“慣性導航原理”課程虛實結(jié)合的教學實踐探析

趙 婧，劉潔瑜，李新三，沈 強

（火箭軍工程大學 導彈工程學院，陜西 西安 710025）

慣性導航是一門綜合了機電、光學、數(shù)學、力學、控制以及計算機等多種學科的尖端技術(shù)［1］，其僅依靠載體內(nèi)部的慣性裝置就能獨立完成導航任務，具有高度的自主性，而這些特性都是衛(wèi)星導航所不具有的。目前，雖然我國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)組網(wǎng)工作，但在我國的軍事領(lǐng)域仍然可見慣性導航的身影。由此可見，慣性導航是一種重要的軍事導航定位手段［2］。此外，它在海洋勘探、石油鉆井、智能穿戴及移動設(shè)備等國民經(jīng)濟領(lǐng)域中也獲得成功的應用。可以說，慣性導航技術(shù)的重要性日益顯現(xiàn)。

“慣性導航原理”作為我校測控工程專業(yè)由基礎(chǔ)課過渡到專業(yè)課的一門課程，在整個課程體系中起著承上啟下的作用，是后續(xù)專業(yè)課學習以及崗位任職的基礎(chǔ)。特別是，隨著科技的發(fā)展，部隊裝備正在向信息化、體系化、智能化演進，迫切需要打造能夠與崗位發(fā)展需求相適應的一流專業(yè)，以及軍隊院校范圍內(nèi)或國家級精品課程［3］。為順應時代發(fā)展，契合部隊需求，進一步增強學員理論與實踐結(jié)合的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，本文通過分析“慣性導航原理”的課程教學現(xiàn)狀，在課程教學計劃的基礎(chǔ)上，逐步開展基于虛實結(jié)合的教學實踐探索。

一、課程教學現(xiàn)狀分析

（一）課程特點

“慣性導航原理”課程重點講述陀螺儀基本理論、典型慣性儀表的基本原理及其應用、慣性導航系統(tǒng)工作原理以及誤差建模及標定方法，是一門非常重要的專業(yè)背景課程。通過學習，學員可以在知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀方面達到以下目標：一是準確闡述慣性導航原理的基本概念，歸納和總結(jié)慣性儀表和慣性導航系統(tǒng)的基本理論、基本方法，概括慣性導航原理的典型應用，描述最新發(fā)展情況；二是提高綜合運用所學知識解決工程實際問題的能力，培養(yǎng)學員善于提出問題、解決問題的創(chuàng)新能力；三是能夠體會慣性導航原理的發(fā)展包含幾代人的努力，樹立追求真理的科學思想，養(yǎng)成踏實認真、勤于思考的作風，增強軍校學員的使命感和發(fā)展國防科技的緊迫感。

在課程發(fā)展過程中，慣性導航原理主要有兩個特點。一是理論性強。“慣性導航原理”課程內(nèi)容抽象，對空間運動的描述幾乎貫穿了整個課程，需要較強的空間想象能力。另外，慣性導航原理還與物理、高等數(shù)學等知識聯(lián)系密切，包含復雜的推導演算過程。但是，單一的理論分析容易導致學員學習上的畏難情緒，內(nèi)容學過即忘，不能入腦入心，教學效果大打折扣。二是工程性強。本課程的應用范圍十分廣泛，需要學員將理論原理與實踐應用相結(jié)合，使其不僅知道是什么，還能知道為什么，更要知道如何應用，從而提高學員善于提出問題、解決問題的創(chuàng)新能力。

（二）存在問題

“慣性導航原理”課程采用理論授課與實驗操作相結(jié)合的教學模式。理論教學是課程教學的主體，傳統(tǒng)理論教學以教員為中心，大部分時間是教員講，學員聽，教學手段單一，主要是理論知識的堆疊，較難將理論與實踐相互結(jié)合，學員的學習動力不足。而且，作為一門專業(yè)背景課，每班的學員數(shù)量并不少，教員很難關(guān)注到每個學員。當然，很多專業(yè)背景課的教員也在努力嘗試各種新的教學手段，如利用教具模型、實物、多媒體、現(xiàn)場實況錄像等組織教學，然而學員仍感到理解困難，缺乏學習興趣，難以達到預期的教學效果［4］。

