開放式研討法在飛行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

馮佳晨　管旭　李金飛

［摘 要］ 為提高飛行力學(xué)課程建設(shè)水平，強(qiáng)化學(xué)生獨(dú)立思考、實(shí)驗(yàn)操作、綜合創(chuàng)新等能力，針對飛行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了開放式研討法。闡述了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足與開放式研討實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢，并以“無控彈道仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”為例進(jìn)行了實(shí)踐，展示了開放式研討法從實(shí)驗(yàn)選題到成績評定的全過程。實(shí)踐結(jié)果表明，開放式研討法非常適合于飛行仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。開放式研討法要求學(xué)生課前要做好充分的預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備，要求教師在學(xué)生討論過程中做好研討監(jiān)控，及時引導(dǎo)總結(jié)。

［關(guān)鍵詞］ 開放式研討法；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；飛行仿真實(shí)驗(yàn)；飛行力學(xué)

［基金項(xiàng)目］ 2020年度海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院青年教員教學(xué)能力培育項(xiàng)目“教學(xué)骨干培育”（202006003）

［作者簡介］ 馮佳晨（1984—），男，江蘇南通人，工學(xué)碩士，海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院副教授，主要從事航空宇航科學(xué)與技術(shù)研究；管 旭（1992—），男，湖南永州人，工學(xué)碩士，海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院講師（通信作者），主要從事航空宇航科學(xué)與技術(shù)研究；李金飛（1988—），男，湖北安陸人，工學(xué)博士，海軍航空大學(xué)岸防兵學(xué)院講師，主要從事航空宇航科學(xué)與技術(shù)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）22-0128-04［收稿日期］ 2022-07-08

“飛行力學(xué)”是高等院校航空類專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，通過課程學(xué)習(xí)學(xué)生可以對飛行基本原理有全面的了解和掌握。作為對應(yīng)專業(yè)的背景課程，“飛行仿真實(shí)驗(yàn)”是必不可少的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，它能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動手能力、科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和綜合創(chuàng)新能力，是正課教學(xué)的延伸，是能力培養(yǎng)的階梯，只有將其地位和作用不斷強(qiáng)化，才能真正提高課程建設(shè)的整體水平。

目前，在“飛行仿真實(shí)驗(yàn)”課程中，傳統(tǒng)的講授法偏重對基本概念和基本方法進(jìn)行理論講解和推導(dǎo)，導(dǎo)致學(xué)生對實(shí)際飛行軌跡的計(jì)算、設(shè)計(jì)能力較弱，實(shí)際應(yīng)用較少，運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決實(shí)際工程問題的能力不足，計(jì)算機(jī)編程能力得不到鍛煉，與實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求不符。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的片面性

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通常按照四步走的方式展開：第一步，注入式課堂講授；第二步，臨摹式實(shí)驗(yàn)操作；第三步，機(jī)械式記錄結(jié)果；第四步，上交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。學(xué)生在教師詳細(xì)的講解下，按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書上的方法步驟進(jìn)行操作，基本都會得出預(yù)期的結(jié)果。這種傳統(tǒng)的教學(xué)，主要是圍繞增加感性知識、驗(yàn)證書上理論而開展的，對學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能、實(shí)際動手能力的提高非常有限。而且由于傳統(tǒng)教學(xué)觀念和教學(xué)習(xí)慣的影響，再加上實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)時的不足及各種外部客觀環(huán)境的影響，教師為了讓學(xué)生上手快、節(jié)省時間往往采取傾注式的方法，實(shí)驗(yàn)課程一開始就把實(shí)驗(yàn)要求、目的、內(nèi)容及操作方式都告訴學(xué)生，以求省時、省力。學(xué)生按照給定的實(shí)驗(yàn)步驟和模式糊里糊涂地做實(shí)驗(yàn)，始終處于被動地位，離開教師就不知所措，做完實(shí)驗(yàn)“一問三不知”。這種傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程往往只注重實(shí)驗(yàn)結(jié)果，忽略了對學(xué)生能力的培養(yǎng)［1］。

