科研带动教学、促进学生创新能力培养的教学实践

王峰 陈雪芹 陈健 张安慧

[摘要]以紫丁香2号卫星学生团队培养为例，介绍了紫丁香2号研发及相关课程设计。微纳卫星团队的建立是课堂教学的有效延伸，也是对科研带动教学的有益尝试。紫丁香2号微纳卫星的成功发射及运行验证了航天院校培养高水平人才创新培养新模式，为高等院校拔尖人才培养提供了新思路。

[关键词]紫丁香2号微纳卫星;创新;拔尖人才

[中图分类号]G64

[文献标识码]A

[文章编号]2095-3437（2020）03-0146-03

以教学为中心，立德树人是高校教育的根本。如何促进教学质量，提升教学水平，是高校一直以来重要的课题。多年来的教学实践表明，科研可以推动教学的发展。科学研究工作对教学质量的提升主要体现在以下几方面：科研工作可以更新教学内容，丰富教学体系;可以促进教师教学水平的提高和教学理念的发展;可以丰富教学手段，提高学生的创新能力。

传统意义上的卫星研制是庞大的系统工程，随着商业资本陆续进入航天市场，研制门槛较低的微纳卫星正逐渐成为航天研制的热点。微纳卫星的研制如果仍依赖于传统航天院所、高校教师，则其研制能力已远远不能满足目前的微纳卫星市场需求，因此，一些商业化的卫星公司应运而生。

哈尔滨工业大学（以下简称“哈工大”）近年来也在适应社会创新创业，在突破传统航天研制体系上进行探索。其在科研上，结合理论研究，将一些全新的科研方法和成果应用到承担的型号卫星中。在教学上，哈工大开设了一系列与卫星研制密切相关的专业选修课，让一线的卫星总师、卫星总指挥以及分系统主任设计师走上讲台。结合科研与教学，哈工大试图通过科研带动教学，通过教学促进学生科研创新能力培养的形式，为航天领域培养富有竞争力的创新性工程人才和拔尖技术人才。

一、课程设计

小卫星系统开发课程是由笔者开设的一门讲授国际前沿科技微纳卫星系统设计的课程。本课程将系统地讲授当前国际航天高校普遍流行的立方体微纳卫星设计与研制涉及的各个方面，借助所在实验室拥有的卫星研制方面的先进条件为学生提供实验实践，为哈工大培养了一批高水平的航天专业相关人才。

课程的目标是让学生初步了解与掌握卫星的研制过程，锻炼学生独立解决问题的能力，培养学生团队相互配合的能力。

（一）课程内容

小卫星系统开发课程采用讲授和实验两种授课形式。课程的讲授环节集中讲解小卫星研发过程中涉及的专业知识，包括小卫星发展现状、卫星总体涉及、卫星综合电子系统设计、空间电源系统设计、卫星结构与热控系统设计、卫星姿态轨道控制系统设计、空间测控通信系统设计、空间载荷应用等卫星总体及分系统的设计方法，具体包括以下几个方面。

1.微纳卫星发展现状及关键技术：结合当前航天领域典型的卫星型号应用情况，介绍美国、日本、欧洲以及我国的微纳卫星起源、概念、特点以及用途;剖析微纳卫星设计与研制涉及的关键技术及其主要的解决方案。

2.微纳卫星总体设计技术：以立方体卫星为例介绍其组成与功能，并分析设计此类立方体卫星时需要考虑的主要问题，如载荷、轨道、构型、热控、重量、功耗等相互之间的关系。在此基礎上，介绍该类卫星的在轨典型运行模式，以及各个模式设立的目的和用途。最后介绍卫星研制需要经历的流程与关键环节。

3.微纳卫星综合电子设计技术：介绍立方体卫星综合电子系统的组成与功能，以及通常可采用的设计手段，包括星载计算机、星地通信等相关应用情况。最后介绍进行综合电子系统设计与研制需要的典型设备、手段、流程和方法。

4.微纳卫星姿轨控设计技术：介绍立方体卫星姿轨控系统的组成与功能，以及通常可采用的设计与分析方法，包括姿轨控数学仿真与物理仿真方法、敏感器/执行机构设计与研制、星载控制软件开发等。最后介绍进行姿轨控系统设计与研制需要的典型设备、手段、流程和方法。

（二）课程形式

实验前设置问卷调查，对学生兴趣爱好、专业基础、课外知识储备以及专业规划等方面进行调查，以便更加合理地将学生划分成不同的小组开展实验环节的学习。

在实验环节中，根据问卷调查结果、学生的兴趣和专业规划，将学生划分为4-6个小组，明确各小组需要完成的任务，并确定各个小组的负责人。要求学生围绕2U的立方体卫星设计与研制任务，相互协作，共同完成卫星的总体方案设计。笔者利用负责紫丁香微纳卫星学生工场的有利条件，按小组分工，将小组成员对应分配到紫丁香微纳卫星学生工场各小组中，让其承担某一分系统设计与研制工作。经过前期分系统阶段的设计与研制，以及系统集成与测试阶段对各个分系统样机进行综合集成与测试，最后形成由学生自主设计、加工、开发、调试与测试的立方体微纳卫星。

本课程面向航空宇航、力学、控制、通信、机电、微电子、热能等诸多与航天专业相关的学生开放，通过多学科学生之间的交流学习，实现了以科研项目为依托的跨学科复合型人才培养模式的探索。

采用启发式教学，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过实践和自学获得自己感兴趣的专业知识。将学生的学习兴趣放在首位，根据不同的兴趣安排学生的分工，这样学生的学习兴致高，专业技能提升快。