實驗教學作為培養(yǎng)學員創(chuàng)新思維和團隊意識的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)理論升華的重要途徑［5］，其對提高“慣性導航原理”課程的教學效果具有重要作用和意義。目前，實驗室原有實驗設(shè)備不足，很多實驗設(shè)備已經(jīng)磨損、老化，導致學員在實驗過程中沒有足夠時間動手操作，嚴重制約了課程實驗教學的開展。而且，隨著慣性技術(shù)的發(fā)展，新型慣性儀表已在各類裝備上得到成功應用，并大有逐步替代傳統(tǒng)機械陀螺儀的趨勢，課程也需要拓展新型慣性儀表及系統(tǒng)的教學實驗項目，為后續(xù)學員掌握新型裝備奠定基礎(chǔ)。

針對課程特點以及存在問題，在“慣性導航原理”的理論教學中，課程團隊打造了靈活多樣的數(shù)字化教學資源，并結(jié)合軟件仿真技術(shù)，對枯燥的書本知識進行立體化、可視化、互動化展示。在“慣性導航原理”的實驗教學中，課程團隊將實物操作與虛擬儀器相結(jié)合，優(yōu)化實驗裝置，構(gòu)建了虛實結(jié)合的慣性導航原理半實物仿真實驗系統(tǒng)。

二、理論教學中虛實結(jié)合探索

（一）數(shù)字化教學資源建設(shè)

作為課程教學的重要載體，教材是教學的基礎(chǔ)性資源，教材建設(shè)是提高教學質(zhì)量的根本，更是順利開展虛實結(jié)合教學實踐的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，隨著教育信息技術(shù)的發(fā)展，教員的教學模式以及學員的學習方式都發(fā)生了很大的變化。傳統(tǒng)的課本教材由于載體形式的限制，知識內(nèi)容的呈現(xiàn)方式是靜態(tài)的、單一的、不直觀的，已無法適應現(xiàn)在的人才培養(yǎng)需求。以實時獲取多形態(tài)、多媒介數(shù)字教學資源為特征的新形態(tài)教材涌現(xiàn)并不斷發(fā)展完善，可有效實現(xiàn)混合式教學和探究式學習等教學方法的創(chuàng)新，有利于高校人才的培養(yǎng)［6］。對此，“慣性導航原理”課程的數(shù)字化教學資源建設(shè)刻不容緩。

目前，許多高校都對數(shù)字化教學資源建設(shè)進行了探索，形式多樣，百花齊放。總體來說，數(shù)字化教學資源建設(shè)還是要堅持以學員為中心，圍繞課程要求的核心知識點，尤其是教學重點和教學難點，建設(shè)與“慣性導航原理”課程相匹配的數(shù)字化教學資源。對此，數(shù)字化教學資源建設(shè)應該遵循三個原則。其一，整體框架要有邏輯性。數(shù)字化教學資源應該結(jié)合課程教學計劃，明確教學內(nèi)容主線，各種形式相互配合，融為一體。其二，具體內(nèi)容要有針對性。數(shù)字化教學資源應該側(cè)重課程中的教學重點、教學難點以及書本教材無法形象描述的教學內(nèi)容，進而幫助學員有效理解消化教學內(nèi)容。其三，呈現(xiàn)形式要有合理性。數(shù)字化教學資源的表現(xiàn)方式應該突出內(nèi)容特色、有效呈現(xiàn)知識點、提升教學目標，比如動畫、虛擬仿真、人工智能等技術(shù)。同時，要注意與相關(guān)課程共享共建，可以有效提升建設(shè)速度和建設(shè)質(zhì)量。

