能力目標導向的“導航原理”課程改革實踐

谷文堃　吳德偉　苗強　張婧

［摘 要］ 理工科專業(yè)基礎(chǔ)方向課程要注重培養(yǎng)學生認識問題、分析問題和解決問題的能力。“導航原理”是我校導航工程專業(yè)基礎(chǔ)方向課程，為了聚焦課程的能力目標，培養(yǎng)學生的思維能力，在教學過程中，以能力目標為導向，基于OBE理念進行課程的教學改革，從優(yōu)化課程內(nèi)容的聯(lián)系和引導學員歸納得到一般規(guī)律等兩個角度進行探索與實踐。有效落實課程的能力目標，培養(yǎng)學員歸納與演繹的科學思維，激發(fā)學員的學習興趣，貫徹課程思政理念。

［關(guān)鍵詞］ OBE理念；教學目標；課程思政；導航原理；歸納與演繹

［作者簡介］ 谷文堃（1984—），男，山東濟南人，博士，空軍工程大學信息與導航學院副教授，主要從事導航技術(shù)研究；吳德偉（1963—），男，吉林省吉林市人，博士，空軍工程大學信息與導航學院教授，博士生導師，導航工程學科帶頭人，主要從事智能導航和量子導航研究；苗 強（1981—），男，山東滕州人，博士，空軍工程大學信息與導航學院副教授，碩士生導師，主要從事導航技術(shù)研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1674-9324（2024）04-0059-04［收稿日期］ 2022-11-14

引言

教學目標是教學活動的中心導向，教育學家布魯姆將教學目標分為認知領(lǐng)域、動作技能領(lǐng)域和情感領(lǐng)域三類，分別對應(yīng)知識目標、能力目標、價值目標［1-2］。理工科專業(yè)基礎(chǔ)方向課程的教學目標因其課程地位，具有特殊性。在教學過程中，要注重引導學生對知識內(nèi)容進行歸納，得到一般性原理和方法，力求“授之以漁”。因此，在專業(yè)基礎(chǔ)方向課程教學中，能力目標顯得尤為重要。

教育部在《高等學校課程思政建設(shè)指導綱要》中明確指出，要結(jié)合專業(yè)特點分類推進課程思政建設(shè)，理學、工學類專業(yè)課程要在教學中，提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力［3］。可見，能力目標是課程思政的重要組成要素。因此，突出抓住課程教學的能力目標，也是實施課程思政的要求［4］。

基于此認識，本文以導航工程專業(yè)基礎(chǔ)方向課程“導航原理”為例，針對其課程特點，基于OBE理念，聚焦課程要求的能力目標，對教學各環(huán)節(jié)進行逆向設(shè)計。

一、“導航原理”課程性質(zhì)和特點

“導航原理”是我校面向?qū)Ш焦こ瘫究茖W員開設(shè)的必修核心課程。課程的內(nèi)容覆蓋光、電、磁、力等多個領(lǐng)域，以數(shù)學知識和物理概念為支撐，對本專業(yè)基礎(chǔ)方向理論進行系統(tǒng)化介紹［5］，主要包括：導航的數(shù)學基礎(chǔ)、導航的物理基礎(chǔ)、導航測角原理、導航測距原理、導航測速原理、導航定位原理、組合導航原理、飛行器導航控制應(yīng)用、導航的發(fā)展與運用等相關(guān)內(nèi)容。課程具有內(nèi)容多、體系大、結(jié)構(gòu)復雜的特點，涉及很多數(shù)學物理模型和處理方法。

鑒于“導航原理”課程的特點，如果采用傳統(tǒng)教學模式，容易出現(xiàn)以下問題：學生能夠理解掌握用不同模型、方法解決某一特定導航問題，但對不同模型、方法之間的聯(lián)系缺乏認識，導致學員對分析處理問題的一般性規(guī)律理解不深刻，不易進行歸納以及形成系統(tǒng)性的科學邏輯思維。另外，不利于學員主動探索課程新舊知識的內(nèi)在聯(lián)系，形成自主學習的習慣。

二、基于OBE理念的“導航原理”課程改革實踐理念

針對以上問題，在課程教學過程中，確立并聚焦課程的能力目標，以培養(yǎng)學員歸納與演繹的科學邏輯思維這一能力目標為導向，基于OBE理念進行改革探索［6-7］。

歸納與演繹是唯物主義辯證思維方法。歸納是個別到一般的推理，是從許多個別或特殊事物概括得出一般原理或本質(zhì)的思維方法，目的是對現(xiàn)象進行總結(jié)，認識本質(zhì)、規(guī)律；演繹是從一般到個別的推理，目的是應(yīng)用一般原理或者本質(zhì)，來推斷特殊事物是否也具有相同屬性［8］。

