能力目标导向的“导航原理”课程改革实践

［摘 要］ 理工科专业基础方向课程要注重培养学生认识问题、分析问题和解决问题的能力。“导航原理”是我校导航工程专业基础方向课程，为了聚焦课程的能力目标，培养学生的思维能力，在教学过程中，以能力目标为导向，基于OBE理念进行课程的教学改革，从优化课程内容的联系和引导学员归纳得到一般规律等两个角度进行探索与实践。有效落实课程的能力目标，培养学员归纳与演绎的科学思维，激发学员的学习兴趣，贯彻课程思政理念。

［关键词］ OBE理念；教学目标；课程思政；导航原理；归纳与演绎

［作者简介］ 谷文堃（1984—），男，山东济南人，博士，空军工程大学信息与导航学院副教授，主要从事导航技术研究；吴德伟（1963—），男，吉林省吉林市人，博士，空军工程大学信息与导航学院教授，博士生导师，导航工程学科带头人，主要从事智能导航和量子导航研究；苗 强（1981—），男，山东滕州人，博士，空军工程大学信息与导航学院副教授，硕士生导师，主要从事导航技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2024）04-0059-04 ［收稿日期］ 2022-11-14

引言

教学目标是教学活动的中心导向，教育学家布鲁姆将教学目标分为认知领域、动作技能领域和情感领域三类，分别对应知识目标、能力目标、价值目标［1-2］。理工科专业基础方向课程的教学目标因其课程地位，具有特殊性。在教学过程中，要注重引导学生对知识内容进行归纳，得到一般性原理和方法，力求“授之以渔”。因此，在专业基础方向课程教学中，能力目标显得尤为重要。

教育部在《高等学校课程思政建设指导纲要》中明确指出，要结合专业特点分类推进课程思政建设，理学、工学类专业课程要在教学中，提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力［3］。可见，能力目标是课程思政的重要组成要素。因此，突出抓住课程教学的能力目标，也是实施课程思政的要求［4］。

基于此认识，本文以导航工程专业基础方向课程“导航原理”为例，针对其课程特点，基于OBE理念，聚焦课程要求的能力目标，对教学各环节进行逆向设计。

一、“导航原理”课程性质和特点

“导航原理”是我校面向导航工程本科学员开设的必修核心课程。课程的内容覆盖光、电、磁、力等多个领域，以数学知识和物理概念为支撑，对本专业基础方向理论进行系统化介绍［5］，主要包括：导航的数学基础、导航的物理基础、导航测角原理、导航测距原理、导航测速原理、导航定位原理、组合导航原理、飞行器导航控制应用、导航的发展与运用等相关内容。课程具有内容多、体系大、结构复杂的特点，涉及很多数学物理模型和处理方法。

鉴于“导航原理”课程的特点，如果采用传统教学模式，容易出现以下问题：学生能够理解掌握用不同模型、方法解决某一特定导航问题，但对不同模型、方法之间的联系缺乏认识，导致学员对分析处理问题的一般性规律理解不深刻，不易进行归纳以及形成系统性的科学逻辑思维。另外，不利于学员主动探索课程新旧知识的内在联系，形成自主学习的习惯。

二、基于OBE理念的“导航原理”课程改革实践理念

针对以上问题，在课程教学过程中，确立并聚焦课程的能力目标，以培养学员归纳与演绎的科学逻辑思维这一能力目标为导向，基于OBE理念进行改革探索［6-7］。

归纳与演绎是唯物主义辩证思维方法。归纳是个别到一般的推理，是从许多个别或特殊事物概括得出一般原理或本质的思维方法，目的是对现象进行总结，认识本质、规律；演绎是从一般到个别的推理，目的是应用一般原理或者本质，来推断特殊事物是否也具有相同属性［8］。

在教学中，虽然课程内容不尽相同，但如果深挖它们的本质，就会发现一门课程中或者不同课程中，许多内容或多或少存在联系，也就是存在相同的数理模型或者处理思维、方法。教师要引导学生深挖课程内容背后的本质并进行归纳，得出一般性结论，在今后的学习中运用结论进行演绎，推及个别。这是归纳与演绎的科学思维和学习研究方法，也是知识循环往复、不断深化的过程，同时是突破能力目标、体现课程思政的过程。

