雨課堂在“飛行器制導與控制技術”課程中的應用

［摘 要］ “飛行器制導與控制技術”是航空宇航科學與技術專業的專業核心課程之一，課程知識覆蓋面廣、理論性強且抽象難懂，因而如何提升教學效果一直備受關注。分析“飛行器制導與控制技術”課程教學現狀，探索了雨課堂在“飛行器制導與控制技術”課程中的應用，結合雨課堂貫穿課前—課上—課后的功能，同時通過科研成果、航天活動、航天裝備等進課堂進行線上線下混合式教學，激發學生學習“飛行器制導與控制技術”課程的熱情，培養學生解決實際工程問題的能力。

［關鍵詞］ 飛行器制導與控制技術；雨課堂；混合式教學

［基金項目］ 2023年度航天工程大學教學研究重大項目“新域新質人才前沿基礎交叉培養模式研究”；2022年度航天工程大學教學研究重點項目“一流航天人才融合式基礎教育模式研究實踐”

［作者簡介］ 陳琳琳（1991—），女，安徽宿州人，博士，航天工程大學宇航科學與技術系講師，主要從事導航制導與控制研究；任 元（1982—），男，四川南充人，博士，航天工程大學基礎部教授，主要從事導航制導與控制研究；王麗芬（1982—），女，河北石家莊人，博士，航天工程大學宇航科學與技術系副教授，主要從事制導與控制研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）24-0064-05 ［收稿日期］ 2023-05-23

引言

“飛行器制導與控制技術”課程是航天工程大學航空宇航科學與技術專業的一門專業核心課程，在課程體系中起著重要的作用。通過學習該課程，學生能夠全面掌握飛行器制導與控制的系統表示、系統分析、系統設計三個方面的理論知識，同時能夠運用科學的方法解決系統分析、系統設計與控制問題。該課程知識覆蓋面廣，教學內容多，是一門理論性和實踐性都很強的課程，同時對學生綜合運用專業知識分析解決實際工程問題的能力有較高要求。

面對“飛行器制導與控制技術”人才的新挑戰，如何提升課堂教學質量，是提高人才培養質量的關鍵環節［1］。科學信息技術的飛速發展促進了線上教學的發展，其中雨課堂就是一種新型線上教學工具，能夠將PPT和微信結合，并且兼容二者的優點，科學地構建新型互動教學平臺［2-3］。該平臺通過手機移動終端收集課前、課上和課后教學環節的師生動態，真正意義上覆蓋了預習、授課和復習的完整環節［4］。為進一步提高“飛行器制導與控制技術”課程的教學質量，本文結合航天工程大學（以下簡稱我校）航空宇航科學與技術專業“飛行器制導與控制技術”課程的特點，探討了將現代信息技術手段融入傳統課堂教學，構建基于雨課堂平臺的混合式教學，并將其應用在“飛行器制導與控制技術”課程中，有效提升教學效果。

一、“飛行器制導與控制技術”課程教學現狀

（一）課程內容理論性強

“飛行器制導與控制技術”課程重點培養學生靈活運用所學理論和方法解決制導與控制設計過程中的實際問題，培養學生熱愛飛行器制導與控制事業并學以致用的熱情，積極投身航天實踐。課程總學時為32學時，包括28學時理論課、2學時現地教學和2學時考試。教材選用2022年任元等人主編、國防工業出版社出版的《航天飛行器制導與控制技術》。該書共有十章，包含“運載器—高超武器—地球軌道航天器—三體飛行器”的制導與控制基礎理論知識。本課程內容多、覆蓋面廣，同時理論性強、抽象難懂，加之由于研究生課程的授課學時有限，對于較難的知識點，教師課堂教學難以深入細致地講解，學生一直處于似懂非懂的狀態，導致學生缺乏學習積極性和熱情。隨著飛行器制導與控制技術的發展，教學內容須實時補充和更新，導致本來學時就少的課程顯得更加緊湊，僅靠課堂內學習時間很難達到預期的學習目標［5］。

