工程項目及問題驅動的導航方向實踐課程教學探討

王玲玲, 富 立, 胡曉光, 段海濱

(北京航空航天大學 國家級機械與控制工程虛擬仿真實驗教學中心，北京 100083)

0 引 言

多數學生偏好大學階段就讀理工類專業，因此國內選擇理工專業的學生比例遠遠超出美國等高等教育發達國家，這種現象與個人的價值觀、職業定位以及國家發展形勢密切相關。在知識經濟新時代下，通過高等教育培養具有創新能力與綜合素質的高等理工科人才，已成為提升國家綜合國力的重要舉措[1]。為了提高理工科學生的動手能力，塑造學生的創新思維，培養學生應用科學知識和方法綜合解決實際問題的能力[2]，美國政府、教育界和諸多大學將改革高等教育體系提到重要的議事日程[3-4]，同時強調加強開展形式各異的實踐教學，很多知名高校積極付諸實際行動。其中，美國麻省理工學院(MIT, Massachusetts Institute of Technology )在航空航天人才培養時，采用了微衛星科學項目任務驅動下的CDIO實踐教學方法[5]，將不同專業方向本科生凝聚在一起，歷經3個學期自主完成具有近距離行星探測功能的微衛星系統，提高了學生的工程基礎知識能力、個人能力、人際團隊能力和工程實踐能力。此外，MIT在低年級航空設計理論課程中增加了LTA(lighter-than-air)運載體設計實驗環節，使得學生在實踐中明確飛行器的概念性架構，塑造學生飛行器設計方面的創新性思維，初步培養學生解決實際問題的技能。以高等工程教育著稱的德國，憑借健全的工業體系和良性發展的企業支持，多數學校都建立了校企聯合共同培養機制以提高學生實踐創新能力[6]。這些豐富的實踐教學過程在歐美國家創新復合理工人才培養中發揮了舉足輕重的作用[7]。

然而，我國和歐美發達國家的理工科學生在學習觀念、學習環境、學習連貫性等方面具有顯著的差異性，主要體現在：①歐美國家的本科階段與研究生階段具有較明顯的分界線，本科時段注重通識教育，不明確劃分專業，重點關注學生的綜合素質及興趣培養，研究生階段才加強技能和感興趣專業方面的進一步學習。②我國本科階段通常是通識教育與專業教育并重，高年級時需進行初步的系統化專業學習，研究生階段的專業方向多數是本科專業學習的順延，對自己所選專業的認識度和興趣度不高[8]。③不同的學習觀念與環境往往導致不同的學習態度[9]。例如，我國很多學生面對實驗或實際工程問題時，總是希望在教師一步步指導下完成，缺乏學習積極性與主動性；研究生教育中工程環節的缺失導致學生動手能力不強、創新意識下滑?？梢?，生搬硬套國外培養理工人才的實踐教學方法不一定適于我國本土大學生，特別是一些引領高精尖技術的專業領域人才培養時更為突出。

目前，航空航天領域的發展受到全球性的青睞和關注[10-12]。導航技術作為其中的重要分支，近幾十年取得了突飛猛進的進步。針對這類專業性強、工程性強、綜合性強的專業實踐教學而言，傳統觀摩驗證型實驗教學方法或者大系統型項目驅動方法，都容易讓學生陷入“沒必要做”或者“沒法去做”兩個極端。然而，研究型學習(research-based learning) 對于培養學生發現并解決問題的創新型思維形成具有潛移默化的作用[13]。MIT航空宇航工程專業的學生在學習空氣動力學時，通過研究型學習理念共同完成了翼身融合體飛行器的設計及氣動分析項目，實現了對空氣動力學知識點的綜合掌握與應用[14]。因此，如何將研究型學習融入工程背景下模塊化工程項目驅動的本研一體導航專業實踐教學，使得學生在深化理解導航知識的基礎上，掌握復雜工程環境中導航系統的知識要點，提高學生設計導航系統的動手能力與創新思維，成為導航系統實踐課程設置和實施的重點內容。