“导航原理”课程中的“频率式测距”是导航测距原理中的重要内容。收发一体的测距系统将收发信号进行合成，根据频率变化解算出收发时延，从而得到距离。此外，学生在公共基础课“大学物理”中学习过“简谐振动的合成”。弹簧振子运动和单摆运动就是典型的简谐振动。任何复杂的振动都可以看作多个简谐振动的合成。不难看出，“频率式测距”和“简谐振动的合成”虽然属于不同课程的内容，但如果深挖两个特殊现象的本质，就会得到一般规律，即它们的数学模型是一样的，都是两个三角函数的叠加，它们的区别仅在于这个三角函数的“载体”，一个是电磁波，一个是机械振动，进而推广到一般的时域波形，即一切时域波形都可以用不同振幅和频率的正弦波进行叠加拟合，再与“信号与系统”中的“傅里叶变换”和“高等数学”中的“泰勒级数”建立联系。

不仅“频率式测距”和“简谐振动的合成”存在联系，“导航原理”课程的很多内容与其他课程的内容都存在联系。比如“导航原理”课程中组合导航和测距定位的最小二乘估计都蕴含着“系统、信息冗余处理”的思想；“导航原理”课程中“码相关测距”和“匹配导航定位”都体现了数学上的匹配相关处理的模型，不同的只是“码相关测距”处理的是一维数据，而“匹配导航定位”处理的是二维数据，“信号与系统”课程的相关函数的概念也是基于这个处理模型。

基于以上认识，在教学中从以下两个方面进行实践探索。

（一）优化课程内容的联系

基于“导航原理”课程内容间的联系，在教学过程中，按模块划分课程教学内容，注重学习者的感受，梳理各章节的脉络，使知识体系更加合理完备。其中，“数理基础”模块包含课程所必需的数学和物理基础知识及概念；“导航参量”模块对应导航测角、测距、测速的方法和策略等方面的内容；“时空基准”模块通过综合应用所获取的导航参量，给出导航用户的时空基准，例如，基于测距的卫星导航系统，又例如基于测距测向的塔康系统，等等；“用户体验”模块则是站在导航用户角度，了解如何对多种导航传感器提供的信息进行有效融合，进而控制运行体做出对应行为动作。

教学手段上，充分利用线上“导航原理”慕课资源开展混合式教学，能够体现差异化学习，让学员更好地进行过程性学习，温故知新，有利于学生准确把握课程内容体系。

（二）引导学员归纳得到一般规律

在传授知识的同时，教师要注重学习积累，深挖不同内容蕴含的相同处理方法和模型，引导学生建立知识点的联系，并归纳得到一般性的结论。这是激发学员固有认知经验，使其过去所学内容与当前的相似信息建立起联系的过程。教育学家布鲁纳认为，课程改革的重要目的是使学生获得发现的兴奋感，也就是发现对事物固有认识的未知联系的规律性，这能够极大地激发学生学习的兴趣。斯金纳提出了强化理论，以期让学生形成探索事物发展规律相似性的学习动机，提高课堂学习的灵活性；我国教育家陶行知也指出：“另一种是只管教，不问学生兴趣，不注重学生所提出问题的错误倾向。”“先生的责任不在教，而在教学，而在于教学生学。”可见，激发学员学习的兴趣动机中的重要一条是发现所认识事物之间、所学知识之间的联系，这也是培养学生归纳与演绎的科学思维的过程。教学中，在知识目标的基础上，聚焦培养学员归纳与演绎的科学思维这一能力目标来设计教学方法，引导学生发现联系，得到一般性结论，对学生理解消化课堂内容、培养自主学习能力、激发学习的积极性有很大帮助。

三、“导航原理”课程改革实例——“频率式测距”教学设计

为体现以上理念，下面以“频率式测距”内容的教学设计为例介绍“导航原理”课程改革实践。

（一）教学目标与内容设计

“导航原理”课程第五章《导航测距原理》的第二节：无线电导航测距，其中本主题“频率式测距”为1学时。课前通过雨课堂发布任务，预习“导航原理”慕课本节视频，完成测试题。