采用多媒体教学，提高课堂教学信息量，增强教学的直观性。根据对实际案例的分析，理论教学与工程实践相结合，引导学生应用自然科学和工程科学的基本原理，采用现代设计方法和手段，进行系统设计与仿真，培养其识别、表达和解决专业相关工程问题的思维方法和实践能力。

课程面向全校多学科、多专业本科生开放，这大大激发了本科生的求知欲望。16学时的课程内容远远达不到自主研发卫星的水平，但学生通过课程的学习和参与，表现出了对前沿科技的渴望，这促使学生自发地加入到微纳卫星团队中来，并得到指导教师的支持。团队已由初建的十几名本科生发展到现在的一百余人，并且不断有硕士生、博士生加入。

二、教学实践——紫丁香2号微纳卫星研发

在全国开展创新创业训练计划的契机下，2014年3月，我们组织学生组成研发团队提交紫丁香2号项目意向书;学生团队由飞行器设计、力学、计算机科学与技术、控制工程、机械工程、通信工程、电气工程、热能工程等学科的本科生和硕士研究生组成，覆盖了微纳卫星各分系统，分工明确，由学生负责人统一整合调度。

学生通过查阅文献，定期开组会、分析问题、解决问题。学生通过自主设计调试，研制出能集成到微纳卫星上的单机设备。周末、假期甚至春节期间，学生都在实验室调试、分析、总装以及试验。经过一年的研发，紫丁香2号终于在2015年9月20日成功发射。紫丁香2号卫星是我国首颗完全由在校学生自主设计、研制与管控的全COTS器件微纳卫星。卫星重12kg，目前在轨运行良好，远超3个月设计寿命，运行1年内累计接收26万包遥测数据，已完成了在美、日、德、英、荷等34个国家150多个无线电爱好团队的通联任务。

三、教学实践成果——紫丁香2号研发试验与产品成果总结

紫丁香2号卫星上采用了大量学生自主研发的产品，包括测控模块A、B，计算机模块A、B，供配电模块A、宽频接收机、接口模块以及飞行软件平台等。自主选用工业级非制冷红外相机，获取了国内首幅长波红外影像（2015年9月20日，17：20），至今已获取有效图像几百幅，验证了采用微纳卫星进行森林火灾与环境监测的可行性。

此外，紫丁香2号还验证了低成本宽频接收技术，基于开源硬件平台与软件无线电技术，在国内首次验证了同一硬件平台接收ADS-B和AIS信号的可行性;飞行软件在轨试验技术;多模式转发器基于U/V测控应答机硬件，实现APRS转发、FM通话以及野生动物跟踪试验;多模式转发器等测试。

同时，卫星搭载的国际立方星标准电子模块全COTS器件平臺电子系统符合国际CubeSat（立方星）标准，软硬件与国际成熟产品兼容，显示出与国际立方星产品具有良好的互换性与通用性。UHF双圆极化天线，用于需要实现全向信号强度稳定的场合，尤其适用于微纳卫星等安装空间紧张的卫星。使用钛镍超弹合金材料，非展开时使用绕线固定于卫星表面，在轨飞行时通过电热熔断绕线的方式展开的VHF可展开天线，以及国产新型小型敏感器均验证了良好的性能，为以后卫星研发中的替代元器件的选择提供了良好的可靠性测试及参考。

四、微纳卫星团队业绩

哈工大微纳卫星学生团队于2012年1月成立，由8个学院13个学科、100多名学生组成，骨干14人;2012年5月，紫丁香1号正式入选QB50项目;2014年3月，提交紫丁香2号项目意向书;2015年11月，开展紫丁香3号项目研究;假期定期接受学校相关专业学生实习;2015年获第14届“挑战杯”全国大学生科技作品竞赛一等奖;2015年度全国大学生“小平科技创新团队”;2016年获第10届全国青少年科技创新奖;2016年第11届中国大学生年度人物提名奖;其他奖学金、优秀大学生称号等十人次;参与国内创新创业大赛获奖励十余项。

紫丁香2号卫星自2015年9月发射至今，仍在轨正常运行，状态良好，超额完成任务。团队吸引了8个学院13个专业100多名学生参加，其中60多人已顺利毕业，通过在课程及团队实际项目中的训练，学生掌握了将自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题的能力，并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流，受到用人单位的青睐。

目前，团队自主研制的紫丁香1号微纳卫星也已成功完成在轨演示验证任务，在轨运行正常。团队主要成员参与研制了全球首个独立完成地月转移、近月制动、环月飞行的微卫星“龙江二号”，承担并顺利完成了其中的微型CMOS相机有效载荷的研发工作。该相机拍摄的地月合影（图3）被《科学》（Science）杂志以图片新闻的形式进行了报道，英国《独立报》在其报道中称“这可能是迄今为止最棒的地球和月球合影”。央视新闻频道也跟踪报道了这群为梦想而生的紫丁香团队的年轻人是如何追逐他们的航天梦的，同时这也生动诠释了哈工大的新一代是如何践行和传承“深厚博大的航天精神”和“心有大我、至诚报国”的家国情怀的。

五、结论

目前，研究型高校中的青年教师在处理科研项目与教学课程的关系时，往往容易顾此失彼。通过本课程设计至实践再到工程应用一系列事实表明，科研与教学应相辅相成、互相促进，用科研成果指导教学体系的更新及教学方法的改进，有利于学生的培养，尤其是有利于学生创新能力的提高。

高校的本质是人才培养，科研与教学并不矛盾，只要处理好其中的关系，对学校、学生、教师的发展都是有利无弊的。

[责任编辑：陈明]