為此，本文重點闡述基于模塊化工程項目的本、研一體研究型導航系統實踐課程教學過程。凸顯機載導航系統工程背景，融合研究型學習教育理念，提高學生對導航系統每個部分設計過程的充分認識，引發他們對科學工程問題以及后續職業生涯勝任力的深刻思考，得到學生的高度評價。

1 導航系統實踐性教學課程概述

作為航空航天技術重要的專業課程，我校自動化學院一直都將導航系統實踐課程歸為核心類課程進行設置。下面對課程架構和授課學生情況進行介紹和分析，以便系統化地梳理課程內容，摸索適合不同學生分布需求的合理專業實踐教學方法。

1.1 課程架構分析

我校自動化專業的學生65%以上本科畢業后都選擇繼續本校讀研深造，研究生中約50%的學生有一定導航專業基礎。為了滿足不同層次學生的專業實踐課程需求，構建了面向本科生和研究生、貫穿大三下-大四上-研一不同時段的導航系統一體化實踐課程(共200學時)，主要階段包括：①面向自動化專業高年級本科生的導航系統實驗階段；②面向高年級本科生的導航課程設計與綜合實驗階段；③面向全校學生的先進導航技術實驗階段。按照不同時段階段的培養要求和學生特點合理分配學時，實驗內容由基礎型、設計型、綜合型逐漸過渡。其中，大三下的8學時導航系統實驗圍繞機載慣性導航系統理論，設置了4個方面的HMEP項目基礎實驗內容；圍繞復雜環境下機載航姿系統設計問題，大四下學期的160學時(4周)設置了航姿系統硬件及軟件HMEP課程設計實驗內容；研一的32學時現代導航技術實驗通過不同層次HMEP實驗項目，形成了多類型導航系統綜合研究實驗項目。此處的HMEP是指遞進式分割與導航系統相關的工程項目，形成緊密關聯的模塊，利用軟件工具、理論知識、動手實驗完成基于工程問題驅動的各個模塊化項目?？梢姡瑹o論是時間跨度還是實驗項目內容之間，都具有緊密的連貫性。整體實踐課程可用于本專業或相關專業本科生-研究生的無縫銜接式培養，也可單獨面向不同需求或層次的學生開放課程中的任何一部分內容。

1.2 課程對象分析

該實踐課程貫穿了本科生和研究生的不同階段且面向全校學生開設，因此課程對象具有多樣化特征。其中，本科生主要是大學三年級和大學四年級學生，研究生包括不同類型碩士研究生、博士研究生以及來自多個國家的留學研究生。對于這些學生而言，大三年級本科生已基本掌握了導航系統的基礎理論知識有待實驗驗證，到了大四階段需要進一步加強專業知識的綜合運用。研究生情況相對復雜，有的研究生專業理論功底比較強；有的學生欠缺專業理論學習 過程，希望通過邊做邊學彌補專業知識不足；有的學生僅僅想通過實踐過程初步接觸并了解機載導航過程。可見，不同學生在導航系統專業知識儲備方面呈現多層次性，加上國內外學生學習方式的差異性，這都對課程內容設置和教學方法實施提出了挑戰。整體課程架構下不同類別實驗內容設置如表1所示。

表1 不同類別實驗內容設置情況表

不同類型的實驗內容能夠滿足不同層次學生的需求。基礎型和設計型實驗內容主要針對自動化本科生開設，同時能夠很好地為基礎薄弱研究生補充專業知識。綜合型實驗的主體對象是不同類型的研究生，同時也有助于高水平本科生進行更為深入的專業學習和研究。

2 教學目的、實施安排及評價

2.1 教學目的

導航系列實踐課程希望利用工程應用的實際導航設備，借助系列工程背景相關實踐項目與研究資料，通過學生共同參與分解的導航系統模塊化項目，實現從各個導航模塊分解與綜合過程中發現問題-抽象問題-解決問題，提高學生對復雜環境下機載導航系統研究過程和研究方法的整體性認識。具體而言，每種類別的模塊化項目均設置了目標明確的教學實踐內容，通過理論與實踐的充分結合，使學生掌握導航系統信息預處理、導航傳感器標定及誤差補償、慣性自主導航、衛星導航、慣性/衛星組合導航設計等方面的技能。

