航空航天類本科專業(yè)專題研討課程建設研究

朱彥偉，黃 渙，蔡偉偉

(國防科技大學 空天科學學院，湖南 長沙 410073)

推動研討式教學模式改革，是培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力的重要途徑之一，也是提高人才培養(yǎng)質量的有力舉措?！秶抑虚L期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)》中強調(diào)：倡導啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學，幫助學生學會學習[1]?！?020年前軍隊院校教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要》指出：要建立以能力培養(yǎng)為導向的現(xiàn)代教學體系。國防科技大學在制定2012級本科培養(yǎng)方案過程中，要求為高年級本科生開設一門專題研討課程(“壓頂石”課程)，以激發(fā)學員的學習動力，提高學員的實踐能力和創(chuàng)新能力，幫助學員完成從被動學習到主動研究的轉變，為開展本科畢業(yè)設計奠定堅實基礎。為此，我們以研究性教學為理念，面向空間工程、飛行器系統(tǒng)與工程等航空航天類本科專業(yè)建設了“空天任務規(guī)劃”專題研討課程，通過六年的教學實踐和反復迭代，取得了良好的效果，獲國防科技大學本科課堂教學優(yōu)秀評價。

一、工科專題研討課程的特點分析

“研討式”教學[2]是由18世紀的德國教育家弗蘭克首創(chuàng)的。其核心理念是以學員為中心，強調(diào)個體的認知主體作用。該模式有助于激發(fā)學員學習主動性，培養(yǎng)學員發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。研討課程深刻影響了西方高等教育理念和模式的發(fā)展，在西方高等教育教學體系中占有重要地位。進入新世紀，隨著我國高等教育改革的深入推進，研討課程教學模式成為研究性教學的一種有效手段。很多高校都開設了多種形式的研討課程。依據(jù)課程定位與性質，研討課程可分為新生研討課和專題研討課兩大類[3]。前者主要針對大一新生開設，旨在引導新生快速掌握大學學習的方法，培養(yǎng)探索問題的興趣，養(yǎng)成探究學習的習慣；后者主要針對高年級本科生和研究生開設，目的是通過引導學員參與實際的科研工作，使其在掌握知識的同時，鍛煉實際動手能力，為未來獨立開展工作打下基礎。

本文重點關注針對高年級本科生開設的工科專題研討課[4]。區(qū)別于文、史、哲等非工科專業(yè)專題研討課程，工科專題研討課[5-6]以較為具體的某個或系列專業(yè)課題或問題為研討對象。這里以航空航天類本科專業(yè)為例，梳理其主要特點：(1)工科專題研討課程定位為某一系列課程的“壓頂石”課程，強調(diào)系列課程知識的綜合運用，突出學員實踐能力、創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)。通常在大四秋季學期開設，旨在變被動學習為主動研究，為學員開展本科論文畢業(yè)設計奠定基礎。(2)工科專題研討課程的研討對象客觀性強，通常針對某個具體工程問題進行分析，量化并建模為數(shù)學問題。比如：在某些約束條件下，設計某種算法、流程或實體，使得某些指標最優(yōu)化等。因此，解決問題的流程方法和最終的研討結論具有明顯的客觀性。(3)工科專題研討課程具有“教研相長”的顯著特點。為了激發(fā)學員興趣，專題設置一般都結合領域最新進展，教員必須先有研究基礎才能更好地指導學員開展研究和討論；反過來，與學員的共同探討也能啟發(fā)教員的研究思路，有助于深化科學研究。(4)工科專題研討課程需要課內(nèi)外一體化模式。專題研討課程學時有限，通常用于共性問題講解、專題結果展示和質詢討論。學員必須在課下花費大量的時間才能完成文獻調(diào)研、文獻綜述、建模仿真、分析總結等，教員必須在課下與每個專題的每個學員多次交流，及時指導，確保每個專題都能夠高質量完成，提高課堂研討效果。(5)工科專題研討課程考核必須多角度評價。針對研討課程出現(xiàn)的考核壓力不大、學員參與度不高和課堂氣氛冷清等不足，必須采用“考試+考核+鼓勵性加分”的方式優(yōu)化考核設計，增加過程考核比例，確保壓力持續(xù)傳導到每一個學員，確保教學目的和教學效果的順利達成。

