【首批国家级一流本科课程】“飞行器空天交会运动虚拟仿真实验”

点击数:    |    加入时间:2021-04-09

2020年11月,由我校宇航学院陈万春教授教学团队负责建设的“飞行器空天交会运动虚拟仿真实验”课程被首批认定为国家级一流本科课程(虚拟仿真实验教学一流课程)。该课程于2017年启动建设,并于2019年正式投入使用,主要为国内航空航天专业的本科生和研究生提供最先进、最直观的“浸入式”教学体验。截止2021年3月,课程浏览量超过7500人次,有国内十余所高等院校和航空航天科研院所的1100名学生在线完成了该课程的所有实验教学环节,取得良好教学效果。同时,该课程的教学方法、教学理念和教学设计得到了广大教师和同学的一致好评。

空天交会是航空航天复杂高技术系统工程中的关键技术。传统空天交会运动教学实验代价大、周期长,设备台套少、学生参与度不高,虚拟仿真实验课程可以有效弥补传统教学实验的不足,从而为航空航天专业高层次人才培养提供最先进和高效的教学环境。“飞行器空天交会运动虚拟仿真实验”课程提供逼真的三维空间六自由度空天交会相对运动虚拟仿真实验环境,使学生能够直观地认识防控拦截、空间交会对接的基本概念,自主探索多种因素对空天交会结果的影响,深刻体会飞行器空天交会的重要作用,对学生专业知识学习、探索能力的培养具有重要意义。

课程内容涵盖了《导弹弹道学与动态分析》《导弹制导系统》《导弹制导原理》《导弹飞行动力学》《飞行动力学基础》《航天飞行器动力学原理》及《航天飞行器总体设计》等航空航天专业核心课程的关键知识点和分析方法,结合虚拟仿真实验课,帮助学生更好地理解和认识专业课程所授理论和方法,使学生对防控拦截和空间交会的基础理论认识更加清晰、更有逻辑性和连贯性。开启了探究式和启发式的在线教学模式,以课程在线互动学习为基础,极大提升了教学质量和学生学习积极性。

飞行器空天交会运动虚拟仿真实验

教学团队

“飞行器空天交会运动虚拟仿真实验”课程教学团队由我校宇航学院陈万春教授领衔,教学团队总人数21人,其中,高校教师17人,航空航天研究院所4人;团队核心成员包括1名教授、2名副教授和2名讲师,均具有博士学位。

团队负责人陈万春教授获北京航空航天大学“立德树人优秀奖”(2019年)、“优秀共产党员”称号、北京市高校优秀青年教师、国防科技工业百名优秀博士、硕士;获北航教学成果奖7项(其中一等奖4项),研究生课程卓越教学奖1项。任原国家高技术研究发展计划(863计划)409专题专家组专家、中国宇航学会无人飞行器学会理事会理事、《北京航空航天大学学报》编委、《导弹与运载火箭技术》特邀编委、《空天防御》编委、《战术导弹技术》编委、航天科工集团第三研究院空射巡航导弹发展型技术专家组专家、航天科工集团第二研究院教学专家咨询组专家。

教学团队成员长期从事航空航天飞行器设计研制工作,高度关注学科发展和专业动态,定期组织探讨教学和科研问题,团队成员协同合作默契,有效地提升了教学团队的核心竞争力;教学团队年龄、职称、学历结构合理,既有年富力强的青年骨干教师,也有教龄超过三十年的资深教授,经验丰富的老教授对青年教师进行“传、帮、带”式的精心指导,帮助教学团队形成了共同学习、取长补短、相互促进的和谐成长氛围,有效地将教学团队建设与学科、院系发展融为一体,形成了“集思广益搞教学,精益求精提质量”的团队特色,充分体现了我校教研结合的教学特色。目前,教学团队核心成员均承担国家级重要科研项目,既有深厚的理论功底,又有丰富的航空航天工程经验,从而形成了一支将科技前沿、科研时间和理论教学紧密结合、具有雄厚实力的教学团队。

教学团队以该课程教学为基础,结合我校航空航天专业领军领导人才培养的实际需求,完成校级教改项目2项,优化教学内容和方法,增强了学生对专业理论基础在航空航天领域中应用的整体把握。教学团队成员中1人获评北京高等学校优秀专业课主讲教师,1人获评北京航空航天大学“优秀主讲教师”,1人获评北京航空航天大学青年教师教学比赛三等奖,3人获何鸿燊奖教金,2人获北京航空航天大学生产实习优秀指导教师;教学成果获北航教学成果一等奖1项、二等奖1项、三等奖1项,获全国教育教学信息化交流展二等奖1项;教学团队成员主讲的专业课程《飞行动力学基础》获评北京高校“优质本科课程”,获北京航空航天大学首批一流本科课程和思政示范课立项建设。

