“導航原理”實驗教學課程思政探索與實踐

趙 悅，周乃新，劉健行

（哈爾濱工業大學航天學院，黑龍江哈爾濱 150001）

一、引言

科技發展急需人才，人才培養取決于教育。當前，隨著我國社會改革的不斷深化，社會思潮多樣并存，各種思想交相融合，多元文化沖突更加頻繁。而學生正處于知識體系、思維方式和價值觀念的形成時期，極易受到各種現象、觀點、言論的影響。極端個人主義、拜金主義、享樂主義等不良思潮給學生帶來了消極影響，導致部分學生理想信念迷失、道德行為欠缺[1]。如何培養富有社會責任感的創新人才，是近年來高等教育特別關注和不斷探討的課題。

專業課程教學融入思政元素，正是解決上述問題的一種嘗試，也是加強和改進學生素質教育的一種探索[2]。這種方式符合高等教育與時俱進的發展需要，不僅能夠克服人才培養中的種種弊端，也極大地推動了高等教育的改革和創新，具有十分重要的意義[3]。然而，課程思政在我國高校實施的時間并不長，還有待進一步健全和完善，尚需在理論上深入研究，在實踐中總結經驗。文章結合“導航原理”實驗教學的特點，將課程思政融入實驗教學中，探索與實踐該種教學方式對當代學生素質教育的提升效果。

二、“導航原理”實驗教學特點

“導航原理”作為高等工科院校控制科學與工程學科或航空宇航科學與技術學科的一門專業課程，是學習后續專業課程，如“飛行器控制與制導”“航天器控制”“無人機控制”“最優導航與濾波”等的基礎。“導航原理”實驗教學不僅要幫助學生建立起慣性空間的概念，使學生加深對慣性器件結構特點、工作原理和基本特性的了解，實現對理論知識的驗證，更重要的是通過實驗使學生領悟慣性導航原理的應用規律，提高學生的動手能力、工程實踐能力、設計能力和創新能力。

慣性導航系統是導彈和火箭的“眼睛”和“大腦”，提高慣性導航系統的精度是精確打擊的關鍵。慣性導航器件和系統的設計與制造需要精益求精的工匠精神和創新精神。“導航原理”實驗教學以培育學生科研實踐能力和創新精神為目標，融合了國家戰略、人才培養內涵式建設、學生個性化發展等多方面的內容[4]，具有深厚的課程思政資源和基礎。

三、“導航原理”實驗教學課程思政設計

結合航天學院專業特色和人才培養要求，“導航原理”實驗教學課程思政設計需要遵循的總體原則是既要考慮思政價值觀的正確引導，又要提升學生的專業素質，實現知識傳授、能力培養與價值引領“三位一體”[5-6]。

（一）思政元素的挖掘與凝練

由于“導航原理”課程本身就具有鮮明的航天特色與國防背景，因此，在該課程的實驗教學過程中，教師應深入挖掘與凝練思政元素，充分展示課程思政的教學魅力。偉大的航天事業是孕育航天精神的肥沃“土壤”，北斗衛星導航系統的發展是弘揚航天精神的生動實踐。教師可通過該系統背后的科研工作者的事跡挖掘“導航原理”實驗教學蘊含的思政元素和思政資源。比如，陸元九院士作為世界上第一位慣性導航博士，克服重重阻力，終于在1956 年回到祖國，成為我國慣性技術的奠基人。在“轉子陀螺儀基本特性驗證實驗”教學中，教師可講述陸元九院士等榜樣人物的先進事跡，引導學生樹立遠大理想，深懷愛國之心、砥礪報國之志，成為熱愛祖國、信念堅定、德才兼備、具有社會責任感和國際視野的時代新人。

（二）思政元素與專業知識的融合

在“導航原理”實驗教學過程中，教師應從學生的角度出發，挖掘專業知識和思政元素的融合點，將愛國主義精神融入課程教學，讓學生真正體會到這門課程的價值。教師可將學生關心的與專業相關的時事政治問題作為切入點，使之成為專業教學和思想政治教育結合的聚焦之點[5]。比如，我國為突破GPS（全球定位系統）的使用限制，自主研發了北斗衛星導航系統，從第一代到第三代逐步建成、完善，這其中飽含了科研攻堅的辛苦和突破技術壁壘的不易。在實驗教學過程中，教師可從北斗衛星導航技術聯系到哈爾濱工業大學培養的孫家棟、宋健、劉竹生、胡世祥、欒恩杰、劉永坦等一大批航天英才，讓學生體會到國家航天建設中展現的“哈工大力量”，感受到時代的脈搏和國家的需求，進而將個人發展同國家和民族的前途命運緊密聯系在一起[7]，明晰人生目標，激發科技報國、軍工報國的家國情懷和使命擔當。

