飛行控制系列課程“本研貫通”式教學(xué)模式探索

張 晶， 申功璋， 楊凌宇

(1. 北京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100083;2. 北京航空航天大學(xué) 飛行器控制一體化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引言

北京航空航天大學(xué)是我國具有航空航天特色和工程技術(shù)優(yōu)勢的綜合性大學(xué)。飛行控制系列課程是自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院為相關(guān)專業(yè)本科生和研究生開設(shè)的航空航天特色專業(yè)課程，包括飛行器控制與仿真專業(yè)本科專業(yè)課“飛行控制系統(tǒng)I”和“飛行控制系統(tǒng)II”、研究生基礎(chǔ)及學(xué)科理論核心課“現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)”，該系列課程對學(xué)校一流專業(yè)建設(shè)、學(xué)科建設(shè)及航空航天領(lǐng)域卓越人才培養(yǎng)均具有重要的意義。

受到傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，飛行控制本科生課程和研究生課程之間相互獨(dú)立，授課教師不同，不能系統(tǒng)地規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，導(dǎo)致本研課程之間不能有機(jī)銜接、授課內(nèi)容存在重復(fù)和側(cè)重點(diǎn)不清現(xiàn)象，很大程度上影響了拔尖創(chuàng)新人才的培養(yǎng)效果。

“本研貫通”培養(yǎng)模式遵循拔尖創(chuàng)新人才的成長規(guī)律，有效打通本科生和研究生兩個(gè)培養(yǎng)階段，以“貫通設(shè)計(jì)，長程培養(yǎng)，梯度遞進(jìn)，重在創(chuàng)新”為基本原則，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、實(shí)踐、創(chuàng)新的系統(tǒng)訓(xùn)練和長程培養(yǎng)[1～3]。因此，結(jié)合“本研貫通”式教學(xué)模式的特點(diǎn)和優(yōu)勢，有效提升面向不同學(xué)生群體的飛行控制系列課程的教學(xué)質(zhì)量，具有重要的教學(xué)意義。

根據(jù)世界一流大學(xué)創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位，結(jié)合飛行控制專業(yè)課程的特點(diǎn)，采用本研貫通式一體化培養(yǎng)思路，加強(qiáng)飛行控制系列課程縱向深度建設(shè)，將本科生和研究生的相關(guān)課程有機(jī)結(jié)合、有效銜接，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、能力、實(shí)踐、創(chuàng)新的系統(tǒng)訓(xùn)練和長程培養(yǎng)。

1 飛行控制系列課程現(xiàn)狀分析

目前開設(shè)的飛行控制系列課程中，本科生課程包括飛行器控制與仿真專業(yè)課“飛行控制系統(tǒng)I、II”(64學(xué)時(shí))，教學(xué)內(nèi)容主要包括飛行控制系統(tǒng)的基本組成和功能、飛行力學(xué)基礎(chǔ)、飛行器運(yùn)動(dòng)方程、舵機(jī)與舵回路、典型飛行控制系統(tǒng)工作原理及基本分析方法等。研究生課程為控制科學(xué)與工程學(xué)科核心課“現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)”(48學(xué)時(shí))，教學(xué)內(nèi)容主要包括飛行動(dòng)力學(xué)、飛行品質(zhì)、電傳操縱系統(tǒng)、自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)、主動(dòng)控制與綜合控制技術(shù)等。以上課程目前采用的教學(xué)方案均是在規(guī)定學(xué)時(shí)內(nèi)采用理論授課的方式教授相關(guān)內(nèi)容。上述本科專業(yè)課和研究生核心課屬于同一學(xué)科，飛行器控制與仿真專業(yè)繼續(xù)在本校讀研的本科生中，約50%會(huì)在研究生階段選修該系列課程。

飛行控制系列課程目前主要存在以下幾方面問題：

(1) 本研培養(yǎng)分離，教學(xué)內(nèi)容銜接不足。本科生課程和研究生課程之間相互獨(dú)立，沒有統(tǒng)一、系統(tǒng)地規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，本研課程授課內(nèi)容存在重復(fù)、側(cè)重點(diǎn)不清等問題，學(xué)科研究方向與本科專業(yè)學(xué)習(xí)不能有機(jī)銜接，學(xué)生能力培養(yǎng)難以實(shí)現(xiàn)梯度遞進(jìn)。

(2) 教學(xué)方式單一，缺乏多樣化教學(xué)手段。目前本科生和研究生課程的主要教學(xué)手段均是在教室中進(jìn)行集中授課，單一大班教學(xué)缺少師生互動(dòng)，學(xué)生的個(gè)性差異無法得到照顧。且飛行控制相關(guān)概念多、知識(shí)抽象，單一教學(xué)手段使學(xué)生對原理知識(shí)的深入理解存在困難，對所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用能力不足[4,5]。

