《飛行動力學與控制》項目導入任務驅動教學改革實踐

吉洪蕾 張琳 吳宇 姚建堯

中圖分類號：G642DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2206-5640-7785基金項目：重慶大學研究生教育教學改革研究項目（項目編號：cquyjg21327）;重慶大學教學改革研究項目（2019Y65）;重慶大學研究生重點課程建設計劃項目（201805017）。作者簡介：吉洪蕾（1987—），男，博士，講師，研究方向為飛行動力學與控制。

張琳（1973—），女，本科，中級職稱，研究方向為研究生管理。

吳宇（1987—），男，博士，副教授，研究方向為飛行器智能控制與決策。摘要：本文針對研究生《飛行動力學與控制》課程開展項目導入任務驅動教學改革實踐進行研究，提出以項目大作業(yè)作為前置導引、將項目分解為多個實踐任務的教學思路。在教學實踐中，首先應開展任務教學，以小組互評和教師評析的方式梳理和總結上次任務實踐結果，并講解下次任務求解思路，然后開展理論教學，最后以學生小組形式在課后完成實踐任務，形成任務引導、理論反饋和教師為主導、學生為主體的教學設計，發(fā)展過程考核與結果考核、項目評價與理論考試相結合的課程評價方法。實踐結果表明，小組互評和教師評析環(huán)節(jié)的引入能夠降低學生學習背景和實踐能力差異的影響，幫助學生順利完成項目實踐，學生項目實踐水平與理論知識理解掌握水平成正比。本文所述教改實踐方法可以實現(xiàn)工程實踐技能和理論知識學習的相互促進，教學效果優(yōu)良，可推廣到更多航空航天研究生專業(yè)課程的教學實踐中。

Key Words： Flight Dynamics and Control; Project-based; Task-driven; Teaching method; Teaching practice

《飛行動力學與控制》是研究飛行器在大氣層內運動規(guī)律及其控制方法的學科，是以空氣動力學、理論力學、燃氣渦輪發(fā)動機原理、控制理論和計算數(shù)學等作為主要基礎理論^[1]，對飛行器動力學特性及其控制進行綜合的學科。目前主要采用理論與案例結合方式展開授課，以課堂為中心，以知識為線索，結合案例教學提升學生學習興趣，使學生快速掌握基礎理論和設計方法，但《飛行動力學與飛行控制》課程的特點是概念多，公式推導過程繁瑣，并且難度、公式推導和定量計算會隨著課程內容的逐步深入而難度逐漸增加，課程后期往往出現(xiàn)學生跟不上進度的情況，無法對每個公式的由來有清晰的認識^[2]。更為重要的是，傳統(tǒng)教學方法以教師講授為主體，難以激發(fā)學生學習主觀能動性、培養(yǎng)工程實踐能力。因此，針對研究生《飛行動力學與控制》課程開展的教學改革實踐，需增加或融入學生主動參與的教學方式，提升理論教學水平和學生工程實踐能力，具有重要意義。