“飛行仿真實(shí)驗(yàn)”課程不同于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，是一種綜合性實(shí)驗(yàn)。綜合性實(shí)驗(yàn)有利于提高學(xué)生的科學(xué)思維方法和科學(xué)研究能力，培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?chuàng)新能力，拓寬學(xué)生的知識面，所以其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容有一定的挑戰(zhàn)性和探索性，而其知識基礎(chǔ)應(yīng)為學(xué)生已掌握的知識。比較復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn)可以由多人組隊(duì)完成，以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作精神。教師在評定學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績時，不僅要評價學(xué)生做實(shí)驗(yàn)時的認(rèn)真態(tài)度和實(shí)驗(yàn)完成質(zhì)量，更應(yīng)注重對學(xué)生設(shè)計(jì)方案及動手能力的綜合評價。因此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段并不適用于該種實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本文以“無控彈道仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”為例探討一種“開放式研討”實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式。

二、開放式研討教學(xué)特點(diǎn)

在開放式研討教學(xué)中，學(xué)生在課堂上不再是等著教師“喂”，而是自己主動“吃”［2］。學(xué)生不是只靠教師講解學(xué)會知識，還要通過自己看書思考、討論研究、歸納總結(jié)、作業(yè)練習(xí)、實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)才能將知識徹底內(nèi)化吸收。開放式研討教學(xué)法能調(diào)動學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的積極性，能啟迪學(xué)生的獨(dú)立思維和創(chuàng)造性思維［3］。在培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力、實(shí)際操作能力和獨(dú)立分析問題解決問題的能力上取得明顯效果。開放式研討教學(xué)的“開放式”主要表現(xiàn)在三方面：（1）時間放開。把傳統(tǒng)的以講為主的教學(xué)模式改為以學(xué)為主的教學(xué)模式，學(xué)生有更多的時間自主學(xué)習(xí)。（2）內(nèi)容放開。注重實(shí)驗(yàn)與前后章節(jié)知識的聯(lián)系，加大了知識容量，教師開出參考文獻(xiàn)清單，鼓勵學(xué)生充分利用線下（如：書籍）線上（如：互聯(lián)網(wǎng)）資源自主學(xué)習(xí)。（3）實(shí)驗(yàn)場所及教學(xué)設(shè)備向?qū)W生放開。由學(xué)生主動實(shí)操，充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的效益，加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。同時，吸收學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，為學(xué)有余力的學(xué)生提供一個施展自身才能的平臺，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才打下基礎(chǔ)。

利用開放式課堂教學(xué)方法，將其應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。開放式教學(xué)法打破了傳統(tǒng)講解式教學(xué)法的模式，教師按照“精講和提示、自學(xué)和實(shí)驗(yàn)、討論和歸納、作業(yè)和實(shí)習(xí)”這樣一條新的教學(xué)程序施教，縮短了教師在課堂上的講解時間，大大增加了學(xué)生自學(xué)、練習(xí)及實(shí)操的時間，也提高了實(shí)驗(yàn)室的利用率。

三、開放式研討實(shí)驗(yàn)教學(xué)探析

對于“飛行仿真實(shí)驗(yàn)”課程，開放式研討實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)理念是在現(xiàn)有的飛行軌跡設(shè)計(jì)部分內(nèi)容所占學(xué)時的基礎(chǔ)上加大編程實(shí)踐課及研討課的學(xué)時占比，教師用少量學(xué)時將基本方法、思路講清楚后，主要的時間留給師生之間、生生之間的集體研討，以此種方式增強(qiáng)學(xué)生的動手能力，通過實(shí)際計(jì)算的過程及結(jié)果，深化學(xué)生對基本概念、基本方法的理解，在實(shí)際計(jì)算的過程中激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力。開放式研討實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施的全過程分四步進(jìn)行，分別為實(shí)驗(yàn)選題、獨(dú)立探索、交流講評、成績評定，如圖1所示。

（一）實(shí)驗(yàn)選題

好的選題是實(shí)現(xiàn)能力培養(yǎng)目標(biāo)的關(guān)鍵。教師要結(jié)合實(shí)驗(yàn)裝備滿足教學(xué)要求，而且還要使學(xué)生運(yùn)用已學(xué)到的知識解決實(shí)際工程問題，并從中得到能力的鍛煉［4］。選擇的題目力爭涵蓋相關(guān)理論內(nèi)容，這樣有助于學(xué)生對課內(nèi)所學(xué)知識的理解、鞏固和加深。在“飛行仿真實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中，設(shè)立諸如“基于需求的方案彈道設(shè)計(jì)與驗(yàn)證”“基于目標(biāo)特性的導(dǎo)引彈道設(shè)計(jì)與驗(yàn)證”的選題，不僅能夠與理論部分的內(nèi)容很好地呼應(yīng)，還能結(jié)合實(shí)際飛行器型號，貼近實(shí)際運(yùn)用。在研討過程中，為充分發(fā)揮合作學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，將學(xué)生進(jìn)行分組，學(xué)生與學(xué)生、小組與小組之間形成競爭機(jī)制［5］。

