研討型方法在“空間推進(jìn)技術(shù)”教學(xué)中的探索及實(shí)踐

李小康 王墨戈 楊雄 程謀森

摘 ?要：“空間推進(jìn)技術(shù)”課程內(nèi)容涵蓋傳熱學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，兼有抽象性、理論性強(qiáng)的特點(diǎn)。單純采用教師為主體進(jìn)行課堂講授會(huì)造成學(xué)生被動(dòng)接受，教學(xué)效果不佳。針對(duì)這一問題，我們從課程實(shí)施中的多個(gè)環(huán)節(jié)、課程考核等多方面對(duì)該課程的研討型教學(xué)方式進(jìn)行了思考和實(shí)踐。結(jié)果顯示，將研討方式應(yīng)用于“空間推進(jìn)技術(shù)”教學(xué)中可明顯激發(fā)學(xué)生的積極性、加深其對(duì)知識(shí)的理解，對(duì)提高教學(xué)效果具有重要意義。

關(guān)鍵詞：推進(jìn)技術(shù);研究生課程;研討型教學(xué);BOPPPS模型

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-000X（2019）03-0115-03

Abstract： The course of space propulsion covers a wide range of knowledge concerned with many subjects such as heat transfer， fluid dynamics， electromagnetics and so on， and is extremely abstract and theoretical. The simple use of the traditional lecturing method， whichtakes the teachers as the main body in the classroom， will result in the passive acceptance of students and poor teaching effect. In response to this problem， we have considered and practiced the seminar-style teaching methods in various aspects of the course implementation and assessment. The results show that applying the seminar teaching method to the course of space propulsion technology can obviously stimulate students' enthusiasm and deepen their understanding of knowledge， which is of great significance to improve teaching effect.

Keywords： propulsion technology; graduate course; seminar-style teaching; BOPPPS model

一、概述

眾所周知，航天技術(shù)已成為支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防軍事等領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為航天器的核心技術(shù)——空間推進(jìn)技術(shù)直接決定了在軌航天器的壽命、位置和姿態(tài)保持精度、機(jī)動(dòng)能力，受到國(guó)際科研人員和高等院校的高度重視[1]。為滿足我國(guó)航天人才的培養(yǎng)需要，我們從麻省理工學(xué)院引入了space propulsion這一課程，并調(diào)整和加入部分內(nèi)容，形成了具有我國(guó)航天科研特色、綜合性和啟發(fā)性強(qiáng)的“空間推進(jìn)技術(shù)”課程。

推進(jìn)類課程是航空宇航推進(jìn)理論與工程的專業(yè)課程，具有基礎(chǔ)理論與前沿研究緊密結(jié)合的特點(diǎn)。“空間推進(jìn)技術(shù)”課程以電推進(jìn)為主體內(nèi)容，并涵蓋了物理學(xué)、流體力學(xué)、等離子體理論、航空宇航推進(jìn)等多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，需要在教學(xué)的過(guò)程中介紹大量的基本概念、原理和理論[2]。但是，若在課程講授中，過(guò)于偏重理論和公式推導(dǎo)，則會(huì)使教學(xué)枯燥無(wú)味，學(xué)生對(duì)具體的物理意義缺乏理解，不能領(lǐng)會(huì)公式形式背后蘊(yùn)含的機(jī)制和機(jī)理。

而在研究生教學(xué)中，研討型教學(xué)方法作為一種有效的教學(xué)模式，已受到多方面的肯定和推廣[3-6]。本文將研討型教學(xué)方法和推進(jìn)類教學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，探索航天推進(jìn)類課程研討型教學(xué)的最優(yōu)方式方法。

二、研討型教學(xué)模式在空間推進(jìn)技術(shù)課程開展前的實(shí)施條件與預(yù)評(píng)估

課程展開前，首先要確立教學(xué)目標(biāo)，了解清楚教學(xué)對(duì)象，這樣才能做到有的放矢，對(duì)本次教學(xué)活動(dòng)從哪里出發(fā)、達(dá)到什么效果有一個(gè)清晰的規(guī)劃。