（三）相互包容的教學內容完善

在實驗教學過程中，“導航原理”課程授課教師秉承“課程承載思政”和“思政寓于課程”的理念，進一步完善教學內容。教師根據課程特點和育人目標，深入梳理課程教學內容，合理嵌入思政元素，突出專業課程的價值取向，充分體現課程特色，形成特色鮮明、優勢突出的教學內容體系。同時，充分發揮課堂教學的主渠道作用，保證教師與學生在認知領域有足夠的交集，做到鋪墊充分、銜接自然，以潤物無聲的形式將正確的價值觀傳遞給學生，使課堂教學過程成為學生學習專業知識、培養科研能力和創新能力、涵養品行的過程[8]。

（四）精彩教案展示

文章以臺海局勢為例進行闡述。以美國為首的西方政客竄訪臺灣，美軍“里根”號航母（USS Ronald Reagan）戰斗群逼近臺灣海峽。這意味著美國企圖破壞我國臺灣海峽地區的和平穩定。鑒于意識形態上的差異，大國之間的對抗將長期存在，這決定了慣性導航仍是國之重器中的關鍵技術。基于此，教師設計了捷聯慣導虛擬仿真實驗。它是一套捷聯慣導系統航姿解算仿真程序及飛行器三維運動的演示程序，并配有用戶交互界面。該實驗以攔截入侵飛行器任務為背景，假想一枚超聲速飛行器從北太平洋某島嶼起飛，經庫頁島和日本海，朝我國內蒙古方向飛去，被我方預警衛星探測到，經過軌道分析對其入侵意圖做出研判后下達命令，從山海關地區發射一枚導彈對其攔截，并將其摧毀。該實驗針對影響攔截彈上捷聯慣導系統導航精度的4 個因素而設計了4 個環節。學生通過用戶交互界面對姿態解算算法和策略進行選擇，對入侵目標的飛行和攔截彈的攔截過程進行三維可視化虛擬仿真，求解出攔截彈和入侵目標的三維飛行軌跡及攔截彈在整個飛行過程中任意時刻的姿態、速度、位置、彈目距離、視線角及最終的脫靶量等信息。通過對比和分析各種姿態解算算法的仿真結果，對所選的算法做出恰當的評價，探索、優化捷聯慣導系統姿態解算算法的配置策略，使攔截彈捷聯慣導系統達到最佳性能，減小脫靶量，保證攔截任務成功。該實驗采用“虛實結合”的實踐教學手段，連續展示探測到入侵目標、入侵目標運動估計、目標意圖識別、攔截彈起飛、攔截彈自主導航、導航姿態解算、攔截彈控制與制導等過程，將攔截彈在整個飛行過程中的軌跡和姿態信息呈現在地球的三維虛擬場景中，使學生獲得身臨其境的觀測效果，對導彈飛行的整體情況有清晰、直觀、立體的認識和把握，有效解決了實驗與實際工程應用脫節的矛盾。

對大多數學生來說，該實驗具有很大的挑戰性。因為稍有差錯，解算結果就可能與期望值相差十萬八千里。但因為實驗具有時事背景，并配備了三維場景下的演示和檢驗，有利于激發學生克服困難、迎接挑戰的決心。當經過不懈努力成功地攔截了敵方導彈時，學生心中的激動將是難以形容的。上述攔截實驗中的目標探測階段，依托的是以劉永坦院士為代表的我國科學家構建的強大海防雷達預警體系。劉永坦院士是一位可親可敬可學習的師者，是勇于擔當、敢于創新、善于育人的“大先生”。他一生披荊斬棘、嘔心瀝血，以執著的堅守與奉獻精神、宏大的視野與格局，打造國之重器，培養杰出人才。在實驗教學過程中，教師可通過劉永坦院士等榜樣人物的先進事跡，引導學生逐夢航天強國，立志服務國家重大工程、重大項目、重要領域。