（二）教學模式單一

傳統教學中，為整合學校優勢資源，采用大班教學的授課方式，在課堂教學過程中呈現教師在上面講、學生在下面聽的狀態，學員被動地接受教師所講的內容，容易感到枯燥乏味，降低了學生的學習積極性。由于教學內容和教學計劃安排，課堂教學時間有限，教師在課堂教學過程中只能通過提問個別學生或者簡單討論的方式了解學生對所講內容的掌握情況，師生互動較少，無法全面了解每名學生的掌握情況，無法根據學生的學習情況實時調整授課進度和內容。而且單一的線下教學模式中，教師上完課后師生之間幾乎沒有后續聯系交流。當學生畢業后在工作中遇到和飛行器制導與控制技術相關的問題時，也缺乏專業指導和討論交流。對此，要開展線上和線下混合教學模式，倡導終身學習的學習方式。學生在工作中遇到的飛行器制導與控制相關問題或者自己的工作心得，可以通過線上討論，隨時分享給教師和同學。

（三）學生學習考核方法不完善

“飛行器制導與控制技術”是航空宇航科學與技術專業的重要課程之一，該門課程一直采用過程考核和期末考核相結合的形式，但過程考核成績主要來源于出勤率、課后作業、課堂表現等方面，考核內容比較單一。課后作業一般固定為幾個版本且雷同情況比較多，無法真實反映學生對課堂所講內容的掌握情況；而且課堂教學時間有限，教學過程中師生間互動較少，課堂表現評定考核較難量化，教師給出相應成績時具有一定主觀性。由于過程考核手段不完善，部分學生養成平時不學習、考前抱佛腳的不良學習習慣，無法提高自主學習能力［5］。

二、雨課堂介紹

雨課堂是清華大學和清華大學旗下在線教育品牌學堂在線共同推出的智慧教學工具，致力于將前沿的教育理念與互聯網技術巧妙融合，為教與學帶來全新“氣象”，全面提升課堂教學體驗，讓師生互動更多、教學更為便捷。雨課堂將復雜的信息技術手段融入PPT和微信，在課外預習與課堂教學間建立溝通橋梁，讓課堂互動永不下線。使用雨課堂，教師可以將帶有MOOC視頻、習題、語音的課前預習課件推送到學生手機，師生及時溝通反饋；課堂上可以實時答題、彈幕互動，教師可根據答題情況實時答疑，為傳統課堂教學師生互動提供了完美的解決方案［6-7］。雨課堂科學地覆蓋了課前—課上—課后的每一個教學環節，最大限度地釋放教與學的能量，為師生提供完整立體的數據支持，具有個性化報表、自動任務提醒功能，讓教與學更明了。

近年來，隨著信息技術的發展，雨課堂被越來越多地應用到教學過程中。冉靚等［8］提出基于雨課堂的“大學化學”課程混合式學習實踐，針對課程教學現狀，論述了基于雨課堂的“大學化學”課程混合式學習實踐思路，闡述了基于雨課堂的“大學化學”課程混合式學習實踐成效，并對基于雨課堂的“大學化學”課程混合式學習實踐進行了反思。曾莎莎等［9］基于雨課堂的“工業機器人”課程混合式教學改革，構建了基于雨課堂的“線上+線下”及“課內+課外”的混合教學模式，雨課堂貫穿課前、課中和課后三個環節，在教學過程中將課堂教學與慕課有機結合起來，全程量化學生的學習數據，并通過現場實際操作取得了較好的教學效果。叢偉［10］提出雨課堂+對分課程教學模式探索，設計了“P—AP—D—A”教學過程，營造了教師精心引導、學生充分參與的互動課堂，實現了“動與靜”平衡，取得了較好的教學效果。劉晶等［11］提出基于雨課堂與BOPPPS模型的分層混合教學模式建構與實踐，借助雨課堂一體化平臺的實時數據，能夠在教學過程中做到難點、問題點精準定位，并持續改進教學，以“工程制圖”課程為例進行教學的改革實踐顯示，該教學模式能夠有效地提高學生的參與感，提升學生的制圖能力與學習的效益。

三、雨課堂在“飛行器制導與控制技術”混合式教學中的應用

本文針對“飛行器制導與控制技術”課程特點，以《遠程火箭姿態控制》章節為例，基于雨課堂開展混合教學模式應用。

（一）教學目標

知識與技能：通過本章節的學習，學生能夠掌握遠程火箭姿態控制基本原理、結構組成和應用方向及其重要地位與作用，了解導航、制導與控制的發展趨勢和面臨的挑戰，為后續課題研究和工程實踐奠定必要的系統分析和設計方面的理論和技術基礎。