教學(xué)目標(biāo)的確立包括厘清教學(xué)的重點(diǎn)、學(xué)習(xí)要達(dá)到的深度等。在確定教學(xué)目標(biāo)時(shí)，要針對(duì)學(xué)生狀況和具體章節(jié)知識(shí)點(diǎn)設(shè)置教學(xué)目標(biāo)，把目標(biāo)落在學(xué)生收獲最大、最感興趣的方向，并把握好其難易程度。假如設(shè)置太難，勢(shì)必使學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒;反之，則又會(huì)讓很多學(xué)生覺得收獲甚微。兩種情況都會(huì)影響學(xué)習(xí)興趣，使其惰于思考，不利于教學(xué)開展。

不同于本科生有著系統(tǒng)的課程體系和前后銜接關(guān)系，研究生學(xué)生往往來(lái)自不同的高校、不同的本科專業(yè)、有著不同的知識(shí)框架和學(xué)科基礎(chǔ)，對(duì)所學(xué)知識(shí)將來(lái)的應(yīng)用也有一定想法。要想做好教學(xué)，做到因材施教，就必須先要了解學(xué)生，了解他們已有的知識(shí)背景和學(xué)習(xí)中重點(diǎn)關(guān)心的問題。因此，在課堂教學(xué)之初，了解本屆學(xué)生已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)信息、對(duì)該課程內(nèi)容的知識(shí)貯備、預(yù)期想要了解的內(nèi)容和原理等問題，對(duì)于課程的順利展開以及實(shí)現(xiàn)和學(xué)生的有效互動(dòng)具有重要意義。而通過(guò)交流歸納、問卷調(diào)查等形式可較好的完成上述預(yù)評(píng)估過(guò)程。

（一）交流歸納法

交流歸納并不是簡(jiǎn)單的“一問一答”。作為任課老師，首先需要非常熟悉課程本身的內(nèi)容，甚至是延伸內(nèi)容。這樣，在交流的過(guò)程中就可以更加敏銳的捕捉到不同的學(xué)生與本門課程的相關(guān)性，或者說(shuō)是興趣點(diǎn)。研究生的教育不同于本科，每個(gè)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備不同，研究方向也不同。由于研究生數(shù)量相對(duì)本科生較少，師生之間交流的機(jī)會(huì)和時(shí)間都會(huì)明顯增多。充足的學(xué)前交流不僅有助于學(xué)生向老師傳達(dá)學(xué)習(xí)需求，也有助于老師更好的完成課程設(shè)計(jì)、平衡理論與實(shí)驗(yàn)比例。

（二）問卷調(diào)查法

問卷調(diào)查作為交流歸納的補(bǔ)充形式，可有效填補(bǔ)對(duì)話交流的空白。例如，課程開始前的知識(shí)背景問卷就可以著重了解本屆學(xué)生的本科學(xué)校、本科專業(yè)、畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容、工作經(jīng)歷、研究生論文題目、擬就業(yè)方向等信息。此外，在課程進(jìn)行中也可以以問卷調(diào)查的形式，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行追蹤，以便對(duì)授課進(jìn)度和授課深度進(jìn)行微調(diào)。

三、空間推進(jìn)技術(shù)課程中研討型教學(xué)模式的構(gòu)建方法與教學(xué)示例

本課程教學(xué)的實(shí)施充分借鑒了University of British Columbia等大學(xué)的教育BOPPPS模型（Bridge-in， Objective，Pre-test，Participatory learning， Post-assessment，Summary）[7]，以學(xué)生興趣為課堂牽引點(diǎn)，采用講授與研討結(jié)合的方式，取得了良好的效果。

（一）引入環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)了BOPPPS模型的Bridge-in，Objective，Pre-test部分，即引入、目標(biāo)和預(yù)測(cè)試。

