航天制導導航與控制實驗課程教學改革探索

摘 要 以卓越工程師培養為目標，結合北京航空航天大學航天制導導航與控制技術實驗室現有資源，闡述提升學生工程實踐能力的專業實驗室教學改革路徑。介紹自研自制設備在專業實驗教學中的推廣應用，設計三段式多元化實驗課程教學體系，完善實驗課程的評價考核體系。結果表明，航空航天類專業實驗室需要進一步強化科研成果向教學的轉化力度，并要合理發揮多元化實驗教學的優勢，為培養航空航天類專業高層次、創新型的人才提供條件保障。

關鍵詞 教學改革；實驗教學；智慧教學平臺；虛擬仿真實驗室

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）20-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2024.20.151

0 引言

為深入推進卓越工程師培養改革，落實卓越工程師培養要求，2022年9月27日，首屆卓越工程師培養高峰論壇在北京航空航天大學舉辦。“卓越工程師教育培養計劃”的主要特點之一是通過實踐強化培養學生的工程能力和創新能力。北京航空航天大學宇航學院作為學校航天類人才培養的重點學院，一直非常重視學生的實踐教學。

航空航天專業是理論性和工程性很強的工科專業，其人才培養的質量很大程度上取決于學生的實踐和創新能力，而這些能力的培養依賴于專業課程的配套實驗教學環節和實踐環節[1]。實驗教學作為培養學生工程能力和創新能力的重要手段，在實現卓越工程師自主培養方面具有不可替代的作用。教學實驗室作為實驗教學的重要載體，是學生工程能力培養的重要場所，因此，多數高校都非常重視專業教學實驗室的建設[2-3]，并取得了一系列可供借鑒的建設經驗和教學成果。

航空航天專業作為工程實用性很強的專業，其實驗教學改革同樣取得了相當多的成果[4-6]。許錦等[7]構建了一套面向航天專業人才實踐能力培養和價值塑造的“三全育人”實踐體系，該體系充分發揮了實踐教學在航天人才培養中的優勢，能為航天專業新工科建設發揮積極作用。李勇等[8]通過與英國航空專業作對比，提出對航空發動機控制系統課程虛擬仿真實驗教學平臺的建設需求。尹肖云等[9]提出基于BOPPPS模式的飛行原理實驗教學方案，通過多環節設計激發學生的持續專注力，并通過趣味化設計、激勵式設計促進學生自主思考，提高動手動腦解決問題的能力。賈高偉等[10]針對航空航天專業的電子信息實驗課進行詳細的課程內容設計和改革，提出基于CDIO的課程綜合構思，創新實驗效果檢驗和評價方案，充實了高校航空航天專業實踐教學改革案例庫。

航空航天專業的研究對象包括火箭、衛星、飛機、導彈、高速飛行器等，這類對象的特點是實驗危險性高、設備建設或研制成本昂貴，這導致大多數航空航天類院校缺乏相應的實驗教學條件，有些院校雖有一定數量的教學實驗室，但大部分實驗對象均為計算機模擬對象，導致學生對研究對象的認識缺乏直觀性，這也是一些航空航天類專業引入虛擬仿真實驗的重要原因之一。且相對其他專業來說，航空航天類專業大多涉及國防安全的重要領域，對接觸人員有身份要求，這也給航空航天類專業人才的實踐培養帶來了挑戰。因此，有必要進一步加強專業實驗室的建設，建立開放有效的運行機制，切實提高學生的工程實踐能力。

1 實驗室現狀分析

北京航空航天大學宇航學院航天制導導航與控制技術實驗室建于2012年，擁有導彈制導控制半實物仿真系統，能夠開展飛行器三維運動、姿態控制和軌跡設計等研究領域的專業實驗和實踐教學。

目前，由于長時間使用導致設備老化，加上前期的校區搬遷帶來的拆裝不到位等問題，導致本專業實驗室的實驗教學存在兩個問題：1）專業實驗設備由于老化和拆裝不到位等問題，導致部分設備處于維修或損壞狀態無法使用，以致無法滿足現有實驗教學和創新實踐需求；2）隨著智能化的快速發展，原有的實驗設計內容已無法適應現在的專業發展水平，實驗教學內容和教學體系亟須緊跟時代需求進行改革。

本文以航天制導導航與控制實驗課程為例，對原有的實驗教學體系進行改革，探索構建以學生自主能力和實踐能力培養為目標的課程教學體系，從教學條件建設、教學體系優化、考核方式改進三個方面開展實驗教學改革研究，從而為本專業人才的培養奠定基礎。