二、“空天任務規(guī)劃”專題研討課程建設

國防科技大學航空航天類本科專業(yè)于1957年創(chuàng)建于中國人民解放軍軍事工程學院(簡稱“哈軍工”)，辦學歷史悠久，專業(yè)特色鮮明，旨在培養(yǎng)從事空天裝備論證、設計、研發(fā)與應用等方面的實際工作能力和科學研究初步能力的工程技術人才。航空航天領域是一個工程性、實踐性、系統(tǒng)性和協(xié)作性很強的領域，需要培養(yǎng)學員的工程素養(yǎng)、實踐能力、系統(tǒng)思維和協(xié)作意識。動力學與控制系列課程是其核心專業(yè)課程模塊。為了培養(yǎng)學員的綜合實踐能力，幫助學員完成從“學習”到“研究”的轉變，設置了“空天任務規(guī)劃”專題研討課程，旨在讓學員從動力學與控制視角了解航天裝備發(fā)展的前沿領域，按照“從應用上提出問題、從技術上解決問題”的思路，激發(fā)和調(diào)動學員的學習興趣與主觀能動性，提升學員的創(chuàng)新思維能力、溝通交流能力和團隊合作意識，為他們后續(xù)學習深造和從事有關航天裝備的論證、研制、試驗、維護和作戰(zhàn)使用等實際工作奠定基礎。

本課程預修課程為“空天工程導論”“空天飛行力學”和“飛行器導航制導與控制”等；學時安排為28學時，其中講授10學時、實踐(研討)18學時。采用先講授后研討的方式，以研討為主。講授內(nèi)容涵蓋基本概念、技術基礎、運用理論與方法等，為后續(xù)的研討提供基本的知識背景和研究思路，為學員課下準備研討提供指導；研討內(nèi)容按專題設置，每個專題均涵蓋“問題—模型—算法—仿真—分析—總結”全流程。

(一)課程教學目標

1.知識與技能

本課程主要訓練學員對所學飛行器動力學、制導與控制等知識的綜合利用能力，使學員掌握空間飛行器的基本概念、原理和方法，能夠運用定量手段分析典型空天任務過程，開展初步的任務規(guī)劃。具體能力目標包括：能夠處理空天任務中復雜的時空關系轉換，進行軌道根數(shù)和軌道預測計算；能夠運用標準彈道模型和初制導原理針對直接上升式攔截任務開展彈道設計和攔截窗口分析；能夠運用比例導引原理分析攔截器近距離接近制導的實現(xiàn)方法，提出攔截方案；能夠運用軌道機動理論分析航天器遠距離軌道機動策略與方法，提出軌道機動方案；能夠運用航天器相對運動理論開展航天器近距離相對運動的期望軌跡設計；能夠基于六自由度動力學模型分析航天器交會逼近過程，提出近程導引和終端逼近的解決方案。

2.過程與方法

本課程講解緊密結合空天領域的最新研究進展，配合教學片和演示軟件，使教學內(nèi)容和形式形象、生動、直觀，激發(fā)學員主動學習的興趣。本課程研討采用分組研討方式，每組負責一個專題，準備研討報告，同時兼顧其他專題，準備要討論的問題。對每個專題，所有學員都要準備，研討分為組內(nèi)研討和組間研討。組內(nèi)研討在課外研討準備階段進行，由學員自己組織，教員參與指導；組間研討在課堂進行，對每個專題，先由負責的組進行講解，然后接受其他組和老師的提問，并進行討論。對所提問題和討論結果，負責的組要進行歸納整理，課后要對研討報告進行修改完善。課程結束后，每組都要提交一份研討報告，所有研討報告收齊后統(tǒng)一下發(fā)給所有學員。

3.能力與素質

本課程從應用視角探討空天領域的前沿熱點問題，有助于培養(yǎng)學員利用所學知識解決實際問題的能力，增強學員獻身國防的責任感和使命感。此外，本課程采用的研討式教學方法，有助于培養(yǎng)學員的創(chuàng)新思維能力、溝通交流能力和團隊協(xié)助意識，對學員綜合素質的培養(yǎng)和提升具有重要作用。