顧名思義，項目教學法是指教師和學生圍繞一個項目的完整實現(xiàn)而共同參與的教學活動。項目教學法具有以項目為主線、以教師為主導、學生為主體的特點，教師通過指導學生完成項目，引導學生理解和掌握基礎理論和知識，培養(yǎng)學生分析和解決具體問題的能力。與“教師講學生聽”的被動教學模式相比，項目教學法在提升理論教學效果和學生工程實踐能力方面具有顯著優(yōu)勢，國外針對該方法在航空航天課程中的應用展開大量研究。澳大利亞阿德萊德大學^[3]采用搜索救援無人機開展項目教學，該課程要求學生完成無人機機身結構和氣動設計，選擇和發(fā)展圖像和飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)無人機控制，通過完成項目培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作、項目管理等能力，提升學生對航空專業(yè)的興趣。美國賓夕法尼亞州立大學^[4]自20世紀90年代開展項目驅動的飛行器設計課程，學生完成復合材料飛行器的設計和組裝，設計結果參加人工驅動飛行器競賽，通過該課程使學生深入理解和掌握航空工程的基礎理論，發(fā)展領導能力和團隊協(xié)作技能。美國德克薩斯大學^[5]將學生分為兩組為K-12運載火箭設計自給式冷氣推進示范裝置實現(xiàn)項目教學，通過該項目的實施使學生掌握航天推進系統(tǒng)的基本知識，了解工程設計迭代過程，訓練學生根據(jù)一組寬泛的參數(shù)提出項目要求和設計規(guī)范的能力。英國克蘭菲爾德大學^[6]廣泛采用小組設計項目的形式開展項目教學，涉及的項目包括民用貨運飛機設計、無人作戰(zhàn)飛行系統(tǒng)設計、火星飛行器設計、超音速商業(yè)飛機設計等，通過小組設計項目的形式提升學生采用所學知識和技能解決工程設計問題的能力。美國弗吉尼亞理工大學^[7]采用廣泛商用的多旋翼無人機為例，通過一種向偏遠郊區(qū)投遞醫(yī)療用品的無人機的設計、制造和試飛過程加強學生對飛行器設計基礎理論的理解和應用能力，使學生了解大型國防合同承包商的飛行器設計流程，以及相關單位對學生實踐能力方面的具體要求。加州大學洛杉磯分校^[8]連續(xù)3年開展以火箭設計為主題的項目教學課程。該課程以設計一款小功率固體推進劑火箭開始，隨著學生火箭工程技術、安全能力和系統(tǒng)復雜能力的提升，逐漸過渡到大功率混合推進劑火箭和液體推進劑火箭設計，通過項目的實施逐漸增加學生工程實踐能力，并鼓勵有經(jīng)驗的學生帶領新生參與項目，從而培養(yǎng)學生的領導能力和團隊合作能力。此外，密歇根大學^[9]基于小型無人機平臺開展航空和機器人傳感器方面的項目教學，意大利博洛文尼亞大學^[10]基于四旋翼無人機和地面站系統(tǒng)軟、硬件設施開展飛行控制課程項目教學，均取得良好的教學效果。

“項目”是實現(xiàn)項目導向教學方法的關鍵，然而項目的選取和設計較為困難，限制了該方法的應用。另外，與傳統(tǒng)教學中理論知識的漸進學習相比，項目是一個系統(tǒng)工程，本身的實現(xiàn)難度較大、時間跨度長，對學生的理論知識儲備、工程實踐技能和自主解決問題能力的要求都很高，研究生學習背景和實踐能力的差異往往導致難以取得良好的教學效果。鑒于項目教學法的問題，在項目實施過程中，將項目細化為具體的幾個任務，以任務驅動的方式學習相關的理論知識和實踐技能，逐步完成各個任務，最終實現(xiàn)整個項目，稱之為“項目導入任務驅動”教學法。與項目導向法相比，項目導入任務驅動教學法將時間跨度大、難度高的設計項目劃分解為時間跨度短、難度低的多個任務，循序漸進完成設計項目并達成教學目標，暗合“圖難于其易”的哲學思想，更加易于推廣實施。

針對研究生《飛行動力學與控制》課程的特點，提出項目導入任務驅動教學和理論教學相結合的教學設計，以項目大作業(yè)為導引，以項目細分任務驅動理論教學，以學生小組為主體在課后完成實踐任務，形成任務引導、理論反饋和教師為主導、學生為主體的教學設計。在教學實踐中引入小組互評和教師評析環(huán)節(jié)，采用過程考核與結果考核、小組互評與教師評價相結合的課程評價方法考核學生學習效果。以學院2020—2021學年第二學期12名選課的研究生分組實踐上述教學改革內容。

1教改思路

《飛行動力學與控制》課程是我院航空航天類研究生的專業(yè)主干課程，以本科階段的《理論力學》《飛行力學》《自動控制原理》等課程為基礎，以固定翼飛機的剛體動力學特性為主要研究對象，圍繞飛機穩(wěn)定性和操縱性等飛行品質指標講授飛行控制系統(tǒng)的基本概念、原理和設計方法。該課程共有32個學時，分為8周完成，具體的教學內容和課時分配如表1所示。通過本課程的學習，使學生了解飛行器運動的基本特性和通過飛行控制設計改善飛行品質的基本方法，掌握相應的數(shù)學建模與求解方法，初步掌握一般飛行器飛行動力學特性和飛行控制律設計方法，提升解決工程實際問題的能力^[1]。