（二）獨(dú)立探索

學(xué)生課前查找文獻(xiàn)、消化文獻(xiàn)，在課上進(jìn)行編程仿真，一定程度上鍛煉了學(xué)生的多種能力，如文獻(xiàn)的閱讀分析能力、歸納綜述能力、邏輯思維和綜合分析能力、編程仿真能力［6］。實(shí)驗(yàn)室的全面開放，在時間上給學(xué)生創(chuàng)造了盡可能大的自由度，在實(shí)驗(yàn)條件上為學(xué)生提供了良好的環(huán)境，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性。

（三）交流講評

在實(shí)驗(yàn)授課過程中，教師在學(xué)生充分自學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行精講，避免內(nèi)容上的“滿堂灌”，依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知能力和自學(xué)情況，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行指導(dǎo)性、歸納性和綜合性講解，強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)、解答疑點(diǎn)，講思路、講規(guī)律、講方法，誘其所思，解其所疑［7］。在每次實(shí)驗(yàn)開始前，教師要簡明地提出本次實(shí)驗(yàn)的綱要、在本課程所占的地位以及與前后知識的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生全面看問題的能力。教師明確提出本次實(shí)驗(yàn)的目的要求，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中目的明確；要盡量提供研討的時間和條件，由學(xué)生主導(dǎo)，將實(shí)驗(yàn)的前期工作和心得與教師和同學(xué)進(jìn)行交流和討論。每個實(shí)驗(yàn)小組依次上臺發(fā)言，主匯報(bào)人介紹本組工作和收獲情況，組成員對其他組的人員和教師所提出的問題進(jìn)行解答。教師的主要任務(wù)就是提出問題、鼓勵學(xué)生發(fā)表自己的觀點(diǎn)、組織、探討等。充分喚起學(xué)生的主體意識，調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的思維方法，激發(fā)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的創(chuàng)新熱情。

（四）成績評定

學(xué)生的最終成績是綜合評定平時表現(xiàn)、作業(yè)、實(shí)操和答辯等幾項(xiàng)的成績后給出的，這樣能基本反映學(xué)生在本課程學(xué)習(xí)過程中的實(shí)際情況，有利于發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。在課程標(biāo)準(zhǔn)中，增加了實(shí)驗(yàn)課程成績的比重。實(shí)驗(yàn)的考核注重考查學(xué)生對實(shí)驗(yàn)知識的理解、綜合和應(yīng)用?？己朔绞礁幼⒅貙W(xué)生實(shí)際應(yīng)用能力和計(jì)算機(jī)仿真能力的考查，側(cè)重考核學(xué)生的設(shè)計(jì)思路是否清晰，設(shè)計(jì)方法是否掌握，能否達(dá)到舉一反三的目的。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成績評定時主要考慮研討交流情況、匯報(bào)答辯情況、程序質(zhì)量等因素。

四、“無控彈道仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”課堂實(shí)例

（一）課堂設(shè)計(jì)

“無控彈道仿真驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”是“飛行力學(xué)”課程前半部分知識的綜合應(yīng)用，可以說是“飛行力學(xué)”課程的期中檢查。

1.教學(xué)目標(biāo)。理解飛行器運(yùn)動方程組包含的各個變量與方程的物理意義。通過編程求解飛行器運(yùn)動方程組，繪出無控飛行器彈道，簡要分析飛行初始條件等參數(shù)對彈道的影響。通過本次實(shí)驗(yàn)，了解工程上彈道計(jì)算分析的一般方法與流程。

2.教學(xué)方法。以開放式研討法為主，難點(diǎn)部分輔以講授法。課堂上按3個問題逐步展開研討：（1）飛行器運(yùn)動方程組中含有哪些參數(shù)和變元，哪些參數(shù)是已知的，哪些參數(shù)是需要計(jì)算的？（2）需要計(jì)算的參數(shù)該怎么算，如何利用教材上給出的參數(shù)表得出仿真需要的參數(shù)？（3）飛行器運(yùn)動方程組在數(shù)學(xué)上是一個什么方程組，如何用數(shù)值方法求解該方程組？