特色经验

空天交会是防空拦截、载人航天等航空航天复杂高技术系统工程中的关键技术。导弹只有在空中准确命中并摧毁来袭目标,才能使国家领空不受侵犯;飞船与轨道舱只有在太空实现精确交会对接,才能最终完成国家空间站建设任务。上述两种空天交会案例是航天飞行器设计专业极具专业特色的教学内容,《飞行器空天交会运动虚拟仿真实验》通过提供逼真的三维空间六自由度虚拟仿真实验环境,使学生能够直观地认知防空拦截的发射区、航路捷径、雷达探测距离、导弹发射方式、空间飞行器交会对接过程、姿轨控发动机系统、开关曲线等基本概念,自主探索多种因素对空天交会结果的影响,深刻体会飞行器空天交会的重要作用,对学生专业知识的学习、探索能力的培养具有重要意义。

《飞行器空天交会运动虚拟仿真实验》由大气层内的“防空拦截”和大气层外的“空间交会对接”两个系列的实验构成,分为认知、体验、探索三个层次,覆盖近20个知识点,共有超100个操作步骤。学生可在实验管理平台上传实验报告、查看教师评价、提出问题与教师互动交流,分享教师提供的相关学习素材,增强师生互动性、提高实验教学效果。

防空拦截虚拟仿真实验

交会对接虚拟仿真实验

经验总结

持之以恒,坚持科研反哺教学

教学团队长期致力于飞行器总体设计、航天动力学与控制的教学和科研工作,承担了多门核心专业课程的教学工作,对空天交会运动的理论基础和工程应用有深厚的理解和认识。教学团队自2004年起,在团队教师和研究生共同努力下,基于面向对象的计算机语言开发了具有完全自主知识产权的跨学科弹道集成设计与仿真软件——TTI/Flightsim。该软件已被国内航空航天领域多个研究院所用于实际航空航天飞行器和导弹型号的开发和研制,同时,该软件还为“飞行器空天交会运动虚拟仿真实验”课程的设计和开发奠定了坚实的基础,“飞行器空天交会运动虚拟仿真实验”课程的建设正是建立在历年课程教学经验总结和多年教学、科研资料积累的基础上的,课程建设所取得的成绩也是教学团队多年在航空航天专业教育教学领域坚持教研结合和不懈努力的结果。

自主开发的软件TTI/Flightsim

凝心聚力,充分发挥党员先锋模范作用

优质航空航天类虚拟仿真实验课的建设涉及方方面面,主要包括航空航天类虚拟实验课程的调研分析、课程实验内容的设计与迭代更新、课程实验软件的开发与完善、课程网站的申请和建设、信息安全等级保护认证、课程宣传视频的设计、录制和剪辑、课程服务的推广等,完成这些工作既需要教学团队有丰富的教学经验,更需要有不怕吃苦、甘于奉献的精神。教学团队在课程负责人陈万春教授的带领下,充分发挥党员的先锋模范作用,不断增强教学团队凝聚力和战斗力,在课程建设阶段全体成员密切配合、通力协作,全方位、高质量的完成了课程建设中的各项工作。

以本为本,聚学科智慧打造“金课”

以学生为中心,以提高教学效果为目的,教学团队在课程建设过程中得到了学校机关、院系和校内外专家、教授的大力支持。学校教务处在课程建设过程中全程指导、全程协调、全程支持,为虚拟仿真实验课程建设的顺利进行“保驾护航”;学校信息化办公室在课程服务器申请、建设,域名审批、测试等方面提供了大量的技术支持和硬件保障;宇航学院还邀请了前期有虚拟仿真实验课程建设经验的教授和专家作报告和辅导讲座,邀请了航空航天教学指导委员会专家对课程建设进行现场指导,这些支持和帮助都是“飞行器空天交会运动虚拟仿真实验”课程高质量高效率建设中不可或缺的“领航器”和“助推器”。

课程是人才培养的核心要素,学生从大学里受益的最直接、最核心、最显效的是课程。建设中国大学“金课”,让每一个学生都能够享受“金课”是我们中国大学和每一位高校教师义不容辞的历史使命。建设国家级“金课”是一项系统工程,既需要教学团队深厚的教学底蕴、先进的教学手段和丰富的教学资源,还需要学校、学院和教学团队对课程建设的全方位组织协调,更需要国家、社会和行业的大力支持。

“飞行器空天交会运动虚拟仿真实验”课程教学团队在精益求精开展课程建设和教学工作的基础上,正在以“金课”建设为契机,着力进行动力学与控制课程群未来发展规划,从师资队伍、课程体系、教学内容、教学方式、信息化教学等多个维度进行深入的改革、探索和实践。以“金课”助力北航“两领”人才培养目标,传承中国航天精神,守正创新,开拓进取,再攀立德树人新高峰。

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