(3) 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)較少，缺乏貫通設(shè)計(jì)。由于客觀條件所限，缺少課程配套的上機(jī)和硬件實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、參觀學(xué)習(xí)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，且本、研課程實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏貫通設(shè)計(jì)，導(dǎo)致學(xué)生缺少實(shí)際的直觀感受和認(rèn)識(shí)，學(xué)生尤其是研究生解決工程實(shí)際問題能力的鍛煉不足，沒有達(dá)到啟發(fā)和能力培養(yǎng)的目的。

2 飛行控制系列課程教學(xué)改革的必要性

航空航天行業(yè)一直被列入為國內(nèi)外重點(diǎn)行業(yè)進(jìn)行扶持發(fā)展。我國“十五”到“十三五”以來一直秉持“寓軍于民”的政策，大力發(fā)展軍用航空航天行業(yè)，在航空航天一些重要領(lǐng)域已經(jīng)躋身于世界先進(jìn)行列，取得了舉世矚目的成就。

航空航天行業(yè)的發(fā)展離不開過硬的專業(yè)人才隊(duì)伍、離不開人才的培育過程。飛行控制系列課程是航空航天特色專業(yè)課程，對培養(yǎng)航空航天領(lǐng)域的科技人才、推動(dòng)行業(yè)發(fā)展、加強(qiáng)國防建設(shè)具有十分重要的意義。目前在我國知名高校的航空航天相關(guān)專業(yè)以及佐治亞理工等國外一流院校均開設(shè)了該課程，為航空航天企業(yè)、科研院所輸送了一大批精英人才。

隨著我國航空航天行業(yè)的發(fā)展，迫切需要在飛行控制等獨(dú)具特色的專業(yè)課程中，采用創(chuàng)新性的教學(xué)方法，培養(yǎng)基礎(chǔ)理論知識(shí)扎實(shí)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的拔尖人才，以適應(yīng)我國戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的需求。因此，以一流大學(xué)建設(shè)為契機(jī)，在課程內(nèi)容貫穿性建設(shè)、多樣化教學(xué)模式、實(shí)踐教學(xué)一體化建設(shè)等各個(gè)方面進(jìn)行改革探索，加強(qiáng)飛行控制系列課程縱向深度建設(shè)，使飛行控制系列課程建設(shè)上一個(gè)新臺(tái)階，奠定學(xué)校在航空航天特色專業(yè)課程教學(xué)中的優(yōu)勢地位。

3 教學(xué)改革的具體措施

“本研貫通”培養(yǎng)模式遵循拔尖創(chuàng)新人才的成長規(guī)律，有效打通本科生和研究生兩個(gè)培養(yǎng)階段，加強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力、研究創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。結(jié)合“本研貫通”式培養(yǎng)模式的優(yōu)勢，從課程內(nèi)容貫穿性建設(shè)、實(shí)踐教學(xué)一體化建設(shè)、多樣化教學(xué)手段等方面開展教學(xué)和培養(yǎng)模式的改革，提升面向不同學(xué)生群體的飛行控制系列課程教學(xué)效果。

3.1 本研課程內(nèi)容一體化建設(shè)

飛行控制系列課程“本研貫通”式培養(yǎng)模式的要點(diǎn)是：以飛行控制為主線，突出不同階段課程的不同側(cè)重點(diǎn)，加強(qiáng)課程間的銜接與聯(lián)系，力求做到重點(diǎn)突出、前后貫穿。具體措施為：

(1) 精簡本研課程中的重復(fù)內(nèi)容，擴(kuò)展知識(shí)廣度和深度。飛行控制系列課程按照培養(yǎng)階段可劃分為基礎(chǔ)階段和高級(jí)階段，課程內(nèi)容及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)劃分如表1所示。本科階段是基礎(chǔ)階段，側(cè)重于基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)應(yīng)用；研究生階段是高級(jí)階段，側(cè)重于先進(jìn)算法理論和應(yīng)用創(chuàng)新。按照不同側(cè)重點(diǎn)，調(diào)整課程內(nèi)容和深度，研究生課程中的基礎(chǔ)理論部分與本科生課程有重復(fù)，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)精簡，將更多的課時(shí)用在理論深度的提升上。

(2) 引入新算法、新算例，保持教學(xué)內(nèi)容的先進(jìn)性。航空航天領(lǐng)域技術(shù)高速發(fā)展，而現(xiàn)有教材整體上較為陳舊、脫離實(shí)際。因此，在教學(xué)改革中，要結(jié)合國際學(xué)術(shù)前沿發(fā)展動(dòng)態(tài)，對課程內(nèi)容(尤其是研究生課程)進(jìn)行及時(shí)更新，將軍用、民用飛機(jī)的先進(jìn)飛行控制科研成果引入課堂教學(xué)，形成課堂演示、研討的典型案例，或引入課后綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中。