1.教学目标。（1）知识目标：使学员掌握频率式测距的概念及与脉冲式测距方法的不同；掌握频率式测距的实现方法；了解频率式测距的基本性能。（2）能力目标（思政元素）：通过频率式测距概念的引入，培养学员的间接性思维，即通过一定的中间媒介物和相应的知识经验，达到了解事物本质属性、把握事物发展规律的能力；收发信号的叠加与“大学物理”课程中简谐振动的合成具有相同的模型，教学中注意引导学员发现并归纳得到相通的数学物理模型，培养归纳与演绎的科学思维；通过引导学员分析利用幅度或相位提取高度的难易程度，培养学生通过对比分析，设计方案解决工程问题的思维和能力。（3）价值目标（思政元素）：介绍我国航天领域自主研发的嫦娥五号和神舟十二号应用的伽马高度计，以及嫦娥五号探测器和天问一号搭载的我国自主研发的着陆雷达，都利用了本节课的频率式测距方法，激发学生的理论研究热情、职业认同感和民族自豪感。

2.教学内容。（1）频率式测距基本概念。（2）频率式测距实现方法——以正弦调频测距为例。（3）频率式测距的应用。

（二）教学实施过程与课堂组织

讲评“导航原理”慕课预习情况，包括视频观看和测试题，针对反馈的问题在课堂上有侧重地进行讲解。

课程导入：介绍两起飞行事故案例，两起飞机坠毁事故都与高度信息精确性有关，从而引出进行高度测量的无线电高度表，采用的测距方法就是频率式测距。

首先，对比频率式测距和上节课学习的脉冲测距，频率式测距的优势：噪声对频率式测距影响较小；发射更大带宽的调频信号能实现高分辨率。引出频率式测距概念，即测量调频信号的频率值，间接建立时延与距离的关系。通过概念的引入，培养学生的间接性思维，即通过一定的中间媒介物和相应的知识经验，达到了解事物本质属性、把握事物发展规律的能力。

介绍频率式测距在导航中的典型应用——调频式无线电高度表。通过介绍无线电高度表的组成结构，引出频率式测距的实现方法：通过将收发的调频信号进行相干处理，得到瞬时频率，利用频率调制关系得到收发时延。

然后，以典型频率调制信号——正弦调频测距为例，重点讲解频率式测距的实现方法，即通过加法器实现正弦调频信号收发的相干处理。发射信号和接收信号的叠加过程与“大学物理”中简谐振动的合成的模型是相同的，引导学生进行总结归纳，从而得到一般性结论：任何一种周期性的运动，都可以分解成一系列简谐振动的合成，同样，任何一个周期信号，都可以用一系列正弦信号来合成，这就是“信号与系统”中学习的傅里叶变换和傅里叶级数的本质。如果理解傅里叶变换，就不难理解“大学数学”里的泰勒级数，它是将一个函数分解为无限的单项式加权的和。其中体现的就是归纳与演绎的科学思维。如果我们将两个不同课程的内容建立联系，归纳得到一般性结论，就可以用演绎的思维再去理解特殊现象，达到融会贯通的目的。

收发叠加信号的相位和幅度中均包含高度信息，引导学员思考通过哪个量来提取高度、如何提取。经过分析，在叠加信号的相位化简后的表达式中，提取高度比较困难，应该从幅度入手。通过对比分析，让学员理解，在将理论进行工程实现的过程中，应该综合对比几种可行方案的实现难度、硬件复杂度等因素。然后通过微课，演示脉冲计数提取高度信息的原理，即频率计工作原理，从而突破教学难点。

接下来对频率式测距方法的性能进行分析，通过介绍改善频率式测距性能的方法，即降低阶梯误差和最小可测距离的方法，引出本节课拓展知识——等差频FMCW测距技术和γ射线高度计，让学员课下查阅资料进行了解。通过介绍γ高度计在我国嫦娥五号、神舟十二号的着陆器中的应用，激发学生的理论研究热情和民族自豪感。

最后，介绍频率式测距的应用。频率式测距在我国许多前沿领域都有应用，比如南极科考的探冰雷达，以及嫦娥四号、天问一号的着陆雷达，都是我国自主研发的应用频率式测距原理的设备。让学生知道本次课学习的内容在祖国前沿科技领域发挥了作用，激发学生对自己未来职业的价值认同，以及对国家的责任担当。

课程小结：现代飞机广泛采用了近地警告系统（GPWS），确保飞行安全，呼应本节课的引入——飞行安全和高度测量精确性的话题。总结授课内容及重点和难点，以及课程目标，布置课后作业和思考题。