小卫星平台与基于PBL的航天工程教育创新结合
小卫星平台与基于 PBL 的航天工程教育创新结
合
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
摘要：
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小卫星平台与基于PBL的航天工程教育创新结合自改革开放到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...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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属性：5 页
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时间：2024-03-29
