問題牽引式教學法在電航儀器課程教學過程中的應用

0 引言

航海裝備教學是培養軍事航海指揮人才的重要環節[，內容涵蓋十幾種艦船航行必備的導航裝備。其中電航儀器課程作為航海裝備教學的核心組成課程，主要包含陀螺羅經、平臺羅經和慣性導航系統（慣導）三種典型的航海裝備。三種裝備原理抽象、相互關聯，知識體系橫跨物理、數學、信息技術等多個學科領域，要求學員具備高度的跨學科綜合素養和積極探索的思維邏輯。在實際教學過程中發現，部分學員因獨立思考能力和自主學習能力相對較弱，難以深刻理解這些裝備復雜的工作原理，進而在后續的實際應用及崗位任職中缺乏系統的理論指導與自主學習新裝備的能力。針對這一教學現狀，課程組在課程教學準備過程中引入問題牽引式教學法，通過圍繞教學目標和知識點層層設問，引導學員積極思考、主動探索，較為全面掌握課堂的教學重點、難點和注意事項等。同時，學員的創新思維和分析解決問題的能力也在探究過程中得到大幅提升。

1問題牽引式教學法概述

1.1問題牽引式教學法的基本特點

問題牽引式教學法是一種以問題為牽引和主線組織教學的方法[2]，由蘇聯教育家馬赫穆托夫提出的問題教學法演變而來[3，強調將解決問題作為引導教學的基本過程。該方法通常具有以下幾個特點。

1.1.1 以問題為中心

教學過程主要圍繞源于實際情境或者學科知識的問題展開。在教學準備過程中，教員可以把教學內容有效拆解，并設計成一系列問題，通過一個個問題牽引學員去思考和探索。

1.1.2 以學員為主體

在課堂探究過程中，學員在教員的引導下主動參與學習過程，自主發現、分析和解決問題。其中，探究的教學問題雖然可能是由教員預先設計的，但是設計需要結合學情分析進行，保證課堂的實施以學員為中心。

1.1.3 以教員為主導

在教學過程中，教員的角色是教學活動的組織者、指導者及評估者[4]，引導學員分析和解決問題，并逐步發現和解決新的問題，同時對學員的探究活動進行評價及肯定。

1.1.4 自主和探究學習

通過問題的創設，打破常規教學的沉悶氣氛，激發學員的學習興趣。此時學員在教員引導下可以通過自主查閱、獨立思考、小組討論、合作探究等方式參與問題的探究過程，在問題解決的同時逐步培養獨立思考、批判性和創新性思維能力。

1.1.5 展示與評價

在教學實施過程中為學員提供更多的機會展示自己或者小組的探究成果，教員與其他學員進行相應評價，達到良好的知識交流和思維碰撞的目的，同時可發現和解決問題。

1.2問題設計的基本原則

問題牽引式教學法以問題為主線組織教學，因此，最核心的部分是如何有效設計問題[5。通過一系列的教學研究和實踐發現，問題的設計需要遵循以下幾點原則。

1. 2. 1 圍繞教學目標設問

通過圍繞教學目標設定，使得問題的設計更加具有針對性，也就是能反映學員當前要研究學習的知識點。例如，對于一個新裝備、新系統的學習，通常大家心中都會有這么幾個問號：“該裝備是什么？它是如何實現功能的？應用過程是否存在什么問題？如何解決問題？”這是最基礎的教學問題鏈設計，也是最能體現教學目標的問題鏈設計。當然，由于裝備原理的復雜性，在實際的原理探究過程中還會進一步細化問題設計，尤其是要突出體現課堂的重難點，從而引導學員更好地掌握重難點內容。

