航天控制力學的教學內容與方法探討

王新國+++郭一鋒+++單斌+++郭志斌+++楊波

【摘要】力學涉及的分支較廣，在不同的領域對具體力學知識的要求存在較大的差異，論文根據航天控制應用背景，對我校建立的“航天控制應用力學”課程的教學內容和教學方法手段進行探討，以更好地服務教學。

【關鍵詞】航天控制力學 教學內容 教學方法

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）10-0249-02

一、航天控制力學基礎的需求分析

由于航空航天和其他新技術的發展，力學的很多分支得到快速發展，如流體和氣體力學、陀螺力學、飛行力學等，甚至出現很多邊緣學科，如電磁流體力學、生物力學、多體系統動力學等。力學的范疇越來越廣，內容和內涵越來越豐富。隨著專業拓展，各高校課程呈現出多樣化、短學時的特征。為了適應學時越來越少的情況，各個學科開始制定適合自己學科的力學課程。隨著航天領域的發展，并伴隨著各大學出現的航天熱，基于航天控制的力學基礎問題越來越顯得突出。

二、教學內容構建原則與思路

1.聯系航天背景，整合教學內容。在力學課時不斷被壓縮的情況下，教學內容需要進行整合。在理論力學基礎上，一方面對與大學物理內容重復的部分進行刪減，同時刪減與航天控制中應用聯系不緊密的部分，并增加飛行力學中與航天控制相關的部分內容，形成縱向以航天控制應用為主線、橫向以理論力學、飛行力學、工程力學等交叉融合的教學內容體系，教學中體現多學科的相互滲透與交叉融合。基本構建思路為：

（1）汲取理論力學中運動學內容和動力學內容的精華部分，靜力學只保留力系簡化部分，并且摒棄大量的以機械結構運動分析為主的內容，不再強調剛體上某一點的運動分析，而是從火箭的質心運動和繞質心運動動力學為重點，講解相關基礎問題。

（2）在飛行力學和彈道學基礎上，保留力的分析、坐標系及其變換等部分，同時增加與航天控制相關的問題，如各種干擾，如風干擾、結構干擾等，適當增加控制系統設計和分析的內容，供學生拓展學習；同時刪減過于繁雜的軌道計算問題。

（3）利用航天控制的背景知識和問題，將上述內容統一和整合，形成一個應用背景鮮明、內容統一的新課程系統。

2.強化基本概念與數學推導思路。美國著名物理學家費曼曾說：“對學物理的人來講，重要的不是如何正規嚴格地解微分方程，是能猜出它們的解并理解物理意義。”因而教學的一個趨勢就是強調的明確、清晰和深刻，把對概念的理解放在第一位，同時適當放棄理論體嚴密性，簡化物理公式的數學推導，使學生形成較清晰完整的物理學圖像。因而在力學研究和學習中，基本概念是重點，有些概念難于理解，需要強化概念理解，如達朗伯原理，它把動力學問題轉化為靜力學問題進行分析；再如柯氏加速度，由于學生的慣性思維造成理解起來很困難，需要強調思維過程，重建正確的思維方法。另外對于力學中的公式推導，需要明確思路并簡化數學推導過程。

3.注重與大學物理的聯系與發展。在第一節構建的力學體系中，有很大一部分基本概念與學生在大學物理課程中已學過的力學的基本內容相重復，也有很大一部分是大學物理中概念的拓展，如講述動量定理時，大學物理中以點或者兩個小球為研究內容，而在新的課程中將其擴展到質點系和變質量質點系。而大學物理的教學內容也在隨著課程改革進行動態調整，這就需要我們在建立航天控制力學的過程中動態跟蹤大學物理課程體系和內容，并動態地調整我們的教學內容。

4.注重與工程應用相結合。航天控制力學課程具有特色鮮明的應用背景，因而需要重視航天控制背景，重視力學知識與航天控制的結合。如動力學研究中，重視航天飛行器的力學環境，理解每一個力的分析方法和表示方法；鍛煉學生根據實際問題進行科學思維的能力、掌握科學思考方法，這正是現代素質教育的目的所在。

5.注重最新科研成果的引入。原來的教學內容，尤其是理論力學部分，缺乏反映近代科技成果的新內容和航天控制力學的新發展，未能很好地將力學與現代物理和科學技術的發展相聯系。我校要求課程教學內容和教材需要定時和及時更新，督促各課程及時跟蹤最新發展，并更新教學內容。這些年，我國航天技術得到飛速進步和發展，超音速、高超音速航空航天器得到迅猛發展，其空氣動力學、控制力產生方法等都得到極大的發展和拓展，需要及時更新教學內容，將最新科研成果引入課堂。

