遠程火箭飛行動力學課程教學實踐探索

廖宇新 魏才盛 杏建軍 陳琪鋒 戴健

[摘 要] 為適應國家空天強國戰略對航空航天專業復合型高級人才的需求，以提高學生自主學習與思考和解決問題的能力為目標，結合遠程火箭飛行動力學課程的特點，綜合應用BOPPPS教學模式和問題驅動教學方法，對課程教學進行“以學生為中心，以學習成果為導向”的實踐探索。實踐結果表明，基于BOPPPS教學模式和問題驅動教學方法的教學方式能激發學生主動學習積極性，提高學生課程教學參與程度，進而促進學生學習效率和發現與解決問題能力的提升，同時通過師生互動和學生反饋等手段增強教師教學的效率與質量。

[關鍵詞] BOPPPS教學模式;問題驅動教學方法;學習效率;教學效率;教學質量

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）04-0078-04? ? [收稿日期] 2020-05-07

一、引言

遠程火箭飛行動力學課程是面向航空航天工程專業高年級本科生開設的一門專業選修課，主要包括飛行動力學的基礎知識、遠程火箭飛行的力學環境、空間運動方程建立、自由飛行段彈道特性、再入段運動特性與彈道設計、主動段運動特性與彈道設計等內容。通過本課程的理論學習和實踐，學生可掌握遠程火箭飛行動力學相關的基本概念、知識和理論，培養學生對遠程火箭運動規律進行建模和分析的能力以及進行初步彈道計算、分析與設計的能力，為后續從事航空航天飛行器總體設計、飛行力學和制導控制系統的研究和技術工作打下一定的基礎。因此，本課程對航空航天工程專業本科生加深專業認識、拓展理論深度、提升工程實踐能力和創新能力具有非常重要的意義。

遠程火箭飛行動力學課程內容抽象，符號和定義繁多，公式推導復雜，前后知識點關聯程度高，理論性和工程性強，授課教師如果采用傳統的知識傳授式教學方法，追求概念、理論、公式推導的完備和細致講解，缺乏教學內容與實際應用的聯系，教學內容和過程會極為枯燥乏味，學生學習興趣和主動學習積極性難以調動，教師教學和學生學習效果會大打折扣。因此，基于國際工程教育專業認證遵循的成果導向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念[1]，應用新型教學模式和先進教學方法對遠程火箭飛行動力學課程教學進行“以學生為中心，以學習成果為導向”的實踐探索，對提高課程教學質量和人才培養質量意義顯著。

二、遠程火箭飛行動力學課程教學存在的問題

（一）教學方法陳舊和教學手段簡單

與多數飛行力學課程類似，遠程火箭飛行動力學課程的符號、定義、抽象概念和公式推導多，前后知識點關聯程度高，授課教師通常以教師、課堂和教材為中心，追求概念、理論、公式推導的完備和系統性，采用“PPT+黑板板書”的授課手段，進行“填鴨式”知識傳授教學;學生則被動聽講、理解和記憶課程知識，無自身思維拓展和能力提升空間，難以調動主動學習積極性和創造性，教學和學習效果不甚理想。

（二）教學主體主動性難以調動和參與程度較低

遠程火箭飛行動力學課程的教學主體是航空航天工程專業高年級本科生，很多學生重心主要在考研與就業，對專業課拿學分的需求強烈，但對知識的新鮮感和課程的投入不夠，如果師生缺乏高質量雙向互動或授課內容缺乏趣味性，課程教學會形成學生主動性和積極性逐漸減弱進而參與程度逐漸降低的惡性循環。

（三）教學內容與先進科研成果脫節

遠程火箭飛行動力學是根據理論力學的普遍規律，深入分析彈道導彈和運載火箭及其有效載荷等對象在各種力作用下的質心運動，建立描述其質心運動的微分方程，揭示其質心運動的客觀規律，并運用規律來解決彈道分析、計算與設計等實際工程問題[2]。課程的基本理論體系較為成熟。授課教師容易受教學基本要求、課時、教材等因素限制，偏重于經典理論講解與核心公式推導，而忽略將教學內容與相關的先進科研成果進行關聯，導致學生對所學知識的目的和用途存在困惑。

針對以上遠程火箭飛行動力學課程教學過程中存在的問題，筆者基于OBE理念，將問題驅動教學方法融入BOPPPS教學模式，對該課程教學進行實踐探索，旨在提高課程教學質量和人才培養質量。

三、BOPPPS教學模式與問題驅動教學方法概述

（一）BOPPPS教學模式

BOPPPS教學模式起源于加拿大教師技能培訓體系ISW（Instructional Skills Workshop）[3]，是教師根據教育學的認知理論進行課程設計的一種模式，近年來在英屬哥倫比亞大學、卡爾加里大學等諸多知名院校中推廣應用，目前已經成為加拿大高等教育教師培訓和課堂教學的標準模式。

