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科教融合、知行合一教与学《航天器空间环境效应》
发布日期:2019-02-15 14:27:05

《航天器空间环境效应》课程开设于中国科学院大学(以下简称“国科大”)天文与空间学院成立伊始的2015年,涉及空间科学与空间技术相交叉的综合知识。中国科学院国家空间科学中心(以下简称“空间中心”)发挥在该领域积累的一流的科研人才、科研设施、工程应用经验等条件承担了该课程的教学工作。

教师团队均为有着十年至二十年不等研究与工程经历的一线科研人员,从航天器技术发展与工程实践中总结提炼出基础理论与核心技术进行授课,系统涵盖了器件电路辐射效应、材料部件充放电效应及对器件电路影响、暴露材料部件侵蚀效应,涉及这些空间环境效应的作用原理、风险分析与试验技术、防护技术要点及原理等,课程还给出了大量的工程应用实例,做到了科教融合、学用结合。该课程吸引了我院15个空间科技相关研究所20个专业的研究生学习,主要有飞行器设计、空间探测、光电载荷、宇航器件、空间用材料等领域。

为了克服空间科技相关课程涉及知识面宽且抽象枯涩的困难,空间中心利用长期积累的科研设施为该课程设立了实验和仿真实习环节。在最初的两学年里,在空间与天文学院的支持下,选课研究生利用“周末”从国科大雁栖湖校区赶往空间中心中关村园区进行两批次6学时实习,包括部分动手实验和部分观摩实验及仿真。2016年底,空间中心总部由中关村搬迁至怀柔科学城,毗邻国科大总部雁栖湖校区,便利的交通、宽敞的实验室等为科教融合开设高水平的实验和仿真课创造了条件。2017-2018学年,空间中心利用怀柔园区实现了“正常”上课时段研究生实习。2018-2019学年,实习环节得到全面升级,(1)课时增加至24学时;(2)针对研究生实习在怀柔园区专门开辟了相关实验室,专门研发了研究生专用单粒子效应实验装置、搭建了表面充放电实验装置、构建了研究生实习用仿真计算及网络系统等;(3)教师团队结合课堂讲授的理论知识要点和航天工程实践热点,设计了典型的实验与仿真,内容包括对航天器电子系统有广泛重要影响的单粒子效应实验、对中高轨卫星危害严重的充放电实验、以及影响所有航天型号任务的空间辐射环境及效应仿真等三大系列多个主题;(4)所有的实验和仿真,均由研究生动手操作实施,在获得的数据和观测现象基础上进行“仁者见仁智者见智”的独立分析形成充满个性的实验报告;(5)为了进一步激发同学们的创造性和探索欲,针对对航天器危害最为突出的单粒子效应,在完成了基本实验的基础上,设计了开放实验完全由研究生自主提出命题、设计实验方案、制作实验电路和进行实验探索。

同学们通过课堂听讲、实验室做实验和仿真,较系统深刻地掌握了航天器在轨飞行遭遇的主要空间环境要素的特征、遭受影响的主要机制与规律、工程应用进行分析、试验与防护设计的基本思路与要点,为未来深入探索、开发和利用空间奠定了相关理论与技术基础。图1是同学们进行仿真计算的场景,以及绘制的部分空间辐射环境及影响特征图。图2是某组同学以异或门电路为主要对象,自主选择器件设计实验电路,提前仿真单粒子效应对该电路影响、以及实际实验获得的上游电路单粒子瞬态脉冲导致的异或门电路输出“反转”结果。图3是同学们实验测得的典型星用材料表面充电电位变化、以及形成的放电脉冲和对星用电路造成的干扰。实验过程并不一帆风顺,部分同学为了做好实验提前一周就到实验室进行准备和电路调试,但在实验过程中还是出现电路输出异常、实验现象与仿真或设想差异较大、甚至没有观察到明显现象等等。针对这些异常,有些通过同学们现场的团队协作及时给予了解决,有些留作实验报告中进一步剖析,还有些同学意犹未尽在正式实验结束后在老师的支持下进行了课后的额外实验。同学们通过这些实验与仿真,收获的不仅仅是具体的结果,更多的是全程的设计主题、细化实验/仿真方案、选择器件搭建实验电路、现场分析和解决各种异常、各抒己见分析撰写实验/仿真报告,这何尝不是一次科研的启迪!

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1 同学们进行的典型卫星轨道空间辐射环境及其影响仿真

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2 同学们设计实验的单粒子瞬态脉冲对异或门电路影响

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3 同学们进行的星用材料表面充电和放电对星用电路影响实验

 

同学们对该课程给与了肯定。“几位授课老师大量运用他们在实际工作过程遇到的案例,将抽象的概念具体化,让学生们非常容易接受其中的精髓。”“通过课堂理论知识与实验平台动手操作相结合的方式,我们可以更好地学习课程。”“理论与实践结合的非常好!可以扩展视野,丰富思维方式!”“自主设计实验开发了思维能力,拓展了科研学习思路,提高了科研敏感度,为大家学习理论课程以及后续的研究工作都提供了巨大的帮助。”到空间中心激光试验室能够亲自动手,非常幸运,对单粒子效应有了更加清晰的认识,同时还锻炼了自己与合作队员之间的团队协作能力。 课堂上讲授的很多空间环境效应的物理图像,可以通过仿真实验进行重新绘制和分析,这非常有助于我们对课程知识点的理解。”天文与空间学院课程督导教师也亲临仿真与实验课现场,他们评价:“利用科学院科研人才、设备与经验优势,针对国科大研究生教育专门开设理论与实验相结合的课程,是科教融合的重要体现。”

科教融合培养高水平优秀人才,是中国科学院和中国科学院大学的重要使命,充分利用我院一流的科研人才、设施等优势,一定能够不负众望塑造更多理论扎实、动手能力强、创造思维活跃的创新人才。