為了考核研究生應用理論知識解決工程問題的實踐能力和專業(yè)創(chuàng)新思維，本課程在往年的教學中均布置了項目形式的大作業(yè)作為課程考核的一部分，要求學生以項目小組的形式獨立自主地完成指定任務并編寫項目報告。然而過去幾年的教學實踐發(fā)現(xiàn)，大部分小組的大作業(yè)完成質量不高，經(jīng)過多方討論與分析，原因主要有以下幾點^[2]。（1）該課程以本科階段的飛行力學、自動控制原理等航空航天相關課程為先導，概念多、公式推導繁雜，不少學生由于缺乏相關的力學和控制理論基礎，對相關理論的理解和掌握程度不深，在學習過程中沒有目標，不明確所學專業(yè)知識的工程實踐意義，因此難以在學習完成后將所學知識與大作業(yè)項目聯(lián)系起來解決遇到的問題.（2）不少學生在本科階段主要進行理論知識學習，剛進入研究生階段，缺乏工程實踐技能，還有些學生認為本門課程與自己的研究方向沒有關系，從項目作業(yè)學習到的實踐技能無法應用到自己以后的科研實踐中，因此產(chǎn)生畏難和被動情緒，不愿意花費太多時間和精力放在項目作業(yè)上。（3）項目大作業(yè)由多個任務有機組合而成，需要學生分組配合依次完成各個任務，對學生的自主性要求較高。不少學生由于理論知識和實踐能力的不足，往往在某一個中間環(huán)節(jié)出現(xiàn)卡殼，從而導致后續(xù)任務無法繼續(xù)完成，或者由于某一環(huán)節(jié)錯誤，導致后續(xù)環(huán)節(jié)皆無法正確完成，從而不同分組之間的項目完成質量形成“馬太效應”。因此，由于學生理論知識和實踐能力的差異，將具有一定難度和系統(tǒng)性的項目大作業(yè)完全交給學生自主完成無法達成理想的實踐效果，容易學生產(chǎn)生挫敗感，有學不到什么東西的感覺、學到的東西沒有什么用的感覺，教師的適當介入和引導則能夠避免上述問題的發(fā)生。

鑒于以上問題，本次教學改革實踐的思路是將項目大作業(yè)前置，以項目作為導引，明確學習目標，將項目分解為具體的實踐任務并穿插到理論教學中，使學生明確所學專業(yè)知識的工程實踐意義、了解實踐任務求解涉及的理論知識，從而通過實踐任務的逐步實現(xiàn)和項目大作業(yè)的完成激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生工程實踐能力和專業(yè)創(chuàng)新思維。

2教學設計

采用理論教學與項目教學相結合的教學設計，將每次課（4課時）劃分為兩部分，第1個課時開展項目教學，后面3個課時進行理論教學，完成相關的教學內容，具體流程如圖1所示，共分為7步：（1）在第一次上課時根據(jù)教學目標和教學內容分析學生需要學習的理論知識點，并結合學生的特點精選主題，圍繞主題創(chuàng)設情境和項目;（2）結合項目特點和教學內容，將項目分解為遞進的幾個研究任務，將學生分組;（3）在2～7課時的開始開展任務教學，各小組講解上次任務完成情況，各小組相互評價，教師針對存在的問題進行講解并梳理和回顧相關的知識點，布置下一次任務，講解任務解決思路及所涉及的理論教學知識;（4）教師開展理論教學;（5）各小組在課后協(xié)作完成實踐任務，通過任務的實現(xiàn)加深對相關知識點的理解和掌握;（6）重復步驟（3）至步驟（5），完成各項實踐任務，形成項目報告;（7）在課程結束后根據(jù)項目完成情況和理論考試成績給出課程總評分。

2.1 項目導入設計

建構主義教學方法認為，學生需要在一定社會文化背景的情境下學習，使學生能夠利用原有的知識經(jīng)驗去建構新的知識，并賦予新知識某種意義^[11]。項目導入的目的即是以項目為載體創(chuàng)設情境，通過項目的實現(xiàn)導入需要學習的理論知識。導入項目應結合課程的教學目標、教學內容以及學生的學習背景，具有以下特點^[12]。（1）具有完整的實踐過程，使學生能夠經(jīng)歷完整的飛行動力學建模、分析過程，了解工業(yè)界的工程設計流程，而不是局限于幾個簡單的操作。（2）具有明確的工作任務和具體的成果展示，使學生能夠發(fā)現(xiàn)和采用所需要的理論知識解決具體問題，并利于評價工作成果。（3）能夠激發(fā)學生學習的自主性，使學生有獨立進行計劃和組織工作的機會，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和發(fā)現(xiàn)、解決問題的能力。（4）項目應具備綜合性和可操作性，盡可能覆蓋課程所有理論知識，并使大部分學生能夠通過團隊協(xié)作形式完成工作任務。