1.2.2 結合學員學情設問

在教學準備過程中，教員會通過調查問卷、課前雨課堂測試等方法，結合以往教學經驗，全面了解學員的知識基礎和預習情況，問題的設計正是在此基礎上進行的。結合學員的學情設計問題，使得設計的問題對于學員更加具有針對性和貼合性，既適合他們入手探究，又富有一定的挑戰性。這樣一來，他們在探究過程中才不會因為問題過于簡單而缺失興趣，也不會因為完全無法理解問題而喪失探究的動力，從而在教員引導下逐步探究解決好問題，進而萌發自豪感和進一步的探究欲。

1.2.3 問題設計呈陀螺上升態

一堂好課會讓學員沉浸其中，這就要求教員在教學設計過程中能夠把該堂課中蘊含的思維邏輯捋順，而不是僅僅按照教材的前后邏輯去講解。在此過程中也要符合學員一般性的思維邏輯，然后根據要探究的知識點邏輯去設計問題鏈，由此設計的問題必將是逐步鋪設、由淺入深、呈螺旋上升狀的。問題鏈能夠引導學員在探究解決問題的過程中不斷發現、探究和解決新的問題，最終完成對所有知識內容的探究學習，進而提升發現解決新問題的能力。

2 問題牽引式教學法在教學過程中應用的實例

本文以“陀螺羅經指北原理”一課的教學設計和實施為例，具體闡述問題牽引式教學法的應用。

2.1 教學目標

本節課的主要教學目標為理解陀螺羅經是如何實現指北功能的，具體分為知識、能力和情感三維目標。

2.1.1 知識目標

能描述陀螺儀的兩大特性；會分析視運動現象對陀螺儀主軸指北的影響；能說出控制陀螺儀主軸找北指北的方法，即施加力矩的方法。

2.1.2 能力目標

通過將陀螺儀發展成陀螺羅經的過程分析，學會問題牽引的探究學習方法；通過施加力矩方法的探究，學會利用逆向思維思考解決問題。

2.1.3 情感目標

在學習過程中感悟探索與創新精神對軍事裝備發展的重要意義。

2.2 學情分析

2.2.1 地位作用

電航儀器課程主要包含陀螺羅經、平臺羅經和慣導三種典型航海裝備，三個裝備最基礎的理論核心就是利用陀螺儀實現穩定指北，也就是本節課探究的內容。

2.2.2 已有知識

本節課中應用到的剛體、力矩及慣性空間等概念，學員在大學物理課程中已經學習過，具備良好的知識基礎，本節課需將前序知識進行回顧并靈活運用。

2.2.3 重難點分析

基于之前的教學經驗可知，學員在本節課學習過程中通常存在以下幾個問題。

1）對慣性空間等概念理解并不透徹，導致對陀螺儀特性的理解有偏差，而特性是理論基礎，能否完全理解陀螺儀特性決定了能否利用陀螺儀發展為陀螺羅經，也是本節課的重點內容。

2）部分學員空間想象力不足，導致對陀螺儀視運動現象無法直觀認識，而視運動的分析是發展陀螺羅經中最關鍵的問題，因此，這是本節課要解決的一個難點。在把握特性和了解視運動規律的基礎上，可以通過施加力矩的方式控制陀螺儀主軸始終穩定指北。但是，如何施加力矩？學員容易走入誤區，再加上需要逆向思維，因此，施加力矩方法是本節課的第二個難點。

2.3 問題設計

圍繞將陀螺儀發展成陀螺羅經這條主線，精心設計四個問題將陀螺儀特性、視運動規律和力矩施加方法三部分內容有機融合，幫助學員在四個問題的探究過程中達成學習目標。問題鏈設計如圖1所示。

