開放式研討法在飛行仿真實驗教學中的運用

馮佳晨　管旭　李金飛

［摘 要］ 為提高飛行力學課程建設水平，強化學生獨立思考、實驗操作、綜合創新等能力，針對飛行仿真實驗教學提出了開放式研討法。闡述了傳統實驗教學的不足與開放式研討實驗教學的優勢，并以“無控彈道仿真驗證實驗”為例進行了實踐，展示了開放式研討法從實驗選題到成績評定的全過程。實踐結果表明，開放式研討法非常適合于飛行仿真實驗教學。開放式研討法要求學生課前要做好充分的預習和準備，要求教師在學生討論過程中做好研討監控，及時引導總結。

［關鍵詞］ 開放式研討法；實驗教學；飛行仿真實驗；飛行力學

［基金項目］ 2020年度海軍航空大學岸防兵學院青年教員教學能力培育項目“教學骨干培育”（202006003）

［作者簡介］ 馮佳晨（1984—），男，江蘇南通人，工學碩士，海軍航空大學岸防兵學院副教授，主要從事航空宇航科學與技術研究；管 旭（1992—），男，湖南永州人，工學碩士，海軍航空大學岸防兵學院講師（通信作者），主要從事航空宇航科學與技術研究；李金飛（1988—），男，湖北安陸人，工學博士，海軍航空大學岸防兵學院講師，主要從事航空宇航科學與技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2023）22-0128-04［收稿日期］ 2022-07-08

“飛行力學”是高等院校航空類專業的重要專業基礎課程，通過課程學習學生可以對飛行基本原理有全面的了解和掌握。作為對應專業的背景課程，“飛行仿真實驗”是必不可少的實驗教學環節，它能培養學生的實際動手能力、科學實驗素養和綜合創新能力，是正課教學的延伸，是能力培養的階梯，只有將其地位和作用不斷強化，才能真正提高課程建設的整體水平。

目前，在“飛行仿真實驗”課程中，傳統的講授法偏重對基本概念和基本方法進行理論講解和推導，導致學生對實際飛行軌跡的計算、設計能力較弱，實際應用較少，運用數學工具解決實際工程問題的能力不足，計算機編程能力得不到鍛煉，與實驗教學要求不符。

一、傳統實驗教學的片面性

在傳統的實驗教學過程中，通常按照四步走的方式展開：第一步，注入式課堂講授；第二步，臨摹式實驗操作；第三步，機械式記錄結果；第四步，上交實驗報告。學生在教師詳細的講解下，按照實驗指導書上的方法步驟進行操作，基本都會得出預期的結果。這種傳統的教學，主要是圍繞增加感性知識、驗證書上理論而開展的，對學生實驗技能、實際動手能力的提高非常有限。而且由于傳統教學觀念和教學習慣的影響，再加上實驗教學學時的不足及各種外部客觀環境的影響，教師為了讓學生上手快、節省時間往往采取傾注式的方法，實驗課程一開始就把實驗要求、目的、內容及操作方式都告訴學生，以求省時、省力。學生按照給定的實驗步驟和模式糊里糊涂地做實驗，始終處于被動地位，離開教師就不知所措，做完實驗“一問三不知”。這種傳統的實驗教學過程往往只注重實驗結果，忽略了對學生能力的培養［1］。

“飛行仿真實驗”課程不同于基礎實驗，是一種綜合性實驗。綜合性實驗有利于提高學生的科學思維方法和科學研究能力，培養學生的綜合實驗能力和創新能力，拓寬學生的知識面，所以其實驗內容有一定的挑戰性和探索性，而其知識基礎應為學生已掌握的知識。比較復雜的綜合性實驗可以由多人組隊完成，以培養學生的團結協作精神。教師在評定學生的實驗成績時，不僅要評價學生做實驗時的認真態度和實驗完成質量，更應注重對學生設計方案及動手能力的綜合評價。因此，傳統實驗教學手段并不適用于該種實驗教學，本文以“無控彈道仿真驗證實驗”為例探討一種“開放式研討”實驗教學方式。

