深空探测科学教育虚拟仿真实验

负责人:
陈金宝
开课时间:
2019-08-29
学分:
2
学时:
6
深空探测科学教育虚拟仿真实验

实验简介

本项目将嫦娥四号国家重大型号工程转化为虚拟实验教学课程,培养学生运用基本原理解决航天实际问题的能力,重点掌握天体运动基本原理、地月轨道转移原理、变轨速度计算方法、刚体定轴转动定律、姿态控制计算方法及深空中继通信原理等知识点。

项目简介视频

教学引导视频

实验背景experimental background

1、科学教育是提高公民科学素质的重要国策,空间科学教育是航空航天类高校的责任和义务

公民科学素质状况是决定综合国力强弱的重要因素,科学教育是提高公民科学素质的手段和基础。2016年国务院颁布了科学教育领域的重要文件——《全民科学素质行动计划纲要实施方案(2016-2020年)》,《方案》指出“推进高等教育阶段科学教育和科普工作”是高等学校科学教育的工作重点,“充分发掘高校的特色科学教育资源,实现高校优质科研资源的科普化”是提升科学教育水平的关键措施,对推进科学教育专业领域发展具有重要意义。

空间科学是科学教育的三大重点领域之一。南京航空航天大学在空间科学领域拥有深厚的研究底蕴和优良的科研条件,深度参与了“嫦娥三号”、“嫦娥四号”、火星、小行星及载人登月等所有的国家深空探测任务和多项深空探测工程项目。嫦娥系列探测器总指挥、南航航天学院院长叶培建院士十分重视科普工作,叶院士指出:将优质科研资源科普化,推动空间科学领域的科学教育发展,是以南航为代表的航空航天类高校的责任和义务。

2、《航天工程概论》、《行星探索》课程是我校空间科学通识教育的核心内容,实验教学是其重要组成部分。

《航天工程概论》、《行星探索》等课程主要用于引导学生了解航天系统工程基础、行星探索基础和前沿发展动态,是培养学生热爱航天事业、立志航天报国的启蒙课程。其知识点涉及力学、电磁学、自动控制和电工电子等多个学科门类,包含了航天器姿态与轨道控制、测控与通信、发射与回收等航天分系统。由于学生对航天知识缺乏直观认知,仅通过理论讲解难以达到较好的教学效果,因此,在《航天工程概论》和《行星探索》中共设计了6个学时的实验课程,通过实验教学环节加深学生对所设知识点的理解和掌握。

3、空间科学实验教学存在“看不见、摸不着、做不了、做不好”等困难,需要借助虚拟仿真技术实现。

空间科学具有系统复杂,技术先进、耗资巨大等显著特点,难以在地面模拟完整的实验教学环境,传统的空间科学实验教学普遍存在“看不见、摸不着、做不了、做不好”等实际困难,需要借助虚拟仿真平台加以解决。航天重大型号工程知识体系完整、创新性强、社会关注度高,是空间科学教育的优质资源,但航天工程存在建设周期长、投资体量大、技术难度高等特点,难以转化为实验教学资源。因此,利用虚拟现实技术将国家重大型号工程转化为实验教学项目,可以有效提高空间科学教学水平,促进人才培养能力建设。

深空探测作为空间科学与技术创新的重要途径和人类航天活动的重要方向,代表了空间科学领域的前沿科技。“嫦娥四号”任务是深空探测领域的重点工程,创造了月背软着陆、月背中继通信等多项“人类第一”,实现了重大科学创新,本项目以“嫦娥四号”探月工程为实验背景,可以激发学生对空间科学教育的学习热情,促进学生对深空探测科学原理的理解,实现学生对航天特色文化精神的传承,践行高校立德树人的精神风貌。

因此,南航针对普通高校通识科普教育和科学教育专业人才培养的需求,联合贵州师范大学科学教育专业开发了深空探测科学教育虚拟仿真实验项目,填补了我国科学教育专业在空间科学虚拟仿真实践教学平台方面的空白。

设计原则design philosophy

1、实验教学方法

本实验项目采用“多元化探究式”实验教学方法,包括通过“学生自主学习”的任务分配,面向“多元化”能力培养,基于“探究式”实验过程设计。通过具有系统性知识体系的探究性实验内容和多元化的能力培养方式,从而系统掌握航天器轨道转移设计方法、探测器姿态控制方法、深空中继测控方法。

基于“探究式”实验过程设计

    探究性实验过程设计不再强调唯一的参数和结果,学生可以通过应用所学知识设计不同的控制参数从而得出不同的结果,并进一步分析获得理想的控制和设计方案。

“多元化”能力培养

通过本实验可以多元培养学生知识的掌握能力、控制的探索优化能力、问题和结果的分析总结能力等工程实践能力,从而进一步满足学生的创新学习的需求。

2、实验方法

本实验所采用的实验方法有比较法、等效替代法和控制变量法。具体教学方法举例说明如下:

① 控制变量法

以探测器轨道转移技术实验模块教学应用为例,在地月转移轨道设计环节中,通过控制航天器初始速度变量和到达速度变量,生成不同形状轨道,来研究不同的控制变量下的轨道形状变化。

② 等效替代法

以探测器姿态控制实验模块教学应用为例,实验将复杂的航天器姿态控制问题转换为归纳刚体定轴转动模型,通过刚体定轴转动定律、角动量定理、姿态角速度和姿态角变化来计算修正姿态偏差所需的推力器作用时间。

