航天控制力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容與方法探討

王新國(guó)+++郭一鋒+++單斌+++郭志斌+++楊波

【摘要】力學(xué)涉及的分支較廣，在不同的領(lǐng)域?qū)唧w力學(xué)知識(shí)的要求存在較大的差異，論文根據(jù)航天控制應(yīng)用背景，對(duì)我校建立的“航天控制應(yīng)用力學(xué)”課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法手段進(jìn)行探討，以更好地服務(wù)教學(xué)。

【關(guān)鍵詞】航天控制力學(xué) 教學(xué)內(nèi)容 教學(xué)方法

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2017）10-0249-02

一、航天控制力學(xué)基礎(chǔ)的需求分析

由于航空航天和其他新技術(shù)的發(fā)展，力學(xué)的很多分支得到快速發(fā)展，如流體和氣體力學(xué)、陀螺力學(xué)、飛行力學(xué)等，甚至出現(xiàn)很多邊緣學(xué)科，如電磁流體力學(xué)、生物力學(xué)、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)等。力學(xué)的范疇越來越廣，內(nèi)容和內(nèi)涵越來越豐富。隨著專業(yè)拓展，各高校課程呈現(xiàn)出多樣化、短學(xué)時(shí)的特征。為了適應(yīng)學(xué)時(shí)越來越少的情況，各個(gè)學(xué)科開始制定適合自己學(xué)科的力學(xué)課程。隨著航天領(lǐng)域的發(fā)展，并伴隨著各大學(xué)出現(xiàn)的航天熱，基于航天控制的力學(xué)基礎(chǔ)問題越來越顯得突出。

二、教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建原則與思路

1.聯(lián)系航天背景，整合教學(xué)內(nèi)容。在力學(xué)課時(shí)不斷被壓縮的情況下，教學(xué)內(nèi)容需要進(jìn)行整合。在理論力學(xué)基礎(chǔ)上，一方面對(duì)與大學(xué)物理內(nèi)容重復(fù)的部分進(jìn)行刪減，同時(shí)刪減與航天控制中應(yīng)用聯(lián)系不緊密的部分，并增加飛行力學(xué)中與航天控制相關(guān)的部分內(nèi)容，形成縱向以航天控制應(yīng)用為主線、橫向以理論力學(xué)、飛行力學(xué)、工程力學(xué)等交叉融合的教學(xué)內(nèi)容體系，教學(xué)中體現(xiàn)多學(xué)科的相互滲透與交叉融合?；緲?gòu)建思路為：

（1）汲取理論力學(xué)中運(yùn)動(dòng)學(xué)內(nèi)容和動(dòng)力學(xué)內(nèi)容的精華部分，靜力學(xué)只保留力系簡(jiǎn)化部分，并且摒棄大量的以機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析為主的內(nèi)容，不再?gòu)?qiáng)調(diào)剛體上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析，而是從火箭的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)為重點(diǎn)，講解相關(guān)基礎(chǔ)問題。

（2）在飛行力學(xué)和彈道學(xué)基礎(chǔ)上，保留力的分析、坐標(biāo)系及其變換等部分，同時(shí)增加與航天控制相關(guān)的問題，如各種干擾，如風(fēng)干擾、結(jié)構(gòu)干擾等，適當(dāng)增加控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的內(nèi)容，供學(xué)生拓展學(xué)習(xí)；同時(shí)刪減過于繁雜的軌道計(jì)算問題。

（3）利用航天控制的背景知識(shí)和問題，將上述內(nèi)容統(tǒng)一和整合，形成一個(gè)應(yīng)用背景鮮明、內(nèi)容統(tǒng)一的新課程系統(tǒng)。

2.強(qiáng)化基本概念與數(shù)學(xué)推導(dǎo)思路。美國(guó)著名物理學(xué)家費(fèi)曼曾說：“對(duì)學(xué)物理的人來講，重要的不是如何正規(guī)嚴(yán)格地解微分方程，是能猜出它們的解并理解物理意義?！币蚨虒W(xué)的一個(gè)趨勢(shì)就是強(qiáng)調(diào)的明確、清晰和深刻，把對(duì)概念的理解放在第一位，同時(shí)適當(dāng)放棄理論體嚴(yán)密性，簡(jiǎn)化物理公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，使學(xué)生形成較清晰完整的物理學(xué)圖像。因而在力學(xué)研究和學(xué)習(xí)中，基本概念是重點(diǎn)，有些概念難于理解，需要強(qiáng)化概念理解，如達(dá)朗伯原理，它把動(dòng)力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題進(jìn)行分析；再如柯氏加速度，由于學(xué)生的慣性思維造成理解起來很困難，需要強(qiáng)調(diào)思維過程，重建正確的思維方法。另外對(duì)于力學(xué)中的公式推導(dǎo)，需要明確思路并簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程。

