生教育对于学生树立正确的学习态度、使学生融入专业学习、提高人才培养质量具有重要的意义。美国高校普遍开展了不同形式的新生教育，取得了良好的效果。新生研讨课起源于美国，是美国大学在继承“seminar”教学与科研相结合、独创精神与学术自由相统一、注重协作的教学理念的基础上发展而来的，面向大一学生的课程教学模式。21世纪初，国内一批重点大学针对本科新生开设了新生研讨课，进行探索性研究教学模式上的尝试。新生研讨课围绕“主题”来实施，每门课程都有一个主题，主要根据学校特色或学科专业的发展规划制定，课程教学以“讨论”为基础。新生研讨课基本范式大致有学科导引式、前沿专题式、实践探索式和跨学科式等多种。主要目的是引导新生学会研究，培养自身的创新精神和实践能力，通过查阅资料，主动发现问题、思考问题，逐步掌握研究的方法和思维方法，帮助新生明确专业学习方向，激发学习热情，增强自信心，锻炼自主学习能力，培养相互协作的团队精神[1-9]。

宇航技术是一门新兴的技术，随着各航天大国的不断发展，卫星的发展趋势呈现出新的变化：多功能集成化、网络化、微小型化、发射多样化、智能化和低成本经济化。近年来，微米纳米技术、光学技术快速发展，新技术、新材料不断涌现，在微小卫星获得成功应用。微小卫星能适应快速研制、应急发射的特殊需求，使其得到很多航天大国的重视。微小卫星是航天器技术发展的必然产物，就综合应用而言，传统的大航天器已经不能完全满足需求，因此小型航天器、微航天器、纳航天器、皮航天器以及由多颗型航天器等组成的分布式航天器已经成为国际上航天器领域发展的热点之一[10-11]。

宇航技术的发展与微小卫星是为我校大一新生开设的一门研讨选修课程。课程的主要任务是简要介绍航天技术基础、微小卫星技术、空间环境及对航天器的影响，通过研讨，要求学生了解国内外卫星技术的发展历史与现状，熟悉微型化、网络化与智能化技术在航天中的应用及发展，培养大一新生自学的能力，激发学生对宇航技术的兴趣。

二、主讲内容和研讨选题指南设计

（一）主讲内容

课程的重点是以学生为中心的研讨，因此主讲内容主要简要介绍航天技术基础知识、微小卫星技术和空间环境及对航天器的影响。

从恒星、行星、卫星三者的比较引出卫星的基本概念。航天技术的基础知识主要包括卫星轨道的基本概念和六要素、牛顿及其宇宙体系、宇宙速度、卫星姿态的基本概念、卫星设计中的问题;卫星平台主要包括通讯子系统、遥控遥测子系统、星上计算机子系统、姿态控制子系统、轨道控制子系统、星上电源子系统、温度控制子系统、结构机构子系统等;卫星的有效载荷主要有相机、合成孔径雷达、通信转发器、科学实验载荷、宇宙射线的探测载荷、微重力实验载荷、电离层测量载荷、臭氧层测量载荷、电子侦听载荷等。

微小卫星由于其质量轻、体积小、发射周期短、性能高、成本低等方面的诸多优点，在通信、遥感、科研、军事等各领域得到关注。微小卫星是指质量在1000 kg以下的人造卫星，进一步细分，将100～1000 kg的微小卫星称为小卫星，将10～100 kg的微小卫星称为微卫星，将1～10 kg的微小卫星称为纳卫星，将0.1～1 kg的微小卫星称为皮卫星，将低于0.1 kg的微小卫星称为飞卫星。因为大部分微小卫星没有推力系统，因此开发低价小型运载火箭，以适应当前微小卫星的星座发展，是微小卫星亟待解决的技术问题之一。另外，进一步研制微型推力系统，以增强微小卫星灵活机动的轨道特性。此外，为保持星座位置，需要研制超轻型可展开且具有俯仰角度变化功能的太阳帆板，从而产生气动阻力差。最后还要加快开放商业航天市场，吸收民间投资，让微小卫星触手可及。

相对于地面而言，航天器必须适应空间环境的影响和空间可用资源的约束。真空环境效应包括压力差、材料出气和污染、材料蒸发、升华和分解、真空冷焊、真空放电;中性粒子环境效应包括机械效应和化学效应;等离子体环境效应包括航天器表面充电、释放静电、辅助溅射和吸附污染物;空间辐射环境效应包括总剂量效应和单粒子效应;空间碎片环境效应主要是高速撞击。空间环境对航天器影响最大的是辐射效应，即航天电子系统运行在空间辐射环境下，受高能粒子撞击或电磁辐射影响而导致性能下降或故障的情况，总剂量效应几乎影响到所有的航天器半导体材料，导致材料性能缓慢下降，直至系统失效，单粒子效应主要对存储器造成影响，导致逻辑状态发生翻转或器件的功能中断。对于总剂量效应的防护，栅介质材料的工艺改进是MOS器件加固的重点;单粒子效应的防护方法主要有三种：冗余设计、重构刷新和高可靠系统结构。