2.2 教學實施安排

課程教學團隊由理論功底深厚且實踐教學經驗豐富的教授、實驗系列教師、研究生助教組成。任一階段的課程實施過程包括問題匯總與討論、動手實踐與分析、項目展示與匯報3個主要環節。下面以32學時的先進導航技術實驗階段為例說明各環節在各階段的具體安排。其他階段課程的環節安排與此相似，只是在學時上有所不同，如圖1所示。

圖1 先進導航技術實驗階段實施安排情況

其中，問題匯總與討論環節共8學時，分別安排在每個HMEP實驗項目(總共4個項目)的開始(1學時)和中間(1學時)，根據學生特點梳理基本知識，采取分段授課形式，注重與學生實時溝通，與學生共同分析每個HMEP項目的設計方案，共同討論解決棘手問題；動手實踐與分析環節共24學時，這僅僅是理論意義上的學時數，實際上學生需花費近2倍的課下時間來查詢資料、調試程序，基礎薄弱或者沒有經過課程前兩個階段系統化訓練的學生可能要花費更多的課外時間。盡管如此，深感興趣的學生對此卻樂此不疲。在這個環節中，學生可以自由組隊共同完成一個HMEP實驗項目。項目展示與匯報環節安排在每次實驗結束端，一般不再單獨占用課時，而是由學生和老師共同商定閑暇時間完成，這期間學生在完成實踐設計任務的基礎上整理研究成果并形成研究報告，通過答辯考察學生的分析能力、設計能力、溝通能力與合作能力。

2.3 教學評價方式

客觀公允地對學生進行評價考核是每一門課開設中都要面臨的問題。評價學生的考核形式應科學、合理和多方位考慮[15]。本實踐課程主要采用了非考試型的“三度”評價機制，即項目復雜度(40%)、協同合作度(40%)、論述清晰度(20%)對實驗項目完成情況進行綜合評價。項目復雜度根據所選項目的難易程度和合作小組的規模分為“容易”“較難”“很難”3個等級；協同合作度成績由同組成員相互評價和實際出勤情況加權平均，其中既包括教師對學生表現的評價、學生自己的實際工作成果，還有不同合作者的評價；論述清晰度具體表現形式是每項實驗結束后的項目展示與匯報。利用“三度”評價機制科學合理客觀地評價學生的實踐能力，限制實踐考核環節可能出現的不公正現象。

3 HMEP驅動的導航系統研究式實踐教學方法與內容設置

為了實現上述教學目的，做到有效評價學生的實踐情況，在充分分析選課學生各方面差異性的基礎上，本節提出與之相應的模塊化工程項目驅動的導航系統研究式實踐教學方法，及其詳細的HMEP實驗內容。

3.1 HMEP教學思路

HMEP項目結構圖如圖2所示，那為什么要對大型系統進行遞進式分割形成緊密關聯的HMEP項目呢？這是整體系統由子系統的構建本質決定的，工程應用的導航系統更是如此。因此，導航系統HMEP內容分割時兼顧導航領域的工程性與前沿性問題，在總結多年相關科研經驗的基礎上，凝練出以機載導航設備為對象的系列工程應用關鍵問題，比如復雜環境下的導航系統信息處理、低成本導航算法、適用組合濾波等工程技術問題[15]。在梳理由模塊級向系統級逐漸升華的導航系統實踐課程主線基礎上，并將這些工程性問題融入導航系統實踐教學，轉化為高水平實驗內容和HMEP項目，為學生提供感知真實世界中復雜工程問題的機會。

圖2 HMEP項目結構圖

HMEP教學是一種基于逆向思維的遞進式教學方法。這種采用逆向思維將大系統模塊化分割，然后通過實驗加強學生對模塊及系統中專業知識的理解和掌握，符合實際導航系統工程設計過程。HMEP可以是針對單一實踐課程的一種實踐教學模式；還可將其貫通至多門課程所組成的實踐課程群或整個專業課程體系中。