由于課程本身理論較強(qiáng)，其中不乏大量概念和公式推演。如果上課伊始就直接深入，很容易造成學(xué)生和教師不同步、課堂的教與學(xué)相脫節(jié)。因此，在上課之前需要尋找學(xué)生的興趣點(diǎn)，切入話題，也就是構(gòu)建BOPPPS模型中所說(shuō)的橋梁（Bridge-in）。例如，在講授靜電推力器之前，給出我國(guó)在某衛(wèi)星上進(jìn)行推力器飛行實(shí)驗(yàn)的圖片（該年度的授課對(duì)象調(diào)查顯示，相當(dāng)部分學(xué)生來(lái)自相關(guān)承擔(dān)單位），從發(fā)展我國(guó)電推進(jìn)系統(tǒng)的必要性和迫切性，引出本次課程擬解決的問題和授課目標(biāo)，即刻拉近了課堂理論和學(xué)生需求的距離，引起了學(xué)生的極大興趣。

預(yù)測(cè)試以提問的形式展開。目的是掌握學(xué)生前次課程的學(xué)習(xí)情況，以及本次課程相關(guān)知識(shí)的熟悉程度。提問以搶答或按序傳遞的形式為主，答案可以是簡(jiǎn)單的，但最好是開放式的，這樣可以讓學(xué)生盡量多的參與“熱身”。例如，在講解完離子推力器之后的第二次課開始時(shí)，讓學(xué)生按座次回答離子推力器的主要組件及作用，回答僅用一個(gè)詞或一句話即可。實(shí)踐證明，這一“熱身”的方式在回顧知識(shí)、協(xié)調(diào)教師和學(xué)生思路上，能起到非常好的效果。

（二）授課環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)了BOPPPS模型的Participatory learning部分，即參與式學(xué)習(xí)。授課過(guò)程中，應(yīng)該以學(xué)生的參與性為教學(xué)重點(diǎn)，通過(guò)老師的提問引導(dǎo)，學(xué)生與老師的互動(dòng)，使問題一步步明晰化，最終使知識(shí)的構(gòu)建自然流暢。

在組織過(guò)程中，應(yīng)充分尊重學(xué)生的中心和研討主體地位，充分激發(fā)學(xué)生與教師以及學(xué)生之間的交流積極性。教師是組織者和引導(dǎo)者，在研討過(guò)程中要把握時(shí)機(jī)，通過(guò)適時(shí)提問、鼓勵(lì)學(xué)生之間辯論的形式，加強(qiáng)師生互動(dòng)和學(xué)生之間的互動(dòng);對(duì)于錯(cuò)誤觀點(diǎn)，最好不直接評(píng)判，而是通過(guò)引導(dǎo)本人思考，讓其發(fā)現(xiàn)并得到糾正[8]。

根據(jù)學(xué)習(xí)要求，知識(shí)可分為三個(gè)層次：認(rèn)識(shí)了解、理解掌握、分析應(yīng)用。不同層次所采用的研討教學(xué)方法的重點(diǎn)，應(yīng)有所區(qū)別。

1. 認(rèn)識(shí)了解層次

在這一層次，重點(diǎn)是不要簡(jiǎn)單而直接地向?qū)W生灌輸“某物是某樣”，而是通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生思考，從中尋找設(shè)計(jì)思路，明白“某物之所以為某樣”的背后原因。

例如在講解離子推力器結(jié)構(gòu)時(shí)，不是單純地告訴學(xué)生現(xiàn)有離子推力器的設(shè)計(jì)是怎樣的。而是提出一個(gè)問題讓學(xué)生思考：“如果讓你利用靜電場(chǎng)加速工質(zhì)，你會(huì)怎么做？”，“這樣的設(shè)計(jì)會(huì)有什么問題？”，“要克服這個(gè)問題，又需要做什么樣的改進(jìn)？”這樣一步步把推力器的結(jié)構(gòu)漸進(jìn)地“演化”出來(lái)。雖然占用時(shí)間較多，但學(xué)生深刻地理解了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)背后的物理原因。在此后的學(xué)習(xí)中，對(duì)照自己“設(shè)計(jì)”出來(lái)的推力器，會(huì)更有的放矢，也會(huì)更加有興趣深入思考。