三、教學方法構建

1.培養學生綜合能力，提升教學方法。以學生為中心，注意學生全面發展，寬專業、厚基礎、強能力、重創造，這些理念已逐漸被各大學所接受，但是在教學過程中大多采用傳統的教學模式，未能充分培養學生的創造性思維能力、知識在實際中的應用能力。在教學過程中激發學生科學研究興趣的內容太少，致使學生學得不活，學習積極性很難調動起來。

另一方面，由于航天控制力學是在大學物理中力學的基礎上進行延伸和擴展，如靜力學、運動學和動力學，其內容都是在大學物理的拓展，這讓學生認為這些知識不過是大學物理中力學內容的重復，因而不能調動學生的學習積極性，導致學生發現與大學物理力學不一樣時，為時已晚，更不用說培養學生的創新能力。

清華大學工程力學系首先在理論力學課程體系上，改變從特殊到一般、從已知到未知的傳統體系，采用了從一般到特殊的講授方法。如在運動學中從一般質點系運動講起，在剛體運動學中從剛體的一般運動開始，逐步增加一些特殊條件得到定點運動、平面運動、定軸轉動和平動等。這樣的體系能使學生一開始就接受新問題，就能抓住重點，易于理解新思路和新方法，有利于培養學生創造能力。

對于航天控制力學基礎的教學來講，就是以航天控制中遇到的力學問題進行分析，逐步凝煉出力學問題，并采用抽象化和模型化方法對研究問題進行深入分析，得到一般力學結論，再反過來進行應用，以解決實際航天控制問題。有時，一個問題的引出是一步一步進行的，如研究航天器運動時，其是一個一般運動，讓學生思考，當分析過程中遇到困難時，這些困難恰恰是我們需要解決的問題，學生的學習目標就很明確，也樂于去探討新的方法解決新的問題，從而鍛煉學生解決問題的思路和方法，做到從知識灌輸向創造性培養的轉變。

2.開發現代化教學手段。在教學過程中，根據課程內容引入方法論，在課程教學設計中加以體現，培養學生應用科學方法解決工程問題的能力，并開發現代化教學手段，充實教學資源。

目前，我們已經開發和收集了大量視頻信息，如航天控制教學視頻和動畫，拓展學生航天控制中的基本概念和基本原理，為力學教學提供專業背景，有利于后續課程按照航天控制使用的角度進行引入和分析。

隨著微課的發展，課程可以將重要的知識點，難于理解的問題等制作微課，或者收集網絡平臺上的相關內容的微課，讓學生根據自己學習的情況，利用微課進行自學，充分調動學習積極性，使微課成為課堂教學的有利補充。

隨著微信的普及，建立航天控制力學課程微信群，使學生有一個力學知識分享、討論和交流的集中“場所”，使學生在交流中，深化知識學習，彌補個人學習的不足。同時，老師可以根據學生討論和提出的問題，進行答疑解惑。但同時老師需要規范學生用網安全意識，對航天中的涉密敏感信息進行監控。

3.實踐教學的構建。實踐教學是鞏固理論知識和加深對理論認識的有效途徑，是培養具有創新意識的高素質工程技術人員的重要環節。為加強學生實踐技能，培養創新型人才，建設以實驗、裝備現地教學、參觀三位一體的實踐體系。

力學課程實驗依托實驗教學中心，以本科生教學為主體開發力學基礎實驗。把有關科研、工程應用和先進實驗手段融入到實驗教學中，不斷更新實驗內容、方法和手段，強化學生的實驗技能訓練和創新精神培養。目前對于學生理解較為困難的知識，如柯氏慣性力，建立相應驗證性實驗，方便學生理解理論知識，培養學生的觀察能力、動手能力、分析能力，養成理論聯系實際的科學精神。

為發揮我校在航天領域的裝備特色，在航天控制力學課程中積極開展基于裝備的現地教學，學生能夠親眼看到所學的載體，甚至能親手操作，來增強學習的直觀性，便于學生理解學習內容，加深學習的層次。在控制力的產生方式、發動機推力、箭體結構等內容的教學中，得到了很好的應用。

為拓展學生視野，利用校外高校的力學實驗室、研究所的力學環境實驗以及風洞模型，開展參觀教學，拓展學生的視野，了解力學的相關前沿技術、發展方向和研究方法，從而調動學生學習的積極性，激發學生的創新思維。

四、小結

論文對教學內容構建原則進行了探討，建立了基于航天背景整合教學內容、強化基本概念、注重與大學物理的聯系、注重與工程應用方法相結合、注重最新科研成果引入等五個方面的原則；對教學方法進行了研究，從提升改進教學方法、開發現代化教學手段和實踐教學構建方法進行來探討。這些研究和探討有些已經應用到教學體系構建上，在指導力學課程改革中起到了重要的作用。我們將緊跟力學發展，與時俱進，不斷探索和完善力學課程內容和教學方法。

參考文獻：

[1]施毅敏，工科物理力學教學內容和方法的改革探究，湖南師范大學碩士論文，2006

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