2 實驗教學改革內容

2.1 自主研發實驗設備，提升實驗教學水平

隨著“雙一流”建設的深入推進，高校更加關注儀器設備自主研制在人才培養、科技創新等方面的作用[11-12]。本專業的教學實驗室由于實驗設備老化、實驗條件有限等問題，現有的實驗教學內容與當前的專業發展需求和人才培養目標有一定距離，缺乏創新性。因此，建設新的實驗教學平臺、探討新的實驗教學方法和教學體系，激發學生興趣是實驗室亟待解決的問題。由此，實驗室的教研團隊一直致力于實驗教學條件的建設工作，同時也努力進行著將科研成果轉化為實驗教學資源的研究與測試工作，以滿足本專業實驗教學的發展需求和專業人才實踐能力培養的要求。

實驗室擁有高精度的慣性導航設備，可以在室內的三軸轉臺上進行導航實驗，但GPS定位需要在室外進行。由于三軸轉臺的質量和體積較大，且需要強電支持，無法移至室外進行三自由度導航實驗，因此，實驗團隊設計了方便進行室外實驗仿真的四自由度仿真試驗臺，該試驗臺可以進行三個自由度的姿態角運動，同時可以進行高度方向的上下運動，若再加上人為推動小車在室外進行平面移動，就可以更加真實地模擬飛行器飛行過程中三個方向的姿態角運動和三個方向的位置軌跡運動，使實驗過程更接近真實情況，學生普遍反映實驗效果很好，學生的實驗興趣明顯提高。

儀器設備自研自制的過程本質上是理論在實踐中創新和發展的過程。課程教研團隊通過多年的科研成果積累，將科研項目的研究成果進行轉化，自主設計和建成了能在室內模擬火箭特性的火箭模擬飛行器（圖1），以多個電機來實現火箭推力， 以此設計的火箭模擬飛行器飛行控制特性和以真實火箭數值仿真得到的控制特性基本一致。經過一系列的仿真驗證表明，該自研設備可以用于模擬火箭進行飛行控制方面的研究。基于此實驗環境，對原有實驗內容進行了擴展，可增設火箭著陸制導律設計實驗、火箭剛體姿態控制實驗、推力矢量冗余控制分配實驗、考慮彈性及晃動的姿態控制實驗等內容。同時，也打通了教學和科研之間的轉化途徑，提升了實驗教學質量和科研水平，使科研成果能夠直接為實驗教學服務，提高實驗教學水平。

2.2 設計三段式多元化實驗教學體系，拓展實驗教學內容

實驗室從航天專業特點和人才培養需求出發，規劃設計了適用于航天專業人才培養的智慧教學平臺——尤里卡，平臺框架見圖2，該平臺的兩大核心功能是精準教學和師生互動[1]。該平臺通過分析用戶瀏覽視頻、文檔等資源的時長、頻次、收藏等數據，根據學生興趣推薦其感興趣的同類資源供學生拓展學習，這種方式不僅很好地利用了學生的碎片化時間，且學生更易接受，學習時長明顯增加。平臺的興趣推薦方式使學生對自己的興趣方向更加明確，為后續更深入地對興趣方向進行研究探索提供了前提。

航天制導導航與控制實驗課程團隊依托該平臺的精準教學和互動優勢，設計了課前線上導入、課中實踐深入、課后實驗拓展的三段式多元化實驗教學體系，優化實驗教學手段，最大化地提升實驗課程的作用，使學生能夠通過學習實驗課程提升動手能力，學以致用。

1）課前線上導入階段主要是利用尤里卡智慧教學平臺為學生提供與實驗課程內容相關的專業知識講解視頻、課件、相關文獻、直播課等學習資源，通過尤里卡推薦給學生課前進行預習；實驗課程教師也可通過視頻拍攝和文字講解等形式將實驗操作步驟、實驗安全、問題思考等內容提前制作好，發布在尤里卡智慧教學平臺上供學生課前預習和思考交流。與傳統的提前發送實驗課件和實驗指導書的形式相比，這種預習方式更加直觀高效，學生的預習興趣更高、效果更好，且學生有更多的思考空間，有助于線下實踐課堂的知識深入理解和能力拓展應用。同時，課程團隊通過搜集整理中國航天人物事跡形成了一套《航天故事會》視頻資料，包括三大系列：航天榜樣故事會、航天精神譜系、航天控制科學史。同步發布在尤里卡智慧教學平臺上，推薦學生課前學習，了解中國航天的發展歷程和杰出人物等事跡。這樣的課程思政方式避免了線下思政教育容易的出現生搬硬套、蜻蜓點水或顧此失彼、鹽水分離等問題，實現了潤物細無聲的課程思政效果。