BOPPPS教學模式以構建主義學習理論為理論基礎，強調教師要圍繞以學生為中心的教學理念開展強針對性和可操作性的教學過程設計，遵循“教學目標→教學行為→學習活動→教學評估→教學目標”的教學循環過程[4]開展教學組織實施，通過充分考慮教師教和學生學的特點以及強調師生全方位參與式互動學習的核心環節，調動學生主動學習的積極性和興趣，提升學生的參與度和課堂活力，并通過及時調整和改進達到提高教學效率、提升教學質量和實現教育目標的效果。

BOPPPS教學模式將課堂教學過程進行模塊化并分解為六個前后銜接的階段，即引入（Bridge-in）、目標（Objective）、前測（Pre-assessment）、參與式學習（Participatory learning）、后測（Post-assessment）和總結（Summary），六個階段英文首字母的縮寫即為BOPPPS。引入是教學的切入環節，可通過引用經典案例、提出意想不到的問題、講述新聞故事、復述以往關聯教學內容等手段引入新的教學內容，吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣，從根本上實現從強制教到主動學的師生主體地位轉換。目標即明確教學目標和讓學生明白知識的用途，制定目標須遵循簡潔、明確、具體的原則，方可有的放矢地指導教學內容組織工作。前測是通過問答、問卷、概念圖等手段，在授課前對學生關于待學內容及相關知識儲備進行了解，從而針對性調整教學內容，做到真正的視情施教。參與式學習是主體核心環節，可通過在研討、參與、互動式的教學模式中采用教師與學生互動、學生之間互動等手段和問答、討論、辯論、游戲等形式，突出學生在學習中的主導地位和明確教師的指導、幫助與組織的角色，充分提高學生參與熱情和參與程度，使學生從機械式的被動聽變為有思考的主動學。后測是檢驗學生學習和教師教學效果的環節，可通過問答、案例解析、知識地圖等手段，及時檢測教學目標達到情況、教學內容掌握情況及教學效果等，并基于反饋為教師后續的教學目標設置、教學內容組織等環節提供借鑒和幫助。總結是通過提綱挈領地回顧重點教學內容和歸納與總結知識點，呼應和強化教學目標，同時可進行后續教學內容預告。

BOPPPS教學模式作為一種有效教學模式，其六個階段并無嚴格界限，需真正領會精髓并在實踐中靈活運用，做到各階段環環相扣、知識銜接流暢和邏輯層次清晰，持續吸引學生注意力和興趣，開啟“思考—學習—吸收—應用”的良性循環[5]，才能到達既定的教學目標和理想的教學效果。

（二）問題驅動教學方法

問題驅動教學方法（Problem-Based Learning，PBL）是以專業領域具體問題驅動學生主動學習和教師充分引導相結合來尋求問題解決方案的一種教學方法，于1960年由Barrows和Tamblyn針對專業知識充足但臨床經驗缺乏的剛畢業醫科學生提出[6]，目前已在國內外各學科門類的課程教學等人才培養的多個環節中廣泛應用。

問題驅動教學方法以構建主義學習理論為理論基礎，強調以學生為主體，以專業領域具體問題為出發點，教師以問題為核心規劃教學內容和進行課程設計，引導學生整合已有知識并利用各種資源獲取新知識，從而通過分析提出問題解決方案，并對結果進行評估。因此，問題驅動教學過程一般包括提出問題、分析問題、討論交流解決問題和結果評價四個環節[7]。

問題驅動教學方法將改變傳統的“填鴨式”知識傳授教學模式，以目的明確、難度適度、內容開放、體驗性強的問題驅動學生的學習興趣和創新興趣，同時圍繞重點簡化難點、突出教學目標，通過以問題為核心的教學內容合理規劃和教學工作系統組織，加深學生對知識的理解，并培養學生發現、分析、解決問題的能力與意識以及創造性思維。

BOPPPS教學模式和問題驅動教學方法都是基于構建主義學習理論，以學生為中心，教師扮演“學習引導者、教學內容組織者、教學過程設計者”的角色，因此二者存在有機融合的可能。問題驅動教學方法如能在合適的時機（如知識點之間過渡銜接時或需調動和展示學生潛能時）和地方（如引入階段）運用于基于BOPPPS教學模式的教學設計中，將對提高學生學習主動性、教學過程參與程度、思維活躍度，增強學生在主動學習和積極參與后解決問題的成就感起到更大的推動作用。

四、BOPPPS模式與問題驅動教學方法在遠程火箭飛行動力學課程教學中的實踐探索

本節以遠程火箭飛行動力學課程中的飛行動力學的基礎知識部分的“常用坐標系及其相互轉換”為例，闡述BOPPPS教學模式與問題驅動教學方法在遠程火箭飛行動力學課程實際教學中的綜合實踐探索。

（一）引入階段

通過講述中國古代石申用入宿度和去極度表示恒星在天球上位置的星標，裴秀的“制圖六體”，古希臘阿波羅尼奧斯在《圓錐曲線論》中借助坐標描述曲線等歷史故事，吸引學生注意力，進而提出“如何描述遠程火箭在空間中的位置和速度”的問題引出教學內容，激發學生學習興趣。