在教學中，雖然課程內(nèi)容不盡相同，但如果深挖它們的本質(zhì)，就會發(fā)現(xiàn)一門課程中或者不同課程中，許多內(nèi)容或多或少存在聯(lián)系，也就是存在相同的數(shù)理模型或者處理思維、方法。教師要引導學生深挖課程內(nèi)容背后的本質(zhì)并進行歸納，得出一般性結(jié)論，在今后的學習中運用結(jié)論進行演繹，推及個別。這是歸納與演繹的科學思維和學習研究方法，也是知識循環(huán)往復、不斷深化的過程，同時是突破能力目標、體現(xiàn)課程思政的過程。

“導航原理”課程中的“頻率式測距”是導航測距原理中的重要內(nèi)容。收發(fā)一體的測距系統(tǒng)將收發(fā)信號進行合成，根據(jù)頻率變化解算出收發(fā)時延，從而得到距離。此外，學生在公共基礎(chǔ)課“大學物理”中學習過“簡諧振動的合成”。彈簧振子運動和單擺運動就是典型的簡諧振動。任何復雜的振動都可以看作多個簡諧振動的合成。不難看出，“頻率式測距”和“簡諧振動的合成”雖然屬于不同課程的內(nèi)容，但如果深挖兩個特殊現(xiàn)象的本質(zhì)，就會得到一般規(guī)律，即它們的數(shù)學模型是一樣的，都是兩個三角函數(shù)的疊加，它們的區(qū)別僅在于這個三角函數(shù)的“載體”，一個是電磁波，一個是機械振動，進而推廣到一般的時域波形，即一切時域波形都可以用不同振幅和頻率的正弦波進行疊加擬合，再與“信號與系統(tǒng)”中的“傅里葉變換”和“高等數(shù)學”中的“泰勒級數(shù)”建立聯(lián)系。

不僅“頻率式測距”和“簡諧振動的合成”存在聯(lián)系，“導航原理”課程的很多內(nèi)容與其他課程的內(nèi)容都存在聯(lián)系。比如“導航原理”課程中組合導航和測距定位的最小二乘估計都蘊含著“系統(tǒng)、信息冗余處理”的思想；“導航原理”課程中“碼相關(guān)測距”和“匹配導航定位”都體現(xiàn)了數(shù)學上的匹配相關(guān)處理的模型，不同的只是“碼相關(guān)測距”處理的是一維數(shù)據(jù)，而“匹配導航定位”處理的是二維數(shù)據(jù)，“信號與系統(tǒng)”課程的相關(guān)函數(shù)的概念也是基于這個處理模型。

基于以上認識，在教學中從以下兩個方面進行實踐探索。

（一）優(yōu)化課程內(nèi)容的聯(lián)系

基于“導航原理”課程內(nèi)容間的聯(lián)系，在教學過程中，按模塊劃分課程教學內(nèi)容，注重學習者的感受，梳理各章節(jié)的脈絡(luò)，使知識體系更加合理完備。其中，“數(shù)理基礎(chǔ)”模塊包含課程所必需的數(shù)學和物理基礎(chǔ)知識及概念；“導航參量”模塊對應(yīng)導航測角、測距、測速的方法和策略等方面的內(nèi)容；“時空基準”模塊通過綜合應(yīng)用所獲取的導航參量，給出導航用戶的時空基準，例如，基于測距的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，又例如基于測距測向的塔康系統(tǒng)，等等；“用戶體驗”模塊則是站在導航用戶角度，了解如何對多種導航傳感器提供的信息進行有效融合，進而控制運行體做出對應(yīng)行為動作。

教學手段上，充分利用線上“導航原理”慕課資源開展混合式教學，能夠體現(xiàn)差異化學習，讓學員更好地進行過程性學習，溫故知新，有利于學生準確把握課程內(nèi)容體系。