過程與方法：通過將章節內容和學科前沿及國內外的研究現狀緊密結合，依托雨課堂，采取課內精講、課外自學、專題研討等學習研究結合的“研究型”教學模式，啟發學生對教學內容深層次的思考，培養文獻調研、實驗設計以及靈活運用所學理論方法進行分析問題和解決問題的能力。

情感態度與價值觀：通過將相關的科研項目帶入課堂，在這個過程中，和學生一起發現問題、分析問題、探討可能的解決途徑，相互啟發，實現教中學、學中研。在學習和實踐過程中養成善于思考、肯于鉆研的良好習慣，激發學生熱愛飛行器制導與控制事業并學以致用的熱情。

（二）教學設計思路

針對“飛行器制導與控制技術”課程的教學現狀，結合雨課堂智慧教學工具，開展線上線下的混合教學模式。教學實施過程分為課前、課上和課后三個階段，具體實施流程如圖1所示，能夠促進師生互動、生生互動，提升教師教學效率和教學質量，提高學生的學習熱情；同時培養學生靈活運用所學知識解決實際工程問題的能力。

（三）雨課堂案例設計——以《航天器姿態控制》章節為例

1.課前。教師根據學生培養方案和教學大綱要求，梳理《航天器姿態控制》章節內容的教學重點和難點，依托雨課堂開展線下教學。本章內容分為三個部分：（1）航天器姿態控制系統的組成，包括姿態敏感器、執行機構和控制敏感一體化機構；（2）航天器主動姿態穩定控制系統，包括零動量反作用輪三軸姿態穩定系統、偏置動量輪三軸姿態穩定系統和控制力矩陀螺三軸姿態穩定系統；（3）基于MSCSG的航天器姿態主動控制，包括MSCSG群動力學建模和MSCSG群操縱律設計。首先，教師將本章節的PPT、相關慕課、微課和語音等音頻、章節思考題等相關資料通過電腦上傳雨課堂推送給學生，讓學生利用課余時間完成課前預習，同時對已經學過的航天器姿態運動方程進行復習，加深對已學知識點的記憶，在預習過程中對于PPT中不懂的難點內容，通過雨課堂進行師生互動，解答學生的問題，提高學習效率，提升預習效果；其次，通過設置課前預習小測驗，例如，介紹慣性敏感器的基本原理、簡述太陽敏感器概念、慣性執行機構的分類等，通過學生的答題結果，掌握學生的預習情況；再次，通過設置一些頭腦風暴，讓學生在討論區進行分組討論，進行思維碰撞，激發學生的學習熱情和積極性；最后，結合本章節的重點和難點內容以及學生的預習情況，教師在線下教學時調整教學內容和授課進度，提升課堂教學效果。

2.課上。針對“飛行器制導與控制技術”課程理論性較強、內容較難的特點，教師在雨課堂的輔助下組織課堂教學。教師用微信掃碼登錄雨課堂，選擇相應班級進行授課，學生通過手機微信掃描課程二維碼簽到進入雨課堂，教師在手機端可以查看課堂情況，實時掌握上課人數，大大節約課堂出勤點名時間［12］。首先，在線下授課過程中，教師通過雨課堂將授課PPT實時推送到學生手機端，針對課程理論性強、內容抽象，相關概念不易理解和掌握的問題，借助航天裝備、航天活動或科研成果闡明相關概念的物理意義，通過數學手段建立對象的系統模型，引導學員凝練相關科學問題，并在一定條件下進行實踐驗證，實現理論與工程、知識與能力的深度融合。同時，對于重點和難點內容，建立了以物理意義為抓手、以數學表征為工具、以科學理論為重點、以工程實踐為檢驗的教學方法，培養學生按照“工程問題—物理問題—數學問題—科學問題—工程問題”解決實際工程問題的能力，增強學習效果。針對本章重難點“航天器主動姿態穩定控制系統”進行詳細講解，尤其是零動量反作用輪三軸姿態控制律、單框架力矩陀螺群的控制律和MSCSG群動力學建模。學生在聽課過程中遇到有疑問或者不懂的地方，通過雨課堂實時反饋給授課教師，教師根據學生對不懂知識點的反饋次數，對難點內容進行重點講解，加深學生的理解，提高課堂時間講授效率。在教學過程中，教師通過雨課堂發布練習題，例如，零動量反作用輪的特點是什么？常用控制力矩陀螺的構型是什么？學生通過手機端答題，教師結合學生的答題情況，實時了解學生對課上所講知識點的掌握情況。同時，為調動學生的積極性，教學內容緊跟國內外最新研究成果，將航天器新型姿態控制、高超聲速飛行一體化設計、捷聯慣導系統復合調制技術、基于渦旋光的新體制探測與制導技術，以及深空探測導航制導等技術的最新研究成果引入課堂，并設置一些討論思考題，充分調動學生的主動性和積極性，激發學生對制導與控制技術的熱情。