（二）研讨选题指南设计

首先通过回顾2020年的航天大事记，引发学生深入学习和探索的强烈兴趣。2020年7月23日12时41分，“长征”五号遥四运载火箭在文昌航天发射场发射升空，火箭飞行约2167 s后，成功将我国首次火星探测任务“天问”一号探测器送入预定轨道，迈出了我国自主开展行星探测的第一步。2020年7月31日上午，“北斗”三號全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京举行，宣布“北斗”三号全球卫星导航系统正式开通。2020年12月6日11时58分，“长征”三号B改进五型运载火箭在西昌卫星发射中心将“高分”十四号卫星送入预定轨道，发射获得圆满成功，我国高分辨率对地观测系统重大专项完美收官。2020年12月17日1时59分，“嫦娥”五号返回器携带1731 g月壤样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆，我国月球探测“绕、落、回”三步走规划完美收官。

根据国内外航天发展史上的各个重要事件，初步设计了研讨选题指南，主要包含五类：（1）探测类：月球探测、火星探测、菲莱号彗星探测器。（2）卫星类：风云气象卫星、遥感卫星、侦察卫星、通信卫星、高分卫星。（3）星座系统类：北斗卫星导航系统、QB50计划、“星链计划”与“鸿雁”。（4）载荷类：哈勃望远镜、超大孔径分离式望远镜、空间机器人。（5）其他类：航天测控、天基网络、太空作战、商业航天。

研讨要求：所有学生按4～5人分组，每组以PPT形式准备，内容主要围绕航天技术及应用开展，选题参考以上五类，但不限于以上题目。

考核方式：PPT汇报，研讨发言交流，当堂回答问题。

三、教学实践与分析

51名学生分成九组在课下团队合作，做好了精心准备，在课堂上每组派一个代表一一进行了汇报，同组学生可以参与回答老师和其他同学提出的问题，老师也提问引导学生进行深入研讨。

第一组：北斗卫星导航系统。介绍了北斗卫星导航系统的发展历程和“三步走”发展战略，北斗卫星导航系统的组成：空间段、地面段和用户段，详细分析了北斗主要业务：定位（三球定位）、报时、测速（多普勒效应）和通信（短报文）的基本原理和应用价值。最后通过手机下载“北斗助手/北斗伴”，实时显示北斗卫星正在为我们提供定位服务。

第二组：太空作战。通过第六代战争——太空已成为交战的重要战场，引出太空作战并阐述其原理规则、作战样式和冲突管理。战争模式多样：太空保障战、太空封锁战、太空破袭战、太空防御战、太空突击战和太空电子战;高端武器多样：攻地卫星、反导弹卫星、反卫星导弹、反卫星激光和反卫星卫星。

第三组：“星链计划”与“鸿雁”。诸多低轨通信卫星星座提出的实现“为全球所有人提供网络通信服务”的愿景，得到世界的广泛关注。针对美国的“星链计划”和我国的“鸿雁”，分别从是什么、有什么相关技术、目的和作用、潜在的军事价值四个方面进行了剖析，探讨了“星链计划”与5G的比较优势与劣势，大胆猜测轨道与频谱才是其真正追求的价值以及“鸿雁”的发展历程。

第四组：遥感卫星。从卫星云图引出遥感卫星的概念，分析遥感卫星工作的基本物理原理，进一步分析卫星轨道相关的开普勒三大定律、卫星轨道参数、卫星坐标确定、卫星姿态和典型轨道，重点对遥感卫星在军事领域的应用进行了挖掘，特别是对天基红外系统组成及其对洲际弹道导弹的预警功能进行了仿真视频演示。

第五组：QB50计划。QB50项目是欧盟2011年主导发起的国际合作项目，主要目标是促进进入空间能力发展、开展大气低热层科学探测、验证新型航天技术、实现广泛航天工程教育。针对目前实际规划发射的38颗卫星进行了介绍，我国有四所高校参与了该项目。统计了QB50项目进展与国际立方星数据，最后对该项目任务特点进行了分析与总结。

第六组：月球探测。从科研价值、经济及资源价值、行星构造、居住可能性等方面讨论月球探测的意义所在。从早期的载人探月到现在的月球无人探测到中国的无人探测，展示了人类对月球探测的不断努力，最后对月球探测器软着陆技术进行了深入研讨。