2）課中實踐深入階段教師重點講解學生在預習時遇到的共性問題和難點問題，同時通過PBL（Problem-Based Learning，問題驅動教學法）實驗模式引入典型案例，引導學生自主解決問題，重視學生個體思維和自主思考能力的培養。實踐教學中，教師將實驗過程以“分—總”的形式進行，分實驗培養學生單獨解決問題的能力，總實驗通過分組方式完成，培養學生的團隊協作能力。具體的，通過分實驗的方式將實驗內容分為三大部分：導航實驗、控制實驗、制導實驗。每一部分的實驗均涉及本專業的一個重要研究領域，且每一部分實驗內容的設計都按照“認知實驗—原理性實驗—綜合性實驗”這種層層進階的方式進行，學生易于上手。最后通過“飛行器自主著陸跟蹤控制”這一綜合性實驗完成導航、制導與控制三個專業領域知識的整合，這也滿足了航天導航制導與控制專業一體化設計的工程需求。實驗課程中學生不僅有獨立完成的實驗，也有團隊合作完成的實驗，學生的獨立思考能力和團隊協作能力都得到了培養和鍛煉。

3）課后實驗拓展階段主要通過尤里卡智慧教學平臺和引入外部優質虛擬仿真實驗資源實現。課后，教師通過尤里卡智慧教學平臺發布課后思考題目、實驗過程討論題目等，通過平臺互動功能深化實驗過程和重點知識，加深學生對實驗內容的認識和理解。同時，虛擬仿真實驗作為線下實驗的有益補充，其內容大部分來自前沿科研和技術成果，拓展了傳統實驗教學的深度與廣度[13]。因此，在課后的拓展環節也引入了國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺“實驗空間”（www.ilab-x.com）的虛擬教學資源。這樣虛實結合的實驗內容設計，不僅滿足了實驗課程的教學目標要求，彌補了線下實驗教學硬件資源的不足，同時能夠讓學生更直觀全面地了解本專業實驗的特點，也發揮了國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺的作用。

通過上述三段式多元化教學體系設計，形成了如圖3所示的實驗教學體系，這種教學體系集成了傳統課堂教學和線上教學的優勢，極大地提高了教學質量和教學效果，已經成為高校實驗教學改革的重要研究方向之一。

2.3 完善課程評價體系，增強學生自主意識

傳統的實驗課程考核大部分以提交實驗報告的形式進行，考核形式單一，學生學習積極性較低。本課程考核體系突出“以學生為中心”的過程考核模式，采用過程性和階段性相結合、形成性評價與終極性評價相結合的實踐教學全過程跟蹤評價方法，實現多元化的考核。在實踐教學過程中，通過階段性地開展學習心得交流活動，增強生生之間、師生之間的互動和交流，提升學生的自主學習能力。

1）學生的課前預習和思考互動情況，可以通過尤里卡智慧教學平臺的后臺統計分析功能直接查看，可以查看學生對某個視頻或文獻的學習時長、頻次等數據，同時可以發布課前實驗過程設計理論問題思考、航天典型案例問題思考等，以便學生在預習之后進行思考，也為后續的實踐課程作鋪墊。課前預習部分成績占總成績的10%左右。

2）課中的實踐環節是實驗課程的重要階段，課中設置了獨立實驗環節、分組實驗環節，同時加入分組討論、組間問題交流、階段性成果匯報、終極答辯等環節，了解學生對專業知識的掌握程度。實驗過程不僅培養了學生的專業知識學習能力、實踐能力、解決問題能力、創新能力，同時，通過分組實驗、分工協作、組件匯報交流等形式，也培養了學生的PPT展示能力、團隊協作能力、總結提煉能力等，這些都是學生后續工作或繼續深造不可或缺的能力。考核結果不僅看實驗報告和結論，還要看學生的實驗過程互動性、參與程度和同學間的相互評價等過程性表現。課中實踐環節的階段性成績占比最高，約占80%。

3）課后環節評價主要包括兩部分：一部分是學生對于實驗過程中的問題的課后思考和交流，主要通過尤里卡智慧教學平臺的后臺數據分析和處理功能查看；另一部分是拓展的虛擬仿真實驗環節，教師可以在國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上，依托平臺提供的國防科大開發的國家級一流本科課程——飛行力學（航空制導彈藥制導系統虛擬仿真實驗），結合專業實驗課程的具體目標和需求，創建一門校內虛擬仿真實驗課程，創建的課程可以進行課程內容的再建設、班級管理、課程作業及批改、答疑討論、成績管理等操作，還可以進行教學質量分析和數據統計，學生的學習時長和實驗成績也可以在系統中直接體現。課后環節部分成績約占總成績的10%。

3 實驗教學改革的效果

通過本輪次的實驗課程改革，2023年春季的實驗課教學效果明顯提高。具體表現在：通過自制或改制實驗設備拓展實驗內容，增加實踐性更強的教學平臺，學生實際動手操作的環節明顯增加，學生的整體參與度更高、積極性更強，這也是實驗教學改革最期望的效果，學生能通過實踐環節更好地理解和運用所學知識，極大地激發了專業學習興趣。