3.2 遞進式HMEP課程內容設置

前面章節已概述了導航系統實踐課程架構及其整體性情況。在分析HMEP教學思路后，本節重點論述導航系統實踐課程構架下各HMEP項目之間的承接性與關聯性，這是合理設置課程內容的重要依據。結合實際工程需求，依托實驗室現有的微機械、光纖、激光慣性測量組件、其他各類真實機載導航系統，以及高精度三軸速率位置測試轉臺、高精度溫控轉臺等精密專業測試設備，設置了由“模塊級小單元-系統-大系統”漸近過渡的問題驅動型HMEP實驗內容。

隨著學生知識面和視野的不斷開闊，結合導航系統的設計過程，依次開設符合學生認知規律的基礎型(小單元層面)、設計型(系統層面)和綜合型(大系統層面)等難度逐次遞增且緊密關聯的多個HMEP項目。

圖3給出了各個HMEP項目之間的關聯關系?？梢?，各類型項目具有各自的側重點，但是之間相互交聯?；A型的實驗內容為設計型機載航姿系統，以及綜合型機載組合導航系統的研究奠定了良好功底。即使是同一類型的HMEP實驗項目，也遵循漸近支撐原則。例如，在綜合型實驗項目過程中，首先利用高精度三軸速率位置測試轉臺和高精度溫控轉臺完成慣性元件的標定測試建模，提高慣性信息以及捷聯慣性導航系統精度；采用性能互補的衛星導航信息抑制慣性導航累積誤差，為此引出了衛星導航系統實驗項目；最后完成慣性/衛星組合導航系統的頂層設計與驗證。

此外，每一具體HMEP實驗項目涉及多方面知識點，學生需要綜合運用大學階段所學知識才能順利完成當前的HMEP項目。例如，在航姿系統硬件設計與調試中，學生要清晰系統硬件設計流程，并利用示波器、分析儀等設備及在線調試工具，檢測調試系統核心處理器、外圍端口、時鐘系統、供電模塊等硬件問題；基于硬件平臺進行航姿系統軟件設計與實現時，學會分析不同應用環境下慣性信息數據特征，設計慣性信息不確定性誤差在線估計與補償的預處理方法，完成具有不同輸出特性的航姿軟件開發及程序實時嵌入。

圖3 HMEP關聯性框圖

3.3 HMEP思路下的合作研究型教學方法

HMEP下的教學方法采取師生交互合作研究式學習。為了培養學生的團隊合作精神，實驗過程中采取了自由組建團隊制，鼓勵不同學院不同專業方向的學生自愿組建團隊完成HMEP項目，一般每個團隊包含3～5名組員。每名同學在不同HMEP實驗項目中交替性承擔組長和成員角色，即使是在同一HMEP項目中，在組長領導和大家的共同努力下分工完成所有內容。歷經多個HMEP工程項目各個環節的完整訓練，合作完成所有實驗內容，實現多學科背景下每名學生個體、成員以及負責人的角色轉換。角色轉換帶給學生的不僅僅是新鮮感，更主要的是增強了他們對于自己承擔工作的責任感，以及對團隊合作的認同感。

課程進行時既注重學生間的相互合作，又注重學生和老師之間的交互合作。雖然實驗及學習過程倡導將主動權交給學生，但教師心中應有把可衡量的尺度，做到面對不同階段不同學生不同需求時權限“主動”程度的松弛有度。學生組建團隊并不是要教師放任不管，而是要教師承擔好“引導者”“激勵者”“協調者”“亦師亦友”的角色。特別是在每個模塊化項目實驗的初始階段，出于設備維護、實驗安全的考慮，實驗方案評審時教師作為“引導者”要嚴格把關，此時是否利用專用設備進行實驗的主動權多數由教師決定，畢竟教師經歷了長時間實踐教學和工程項目的磨練。當然，對于把握不準的實驗方案不能持有“一棒子打死”的態度，要與學生及其他專家共同探討可行性，然后再動手進行相關實驗。評審后的實驗后續階段將主動權完全交還學生，作為“激勵者”“協調者”與學生同學習同進步，讓他們在自由、自主的氛圍中發掘導航系統工程項目的樂趣。