四、“導航原理”實驗教學課程思政教學方法

教師要掌握駕馭課程思政的技巧與藝術，以激活者、同行者、指導者的身份，通過課堂的引導，使學生樹立愛國意識、問題意識、實踐意識、閱讀意識和研究意識，將思政之“鹽”溶于專業教育之“湯”，以潤物無聲的方式潛移默化地開展思想政治教育。在實驗教學過程中，教師積極探索課程思政建設的新方法、新途徑，遵循思想政治工作規律、教書育人規律和學生成長規律，揣摩教學方法、講課技巧，從教學理念、教學設計、教學組織、方法手段、教學效果、學生評價等方面進行教學總結[9]，注重問題設置和課堂互動，努力做到教好書、育好人。

（一）以目標和問題為驅動組織教學內容

導航的直接目標是確定對象當前的運動狀態。為完成這一目標，有不同的解決方案，如慣性導航、衛星導航等。而每類解決方案中又有需要解決的具體問題，如“在實際應用中選取哪種導航方式比較好，是純慣性導航、衛星導航、地磁導航、超聲導航、視覺導航還是組合導航？”。其實，選用哪種導航需要視具體情況而定，根據應用的需求、環境、成本等因素做出合理的選擇。比如，戶外旅游，可以考慮“衛星+地磁”導航；室內，可以考慮“慣性+超聲+視覺”的組合導航；對隱蔽性、自主性有苛刻要求的武器系統，采用純慣性導航。沒有最好的選擇，只有根據實際情況選擇最合適的導航系統。導航工程問題是如此，個人成長、國家發展也是如此。任何國家都不應照搬他國制度和政策，而要根據本國的具體國情，因地制宜，采取最適合的制度，走最適合的道路。教師通過以目標和問題為驅動的教學方式組織教學內容，促使學生帶著問題、帶著思考去學習，提高學生學習的主動性和積極性，同時在專業知識的講授中有機融入“四個自信”，增強學生的政治素養。

（二）采用多媒體演示的方式增加課堂教學信息量

學生在“導航原理”課程學習中，容易迷失在復雜的數學公式中，而看不到公式蘊含的物理和工程意義。通過實驗教學，教師適時地引入具體案例，使學生對導航原理有更深刻的理解，更加明確理論知識在實際場景中的應用。比如，飛行器三維坐標變換案例是在三維場景中將我國的某些飛行器，如殲-20、神舟五號、天和核心艙等呈現在地球附近的指定經度、緯度和高度位置。三維場景和飛行器模型由教師提供，坐標變換則由學生通過自行編程來實現。通過三維交互界面的操作，學生能直觀地體會到坐標變換從理論計算到程序實現的過程，并檢驗自己的坐標變換程序是否正確。這個案例將我國國防、航天的最新成果和最基礎、樸素的數學變換相結合，有利于激發學生的學習主動性，培養學生獨立思考、分析問題和解決問題的能力，使學生認識到要實現強國夢，離不開腳踏實地的嚴謹科研作風。

（三）采用互動式教學方法

教師在課堂上保持與學生互動，可增強課程思政的吸引力，調動學生的課堂參與度；同時，鼓勵學生提問，引導學生深入思考理論知識在實際問題中的實現過程。在講述我國慣性導航技術發展時，教師從簡陋的玩具陀螺延伸到超高精度的靜電陀螺，使學生認識到陀螺儀的發展離不開科學探索和技術創新，更離不開精益求精的工匠精神。在可預見的一段時期內，陀螺儀精度的“王冠”非靜電陀螺儀莫屬，該設備是高端遠程戰術級慣導系統的首選。但由于其成本高昂，國外政府和企業對其研制經常產生爭議和搖擺。而我國鑒于靜電陀螺儀的戰略意義，始終對其研發給予大力支持。通過課堂上對此案例的討論，學生認識到我國的制度和經濟實力對戰略性產品的研制起到重要支撐作用。

五、結束語

“一年之計，莫如樹谷；十年之計，莫如樹木；終身之計，莫如樹人。”教育對一個國家的發展和一個民族綜合素質的提高具有基礎性、先導性、決定性的作用[10]。課程思政中的思政元素相當于道，即理想信念的堅定之道，認識自身的正確之道，認識社會、世界的科學之道。“導航原理”實驗教學圍繞“知識傳授、能力培養、價值引領相結合”的課程目標，注重體現專業特色，突出價值引領，使學生在教學過程中潛移默化地接受思想政治教育，如同給學生一雙眼睛，使其看懂中國、看懂世界，在國家的發展中找到自己的人生定位[11]。教師應加大課程思政的建設力度，探索課程思政新模式和新方法，加強實踐，及時總結經驗，使課程思政真正落到實處，為我國高等教育事業發展和提高人才培養質量做出貢獻[12]。