开放式研讨法在飞行仿真实验教学中的运用

［摘 要］ 为提高飞行力学课程建设水平，强化学生独立思考、实验操作、综合创新等能力，针对飞行仿真实验教学提出了开放式研讨法。阐述了传统实验教学的不足与开放式研讨实验教学的优势，并以“无控弹道仿真验证实验”为例进行了实践，展示了开放式研讨法从实验选题到成绩评定的全过程。实践结果表明，开放式研讨法非常适合于飞行仿真实验教学。开放式研讨法要求学生课前要做好充分的预习和准备，要求教师在学生讨论过程中做好研讨监控，及时引导总结。

［关键词］ 开放式研讨法；实验教学；飞行仿真实验；飞行力学

［基金项目］ 2020年度海军航空大学岸防兵学院青年教员教学能力培育项目“教学骨干培育”（202006003）

［作者简介］ 冯佳晨（1984—），男，江苏南通人，工学硕士，海军航空大学岸防兵学院副教授，主要从事航空宇航科学与技术研究；管 旭（1992—），男，湖南永州人，工学硕士，海军航空大学岸防兵学院讲师（通信作者），主要从事航空宇航科学与技术研究；李金飞（1988—），男，湖北安陆人，工学博士，海军航空大学岸防兵学院讲师，主要从事航空宇航科学与技术研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）22-0128-04 ［收稿日期］ 2022-07-08

“飞行力学”是高等院校航空类专业的重要专业基础课程，通过课程学习学生可以对飞行基本原理有全面的了解和掌握。作为对应专业的背景课程，“飞行仿真实验”是必不可少的实验教学环节，它能培养学生的实际动手能力、科学实验素养和综合创新能力，是正课教学的延伸，是能力培养的阶梯，只有将其地位和作用不断强化，才能真正提高课程建设的整体水平。

目前，在“飞行仿真实验”课程中，传统的讲授法偏重对基本概念和基本方法进行理论讲解和推导，导致学生对实际飞行轨迹的计算、设计能力较弱，实际应用较少，运用数学工具解决实际工程问题的能力不足，计算机编程能力得不到锻炼，与实验教学要求不符。

一、传统实验教学的片面性

在传统的实验教学过程中，通常按照四步走的方式展开：第一步，注入式课堂讲授；第二步，临摹式实验操作；第三步，机械式记录结果；第四步，上交实验报告。学生在教师详细的讲解下，按照实验指导书上的方法步骤进行操作，基本都会得出预期的结果。这种传统的教学，主要是围绕增加感性知识、验证书上理论而开展的，对学生实验技能、实际动手能力的提高非常有限。而且由于传统教学观念和教学习惯的影响，再加上实验教学学时的不足及各种外部客观环境的影响，教师为了让学生上手快、节省时间往往采取倾注式的方法，实验课程一开始就把实验要求、目的、内容及操作方式都告诉学生，以求省时、省力。学生按照给定的实验步骤和模式糊里糊涂地做实验，始终处于被动地位，离开教师就不知所措，做完实验“一问三不知”。这种传统的实验教学过程往往只注重实验结果，忽略了对学生能力的培养［1］。

“飞行仿真实验”课程不同于基础实验，是一种综合性实验。综合性实验有利于提高学生的科学思维方法和科学研究能力，培养学生的综合实验能力和创新能力，拓宽学生的知识面，所以其实验内容有一定的挑战性和探索性，而其知识基础应为学生已掌握的知识。比较复杂的综合性实验可以由多人组队完成，以培养学生的团结协作精神。教师在评定学生的实验成绩时，不仅要评价学生做实验时的认真态度和实验完成质量，更应注重对学生设计方案及动手能力的综合评价。因此，传统实验教学手段并不适用于该种实验教学，本文以“无控弹道仿真验证实验”为例探讨一种“开放式研讨”实验教学方式。