“慣性導航原理”課程的數(shù)字化教學資源建設(shè)以紙質(zhì)版教材為核心，通過校園網(wǎng)絡(luò)平臺將靜態(tài)枯燥的紙質(zhì)教材與動態(tài)直觀的數(shù)字化教學資源有機融為一體，再輔助學堂在線課程平臺、二維碼、智能移動終端App等手段，全方位、立體化呈現(xiàn)課程相關(guān)的電子課件、思維導圖、原理動畫、試題庫、科普視頻以及拓展資料等不同類型的資源，為教員和學員創(chuàng)建了不同維度的教與學環(huán)境。這種現(xiàn)實與數(shù)字的結(jié)合不僅優(yōu)化了教學資源的結(jié)構(gòu)形態(tài)，同時還拓展了教學活動的組織方式。并且，隨著科技的高速發(fā)展，數(shù)字化的教學資源可以進行迭代且可持續(xù)的動態(tài)更新，大大克服了傳統(tǒng)教材的局限性、陳舊性等問題，極大地滿足了學員的個性化需求，激發(fā)學員的學習熱情和探索精神，從而達到提升教學效果的目的。

（二）MATLAB仿真軟件應用

慣性傳感器包括陀螺儀和加速度計，是慣性導航系統(tǒng)的核心組成部分，它們的性能決定了慣性導航系統(tǒng)的性能。然而，慣性傳感器的工作原理復雜，涉及剛體動力學、控制科學、信號處理等多門學科，單一的理論講解無法引起學員共鳴，需要借助仿真工具加深學員對知識的理解與應用。MATLAB的最大特點就是直觀和高效，它可以經(jīng)過簡單的命令，快速完成復雜的科學計算，得到相應的圖形輸出，從而使理論分析變得清晰化、可視化，進而提高學員對學習內(nèi)容的關(guān)注度。因此，在“慣性導航原理”課程的教學過程中引入MATLAB十分必要，具體應用舉例如下。

以單自由度陀螺儀的基本運動特性分析為例，當系統(tǒng)同時存在阻尼約束和彈性約束時，屬于典型的二階系統(tǒng)。利用自動控制原理的知識，通過拉普拉斯變換及反變換，可以得到時域下輸出與輸入的關(guān)系式。但是，單一的理論推導枯燥煩瑣，也是學員早就掌握的內(nèi)容，重復講解意義不大。而利用MATLAB進行簡單的代碼命令編寫，就可以直接求出單自由度陀螺儀的輸入和輸出關(guān)系，方便快捷，使教學手段靈活多樣，也能夠集中學員的注意力。此外，通過MATLAB可以畫出不同阻尼下單自由度陀螺儀的輸出曲線。不僅可以直觀地看出其運動特性，還有利于引導學員自己總結(jié)規(guī)律，進而提高分析問題的能力。

MATLAB還有一個重要的應用就是Simulink仿真平臺，可以直接從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖得到輸出響應，便于觀察系統(tǒng)在各種可能條件下的工作性能。為了讓學員理解加速度計實際結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因，進一步加深學員對原理結(jié)構(gòu)的認識，進行Simulink仿真。通過對不同條件下響應曲線的觀察，可以引導學員逐步理解液浮擺式加速度計設(shè)計阻尼約束、力矩再平衡回路的原因，然后將理論分析與仿真現(xiàn)象進行對比，可以提高學員對理論知識的理解深度和在實際系統(tǒng)中的應用能力，同時利用參數(shù)調(diào)節(jié)還可以為慣性導航系統(tǒng)的設(shè)計提供大致的思路和方法，提高學員學習的自主性，進而培養(yǎng)學員的探索創(chuàng)新能力。

三、實驗教學中虛實結(jié)合探索

實驗教學是培養(yǎng)學員實踐能力的重要環(huán)節(jié)，對教學質(zhì)量的影響不容小覷。引入計算機輔助技術(shù)、仿真技術(shù)，可以有效解決實驗教學過程中的高投入、高損耗、高風險，以及難實施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”問題，在新型教育模式中發(fā)揮其作用［7］。但是，在實際的實驗過程中，計算機輔助技術(shù)、仿真技術(shù)等手段并不能完全取代實物操作，二者應該虛實結(jié)合，才能相得益彰。