圖1陀螺儀發展為陀螺羅經的問題鏈設計示意圖

問題1：為什么要用陀螺儀指向？引出陀螺儀指向性的探究，有了指向性，因此可以用陀螺儀指北，從而提供測量基準。

問題2：陀螺儀主軸指北后，一段時間后是否仍能穩定指北？引出陀螺儀視運動的探究，分析發現在視運動作用下，地球上觀測的陀螺儀主軸并不能穩定指北。

問題3：如何克服視運動，從而使陀螺儀穩定指北？引出陀螺儀進動性的探究，確立施加力矩的思路。

問題4：如何施加力矩？引出力矩施加方法的研討。

通過不斷發現問題、分析問題和解決問題，最終完成主體內容的探究，達成本節課的教學目標。

2.4 方法手段

針對陀螺儀特性這一重點內容，采用教具演示的方式幫助學員直觀看到現象，深度理解規律特性。針對視運動分析和施加力矩這兩部分難點內容，采用類比太陽分析、動畫演示的方式幫助學員找到克服視運動的方法，實現陀螺羅經的找北指北。

2.5教學實施過程

2.5.1 課堂導入

介紹陀螺羅經的發展背景。當時人們為了走向大洋，勇于探索的先輩們探索出兩條路：一條是研究磁羅經自差的原理和校正方法，此部分內容在助航儀器課程中已經學習過；另外一條路就是探索一種不依賴地磁力指向的航海儀器，也就是發明了利用陀螺儀指向的陀螺羅經。陀螺羅經精度往往比磁羅經高很多，因此自陀螺羅經問世以來，被廣泛應用在各種艦船上，是艦船上主用的指向儀器。由此激發學員的學習興趣并聚焦本節課的探究目標：陀螺羅經是如何利用陀螺儀實現指北的？

2.5.2 回顧舊知

陀螺儀示意圖如圖2所示，關于陀螺儀的定義及主軸的指向判斷在大學物理課程中已經學習過，因此主要通過提問的方式進行回顧，并引出問題鏈中的第一個問題：為什么要用陀螺儀指向？

圖2陀螺儀示意圖

2.5.3 求證新知

問題1：為什么要用陀螺儀指向？

主體內容1：陀螺儀特性——指向性。通過陀螺儀教具演示陀螺儀指向性現象，并給出指向性的文字定義：高速旋轉的陀螺儀在不受外力矩作用時，主軸指向慣性空間的方向不變。在指向性學習基礎上，根據一般性思維邏輯進一步引出問題2。

問題2：假設陀螺儀主軸已經指北了，一段時間后主軸還指北嗎？通常學員會給出兩種不同的答案。強調陀螺儀指向性針對的是慣性空間，地球顯然并不是慣性空間。因為地球存在自轉現象，所以人們會肉眼看到太陽的東升西落，并把這種現象稱為太陽的視運動。道理同樣適用于陀螺儀。陀螺儀主軸在慣性空間指向不變，但人們站在地球上觀察陀螺儀主軸指向，由于地球的自轉，肉眼看到的陀螺儀主軸指向也會隨時間發生變化，同理稱為陀螺儀的視運動。

在地球上，陀螺羅經主軸要時刻指北，才能為艦船提供測量基準。因此得出結論：陀螺儀指向性與陀螺羅經指北描述的并不是同一回事，二者之間的主要區別如圖3所示。

為了將陀螺儀發展成陀螺羅經，需分析陀螺儀主軸視運動規律。

主體內容2：陀螺儀視運動規律。記地球自轉角速度為 ω_e ，在北半球任選 M 點，記緯度為 φ ，則M 點處的自轉角速度同樣為 ω_e ，如圖4所示。

圖3陀螺儀與陀螺羅經原理對比示意圖

圖4地球自轉角速度分解

將 ω_e 分解，則有垂直分量 ω_eZ=ω_e?sinφ ，水平分量 ω_eN=ω_e?cosφ 。從圖4可以看出，子午面以角速度 ω_eZ 轉動，因此一段時間后子午面北端向西偏轉一個角度，根據相對運動關系，理解為 ω_eZ 使主軸向東。地平面以角速度 ω_eN 轉動，使地平面東部下降、西部上升，根據相對運動關系，理解為ω_eN 使得主軸東升西降。在分析完視運動規律后，自然的思路就是去克服視運動，實現陀螺儀主軸的找北指北，也就引出問題3。