3.課后。授課結束后，雨課堂會把課堂教學過程以報告形式推送給教師，教師可以查看學生的出勤、不懂知識點標記、答題情況等，分析學生對重點和難點內容的掌握情況，教師將較難的內容通過錄制音頻等形式上傳至雨課堂進行拓展詳細講解，提升教學效果。為鞏固本章節所學內容，教師通過雨課堂發布課后作業題，主要是關于航天器主動姿態穩定控制系統的相關概念解釋和簡答計算題等，學生完成后以圖片形式上傳至雨課堂。同時，教師授課PPT、視頻音頻資料會保存在雨課堂中，學生可以利用課下碎片化時間隨時查看進行復習。教師還可以根據課上所講內容設置一些討論題目，開展線上討論，比如在講解控制力矩陀螺三軸姿態穩定系統時，讓學生探討：控制力矩陀螺適用于什么擾動力矩情況下的姿態穩定控制？通過這種形式加深學生對所學知識點的理解。教師也可以將一些最新文獻、視頻等資料上傳至雨課堂，拓寬學生的知識面。學生也可以將自己平時的學習心得、有趣的報道等上傳至雨課堂與他人共享，增加學生之間、師生之間的交流，激發學生的學習興趣和學習熱情。

4.考核評價。課程考核采用形成性考核和終結性考核相結合的形式，其中形成性考核成績和終結性考核成績分別占總成績的30％和70％，終結性考核采用閉卷考試的方式，考試題型有判斷題、簡答題和計算題，考查學生對本課程內容的掌握情況。形成性考核成績包括線上學習時長、線上簽到、課前預習、課中回答、隨堂測試、課后作業、課后討論等。對于課前預習情況、隨堂測試情況、課后作業情況等，教師可以通過雨課堂后臺數據進行查看，提高教師的工作效率。學生也可以通過雨課堂后臺數據了解自己的學習情況，及時進行自我調整，提高學習效率。

結語

隨著網絡信息科學技術的飛速發展，高校教師如何綜合利用網絡資源，如何更有效地開展線上線下混合式教學，對教師來說是一個挑戰，需要進行教學模式的探索和研究。本文分析了“飛行器制導與控制技術”課程教學現狀以及存在的問題，探索了雨課堂在“飛行器制導與控制技術”課程中的應用，結合雨課堂貫穿課前—課上—課后的功能，同時通過科研成果、航天活動、航天裝備等進課堂，教師能夠實時掌握學生的知識點掌握情況，及時調整授課內容和進度，實現了課前準備自主化、課堂授課在線化、課后答疑及時化的教學模式，有效利用教員和學員的碎片化時間，達到連貫化教學效果；同時培養學生按照“工程問題—物理問題—數學問題—科學問題—工程問題”解決實際工程問題的能力，激發學生學習“飛行器制導與控制技術”課程的熱情，提高學習效率。

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The Application of Rain Classroom in the Course of Aircraft Guidance and Control Technology

CHEN Lin-lina， REN Yuanb， WANG Li-fena， LIU Zheng-lianga

（a. Department of Aerospace Science and Technology， b. Foundation department， Space Engineering University， Beijing 101416， China）

Abstract： Aircraft Guidance and Control Technology is one of the core courses of the major of aerospace science and technology. The course knowledge covers a wide range， is highly theoretical， abstract and difficult to understand， so how to improve the teaching effect has been concerned. This paper analyzes the teaching status of Aircraft Guidance and Control Technology course， explores the application of rain classroom in the course of Aircraft Guidance and Control Technology， combines the function of rain classroom throughout pre-class， in-class and after-class，and carries out online and offline mixed teaching through scientific research achievements， space activities， space equipment， etc.， to stimulate students’ enthusiasm for learning Aircraft Guidance and Control Technology and cultivate students’ ability to solve practical engineering problems.

Key words： Aircraft Guidance and Control Technology; rain classroom; mixed teaching