課程設計的三段式多元化實驗教學體系，線上多方位的資料學習深化了學生對專業知識的理解和應用，使線下實驗課程的教學效果明顯提高，學生對實驗原理等部分在課前已充分掌握，可以把有限的課堂時間都運用在動手實踐上，有效實驗課時增加，學生的實踐過程更深入具體。同時，引入的線上平臺互動交流方式靈活，學生互動交流興趣明顯提高，改善了部分學生不善于面對面交流帶來的線下交流不夠的問題，使學生有問題可以多途徑地與同學和老師進行溝通。同樣地，三段式多元化實驗教學體系也為教師提供了更多的教學手段和資源，構建了多種更加靈活多樣的教學模式，促進了教師的創新思維和教學設計能力的提高。

此外，虛擬仿真實驗由于不受場地、設備等的限制，實驗設計場景真實性、全面性、精確度等方面都明顯優于線下實驗，提高了實驗的準確性。課程通過拓展課后的虛擬仿真實驗部分，使學生可以隨時隨地地根據需要進行實驗，有效地提高了實驗效率；同時，虛擬仿真實驗部分能夠把專業實驗中比較危險或難以進行實物仿真的部分通過虛擬仿真技術體現出來，使學生對本專業的理解更加全面深入，學生前期學到的專業知識得到拓展應用。

4 結束語

在新時代背景下，加強和完善航空航天類專業教學實驗室建設是一項迫在眉睫的任務。本文在明確航空航天類專業特點的基礎上，分析了現有實驗課程及其存在的問題，并給出了實驗教學改革的思路，為航空航天類專業學生實踐能力的培養提供了課程建設經驗。從效果上看，航天類實驗室要充分利用科研成果，實現科研成果的教學轉化，為培養優秀的專業人才提供平臺和支撐。同時，也要合理利用線上教學平臺和國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺，與線下的實踐教學互為補充，這種多元化的教學體系為學生提供了更加靈活、高效和個性化的教育，激發了學生的學習興趣。

5 參考文獻

[1] 張冉，張蕊，李惠峰.航天專業混合式智慧教學模式探討[C]//第三屆全國高等學校航空航天類專業教育教

學研討會論文集.北京：北京航空航天大學出版社，

2022：519-527.

[2] 高帆，趙法剛，耿彥峰.地方綜合性大學實驗教學改革

與實驗室建設探索與實踐[J].實驗室科學，2019，22（6）：

151-154，157.

[3] 趙良玉，唐勝景，王偉，等.航空航天類專業本科教學

實驗室建設與思考[J].實驗科學與技術，2014，12（6）：

187-190.

[4] 王鼎杰，張洪波，吳杰.航空航天類專業課程實踐教學

改革研究：以航天導航應用項目課程為例[C]//第三屆全國高等學校航空航天類專業教育教學研討會論文集.北京：北京航空航天大學出版社，2022：714-720.

[5] 王偉，陳柏霖，高峰，等.航空航天類專業制導控制室內外半實物仿真實驗技術研究與應用[J].實驗室研究與探索，2021，40（12）：115-119，125.

[6] 呂新穎，張曉暉，余文勝.航空航天方向本科實驗教學改革探討[J].中國教育技術裝備，2022（14）：131-134.

[7] 許錦，孟中杰，李偉，等.面向航天專業的“三全”實

踐育人體系探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2022，

41（8）：191-198.

[8] 李勇，馬震宇，韓非非，等.航空發動機控制系統課程

虛擬仿真實驗教學平臺建設建議與研究[J].高教學刊，

2022，8（1）：5-8.

[9] 尹肖云，鄒強，白曉瑞，等.BOPPPS模式下飛行原理課

程虛擬仿真實驗教學設計[J].實驗室研究與探索，

2023，42（2）：253-257.

[10] 賈高偉，楊希祥.航空航天專業開展電子信息實驗課的教學設計[J].大學教育，2021（9）：101-103.

[11] 王文君，冉棟剛，付慶玖，等.高校自研自制儀器設備

的創新管理與實踐[J].實驗室研究與探索，2022，

41（6）：301-305.

[12] 屠美玲，楊阿三，李琰君，等.協同發展理念下高校自

制科研設備開放共享模式探索[J].實驗技術與管理，

2019，36（1）：184-187，208.

[13] 熊宏齊.基于虛擬仿真的線上線下融合專業實驗教學體

系構建[J].實驗技術與管理，2022，39（3）：5-10，25.

*項目來源：2022年北京航空航天大學宇航學院教改項目“《航天制導導航與控制實驗》線上線下混合教學模式探索”（4305086）。

作者簡介：張冉，博士，副教授；張蕊，通信作者，講師。