二、開放式研討教學特點

在開放式研討教學中，學生在課堂上不再是等著教師“喂”，而是自己主動“吃”［2］。學生不是只靠教師講解學會知識，還要通過自己看書思考、討論研究、歸納總結、作業練習、實驗實習才能將知識徹底內化吸收。開放式研討教學法能調動學生課堂學習的積極性，能啟迪學生的獨立思維和創造性思維［3］。在培養學生的自學能力、實際操作能力和獨立分析問題解決問題的能力上取得明顯效果。開放式研討教學的“開放式”主要表現在三方面：（1）時間放開。把傳統的以講為主的教學模式改為以學為主的教學模式，學生有更多的時間自主學習。（2）內容放開。注重實驗與前后章節知識的聯系，加大了知識容量，教師開出參考文獻清單，鼓勵學生充分利用線下（如：書籍）線上（如：互聯網）資源自主學習。（3）實驗場所及教學設備向學生放開。由學生主動實操，充分發揮現有設備的效益，加強實踐性教學環節。同時，吸收學生參與實驗室建設，為學有余力的學生提供一個施展自身才能的平臺，為培養創新型人才打下基礎。

利用開放式課堂教學方法，將其應用到實驗教學中。開放式教學法打破了傳統講解式教學法的模式，教師按照“精講和提示、自學和實驗、討論和歸納、作業和實習”這樣一條新的教學程序施教，縮短了教師在課堂上的講解時間，大大增加了學生自學、練習及實操的時間，也提高了實驗室的利用率。

三、開放式研討實驗教學探析

對于“飛行仿真實驗”課程，開放式研討實驗教學的設計理念是在現有的飛行軌跡設計部分內容所占學時的基礎上加大編程實踐課及研討課的學時占比，教師用少量學時將基本方法、思路講清楚后，主要的時間留給師生之間、生生之間的集體研討，以此種方式增強學生的動手能力，通過實際計算的過程及結果，深化學生對基本概念、基本方法的理解，在實際計算的過程中激發學生的創造力。開放式研討實驗教學實施的全過程分四步進行，分別為實驗選題、獨立探索、交流講評、成績評定，如圖1所示。

（一）實驗選題

好的選題是實現能力培養目標的關鍵。教師要結合實驗裝備滿足教學要求，而且還要使學生運用已學到的知識解決實際工程問題，并從中得到能力的鍛煉［4］。選擇的題目力爭涵蓋相關理論內容，這樣有助于學生對課內所學知識的理解、鞏固和加深。在“飛行仿真實驗”教學中，設立諸如“基于需求的方案彈道設計與驗證”“基于目標特性的導引彈道設計與驗證”的選題，不僅能夠與理論部分的內容很好地呼應，還能結合實際飛行器型號，貼近實際運用。在研討過程中，為充分發揮合作學習的優勢，將學生進行分組，學生與學生、小組與小組之間形成競爭機制［5］。

（二）獨立探索

學生課前查找文獻、消化文獻，在課上進行編程仿真，一定程度上鍛煉了學生的多種能力，如文獻的閱讀分析能力、歸納綜述能力、邏輯思維和綜合分析能力、編程仿真能力［6］。實驗室的全面開放，在時間上給學生創造了盡可能大的自由度，在實驗條件上為學生提供了良好的環境，充分發揮了學生的主觀能動性。

（三）交流講評

在實驗授課過程中，教師在學生充分自學的基礎上進行精講，避免內容上的“滿堂灌”，依據學生的認知能力和自學情況，對教學內容進行指導性、歸納性和綜合性講解，強調重點、解答疑點，講思路、講規律、講方法，誘其所思，解其所疑［7］。在每次實驗開始前，教師要簡明地提出本次實驗的綱要、在本課程所占的地位以及與前后知識的聯系，培養學生全面看問題的能力。教師明確提出本次實驗的目的要求，使學生在實驗過程中目的明確；要盡量提供研討的時間和條件，由學生主導，將實驗的前期工作和心得與教師和同學進行交流和討論。每個實驗小組依次上臺發言，主匯報人介紹本組工作和收獲情況，組成員對其他組的人員和教師所提出的問題進行解答。教師的主要任務就是提出問題、鼓勵學生發表自己的觀點、組織、探討等。充分喚起學生的主體意識，調動學生的主觀能動性，引導學生掌握科學的思維方法，激發學生在實驗過程中的創新熱情。

（四）成績評定

學生的最終成績是綜合評定平時表現、作業、實操和答辯等幾項的成績后給出的，這樣能基本反映學生在本課程學習過程中的實際情況，有利于發揮學生的主觀能動性。在課程標準中，增加了實驗課程成績的比重。實驗的考核注重考查學生對實驗知識的理解、綜合和應用。考核方式更加注重對學生實際應用能力和計算機仿真能力的考查，側重考核學生的設計思路是否清晰，設計方法是否掌握，能否達到舉一反三的目的。在進行實驗成績評定時主要考慮研討交流情況、匯報答辯情況、程序質量等因素。