4 課程具體實施情況、評估與討論

HMEP驅動的導航系統本研一體實踐課程緊密結合機載導航系統工程背景，采用了師生交互合作研究學習教學方法，自2008年開始已面向全校的本科生和研究生連續開設了9年，惠及學生共計525人。其中，大三年級本科生160人，大四年級本科生160人，研究生135人，留學生65人。為了有效跟蹤課程實施情況，評價課程實施效果，促進課程的不斷完善與改進，學校于2012年開發了課程實施評估系統，學生結合自己的親身感受，在學期末借助網絡平臺可以對課程進行中肯的評價與提議，有效推動了課程的良好建設。

此外，任課教師還通過反饋問卷形式及面對面訪談形式與學生共同交流，從學生角度客觀評估評價課程在培養學生綜合素質方面的有效性。主要就以下3個問題分別對本科生和研究生進行了問卷調查：①課程結合實際工程項目程度如何？②課程對你哪方面的能力提高有所幫助？③你覺得該課程是否有助于你以后從事的職業？學生對此給出了各自的看法，統計結果分別如圖4～6所示。

圖4 問題1結果

圖5 問題2結果

經分析90%以上的學生由于對機載導航系統較感或者深感興趣選擇學習導航系統實踐課程?？梢?，興趣是驅動學生學習的最好動力和老師；興趣驅動下學生能夠全身心地投入其中。似乎研究生對該課程更感興趣，這可能與研究生階段已經選擇了更加明確的專業方向有關。

圖6 問題3結果

關于課程實驗項目與實際工程的緊密結合程度，學生給出了如圖4所示的統計結果。分析可知，95%以上的學生一致認為，導航系統實踐課程充分結合了機載導航系統工程應用背景，每個HMEP項目都是由導航系統工程應用問題凝練而來的，使得他們充分認識到了導航系統工程實現的復雜性。

通過長期的實踐過程，學生在哪些方面有所鍛煉和提高呢？圖5給出了選課學生的答案。該課程不僅僅增強了他們對理論學習的認識，更是通過系列實操型實驗項目提高了他們的動手能力、工程能力、團隊合作能力和創新能力。本科生與研究生的數據統計情況基本處于持平狀態。

圖6主要關注課程內容或學習方法對學生從事職業的影響?？梢?，本科生和研究生觀點呈現一定差異性。85%的研究生明確表示以后從事航空航天領域工作，認為課程所學所獲將與此后職業密切相關，對此僅有60%的本科生持相同意見。究其原因，研究生在確定專業方向時已具有比較明確的職業選擇，而多數本科生是憑著興趣選擇感興趣的課程，至于具體從事何種職業考慮較少。

最后，95%以上學生表示會推薦對導航領域感興趣的同學選擇本課程，同時對課程的設備更新、課時安排等方面提出了寶貴意見。

5 結 語

不管是理論創新還是應用創新都需與實際真實世界緊密結合。特別是對于理工科領域的學生們，科研創新的同時更應注重解決實際工程問題，這將為他們畢業后出色完成職業任務做好準備，對此學生應充分認識到理論實踐統一的重要性，能夠綜合應用學科知識，完整解決實際問題。

面對現實性的導航系統實踐教學需求，設置了基于問題的HMEP導航系統一體化研究型實踐教學課程，將構思、設計、操作、分析等實踐要素滲透到每個模塊化工程實驗項目中，采用教師啟發為輔、學生探究為主的合作互動研究教學方法，使得教師和學生可共同營造濃厚的學習實踐氛圍，互相討論、互相啟發、互相

促進。教師給學生提供充分的學術自主權和民主氛圍，學生有機會充分發表自己的見解，敢于向傳統挑戰，充分體現教師的主導性與學生的主體性并重，知識的繼承性、批判性與創造性并重，教師講授與互動交流并重。課程的實施結果表明，這種教學方法給予了學生寬松的自由度，卻沒有影響學生探索真理的自覺性，反而增強了他們力圖解決復雜問題的主觀能動性。每個模塊實驗項目的執行全過程，以及學生的積極反應充分說明了這一點。學生作為課程的實施主體，將學生的意見融入課程的后續改革和完善環節，才能進一步實現課程的提質增效！

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