問題3：怎樣克服視運動，使陀螺儀主軸可以始終穩定指北？采取的方法是利用陀螺儀的第二個特性一進動性，自然引出對進動性的分析。

主體內容3：陀螺儀特性一進動性。同樣通過陀螺儀教具演示陀螺儀進動性現象，并給出進動性的文字定義：轉子高速旋轉時，如果受外力矩作用，主軸不再向著力的方向運動，而是向著外力矩的方向進動。有了進動性，就可以通過施加力矩的方式，使主軸按一定規律進動去找北指北。

問題4：如何施加力矩實現陀螺羅經的找北指北？引出施加力矩方法的研討。

主體內容4：施加力矩的方法。這里為學員小組研討環節，根據學員研討的實際情況進行引導分析，通常學員會給出三種分析思路。

1）主軸不能穩定指北的根本原因是 ω_eZ 的存在， ω_eZ 會使主軸逐漸偏離真北，施加一個控制力矩使主軸進動產生的自轉角速度方向與 ω_eZ 方向相反，大小與 ω_ez 相等，從而抵消 ω_eZ 的影響，使主軸始終指北。引導學員分析該方法中由于羅經安裝在艦船這樣的動基座中，初始并不知道北在哪，因此只能使陀螺主軸儀保持在初始方向，并不能使陀螺儀主軸自動找北指北。

2）測量主軸偏離子午面的角度 a ，根據其方向和大小，施加一個與 a 成比例的力矩，使主軸進動找北（即主軸偏東，施加向西的成比例的控制力矩）。分析該方法同樣由于不知道北在哪，其實檢測不出 a 的大小和方向，也就無法施加控制力矩。

3）類比太陽，由于視運動太陽每天東升西落，因此可以根據太陽的上升和降落狀態，判定太陽位于東部還是西部天空。同樣由于陀螺儀視運動使得主軸東升西降，因此可以根據主軸的上仰或者下俯，也就是俯仰角 θ 的變化，判斷主軸此時是偏東還是偏西，判斷完畢后就可以根據進動性去施加一個方向相反的控制力矩 M_y=-K_y?θ ，使主軸進動找北指北，最終可以實現利用陀螺儀主軸提供測量基準的目標。至此，通過四個問題的牽引，一步步啟發學員思考，推動主線發展，幫助學員在四個問題的探究過程中達成最終的學習目標，思維過程呈螺旋上升狀態。

2.5.4 應用新知

給出一個陀螺羅經在高緯度地區應用的實際案例，要求學員利用前面所學原理分析其在應用過程中指向誤差較大的原因，進一步檢驗課堂學習質效，并引導學員將原理學習轉化為實際應用。回顧原理可以發現，隨著緯度 φ 增高， ω_eN 角速度分量會變小，造成的俯仰角 θ 變化小，因此施加的找北力矩 M_y 非常小，主軸的找北能力變差，導致陀螺羅經指向能力變差。如何解決極區航海導航出現的問題？學員課后需要結合學習資料進一步探究學習，從而達到融會貫通的目的。

2.5.5 課堂小結

從知識、方法、情感等方面進行小結，強調在學習探究過程中，陀螺儀到陀螺羅經這條主線是核心，陀螺儀兩大特性是基礎，視運動分析是關鍵，檢測俯仰角施加力矩是方法，最后落實到航海應用是航海人員的根本任務。

3 結束語

問題牽引式教學法在電航儀器課程教學中的實踐應用，不僅是對傳統教學模式的一次有益探索與革新，更是培養新時代軍事航海指揮人才的重要途徑。通過構建以問題為中心的教學體系，學員在主動探索與積極思考中實現知識的內化與能力的提升，為未來的崗位任職奠定堅實的基礎。未來，課程組將繼續深化教學改革，優化問題牽引式教學法的設計與實施，并進一步靈活運用其他新的教學方法與策略，最大限度地提升課堂質效，為培養更多高素質、創新型軍事航海人才貢獻力量。

4參考文獻

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