第七组：空间机器人。首先通过生动的视频：蛇臂机器人、太空微型爬行机器人、壁虎机器人引出“什么是空间机器人”。再通过“空间机器人长啥样”等问题，探讨了空间机器人的各种形态。最后从研发历史、特点用途和发展前景三个方面介绍了空间机器人，特别是结合人工智能畅想了未来空间机器人的无限可能。

第八组：高分卫星。首先介绍国外高分辨率对地观测卫星，分析它们的特点。再详细介绍我国的高分卫星计划和发展历程，从传感器分辨率、幅宽和波段等重要指标方面，对比了高分系列卫星的主要功能和性能。最后对“高分”十四号卫星进行了解读，它是高分辨率对地观测光学立体测绘卫星，可高效获取全球范围高精度立体影像。

第九组：中国载人航天。回顾20世纪70年代中国就提出进行载人航天研究的历史，1992年9月中央决策实施载人航天工程并确定了我国载人航天“三步走”的发展战略，介绍了载人航天必备的八大系统。最后总结了中国载人航天精神——特别能吃苦、特别能战斗、特别能攻关、特别能奉献，是当代青年学习的榜样。

针对每一组汇报，学生都表现出极大的兴趣，在汇报课件中找到自己感兴趣的问题向汇报的学生提问，得到汇报人及团队同学的详细解答，在一问一答之间所有学生都增长了新的知识。此外，对每一组的汇报，老师也会引导性提出问题让全班学生思考，分别是：北斗卫星导航系统中的星间链路系统是如何让星座实现“一星通，整网通”的？在太空作战设想中，反卫星卫星包含哪些关键技术，有何难点？在“星链计划”中，一箭60星的发射系统有什么神奇之处？它的军事价值还有哪些可能？遥感卫星的灰度图片和彩色图片分别是怎么形成的？它们各自的应用场景是什么？QB50项目中我校参与的立方体卫星是什么？有什么特点？探测月球的“嫦娥”五号探测器由哪些分系统组成？说说其中一个分系统的工作原理。谁了解“凤凰计划”？空间机器人的未来究竟会是什么样的？“高分”十四号卫星携带了哪些有效载荷？它们的性能指标如何？

总体而言，每一名学生都积极参与了小组选题材料的准备，精心制作了汇报课件，课下经过多次演练，每组派代表进行了展示汇报，在研讨环节，认真回答老师和同学提出的问题，表现良好。通过汇报和研讨，学生了解了九个选题方向的国内外研究现状和关键技术发展趋势，对其中感兴趣的技术细节进行了深入探讨。

四、结语

新生研讨课是以学生为中心、以问题为导向的研讨式教学课程，具有独特的开设价值。从学生的实际需求出发去合理设计选题指南、开阔学生视野、激发学生自学和研讨展示的兴趣，学生研学与教师导学相结合，能够提高学生自主学习和课堂参与的积极性，提升新生研讨课的教学效果，让教学内容不照本宣科、让课堂研讨不沉闷乏味、让大学新生不茫然失措，真正提升教学质量。

“教育不是灌输，而是点燃火焰”，这才是新生研讨课的精髓所在，宇航技术的发展与微小卫星是一门特别热门的选修课，对宇航技术感兴趣的新生尤其多，如何组织好学生更深入地研讨，如何让真正感兴趣的学生都能学有所得，是我们需要不断努力的方向。

参考文献：

[1]肖雄.新生研讨课的由来、特征及教育价值[J].长沙大学学报，2019，33（6）：144-148.

[2]李文斌，曾义.美国高校新生培育体系研究综述[J].中国多媒体与网络教学学报，2021（1）：55-57.

[3]吴丹丹.国内新生研讨课研究述评[J].现代职业教育，2018（10）：82-83.

[4]元伟霞.大学本科新生研讨课研究[J].课程教育研究，2018（21）：37.

[5]许王莉，石佳鑫.大一新生研讨课教学实践探讨[J].教育教学论坛，2021（6）：93-96.

[6]卢芳云，张舵.“武器毁伤中的力学”新生研讨课教学实践[J].高等教育研究学报，2020，43（1）：110-115.

[7]吴红飞，邢岩.新生研讨课之探[J].电气电子教学学报，2018，40（5）：25-26，46.

[8]谢小东，李平.以激发兴趣为导向的新生研讨课教学探索[J].电气电子教学学报，2020，42（2）：16-19.

[9]赵丽敏.新生研讨课教学内容设计与教学质量提升探究[J].高教论坛，2018（6）：23-26.

[10]王鑫，张妍，尹玉明，等.微小衛星标准化现状的分析及思考[J].中国航天，2018（12）：36-40.

[11]林来兴.微小卫星技术发展和应用前景[J].国际太空，2019（6）：46-48.

编辑 鲁翠红