四、“無控彈道仿真驗證實驗”課堂實例

（一）課堂設計

“無控彈道仿真驗證實驗”是“飛行力學”課程前半部分知識的綜合應用，可以說是“飛行力學”課程的期中檢查。

1.教學目標。理解飛行器運動方程組包含的各個變量與方程的物理意義。通過編程求解飛行器運動方程組，繪出無控飛行器彈道，簡要分析飛行初始條件等參數對彈道的影響。通過本次實驗，了解工程上彈道計算分析的一般方法與流程。

2.教學方法。以開放式研討法為主，難點部分輔以講授法。課堂上按3個問題逐步展開研討：（1）飛行器運動方程組中含有哪些參數和變元，哪些參數是已知的，哪些參數是需要計算的？（2）需要計算的參數該怎么算，如何利用教材上給出的參數表得出仿真需要的參數？（3）飛行器運動方程組在數學上是一個什么方程組，如何用數值方法求解該方程組？

（二）課堂實施

1.情景引入。教師講述世界上第一臺計算機發明的初衷是用于彈道計算的歷史背景，激發學生嘗試挑戰彈道計算的興趣。教師歸納飛行器運動方程組的組成，指出彈道計算的本質是求解導彈運動方程組。

2.開放式研討。通過研討課程中的問題進行學習。（1）“飛行力學”課程很大的一個特點或者說難點就是公式和方程變量特別多，形式特別繁雜。學生必須克服畏懼、厭煩的心理，保持清醒的頭腦，厘清飛行器運動方程組里各個變量的含義。（2）飛行器運動方程組涉及大量的空氣動力參數，這些參數都可以從實驗得出的數表中查出。但是，這些數表都是離散的，只含有特定條件下的參數，然而本次實驗需要的是任意條件下的參數，需要用到插值法，要求學生在計算機上編程實現。（3）飛行器運動方程組在數學上是微分方程組。研討微分方程組用什么數值方法來解，教師可提示學生用龍格-庫塔法求解飛行器運動方程組，編程實現。

3.實驗總結。彈道計算完成后，后續的繪制彈道、分析相關參數對彈道的影響等任務可作為課后作業交由學生課下完成。教師根據學生課上的研討表現及課下實驗報告的質量給出實驗成績。

4.遷移創新。本次實驗所用的飛行器運動方程組是假設飛行器在鉛垂平面內運動的方程組，實際中的飛行器不一定只在鉛垂平面內運動，教師可鼓勵學有余力的學生探究如何求解在空間中運動的彈道。

結語

“飛行仿真實驗”非常適合開放式研討教學，這是由其知識結構特點所決定的——理論基礎知識繁雜，不適合大部分學生自學；實驗操作主要依靠計算機編程，教師沒有足夠的精力和時間兼顧所有學生，適合學生之間相互學習，同時學生可充分利用線下線上資源自行解決編程過程中出現的問題。開放式研討法要注意把握好學生的主體地位和教師的主導作用［8］。學生的主體地位要求學生以學為主體，課前必須做好預習，要有一定的知識儲備，否則在研討過程中會陷入無話可說、聽不懂其他學生說的是什么的窘境。教師的主導地位要求教師把握好講授的時機，做好研討監控，畢竟開放式研討的“開放”也是有度的，不能放任自流，遇到難點問題時應及時總結講解［9］。

參考文獻

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［9］唐春紅.專題研討式教學效果不佳的原因分析與對策［J］.中國校外教育（理論），2009（2）：30-31.

Application of Open Seminar Teaching in Experiment of Flight Simulation

FENG Jia-chen， GUAN Xu， LI Jin-fei

（Shore Defense Academy， Naval Aviation University， Yantai， Shandong 264001， China）

Abstract： To improve the level of curriculum construction of Flight Dynamics and promote students independent thinking ability， operating skills of experiment and innovation ability， open seminar teaching is proposed for experiment of flight simulation. A comparison is made between the shortcomings of traditional teaching and the advantages of open seminar， which is implemented in the course of the experiment of trajectory simulation of uncontrolled missile. The whole process of open seminar teaching from experiment selection to grade assessment was illustrated. It is concluded that open seminar teaching is appropriate for experiment of flight simulation. Open seminar teaching will output well only and only if the students had prepared sufficiently and the teacher had guided them punctually.

Key words： open seminar teaching; experiment teaching; experiment of flight simulation; flight dynamics