(二)課程主要內(nèi)容

課程主要內(nèi)容分為講授和研討兩部分。講授部分以空天飛行器為對象，從動力學與控制視角講述空天任務規(guī)劃的理論基礎，具體內(nèi)容如圖1所示。緒論是導入，模型是重點，規(guī)劃是方法。緒論部分介紹課程背景、發(fā)展演變、概念內(nèi)涵、技術手段等；模型部分從應用視角，詳細介紹絕對運動模型、相對運動模型和姿態(tài)運動模型，明確空天飛行器的動力學與控制約束；任務規(guī)劃講解任務規(guī)劃的一般流程和相關的優(yōu)化算法。

圖1 課程講授內(nèi)容

課程研討部分緊貼空天領域發(fā)展前沿，分為地對天、天對天和天對地三類任務。對每一類任務，按照復雜程度和掌握深度設置1～3個專題，如圖2所示。對每個專題，指定3～4個核心知識點及具體實踐要求，學員3-5人一組，查找相關文獻，按照“問題—模型—算法—仿真—分析—報告”的步驟完成專題研究，進行課堂匯報，接受教員和其他組的質詢，最終提交研究報告(論文)。

圖2 研討專題設置示意圖

(三)課程主要特色

在教學內(nèi)容上，兼顧裝備現(xiàn)狀和未來發(fā)展。以裝備使用單位的崗位需求為牽引，迭代優(yōu)化教學內(nèi)容；以一流標準確定教學內(nèi)容的深度和廣度。

在教學設計上，以問題為導向，以學員為中心，突出實踐能力培養(yǎng)。對主要知識點，安排仿真實現(xiàn)環(huán)節(jié)，使學員既懂理論，又會應用，確保理論和實踐不脫節(jié)，幫助學員完成從“學習”到“研究”的轉變。

在教學資源上，科研反哺教學，案例素材來源于實際的科研項目。依托專業(yè)教學實驗室，充分利用信息化教學手段進行教學資源的管理與服務，并逐年迭代，通過學員實踐不斷豐富教學資源。

在教學方法上，倡導主動學習和研究性教學，借助多媒體教學和思維導圖，少講精講，突出思路方法，變“授人以魚”為“授人以漁”；綜合運用組內(nèi)研討、分組實踐、課堂研討等方式，變知識傳授為能力塑造。

三、“空天任務規(guī)劃”教學實踐

“空天任務規(guī)劃”在大四秋季學期開設，每周2次課，每次課2學時。第一次課明確研討專題，課后學員自主完成分組和專題選擇，此后整個教學實施環(huán)節(jié)采用課內(nèi)外一體化模式，貫穿項目研究“問題—模型—算法—仿真—分析—總結”全流程。前期課上以教員講授為主，后期課上以分組匯報研討為主；課下教員參加分組研討，學員自主分組實踐，根據(jù)研討情況修改完善研究工作，撰寫研究報告(論文)，如圖3所示。

圖3 專題研討課程實施

(一)學情分析

“空天任務規(guī)劃”開課學期為考研學期，教學對象為大四學員，部分保研、部分考研、部分不考研(準備工作)。保研的學員有從“學習”到“研究”轉變的需求，時間足，能力強；考研的學員以考研為重心，能投入的時間非常有限；不考研的學員有提升素質的需求，時間足，潛力大。

(二)過程管控

1.學員分組與專題分配

所有專題任務及要求在第一次課上專門介紹，專題數(shù)量即是學員分組數(shù)量。考慮到有三類學員，在分組時，要硬性要求“保研+考研+不考研”的合理搭配。在此約束下，學員自主完成分組，推舉出各組組長(通常為保研學員)。學員完成分組后，各組通過選擇和協(xié)商，實現(xiàn)各專題和各組學員的一一匹配，并確定課堂研討順序，進而明確組號。研討順序越靠后，研討前的準備時間越長，而研討后的修改完善時間越短。第一組的課堂研討準備時間為2周(由理論講授學時確定)。