（二）引導學員歸納得到一般規(guī)律

在傳授知識的同時，教師要注重學習積累，深挖不同內(nèi)容蘊含的相同處理方法和模型，引導學生建立知識點的聯(lián)系，并歸納得到一般性的結(jié)論。這是激發(fā)學員固有認知經(jīng)驗，使其過去所學內(nèi)容與當前的相似信息建立起聯(lián)系的過程。教育學家布魯納認為，課程改革的重要目的是使學生獲得發(fā)現(xiàn)的興奮感，也就是發(fā)現(xiàn)對事物固有認識的未知聯(lián)系的規(guī)律性，這能夠極大地激發(fā)學生學習的興趣。斯金納提出了強化理論，以期讓學生形成探索事物發(fā)展規(guī)律相似性的學習動機，提高課堂學習的靈活性；我國教育家陶行知也指出：“另一種是只管教，不問學生興趣，不注重學生所提出問題的錯誤傾向。”“先生的責任不在教，而在教學，而在于教學生學。”可見，激發(fā)學員學習的興趣動機中的重要一條是發(fā)現(xiàn)所認識事物之間、所學知識之間的聯(lián)系，這也是培養(yǎng)學生歸納與演繹的科學思維的過程。教學中，在知識目標的基礎(chǔ)上，聚焦培養(yǎng)學員歸納與演繹的科學思維這一能力目標來設(shè)計教學方法，引導學生發(fā)現(xiàn)聯(lián)系，得到一般性結(jié)論，對學生理解消化課堂內(nèi)容、培養(yǎng)自主學習能力、激發(fā)學習的積極性有很大幫助。

三、“導航原理”課程改革實例——“頻率式測距”教學設(shè)計

為體現(xiàn)以上理念，下面以“頻率式測距”內(nèi)容的教學設(shè)計為例介紹“導航原理”課程改革實踐。

（一）教學目標與內(nèi)容設(shè)計

“導航原理”課程第五章《導航測距原理》的第二節(jié)：無線電導航測距，其中本主題“頻率式測距”為1學時。課前通過雨課堂發(fā)布任務(wù)，預習“導航原理”慕課本節(jié)視頻，完成測試題。

1.教學目標。（1）知識目標：使學員掌握頻率式測距的概念及與脈沖式測距方法的不同；掌握頻率式測距的實現(xiàn)方法；了解頻率式測距的基本性能。（2）能力目標（思政元素）：通過頻率式測距概念的引入，培養(yǎng)學員的間接性思維，即通過一定的中間媒介物和相應(yīng)的知識經(jīng)驗，達到了解事物本質(zhì)屬性、把握事物發(fā)展規(guī)律的能力；收發(fā)信號的疊加與“大學物理”課程中簡諧振動的合成具有相同的模型，教學中注意引導學員發(fā)現(xiàn)并歸納得到相通的數(shù)學物理模型，培養(yǎng)歸納與演繹的科學思維；通過引導學員分析利用幅度或相位提取高度的難易程度，培養(yǎng)學生通過對比分析，設(shè)計方案解決工程問題的思維和能力。（3）價值目標（思政元素）：介紹我國航天領(lǐng)域自主研發(fā)的嫦娥五號和神舟十二號應(yīng)用的伽馬高度計，以及嫦娥五號探測器和天問一號搭載的我國自主研發(fā)的著陸雷達，都利用了本節(jié)課的頻率式測距方法，激發(fā)學生的理論研究熱情、職業(yè)認同感和民族自豪感。

2.教學內(nèi)容。（1）頻率式測距基本概念。（2）頻率式測距實現(xiàn)方法——以正弦調(diào)頻測距為例。（3）頻率式測距的應(yīng)用。

（二）教學實施過程與課堂組織

講評“導航原理”慕課預習情況，包括視頻觀看和測試題，針對反饋的問題在課堂上有側(cè)重地進行講解。

課程導入：介紹兩起飛行事故案例，兩起飛機墜毀事故都與高度信息精確性有關(guān)，從而引出進行高度測量的無線電高度表，采用的測距方法就是頻率式測距。

首先，對比頻率式測距和上節(jié)課學習的脈沖測距，頻率式測距的優(yōu)勢：噪聲對頻率式測距影響較小；發(fā)射更大帶寬的調(diào)頻信號能實現(xiàn)高分辨率。引出頻率式測距概念，即測量調(diào)頻信號的頻率值，間接建立時延與距離的關(guān)系。通過概念的引入，培養(yǎng)學生的間接性思維，即通過一定的中間媒介物和相應(yīng)的知識經(jīng)驗，達到了解事物本質(zhì)屬性、把握事物發(fā)展規(guī)律的能力。

介紹頻率式測距在導航中的典型應(yīng)用——調(diào)頻式無線電高度表。通過介紹無線電高度表的組成結(jié)構(gòu)，引出頻率式測距的實現(xiàn)方法：通過將收發(fā)的調(diào)頻信號進行相干處理，得到瞬時頻率，利用頻率調(diào)制關(guān)系得到收發(fā)時延。