3.注重與大學(xué)物理的聯(lián)系與發(fā)展。在第一節(jié)構(gòu)建的力學(xué)體系中，有很大一部分基本概念與學(xué)生在大學(xué)物理課程中已學(xué)過的力學(xué)的基本內(nèi)容相重復(fù)，也有很大一部分是大學(xué)物理中概念的拓展，如講述動(dòng)量定理時(shí)，大學(xué)物理中以點(diǎn)或者兩個(gè)小球?yàn)檠芯績(jī)?nèi)容，而在新的課程中將其擴(kuò)展到質(zhì)點(diǎn)系和變質(zhì)量質(zhì)點(diǎn)系。而大學(xué)物理的教學(xué)內(nèi)容也在隨著課程改革進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，這就需要我們?cè)诮⒑教炜刂屏W(xué)的過程中動(dòng)態(tài)跟蹤大學(xué)物理課程體系和內(nèi)容，并動(dòng)態(tài)地調(diào)整我們的教學(xué)內(nèi)容。

4.注重與工程應(yīng)用相結(jié)合。航天控制力學(xué)課程具有特色鮮明的應(yīng)用背景，因而需要重視航天控制背景，重視力學(xué)知識(shí)與航天控制的結(jié)合。如動(dòng)力學(xué)研究中，重視航天飛行器的力學(xué)環(huán)境，理解每一個(gè)力的分析方法和表示方法；鍛煉學(xué)生根據(jù)實(shí)際問題進(jìn)行科學(xué)思維的能力、掌握科學(xué)思考方法，這正是現(xiàn)代素質(zhì)教育的目的所在。

5.注重最新科研成果的引入。原來的教學(xué)內(nèi)容，尤其是理論力學(xué)部分，缺乏反映近代科技成果的新內(nèi)容和航天控制力學(xué)的新發(fā)展，未能很好地將力學(xué)與現(xiàn)代物理和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相聯(lián)系。我校要求課程教學(xué)內(nèi)容和教材需要定時(shí)和及時(shí)更新，督促各課程及時(shí)跟蹤最新發(fā)展，并更新教學(xué)內(nèi)容。這些年，我國(guó)航天技術(shù)得到飛速進(jìn)步和發(fā)展，超音速、高超音速航空航天器得到迅猛發(fā)展，其空氣動(dòng)力學(xué)、控制力產(chǎn)生方法等都得到極大的發(fā)展和拓展，需要及時(shí)更新教學(xué)內(nèi)容，將最新科研成果引入課堂。

三、教學(xué)方法構(gòu)建

1.培養(yǎng)學(xué)生綜合能力，提升教學(xué)方法。以學(xué)生為中心，注意學(xué)生全面發(fā)展，寬專業(yè)、厚基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、重創(chuàng)造，這些理念已逐漸被各大學(xué)所接受，但是在教學(xué)過程中大多采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式，未能充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力、知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用能力。在教學(xué)過程中激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究興趣的內(nèi)容太少，致使學(xué)生學(xué)得不活，學(xué)習(xí)積極性很難調(diào)動(dòng)起來。

另一方面，由于航天控制力學(xué)是在大學(xué)物理中力學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和擴(kuò)展，如靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，其內(nèi)容都是在大學(xué)物理的拓展，這讓學(xué)生認(rèn)為這些知識(shí)不過是大學(xué)物理中力學(xué)內(nèi)容的重復(fù)，因而不能調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，導(dǎo)致學(xué)生發(fā)現(xiàn)與大學(xué)物理力學(xué)不一樣時(shí)，為時(shí)已晚，更不用說培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

清華大學(xué)工程力學(xué)系首先在理論力學(xué)課程體系上，改變從特殊到一般、從已知到未知的傳統(tǒng)體系，采用了從一般到特殊的講授方法。如在運(yùn)動(dòng)學(xué)中從一般質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)講起，在剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)中從剛體的一般運(yùn)動(dòng)開始，逐步增加一些特殊條件得到定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、平面運(yùn)動(dòng)、定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)等。這樣的體系能使學(xué)生一開始就接受新問題，就能抓住重點(diǎn)，易于理解新思路和新方法，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力。

對(duì)于航天控制力學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)來講，就是以航天控制中遇到的力學(xué)問題進(jìn)行分析，逐步凝煉出力學(xué)問題，并采用抽象化和模型化方法對(duì)研究問題進(jìn)行深入分析，得到一般力學(xué)結(jié)論，再反過來進(jìn)行應(yīng)用，以解決實(shí)際航天控制問題。有時(shí)，一個(gè)問題的引出是一步一步進(jìn)行的，如研究航天器運(yùn)動(dòng)時(shí)，其是一個(gè)一般運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生思考，當(dāng)分析過程中遇到困難時(shí)，這些困難恰恰是我們需要解決的問題，學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)就很明確，也樂于去探討新的方法解決新的問題，從而鍛煉學(xué)生解決問題的思路和方法，做到從知識(shí)灌輸向創(chuàng)造性培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。