2. 理解掌握層次

先把注意力放在物理圖景上，再使用必要的公式描述，逐步展開;其中，要特別注意學(xué)生的參與性。推進(jìn)技術(shù)課程涉及較多公式，但均有明確的物理背景。教學(xué)時(shí)，可以參照流體力學(xué)大師馮·卡門在加州理工學(xué)院所使用的教學(xué)方法[9]，將師生的視角調(diào)整為一個(gè)粒子的角度（be the fluid particle），頭腦中首先產(chǎn)生物理“畫面”，像一張突出強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)的漫畫，然后再考慮用公式和數(shù)學(xué)將其描述出來(lái)。

例如，在霍爾推力器加速機(jī)理的講解中，可以從常見的家用微波爐入手，講述磁控管與霍爾推力器二者的異同。進(jìn)而請(qǐng)學(xué)生設(shè)想自己是一個(gè)從空心陰極發(fā)射的電子，那么它在進(jìn)入正交的電場(chǎng)和磁場(chǎng)這一環(huán)境后，受到什么樣的力作用于自己，是怎樣的“感覺”（feeling）？將有怎樣的反應(yīng)和行為？通過(guò)提問和引導(dǎo)，學(xué)生思考并回答，其他人加以補(bǔ)充，這樣代入式的視角考慮問題，一是能夠使學(xué)生很好地理解不同推力器中的物理圖景，對(duì)于緊隨其后的公式推演也能做到胸有成竹、心中有數(shù);二是能夠讓學(xué)生也參與到思考和建模中來(lái)，作為參與式教學(xué)的活躍者，能對(duì)所學(xué)到的東西留下深刻印象。

3. 分析應(yīng)用層次

這一層次要求學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，對(duì)新接觸到的事物進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。應(yīng)用研討型教學(xué)方法時(shí)，教師要注意幾個(gè)問題，一是要鼓勵(lì)發(fā)現(xiàn)問題，提出質(zhì)疑;二是在發(fā)現(xiàn)問題的基礎(chǔ)上，鼓勵(lì)學(xué)生大膽思考和討論;三是合理安排，使分析和討論有序進(jìn)行，有條件的話可借助實(shí)驗(yàn)手段來(lái)達(dá)到更好的教學(xué)效果。

例如，在學(xué)習(xí)感應(yīng)式電磁推進(jìn)理論后的實(shí)驗(yàn)課上，演示了市場(chǎng)常見的商業(yè)級(jí)電磁彈射組件，并向?qū)W生提出，這運(yùn)用了課堂上講授的哪種電磁推進(jìn)原理？針對(duì)這一問題，學(xué)生中可能會(huì)產(chǎn)生兩種不同觀點(diǎn)，并各有依據(jù)。這時(shí)，請(qǐng)學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該組件只能彈射鐵磁性材料，而對(duì)同樣導(dǎo)電的銅質(zhì)材料無(wú)法加速。教師此時(shí)適當(dāng)引導(dǎo)，使學(xué)生之間相互討論這一現(xiàn)象成因，由此反推其加速機(jī)制，最終得出該商業(yè)組件是利用了電磁鐵原理，并不是感應(yīng)式電磁加速系統(tǒng)的結(jié)論。教學(xué)到達(dá)這一階段后，再向?qū)W生演示真正的電磁感應(yīng)加速系統(tǒng)，特別是展示討論中的異同，這樣可使學(xué)生對(duì)該知識(shí)點(diǎn)有更深刻的理解。

（三）收束環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)了BOPPPS模型的Post-assessment、 Summary部分，即評(píng)價(jià)和小結(jié)。

本次課程接近結(jié)束時(shí)，安排課程小結(jié)和回顧，回應(yīng)課程開始時(shí)的Bridge-in和Objective部分，使學(xué)生總體上把握本次學(xué)習(xí)獲得了哪些知識(shí)，在應(yīng)用上能做到什么程度，并布置具有一定難度的思考題，例如若深入應(yīng)繼續(xù)考慮什么方面的問題，這樣保證學(xué)生課后也能延續(xù)思維上的活躍，并用以下次課堂的提問熱身。