③ 比较法

以深空探测任务模拟实验模块教学应用为例,通过改变辐射功率、通信距离,以此分析比较控制变量(辐射功率、通信距离)对中继通信的影响,确定控制变量与中继通信的因素关系。

课程目标course objectives

1、通过本项目认知环节,使学生掌握深空探测工程的基本常识,培养学生对探月工程各个任务阶段和“嫦娥四号”探测器组成的认知能力,能够理解和领会航天精神特色内涵;

2、通过本项目轨道设计环节,使学生掌握地月轨道转移的基本原理,培养学生对地月转移轨道的设计能力,能够分析速度参数与轨道转移效果的作用机理;

3、通过本项目姿态控制环节,使学生掌握刚体定轴转动的基本原理,培养学生对航天器姿态控制的设计能力,能够计算和分析航天器的姿态控制时间;

4、通过本项目任务模拟环节,使学生掌握深空中继通信的基本知识,培养学生对中继通信参数的设计能力,能够分析辐射功率、通信距离等参数与中继通信能力的相互关系。

实验要求experimental requirements

专业与年级要求

本虚拟实验课程面向普通高校理工专业本科生通识教育,以及教育学科学教育专业本科生的专业教育,年级为大一至大二本科生。

基本知识和能力要求

本虚拟实验课程仅要求学生具备《高中物理》等课程的知识储备,对于大众化、非专业学生来说,对其专业基础知识没有特殊要求,只要会使用网络便可顺利访问学习。

成绩评定evaluation of the experiment

本实验考核标准由预习考核和实验过程考核组成。预习考核是针对认知学习和核心要素实验环节的前置预习知识进行考核,考核成绩计入实验总分。实验过程考核则是对每个实验环节的关键原理、方法和设计进行考核,每个题目均提供满分、及格和不及格评分标准,由软件直接进行判决。考核以客观题为主,题目包括选择题和填空题,本实验考核采用机器考核的形式。

(1)预习考核

认知实验模块包括探测任务认知和探测器系统模块,学生学习认知实验模块后,系统将给出认知实验模块预习考核题目,该题目将作为认知考核计入实验总分。

核心要素实验环节的预习考核由三部分组成,包括探测轨道转移设计模块,探测器着陆控制模块,深空探测任务模拟模块。在每一模块进行实验内容前,将首先给出知识角,学生根据由知识角学习该模块相应知识后,系统将给出相应预习题目,该题目将作为预习考核计入实验总分。

(2)实验过程考核

实验过程考核由三部分组成,包括探测轨道转移设计模块,探测器着陆控制模块,深空探测任务模拟模块。在每一模块进行实验时,学生将根据知识角已给出的知识和预习题目,计算或推导出要完成实验需要的正确数据,正确数据为一个闭合区间,学生输入数据越接近已给出的标准值,分数更高。实验过程中输入数据将作为实验过程考核计入实验总分。

教学团队teaching team

陈金宝

陈金宝|教授

国家“万人计划”青年拔尖人才,航空航天工程专业学术带头人,江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师,江苏省六大高峰系列高层次系列人才。主编《航天工程概论》教材,讲授《航天工程概论》课程。承担国家自然科学基金、国家民用航天项目、“嫦娥”探月工程重大型号专项、总装预研等多项课题。
杨宇晓

杨宇晓|副教授

硕士生导师,讲授《航天器测控技术》课程,主持国家863计划、国家自然科学基金、装备预研、航空科学基金、上海航天科技创新基金等多项科研项目,任《电子与信息学报》、《西安交通大学学报》等杂志审稿专家。
郑峰婴

郑峰婴|副教授

硕士生导师,主要研究方向为飞行器先进控制技术,主持国家自然科学基金、重点实验室基金、航空科学基金、陆航预研基金等多项科研项目,发表论文20余篇。
盛庆红

盛庆红|副教授

硕士生导师,讲授《卫星遥感》、《卫星遥感图像处理》课程,获江苏省优秀研究生课程。编写教材《卫星遥感与摄影测量》,获省部级教学奖励3项,主持多项国家级项目和省部级项目。发表论文30余篇。
沈萍

沈萍|讲师

南航“天巡一号”微小卫星项目电源分系统主任设计师。主要从事航空航天电源系统、功率变换技术和电源系统健康管理等方面研究。指导本科生参加全国大学生节能减排大赛等。
龙星宇

龙星宇|讲师

龙星宇,男,博士,讲师,主要从事《分析化学》《生物化学》《食品分析》等专业课程的教学工作,并指导化学、应用化学、科学教育等专业的本科毕业论文,以及指导学生参加全国师范院校实验技能大赛等。
张燕华

张燕华|实验师

主要研究方向复杂装备可靠性及定费用设计 参与天巡一号微小卫星研制等多项航天工程项目 主持多项校级实验技术研究与开发项目
罗轶欣

罗轶欣|助理实验师

主要从事传热与传质领域研究工作。主持校级“实验技术研究与开发”重点项目,参与“全国高校教师教学创新大赛——第五届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛”,团队参赛作品获全国一等奖。参与民机预研项目、火星探测工程专项等课题多项。
高有涛

高有涛|副教授

主讲《航天器轨道动力学》,《人造卫星精密定轨理论》课程,参与完成国家精品在线课程《航天、人文与艺术》。主要研究方向为航天器自主导航,主持科研项目10余项,发表论文20余篇。
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