表1 飛行控制本研貫通式教學(xué)內(nèi)容

3.2 分層遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)建設(shè)

實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。目前，飛行控制系列課程缺少與理論授課內(nèi)容配套的模擬實(shí)驗(yàn)、硬件實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。在教學(xué)改革中，構(gòu)建本研貫通、分層遞進(jìn)的一體化實(shí)踐教學(xué)體系[4,6]，如圖1所示。本科生課程的配套實(shí)驗(yàn)以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)為主，包括飛行控制基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法阻尼器、增穩(wěn)系統(tǒng)等，側(cè)重于基礎(chǔ)理論方法的驗(yàn)證以及知識(shí)鞏固；研究生課程的配套實(shí)驗(yàn)以綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)為主，包括飛行控制先進(jìn)算法及自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)等，側(cè)重于系統(tǒng)級(jí)綜合性設(shè)計(jì)以及學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

分層遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系由簡單到復(fù)雜、由基礎(chǔ)到綜合、最后到設(shè)計(jì)創(chuàng)新，層次結(jié)構(gòu)清晰、銜接緊密。所形成的本研貫通、循序漸進(jìn)的實(shí)踐教學(xué)能有效配合和支撐理論教學(xué)環(huán)節(jié)，促進(jìn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化。

圖1 飛行控制系列課程分層遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)體系

3.3 多樣化教學(xué)手段探索

飛行控制系列課程具有內(nèi)容抽象、概念繁多等特點(diǎn)，單一“大班化”課程授課方式使學(xué)生缺乏自主性，對知識(shí)的理解主要停留在記憶層次上，掌握不了飛行控制的精髓。因此，需要改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式，通過增加專題研討、互動(dòng)教學(xué)、參觀教學(xué)等多種形式[7～9]調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，啟發(fā)學(xué)生積極思考、激發(fā)學(xué)習(xí)潛能。

在傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，增加專題研討形式的小班式教學(xué)，選取飛行控制領(lǐng)域前沿或典型的知識(shí)點(diǎn)作為專題，采用研討的方式進(jìn)行討論和學(xué)習(xí)，使學(xué)生主動(dòng)積極地參與到教學(xué)過程中來，并能夠培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和創(chuàng)造思維。另外，增加課下的參觀教學(xué)、實(shí)例教學(xué)，與課上內(nèi)容穿插進(jìn)行、交替展開，優(yōu)化課堂設(shè)計(jì)，將知識(shí)、能力、素質(zhì)有機(jī)結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級(jí)思維。

4 教學(xué)效果

在2019學(xué)年研究生課程中，對上述教學(xué)改革措施進(jìn)行了部分實(shí)踐，包括優(yōu)化課堂內(nèi)容設(shè)計(jì)，對本研課程中的重復(fù)內(nèi)容適當(dāng)精簡；將軍民機(jī)飛行控制前沿科研成果引入課堂教學(xué)，增加互動(dòng)教學(xué)和實(shí)例教學(xué)等。(張 晶等文)

該課程授課內(nèi)容和授課方式獲得學(xué)生的高度評(píng)價(jià)，2019年學(xué)校組織的匿名教學(xué)效果評(píng)估調(diào)查中，該課程評(píng)教得優(yōu)率為95.76%、優(yōu)良率為100%，遠(yuǎn)超過2018年評(píng)教結(jié)果(得優(yōu)率73.19%、優(yōu)良率94.89%)，學(xué)生認(rèn)為課程深入淺出、互動(dòng)性好，實(shí)例教學(xué)和綜合設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對深入認(rèn)識(shí)飛行控制本質(zhì)、形成科學(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)具有很大幫助。

5 結(jié)語

飛行控制系列課程是北京航空航天大學(xué)獨(dú)具特色的核心專業(yè)課程，對航空航天領(lǐng)域卓越人才培養(yǎng)、推動(dòng)行業(yè)發(fā)展及加強(qiáng)國防建設(shè)均具有重要的意義。

針對傳統(tǒng)教學(xué)模式下飛行控制本研課程內(nèi)容重復(fù)、教學(xué)側(cè)重點(diǎn)不清晰、實(shí)踐環(huán)節(jié)缺乏貫通設(shè)計(jì)等問題，提出了將本科生和研究生培養(yǎng)有效銜接的貫通式一體化培養(yǎng)模式，提出了本研課程內(nèi)容一體化建設(shè)、分層遞進(jìn)式實(shí)踐教學(xué)建設(shè)以及多樣化教學(xué)手段等探索性改革措施，旨在結(jié)合本研貫通培養(yǎng)模式“貫通設(shè)計(jì)，長程培養(yǎng)，梯度遞進(jìn)，重在創(chuàng)新”特點(diǎn)和優(yōu)勢，打通本科生和研究生兩個(gè)培養(yǎng)階段，全面提升面向不同學(xué)生群體的飛行控制系列課程教學(xué)效果。