（二）目標階段

本案例的學習目標知識層面包括：①掌握描述遠程火箭質心運動的常用坐標系的定義;②掌握方向余弦陣的定義、特性及初等轉換矩陣;

③掌握歐拉角的定義和轉換矩陣的歐拉角表示。能力層面包括：①能應用初等轉換矩陣結合歐拉角的定義推導坐標系之間的轉換矩陣;②能推導坐標系之間常用歐拉角聯系方程。上述學習目標也是教師的教學依據和檢測學生學習效果的評估標準，反映了學生通過學習能夠掌握的知識和具備的能力。通過明確上述學習目標，學生可確定學習重點，教師也可確定教學重點。

（三）前測階段

通過“什么是坐標系”“本課程學習之前的其他飛行力學相關課程中學到的坐標系如何定義”“這些坐標系相互之間轉換關系如何描述”等問題，讓教師對學生關于坐標系基本概念以及之前所學描述飛行器運動的坐標系相關知識儲備進行了解和摸底，從而可根據前后知識關聯關系針對性調整教學內容，真正做到視情施教。

（四）參與式學習階段

在講述完描述遠程火箭質心運動的常用坐標系后，提出“本課程的坐標體系與其他飛行力學課程中所學的坐標體系有何異同”等問題，融入知識關聯與演繹的訓練，加深學生對所學知識的理解和明白類似知識點之間的異同。進一步通過“什么是坐標轉換”“為什么進行坐標轉換”“如何描述坐標系之間的轉換關系”等一系列問題，啟發學生自主思考和討論。通過問題驅動的方式，強化學生對已學知識的理解，同時啟發學生對新知識的興趣，讓學生自主地加入教學過程中，既調動其自主學習積極性，也讓其完整地掌握“常用坐標系及其相互轉換”的所有細節。

（五）后測階段

通過讓學生“描述所學常用坐標系中某個或某幾個坐標系的定義和相互之間歐拉角的定義”“根據初等轉換矩陣結合歐拉角推導它們之間的轉換矩陣”“構建常用坐標系之間通過歐拉角關聯的知識圖譜”等一連串問答類型的測試，從基本概念與原理、公式推導等不同層面檢測學習效果和教學效果，保持教學整體性的同時實現了教學目標的前后呼應。

（六）總結階段

通過對教學內容的簡要回顧，呼應教學目標，點明重點和化解難點，同時拓展笛卡爾創立微分幾何和笛卡爾坐標系的歷史知識，既強化教學目標，又對學生進行人文素養熏陶和勵志教育。

綜上所述，筆者綜合應用BOPPPS教學模式和問題驅動教學方法對遠程火箭飛行動力學課程教學進行實踐探索，不僅能大大激發學生的求知欲，讓學生理解知識點本身及其之間的內在聯系，也能讓教師更清晰地組織教學內容和開展課程設計。師生的互動與學生對教學過程的深度參與，使學生學習效果和教師教學效果大幅提升。

五、結語

本文針對航空航天工程專業高年級本科生專業選修課遠程火箭飛行動力學，應用BOPPPS教學模式和問題驅動教學方法，進行“以學生為中心，以學習成果為導向”的課程教學實踐探索，取得了良好的效果。教學實踐表明：基于BOPPPS教學模式和問題驅動教學方法的教學方式與傳統“填鴨式”知識傳授教學方式相比，更能調動學生主動學習的積極性，激發其學習熱情，提升學生的課程教學參與程度和課堂研討氛圍，加深學生對知識點本身及其之間內在聯系的理解程度，進而有效提高學生學習效率和培養學生發現與解決問題的能力，同時促進教師教學效率與教學質量明顯提升。

參考文獻

[1]Spady W G. Outcome-Based Education：Critical Issues and Answers [M]. Arlington：American Association of School Administrators，1994：1-10.

[2]陳克俊，劉魯華，孟云鶴.遠程火箭飛行動力學與制導[M].北京：國防工業出版社，2014.

[3]Pattison P， Russell D. Instructional Skills Workshop （ISW） Handbook[M].Vancouver：UBC Centre for Teaching and Academic Growth，2006：42-63.

[4]陳衛衛，鮑愛華，李清，等.基于BOPPPS模型和問題驅動教學法培養計算思維的教學設計[J].工業和信息化教育，2014（6）：8-11+18.

[5]常翠芝，李繼林，蔡超.基于問題驅動法的BOPPPS教學模式在電工理論教學的應用[J].教育教學論壇，2018（17）：210-212.

[6]Albanese M， Mitchell S. Problem-Based Learning： A Review of the Literature on Its Outcomes and Implementation Issues[J]. Academic Medicine，1993，68（1）：52-81.

[7]HMELO M， FERRARI C E.The Problem Base Learning Tutorial：Cultivation Higher Order Thinking Skills[J].Journal for the Education of the Gifted：1997，20（4）：401-422.