《飛行動力學與控制》是直接面向工程實際需求的學科，課程項目以某固定翼飛機為研究對象，開展飛行動力學建模和操、穩(wěn)特性分析，研究內容主要包括飛行動力學建模、配平和線化計算、穩(wěn)定性和操縱性分析等內容。飛行動力學模型是研究的基礎，根據(jù)空氣動力學和發(fā)動機的基礎知識建立氣動力和發(fā)動機推力模型，根據(jù)剛體動力學的基礎知識推導飛機動力學和運動學方程，形成飛行特性分析和仿真的非線性數(shù)學模型。平衡狀態(tài)是指飛行參數(shù)不隨時間變化的飛行狀態(tài)，配平是指根據(jù)給定的飛行條件逆解飛行動力學模型獲得平衡狀態(tài)所需操縱量的求解過程，配平計算結果可用于基本飛行性能計算和靜操縱性分析。在配平的基礎上，根據(jù)小擾動假設將非線性飛行動力學模型在平衡狀態(tài)點附近線化獲得線性模型，用于飛機的操、穩(wěn)特性分析和飛行控制律設計。飛機的穩(wěn)定性是指保持操縱量不變，飛機在受擾動作用后會偏離其平衡狀態(tài)，在擾動停止后飛機恢復到原來狀態(tài)的能力;飛機的操縱性是操縱輸入之后飛機響應的全過程特性^[13]。根據(jù)線性常微分方程的基本理論和飛機的線性飛行動力學模型求解飛機的操、穩(wěn)特性，指導飛機飛行控制律設計。該項目實踐內容完整、工作任務明確，不僅能夠激發(fā)學生學習的自主性，還能加深學生對課程教學內容的理解，掌握飛機動力學特性的一般規(guī)律，為后續(xù)飛行控制律設計教學內容打下良好理論基礎。

2.2 驅動任務設計

在項目導入以后，如何以學生為主體，將項目劃分為具體的工作任務是關鍵。依據(jù)項目目標，某固定翼飛機飛行動力學建模和操、穩(wěn)特性分析項目劃分為6個驅動任務，即氣動特性分析、氣動力建模、飛行動力學建模、配平計算及分析、模型線化及分析、操穩(wěn)特性分析，項目各實踐任務的具體內容及相關的教學內容如表2所示。其中，任務1和任務2的目標是建立飛機的氣動力模型，主要涉及空氣動力學的基礎知識，通過本項任務可以使學生主動復習并掌握飛機氣動特性及其變化規(guī)律，為下一步工作任務奠定基礎;任務3和任務4的目標是建立飛機飛行動力學模型及其配平計算方法，涉及課程飛行動力學建模相關教學內容，通過任務實踐加深學生對相關教學內容的理解應用水平、掌握飛機穩(wěn)態(tài)平衡特性及變化規(guī)律;任務5和任務6的目標是建立飛機線化模型，分析飛機操、穩(wěn)特性，涉及本課程穩(wěn)定性和操縱性相關教學內容，通過該任務實踐不僅使學生可以掌握模型線化的工程實踐技能，而且可以使學生深入了解飛機的典型模態(tài)特征和操縱響應特性，為后續(xù)飛行控制律設計相關教學內容打下基礎。本課程驅動任務設計上承飛機空氣動力學的基礎知識，下接飛行控制律設計的教學內容，與飛行動力學建模及穩(wěn)定性和操縱性相關的教學內容緊密結合，各個實踐任務相互獨立而又圍繞導入項目相互關聯(lián)、層層鋪進，每個任務的目標和考核方式明確，為教學改革實踐的順利實施奠定基礎。

3?教學實踐

本次教學實踐將每次課（4課時）劃分為項目教學和理論教學兩部分，其中項目教學采用小組互評與教師評析的方式實施，持續(xù)1個學時;然后開展3個小時的理論教學，完成規(guī)定的教學內容，各教學內容的教學時長及所采用的教學方法如表1所示，主要介紹項目教學方法和課程評價指標如下。

3.1?小組互評

每次項目教學時首先讓各小組學生講解上一次任務實踐結果，然后讓各小組相互評價打分，作為課程評價的組成部分。小組互評采用如圖2所示的任務/項目評價表打分，打分標準為，以自己組報告為基準（85分），比自己組略好為90分，好很多為95～100分，比自己組略差為80分，差很多為70～80分。學生可以通過小組互評環(huán)節(jié)相互學習、互通有無，加深對實踐任務的理解，激勵相互競爭，取得更好的教學效果。