二、开放式研讨教学特点

在开放式研讨教学中，学生在课堂上不再是等着教师“喂”，而是自己主动“吃”［2］。学生不是只靠教师讲解学会知识，还要通过自己看书思考、讨论研究、归纳总结、作业练习、实验实习才能将知识彻底内化吸收。开放式研讨教学法能调动学生课堂学习的积极性，能启迪学生的独立思维和创造性思维［3］。在培养学生的自学能力、实际操作能力和独立分析问题解决问题的能力上取得明显效果。开放式研讨教学的“开放式”主要表现在三方面：（1）时间放开。把传统的以讲为主的教学模式改为以学为主的教学模式，学生有更多的时间自主学习。（2）内容放开。注重实验与前后章节知识的联系，加大了知识容量，教师开出参考文献清单，鼓励学生充分利用线下（如：书籍）线上（如：互联网）资源自主学习。（3）实验场所及教学设备向学生放开。由学生主动实操，充分发挥现有设备的效益，加强实践性教学环节。同时，吸收学生参与实验室建设，为学有余力的学生提供一个施展自身才能的平台，为培养创新型人才打下基础。

利用开放式课堂教学方法，将其应用到实验教学中。开放式教学法打破了传统讲解式教学法的模式，教师按照“精讲和提示、自学和实验、讨论和归纳、作业和实习”这样一条新的教学程序施教，缩短了教师在课堂上的讲解时间，大大增加了学生自学、练习及实操的时间，也提高了实验室的利用率。

三、开放式研讨实验教学探析

对于“飞行仿真实验”课程，开放式研讨实验教学的设计理念是在现有的飞行轨迹设计部分内容所占学时的基础上加大编程实践课及研讨课的学时占比，教师用少量学时将基本方法、思路讲清楚后，主要的时间留给师生之间、生生之间的集体研讨，以此种方式增强学生的动手能力，通过实际计算的过程及结果，深化学生对基本概念、基本方法的理解，在实际计算的过程中激发学生的创造力。开放式研讨实验教学实施的全过程分四步进行，分别为实验选题、独立探索、交流讲评、成绩评定，如图1所示。

（一）实验选题

好的选题是实现能力培养目标的关键。教师要结合实验装备满足教学要求，而且还要使学生运用已学到的知识解决实际工程问题，并从中得到能力的锻炼［4］。选择的题目力争涵盖相关理论内容，这样有助于学生对课内所学知识的理解、巩固和加深。在“飞行仿真实验”教学中，设立诸如“基于需求的方案弹道设计与验证”“基于目标特性的导引弹道设计与验证”的选题，不仅能够与理论部分的内容很好地呼应，还能结合实际飞行器型号，贴近实际运用。在研讨过程中，为充分发挥合作学习的优势，将学生进行分组，学生与学生、小组与小组之间形成竞争机制［5］。

（二）独立探索

学生课前查找文献、消化文献，在课上进行编程仿真，一定程度上锻炼了学生的多种能力，如文献的阅读分析能力、归纳综述能力、逻辑思维和综合分析能力、编程仿真能力［6］。实验室的全面开放，在时间上给学生创造了尽可能大的自由度，在实验条件上为学生提供了良好的环境，充分发挥了学生的主观能动性。

（三）交流讲评

在实验授课过程中，教师在学生充分自学的基础上进行精讲，避免内容上的“满堂灌”，依据学生的认知能力和自学情况，对教学内容进行指导性、归纳性和综合性讲解，强调重点、解答疑点，讲思路、讲规律、讲方法，诱其所思，解其所疑［7］。在每次实验开始前，教师要简明地提出本次实验的纲要、在本课程所占的地位以及与前后知识的联系，培养学生全面看问题的能力。教师明确提出本次实验的目的要求，使学生在实验过程中目的明确；要尽量提供研讨的时间和条件，由学生主导，将实验的前期工作和心得与教师和同学进行交流和讨论。每个实验小组依次上台发言，主汇报人介绍本组工作和收获情况，组成员对其他组的人员和教师所提出的问题进行解答。教师的主要任务就是提出问题、鼓励学生发表自己的观点、组织、探讨等。充分唤起学生的主体意识，调动学生的主观能动性，引导学生掌握科学的思维方法，激发学生在实验过程中的创新热情。

（四）成绩评定

学生的最终成绩是综合评定平时表现、作业、实操和答辩等几项的成绩后给出的，这样能基本反映学生在本课程学习过程中的实际情况，有利于发挥学生的主观能动性。在课程标准中，增加了实验课程成绩的比重。实验的考核注重考查学生对实验知识的理解、综合和应用。考核方式更加注重对学生实际应用能力和计算机仿真能力的考查，侧重考核学生的设计思路是否清晰，设计方法是否掌握，能否达到举一反三的目的。在进行实验成绩评定时主要考虑研讨交流情况、汇报答辩情况、程序质量等因素。