然后，以典型頻率調(diào)制信號——正弦調(diào)頻測距為例，重點講解頻率式測距的實現(xiàn)方法，即通過加法器實現(xiàn)正弦調(diào)頻信號收發(fā)的相干處理。發(fā)射信號和接收信號的疊加過程與“大學物理”中簡諧振動的合成的模型是相同的，引導學生進行總結(jié)歸納，從而得到一般性結(jié)論：任何一種周期性的運動，都可以分解成一系列簡諧振動的合成，同樣，任何一個周期信號，都可以用一系列正弦信號來合成，這就是“信號與系統(tǒng)”中學習的傅里葉變換和傅里葉級數(shù)的本質(zhì)。如果理解傅里葉變換，就不難理解“大學數(shù)學”里的泰勒級數(shù)，它是將一個函數(shù)分解為無限的單項式加權(quán)的和。其中體現(xiàn)的就是歸納與演繹的科學思維。如果我們將兩個不同課程的內(nèi)容建立聯(lián)系，歸納得到一般性結(jié)論，就可以用演繹的思維再去理解特殊現(xiàn)象，達到融會貫通的目的。

收發(fā)疊加信號的相位和幅度中均包含高度信息，引導學員思考通過哪個量來提取高度、如何提取。經(jīng)過分析，在疊加信號的相位化簡后的表達式中，提取高度比較困難，應(yīng)該從幅度入手。通過對比分析，讓學員理解，在將理論進行工程實現(xiàn)的過程中，應(yīng)該綜合對比幾種可行方案的實現(xiàn)難度、硬件復雜度等因素。然后通過微課，演示脈沖計數(shù)提取高度信息的原理，即頻率計工作原理，從而突破教學難點。

接下來對頻率式測距方法的性能進行分析，通過介紹改善頻率式測距性能的方法，即降低階梯誤差和最小可測距離的方法，引出本節(jié)課拓展知識——等差頻FMCW測距技術(shù)和γ射線高度計，讓學員課下查閱資料進行了解。通過介紹γ高度計在我國嫦娥五號、神舟十二號的著陸器中的應(yīng)用，激發(fā)學生的理論研究熱情和民族自豪感。

最后，介紹頻率式測距的應(yīng)用。頻率式測距在我國許多前沿領(lǐng)域都有應(yīng)用，比如南極科考的探冰雷達，以及嫦娥四號、天問一號的著陸雷達，都是我國自主研發(fā)的應(yīng)用頻率式測距原理的設(shè)備。讓學生知道本次課學習的內(nèi)容在祖國前沿科技領(lǐng)域發(fā)揮了作用，激發(fā)學生對自己未來職業(yè)的價值認同，以及對國家的責任擔當。

課程小結(jié)：現(xiàn)代飛機廣泛采用了近地警告系統(tǒng)（GPWS），確保飛行安全，呼應(yīng)本節(jié)課的引入——飛行安全和高度測量精確性的話題。總結(jié)授課內(nèi)容及重點和難點，以及課程目標，布置課后作業(yè)和思考題。

結(jié)語

本文遵循OBE理念，以“導航原理”課程為例，對專業(yè)基礎(chǔ)方向課程以聚焦培養(yǎng)學員歸納與演繹的科學思維這一能力目標進行了教學實踐探索。教學中，根據(jù)教學規(guī)律經(jīng)驗優(yōu)化課程內(nèi)容體系，并注重引導學生探索不同知識點的聯(lián)系，歸納得到一般性的處理方法。通過教學實踐，能夠豐富教學手段，激發(fā)學生的學習興趣，體現(xiàn)學生的教學主體地位，并且能夠有效落實課程的能力目標，貫徹課程思政理念。

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Course Reform Practice of Navigation Principles Aimed at Ability Objectives

GU Wen-kun， WU De-wei， MIAO Qiang， ZHANG Jing

（College of Information And Navigation， Air Force Engineering University， Xian，

Shaanxi 710000， China）

Abstract： Basic courses for science and engineering majors should focus on cultivating students ability to understand， analyze and solve problems. Navigation Principles is a fundamental course for the navigation engineering major. In order to focus on the courses ability goals and cultivate students thinking abilities， the teaching process is guided by the ability goals， and based on the OBE concept， the teaching reform of the course is carried out from two perspectives： optimizing the connection of course content and guiding students to summarize general laws. These practices effectively implement the ability objectives of the course， cultivate scientific thinking of induction and deduction， stimulate students interest in learning， and implement the curriculum ideology and politics.

Key words： outcome based education; teaching objectives; curriculum ideology and politics; navigation principles; induction and deduction