（一）內(nèi)容設(shè)計

課程團隊根據(jù)“以學員為主體”的實驗教學要求，結(jié)合“慣性導航原理”教學和研究特點，在“實驗教學和理論教學和諧統(tǒng)一，知識學習、能力提升、創(chuàng)新精神并重培養(yǎng)”的實驗教學理念指導下，完善改進實驗教學體系，將虛擬仿真與實物操作有機結(jié)合，建設(shè)了慣性導航原理半實物仿真實驗系統(tǒng)。不僅能夠增強學員對專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)學員的動手能力，還能夠引導學員向科研實驗過渡，逐步掌握科學研究的方法與技能。

先進的實驗系統(tǒng)需要配合科學合理的教學設(shè)計，才能更好地提升實驗教學效果。第一，要精選實踐實驗教學內(nèi)容。充分了解學員已有的理論知識情況，關(guān)注學員在實驗期間其他課程的學習進程，加強課程實踐實驗教學與理論教學的內(nèi)容聯(lián)系與協(xié)同。第二，要合理進行實驗教學組織。宏觀上要對實驗課程整體設(shè)置進行規(guī)劃，微觀上要對每一堂課的教學過程進行設(shè)計，在教學方法上還要注意運用啟發(fā)式教學，引導學員對知識進行總結(jié)和概括。第三，實施分層實驗教學。對不同專業(yè)基礎(chǔ)和專業(yè)背景的學員實施不同的教學，尊重學員的個體差異，實現(xiàn)其個性化發(fā)展。

慣性導航原理半實物仿真實驗系統(tǒng)能夠進行“慣性導航原理”課程中經(jīng)典的慣性儀表驗證性、設(shè)計性實驗教學，新型慣性儀表、慣導系統(tǒng)的設(shè)計性、綜合性實驗教學及學員的科創(chuàng)實踐。而且，每個實驗下都有若干分項實驗，被分為基礎(chǔ)實驗和拓展實驗，在保證教學目標達成的基礎(chǔ)上充分發(fā)揮學員的主觀能動性，以學員自主探索為主，教員進行引導和評價。

（二）應用實例

以光纖陀螺儀特性實驗系統(tǒng)為例進行具體介紹。光纖陀螺儀克服了傳統(tǒng)機械陀螺的多種限制，已經(jīng)在海、陸、空、天各個方面都得到了廣泛應用。為緊跟科技前沿，增設(shè)了光纖陀螺儀特性實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)光纖陀螺儀構(gòu)成及基本原理實驗、光纖陀螺輸出角速率測量及比對實驗、光纖陀螺角電壓振幅的變化比對實驗以及光纖陀螺儀尋北實驗。其中，前三個為基礎(chǔ)實驗，最后一個是拓展實驗。特色功能如下。

1.結(jié)構(gòu)可視化。為便于觀察光纖陀螺儀的工作方式，外殼采用高透明度亞克力材料，超輻射光源、光纖耦合器、光電探測器、光相位調(diào)節(jié)器、光纖環(huán)等部件及其連接結(jié)構(gòu)清晰可見，幫助學員理解光纖陀螺儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.互動教學功能。學員在安裝有App的安卓手機或平板電腦上，啟動實驗互動應用軟件App，點擊開始演示對應操作，就可以觀察到光纖陀螺儀中的指示燈相應閃亮，既可以指示對應名稱和功能，也可以顯示工作過程。另外，也可以通過運行測控計算機上的應用軟件實現(xiàn)同樣的功能。

3.知識拓展實驗。光纖陀螺儀教學實驗系統(tǒng)還可以開展數(shù)字式光纖陀螺儀尋北實驗，通過學員自主設(shè)計方案及參數(shù)，從而獲得實驗室所在緯度和地球自轉(zhuǎn)角速度，幫助學員了解地理北極、真北的含義及其在導航中的應用，提高學員自主探究的創(chuàng)新能力。

結(jié)語

本文探索了“慣性導航原理”課程教學中虛實結(jié)合的應用，不僅能夠調(diào)動學員學習的積極性，還有助于學員更加深刻地理解慣性導航系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時，也能鍛煉學員借助工具分析問題、解決問題的能力。然而，教學活動是一個長期的工作，需要不斷改進。在今后的教學實踐中，需要注意理論教學與實踐教學之間的協(xié)同，完善與之對應的教學評價與改進環(huán)節(jié)，形成良性循環(huán)，實現(xiàn)持續(xù)提升。