（二）課堂實(shí)施

1.情景引入。教師講述世界上第一臺計(jì)算機(jī)發(fā)明的初衷是用于彈道計(jì)算的歷史背景，激發(fā)學(xué)生嘗試挑戰(zhàn)彈道計(jì)算的興趣。教師歸納飛行器運(yùn)動方程組的組成，指出彈道計(jì)算的本質(zhì)是求解導(dǎo)彈運(yùn)動方程組。

2.開放式研討。通過研討課程中的問題進(jìn)行學(xué)習(xí)。（1）“飛行力學(xué)”課程很大的一個特點(diǎn)或者說難點(diǎn)就是公式和方程變量特別多，形式特別繁雜。學(xué)生必須克服畏懼、厭煩的心理，保持清醒的頭腦，厘清飛行器運(yùn)動方程組里各個變量的含義。（2）飛行器運(yùn)動方程組涉及大量的空氣動力參數(shù)，這些參數(shù)都可以從實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)表中查出。但是，這些數(shù)表都是離散的，只含有特定條件下的參數(shù)，然而本次實(shí)驗(yàn)需要的是任意條件下的參數(shù)，需要用到插值法，要求學(xué)生在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)。（3）飛行器運(yùn)動方程組在數(shù)學(xué)上是微分方程組。研討微分方程組用什么數(shù)值方法來解，教師可提示學(xué)生用龍格-庫塔法求解飛行器運(yùn)動方程組，編程實(shí)現(xiàn)。

3.實(shí)驗(yàn)總結(jié)。彈道計(jì)算完成后，后續(xù)的繪制彈道、分析相關(guān)參數(shù)對彈道的影響等任務(wù)可作為課后作業(yè)交由學(xué)生課下完成。教師根據(jù)學(xué)生課上的研討表現(xiàn)及課下實(shí)驗(yàn)報(bào)告的質(zhì)量給出實(shí)驗(yàn)成績。

4.遷移創(chuàng)新。本次實(shí)驗(yàn)所用的飛行器運(yùn)動方程組是假設(shè)飛行器在鉛垂平面內(nèi)運(yùn)動的方程組，實(shí)際中的飛行器不一定只在鉛垂平面內(nèi)運(yùn)動，教師可鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生探究如何求解在空間中運(yùn)動的彈道。

結(jié)語

“飛行仿真實(shí)驗(yàn)”非常適合開放式研討教學(xué)，這是由其知識結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所決定的——理論基礎(chǔ)知識繁雜，不適合大部分學(xué)生自學(xué)；實(shí)驗(yàn)操作主要依靠計(jì)算機(jī)編程，教師沒有足夠的精力和時間兼顧所有學(xué)生，適合學(xué)生之間相互學(xué)習(xí)，同時學(xué)生可充分利用線下線上資源自行解決編程過程中出現(xiàn)的問題。開放式研討法要注意把握好學(xué)生的主體地位和教師的主導(dǎo)作用［8］。學(xué)生的主體地位要求學(xué)生以學(xué)為主體，課前必須做好預(yù)習(xí)，要有一定的知識儲備，否則在研討過程中會陷入無話可說、聽不懂其他學(xué)生說的是什么的窘境。教師的主導(dǎo)地位要求教師把握好講授的時機(jī)，做好研討監(jiān)控，畢竟開放式研討的“開放”也是有度的，不能放任自流，遇到難點(diǎn)問題時應(yīng)及時總結(jié)講解［9］。

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Application of Open Seminar Teaching in Experiment of Flight Simulation

FENG Jia-chen， GUAN Xu， LI Jin-fei

（Shore Defense Academy， Naval Aviation University， Yantai， Shandong 264001， China）

Abstract： To improve the level of curriculum construction of Flight Dynamics and promote students independent thinking ability， operating skills of experiment and innovation ability， open seminar teaching is proposed for experiment of flight simulation. A comparison is made between the shortcomings of traditional teaching and the advantages of open seminar， which is implemented in the course of the experiment of trajectory simulation of uncontrolled missile. The whole process of open seminar teaching from experiment selection to grade assessment was illustrated. It is concluded that open seminar teaching is appropriate for experiment of flight simulation. Open seminar teaching will output well only and only if the students had prepared sufficiently and the teacher had guided them punctually.

Key words： open seminar teaching; experiment teaching; experiment of flight simulation; flight dynamics