2.開發(fā)現(xiàn)代化教學(xué)手段。在教學(xué)過程中，根據(jù)課程內(nèi)容引入方法論，在課程教學(xué)設(shè)計(jì)中加以體現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用科學(xué)方法解決工程問題的能力，并開發(fā)現(xiàn)代化教學(xué)手段，充實(shí)教學(xué)資源。

目前，我們已經(jīng)開發(fā)和收集了大量視頻信息，如航天控制教學(xué)視頻和動(dòng)畫，拓展學(xué)生航天控制中的基本概念和基本原理，為力學(xué)教學(xué)提供專業(yè)背景，有利于后續(xù)課程按照航天控制使用的角度進(jìn)行引入和分析。

隨著微課的發(fā)展，課程可以將重要的知識(shí)點(diǎn)，難于理解的問題等制作微課，或者收集網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的相關(guān)內(nèi)容的微課，讓學(xué)生根據(jù)自己學(xué)習(xí)的情況，利用微課進(jìn)行自學(xué)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，使微課成為課堂教學(xué)的有利補(bǔ)充。

隨著微信的普及，建立航天控制力學(xué)課程微信群，使學(xué)生有一個(gè)力學(xué)知識(shí)分享、討論和交流的集中“場(chǎng)所”，使學(xué)生在交流中，深化知識(shí)學(xué)習(xí)，彌補(bǔ)個(gè)人學(xué)習(xí)的不足。同時(shí)，老師可以根據(jù)學(xué)生討論和提出的問題，進(jìn)行答疑解惑。但同時(shí)老師需要規(guī)范學(xué)生用網(wǎng)安全意識(shí)，對(duì)航天中的涉密敏感信息進(jìn)行監(jiān)控。

3.實(shí)踐教學(xué)的構(gòu)建。實(shí)踐教學(xué)是鞏固理論知識(shí)和加深對(duì)理論認(rèn)識(shí)的有效途徑，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的重要環(huán)節(jié)。為加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐技能，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，建設(shè)以實(shí)驗(yàn)、裝備現(xiàn)地教學(xué)、參觀三位一體的實(shí)踐體系。

力學(xué)課程實(shí)驗(yàn)依托實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，以本科生教學(xué)為主體開發(fā)力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。把有關(guān)科研、工程應(yīng)用和先進(jìn)實(shí)驗(yàn)手段融入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，不斷更新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、方法和手段，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練和創(chuàng)新精神培養(yǎng)。目前對(duì)于學(xué)生理解較為困難的知識(shí)，如柯氏慣性力，建立相應(yīng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，方便學(xué)生理解理論知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力、分析能力，養(yǎng)成理論聯(lián)系實(shí)際的科學(xué)精神。

為發(fā)揮我校在航天領(lǐng)域的裝備特色，在航天控制力學(xué)課程中積極開展基于裝備的現(xiàn)地教學(xué)，學(xué)生能夠親眼看到所學(xué)的載體，甚至能親手操作，來增強(qiáng)學(xué)習(xí)的直觀性，便于學(xué)生理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，加深學(xué)習(xí)的層次。在控制力的產(chǎn)生方式、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、箭體結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的教學(xué)中，得到了很好的應(yīng)用。

為拓展學(xué)生視野，利用校外高校的力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、研究所的力學(xué)環(huán)境實(shí)驗(yàn)以及風(fēng)洞模型，開展參觀教學(xué)，拓展學(xué)生的視野，了解力學(xué)的相關(guān)前沿技術(shù)、發(fā)展方向和研究方法，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

四、小結(jié)

論文對(duì)教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建原則進(jìn)行了探討，建立了基于航天背景整合教學(xué)內(nèi)容、強(qiáng)化基本概念、注重與大學(xué)物理的聯(lián)系、注重與工程應(yīng)用方法相結(jié)合、注重最新科研成果引入等五個(gè)方面的原則；對(duì)教學(xué)方法進(jìn)行了研究，從提升改進(jìn)教學(xué)方法、開發(fā)現(xiàn)代化教學(xué)手段和實(shí)踐教學(xué)構(gòu)建方法進(jìn)行來探討。這些研究和探討有些已經(jīng)應(yīng)用到教學(xué)體系構(gòu)建上，在指導(dǎo)力學(xué)課程改革中起到了重要的作用。我們將緊跟力學(xué)發(fā)展，與時(shí)俱進(jìn)，不斷探索和完善力學(xué)課程內(nèi)容和教學(xué)方法。

參考文獻(xiàn)：

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