四、“无控弹道仿真验证实验”课堂实例

（一）课堂设计

“无控弹道仿真验证实验”是“飞行力学”课程前半部分知识的综合应用，可以说是“飞行力学”课程的期中检查。

1.教学目标。理解飞行器运动方程组包含的各个变量与方程的物理意义。通过编程求解飞行器运动方程组，绘出无控飞行器弹道，简要分析飞行初始条件等参数对弹道的影响。通过本次实验，了解工程上弹道计算分析的一般方法与流程。

2.教学方法。以开放式研讨法为主，难点部分辅以讲授法。课堂上按3个问题逐步展开研讨：（1）飞行器运动方程组中含有哪些参数和变元，哪些参数是已知的，哪些参数是需要计算的？（2）需要计算的参数该怎么算，如何利用教材上给出的参数表得出仿真需要的参数？（3）飞行器运动方程组在数学上是一个什么方程组，如何用数值方法求解该方程组？

（二）课堂实施

1.情景引入。教师讲述世界上第一台计算机发明的初衷是用于弹道计算的历史背景，激发学生尝试挑战弹道计算的兴趣。教师归纳飞行器运动方程组的组成，指出弹道计算的本质是求解导弹运动方程组。

2.开放式研讨。通过研讨课程中的问题进行学习。（1）“飞行力学”课程很大的一个特点或者说难点就是公式和方程变量特别多，形式特别繁杂。学生必须克服畏惧、厌烦的心理，保持清醒的头脑，厘清飞行器运动方程组里各个变量的含义。（2）飞行器运动方程组涉及大量的空气动力参数，这些参数都可以从实验得出的数表中查出。但是，这些数表都是离散的，只含有特定条件下的参数，然而本次实验需要的是任意条件下的参数，需要用到插值法，要求学生在计算机上编程实现。（3）飞行器运动方程组在数学上是微分方程组。研讨微分方程组用什么数值方法来解，教师可提示学生用龙格-库塔法求解飞行器运动方程组，编程实现。

3.实验总结。弹道计算完成后，后续的绘制弹道、分析相关参数对弹道的影响等任务可作为课后作业交由学生课下完成。教师根据学生课上的研讨表现及课下实验报告的质量给出实验成绩。

4.迁移创新。本次实验所用的飞行器运动方程组是假设飞行器在铅垂平面内运动的方程组，实际中的飞行器不一定只在铅垂平面内运动，教师可鼓励学有余力的学生探究如何求解在空间中运动的弹道。

结语

“飞行仿真实验”非常适合开放式研讨教学，这是由其知识结构特点所决定的——理论基础知识繁杂，不适合大部分学生自学；实验操作主要依靠计算机编程，教师没有足够的精力和时间兼顾所有学生，适合学生之间相互学习，同时学生可充分利用线下线上资源自行解决编程过程中出现的问题。开放式研讨法要注意把握好学生的主体地位和教师的主导作用［8］。学生的主体地位要求学生以学为主体，课前必须做好预习，要有一定的知识储备，否则在研讨过程中会陷入无话可说、听不懂其他学生说的是什么的窘境。教师的主导地位要求教师把握好讲授的时机，做好研讨监控，毕竟开放式研讨的“开放”也是有度的，不能放任自流，遇到难点问题时应及时总结讲解［9］。

参考文献

［1］周栋，吴谈，包恒泽.理论教学与课程设计相结合的研讨式教学平台系统构架探析［J］.当代教育理论与实践，2019，11（2）：78-83.

［2］蒋跃，邓磊，徐生求.研讨式教学模式的理论与实践［J］.空军雷达学院学报，2011，25（4）：306-309.

［3］刘国福，李慧，张玘，等.研究生课程研讨式教学初探［J］.高等教育研究学报，2009，32（1）：37-38.

［4］杨晨.材料力学研讨式、网络式教学改革研究［J］.教育教学论坛，2018（12）：154-155.

［5］董福平，熊玉竹，张丽华.专题分组研讨式教学模式探索：以《纳米材料》课程为例［J］.教育教学论坛，2019（21）：125-126.

［6］范一强，张懿奕，于源，等.研讨式教学量化研究方法初探：以“计算机辅助设计与制造”课程为例［J］.高教学刊，2018（2）：68-71.