為確保教學效果，必須采用小班教學，且每組不超過6人。學員分組確定以后，教員分專題將相應的教學資源(含歷年學員提交成果)下發(fā)。

2.組內(nèi)研討與仿真實踐

每組學員的組內(nèi)研討與仿真實踐由各組組長負責組織，全部在課下進行。在此過程中，教員至少要參加三次組內(nèi)研討。第一次研討，讓每個學員談對專題任務的認識和理解，幫助學員把準努力方向，了解組內(nèi)成員的任務分工，通常安排在課堂匯報前兩周；第二次研討，每個學員重點匯報工作進展，提出在研討準備過程中遇到的問題，明確課堂匯報的PPT大綱，通常安排在匯報前一周左右；第三次研討，主要看課堂匯報PPT的準備情況和仿真實踐進度(考慮到時間有限，前面幾組的仿真實踐在研討匯報時很大可能未完全實現(xiàn))，指出存在的問題，確保課堂匯報效果在可控范圍之內(nèi)。此外，教員要做好隨時解答學員問題的準備，做好多次參加學員組內(nèi)研討的準備。

3.課堂匯報與質詢答辯

每組課堂匯報一次課，按照匯報—提問—總結三階段進行，教員要引導好。通常，匯報階段一個小時左右，既可一人匯報，也可多人匯報，具體形式由各組確定。在學員匯報過程中，鼓勵其他學員提問，教員要適時點評，指出重要知識點或不嚴謹不準確的地方。提問階段半小時左右，其他組提問，匯報組解答，教員隨時補充。為避免研討冷場的情況出現(xiàn)，每次課堂匯報均要求其他組有針對性地準備問題，提問情況也作為考核評價依據(jù)?？偨Y階段5～10分鐘，由教員依據(jù)研討情況靈活把握，梳理該專題的主要知識點(考試內(nèi)容)，點評課堂匯報情況，指出課下需要進一步改進和完善的地方。

所有專題均完成匯報后，預留1-2次課開展綜合研討和課程總結。各組匯報相關問題的解決情況，展示獲得的仿真結果及重要結論，并對專題研討過程進行總結，交流收獲體會和意見建議。

4.研究報告(論文)撰寫

研究報告(論文)撰寫嚴格按照期刊論文的投稿格式要求，全部在課下進行，在課程結課后兩周內(nèi)提交。同時，還要提交參考文獻、仿真程序等，作為課程教學資源存檔入庫。研究報告(論文)撰寫過程中，教員至少安排兩次交流，檢查撰寫情況，指出問題和不足，確保研究報告(論文)的質量。

(三)考核評估

考核評估采用“考試40%+考查60%”方式?？荚囶愃埔话阏n程，考試內(nèi)容涵蓋理論講授部分和各專題的重要知識點?？疾觳捎镁C合評估方式，由組內(nèi)自評30%、組間互評30%和教員評價40%三部分構成。組內(nèi)自評成績由各組組長對組內(nèi)成員進行打分；組間互評成績由其他組組長打分，取平均值，同一組學員的組間互評成績相同；教員評價由教員依據(jù)各學員在組內(nèi)研討表現(xiàn)、課堂匯報表現(xiàn)和最終提交的研究報告(論文)質量進行打分。

按照上述教學流程，從2015年開始，“空天任務規(guī)劃”經(jīng)過六年的教學實踐，得到了學員的高度認可，獲得了學校本科課堂教學優(yōu)秀評價。學員提交的成果越來越好。部分學員在此基礎上開展了本科畢業(yè)設計?？梢哉f，該任務在幫助學員完成由學習到研究轉變方面，起到了很好的作用，實現(xiàn)了“壓頂石”課程的目標。

四、結語

“空天任務規(guī)劃”是國防科技大學航空航天類本科專業(yè)動力學與控制專題研討課程，在課程體系中具有“壓頂石”作用。該規(guī)劃通過深入分析工科專題研討課程特點，精心設計教學目標、教學內(nèi)容和教學環(huán)節(jié)，充分調(diào)動了學員的學習積極性、主動性和創(chuàng)造性，達到了很好的教學效果。主要建設和實踐經(jīng)驗如下：(1)研討專題設計緊貼空天領域發(fā)展前沿，最好從實際科研項目中凝練，要有充足的教學資源；(2)按照課內(nèi)外一體模式實施教學，充分調(diào)動學員的主觀能動性；(3)落實“問題—模型—算法—仿真—分析—報告”全流程訓練，重過程、輕結果；(4)教員要全身心投入，既要對相關專題非常熟悉，又要投入大量的課外時間。