四、空間推進(jìn)技術(shù)課程中研討型教學(xué)模式考核方式

作為學(xué)生尤為關(guān)注的課程考核評(píng)價(jià)，合理地設(shè)置將具有明確的導(dǎo)向作用，可以進(jìn)一步提高學(xué)生的積極性。除了常規(guī)的書面考試成績(jī)之外，還可結(jié)合學(xué)生在研討過(guò)程中的實(shí)際表現(xiàn)來(lái)綜合評(píng)定成績(jī)，具體包含課堂表現(xiàn)及課堂報(bào)告。

課堂表現(xiàn)根據(jù)學(xué)生平時(shí)參與回答問題、課堂討論的情況，體現(xiàn)了其平時(shí)成績(jī)。而課堂報(bào)告以大作業(yè)的形式，作為教學(xué)內(nèi)容的有機(jī)拓展，在研討教學(xué)中居于重要地位。報(bào)告可以選擇和前沿緊密相關(guān)的方向，一般按照分組的形式進(jìn)行。報(bào)告本身包括調(diào)研文獻(xiàn)、分析問題、給出結(jié)論，更為重要的是，課堂上將組織針對(duì)報(bào)告的討論和答辯。其他分組需要根據(jù)報(bào)告內(nèi)容對(duì)該組提出質(zhì)疑，報(bào)告分組成員需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行答辯，提問者和答辯者的表現(xiàn)都將納入最終成績(jī)。這樣的方式可以有效避免出現(xiàn)臺(tái)上做報(bào)告，臺(tái)下事不關(guān)己的情況，鼓勵(lì)全體學(xué)生都參與到思考和互動(dòng)之中來(lái)。

在研討之前的理論課中，要有意識(shí)地強(qiáng)化講解將要探討的知識(shí)點(diǎn)。只有學(xué)生在理解和較好掌握了相應(yīng)的知識(shí)之后，才能圍繞所設(shè)的研討課題進(jìn)行深入的思考，展開探討和交流，最終得到正確的結(jié)論，反過(guò)來(lái)對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行深化。如果缺乏對(duì)知識(shí)點(diǎn)的深刻理解，學(xué)生或言之無(wú)物，或怯于開口，研討出現(xiàn)冷場(chǎng)。

五、研討型教學(xué)模式運(yùn)用于空間推進(jìn)技術(shù)課程的教學(xué)思考

隨著我國(guó)研究生教育規(guī)模的增長(zhǎng)，教育質(zhì)量逐漸受到重視。從事“空間推進(jìn)技術(shù)”課程學(xué)習(xí)的研究生大都是將來(lái)從事航天科研領(lǐng)域的儲(chǔ)備人才。作為航天事業(yè)發(fā)展的重要參與者，他們不僅需要具備扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，還需要具有在實(shí)際工作中不斷提出新方法、解決新問題的創(chuàng)新能力。如果研究生教育繼續(xù)延續(xù)舊有的教育模式，以課本為主、以考試為標(biāo)，只是以灌輸式傳輸知識(shí)為主要目的，則會(huì)在很大程度上扼殺了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。研究生培養(yǎng)更加注重的應(yīng)該是培養(yǎng)學(xué)生探究事物的好奇心，訓(xùn)練學(xué)生自主思考的習(xí)慣，磨礪其不怕失敗的毅力。因此，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，積極開展教學(xué)方法改革，對(duì)于研究生的培養(yǎng)具有重大意義。

實(shí)踐證明，在航天推進(jìn)類課程的教學(xué)中，將研討型教學(xué)思路和BOPPPS模型結(jié)合，綜合運(yùn)用實(shí)例講解、課堂報(bào)告等方法，使學(xué)生主動(dòng)參與思考和討論，能夠令其真正理解并掌握理論知識(shí);同時(shí)在研討中發(fā)現(xiàn)問題、提出解釋、驗(yàn)證結(jié)論的過(guò)程，也鍛煉了學(xué)生勇于探索的科學(xué)精神，以及融會(huì)貫通、綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解決問題的能力。這一教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生從被動(dòng)接受者變?yōu)橹鲃?dòng)探尋者，學(xué)習(xí)模式從注入式變?yōu)樘剿魇?，可以培養(yǎng)學(xué)生思考和自主創(chuàng)新等能力，獲得良好的教學(xué)效果。

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