3.2?教師評析

小組互評之后進入教師評析環(huán)節(jié)，首先對各小組展示結果進行點評，講解各小組報告存在的問題，梳理容易引起錯誤的環(huán)節(jié)和相關的知識點，總結實踐和報告撰寫中的共性問題，并發(fā)布一個相對標準的計算程序或模型，為下一步工作任務做準備。然后，針對下一次工作任務，講解任務目標、與上一次任務的銜接關系及求解思路及關鍵問題求解的基礎理論。在講解過程中，明確各個環(huán)節(jié)求解所涉及的理論教學知識。通過教師評析環(huán)節(jié)，教師可以深度參與到項目研究工作，有效推動各個驅動任務的實施，并通過講解解決學生實踐中遇到的理論難點，加深鞏固學生對所學知識的理解和應用能力。

3.3?課程評價

根據(jù)教學模式的改變調整傳統(tǒng)以考核學生對理論知識記憶、理解和掌握程度為主、以閉卷考試分數(shù)為主要評價標準的課程評價方法^[14]，采用過程考核與結果考核、小組互評與教師評價相結合的指導思想組織本次教學改革實踐的課程評價。課程成績由考勤和課堂紀律成績、項目成績以及理論考試成績構成，各項占比分別為10%、40%、50%，課程成績由式（1）計算：

4 結果分析

對2020—2021學年第二學期研究生《飛行動力學與控制》課程實踐結果進行分析。選擇本次課程的學生共有12名，以2人組成一個項目小組，共分為6個項目小組。圖3所示為小組互評得分平均值隨各次任務變化，從圖中可以看出，第一次任務時各小組得分差別較大，這主要是由各小組學生學習背景、實踐能力的差異導致的。隨著任務次數(shù)的增加，各小組得分排序變化很小，但得分相差越來越小，逐漸趨近基準分（85分），這主要因為各小組之間的相互學習和教師講解有效降低了各個小組學習背景和實踐能力差異的影響。

圖4所示為小組互評得分標準差隨任務次數(shù)變化。從圖中可以看出，第一次任務時各小組互評得分標準差較大，隨著任務的進行，各小組互評得分標準差逐漸縮小。主要原因是第一次任務時，各組學生之間由于學習背景和實踐能力的差異，對實踐任務的理解程度不一樣，對同一任務的打分呈現(xiàn)出較大的差異性。隨著任務次數(shù)的增加，由于小組之間相互學習和教師講解的深入，學生對實踐任務的理解程度逐漸加深、認識趨于一致，因此打分也趨于一致。

表3為學生最終考核成績。從表中可以看出，項目導入任務驅動的教學方式克服了項目教學法存在的項目實現(xiàn)困難問題，使具有較大學習背景和實踐能力差異的各項目小組均以優(yōu)良的成績完成項目。另外可以看出，通過項目實踐可有效促進學生對于理論教學內容的理解掌握和應用能力，各小組均取得良好的理論考試成績，且理論考試成績與項目成績總體上呈現(xiàn)出一定的相關性，即：項目成績高的同學，理論考試成績也相對偏高。本次實踐證明了項目導入任務驅動的教學方式能夠兼顧理論知識學習與工程實踐能力的培養(yǎng)。

5結論

（1）項目導入任務驅動教學方法有效克服了項目教學法存在的項目實現(xiàn)困難問題，各小組學生可以通過小組互評和教師評析環(huán)節(jié)相互學習，降低學習背景和實踐能力差異的影響，逐步提升項目實踐能力，同時也有助于提升理論教學效果，學生項目實踐水平與對理論知識的掌握深度成正比。

（2）過程考核與結果考核、項目評價與理論考試相結合的課程評價方法不僅能夠考核學生對理論知識的掌握深度，還能考查學生利用所學知識分析和解決工程實踐問題的能力，改善了傳統(tǒng)評價方法重知識考核而輕能力考核的弊端。

（3）項目導入任務驅動教學方法以項目導入激發(fā)學生學習興趣，以實踐任務驅動學生自主學習能力，充分體現(xiàn)構建主義教學以學生為主體的思想，讓學生在工程實踐中加深對理論知識的理解和應用，在工作成果的相互評價中相互學習、激發(fā)創(chuàng)新能力，取得了良好的教學效果，更加符合研究生工程實踐課程的教學目標，可推廣到更多航空航天類專業(yè)研究生課程的教學應用中。

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