瞄准融合创新的线上线下混合式研究型课程建设

［摘 要］ 针对飞行器设计与工程专业培养具有坚实理论基础和强工程创新能力人才的需求，建设了线上线下混合式研究型专业核心课“飞行力学”。构建专业知识和课程思政相融的知识图谱，建设了由基础、进阶和挑战篇组成并融入思政内容的有温度的多级项目群；基于中国大学慕课网优质慕课，建设了覆盖知识图谱并融入项目群的SPOC课；建设了由SPOC课与线下翻转课堂相结合的线上线下混合研究型课程教学模式，并形成由线上客观题考核、线下项目考核、课程思政形成性评价组成的综合考核机制。该课程突破了传统课程的时空约束，融课程思政与专业知识于一体，以学生为中心构建课程内容和教学模式，为夯实学生的理论基础、培养其工程实践创新能力提供了强有力支撑。

［关键词］ 线上线下混合式；研究型；课程思政；SPOC；翻转课堂

［基金项目］ 2022年度教育部产学合作协同育人项目“瞄准‘四化’且思政/专业融合并进的‘飞行力学’混合式研究型课题建设”（220906353014112）

［作者简介］ 王晓芳（1979—），女，山西晋中人，博士，北京理工大学宇航学院副教授，主要从事线上线下混合式研究型教学研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2025）10-0137-04 ［收稿日期］ 2024-07-24

北京理工大学飞行器设计与工程专业是国家一流专业建设点，旨在培养具有坚实理论基础、强工程创新实践能力、坚定“矢志国防”价值情怀的未来双领人才。要求学生具有从航空航天工程的实际问题中提炼科学问题、构建抽象化的理论模型、提出有效可行解决方案并进一步提出创新性问题和方案的能力。在对飞行器设计与工程专业学生的培养过程中，要注重课程思政与专业知识的融会贯通，加强航空航天背景的工程实践环节，促进学生综合创新能力的提升。“飞行力学”是飞行器设计与工程专业学生的专业核心必修课，对于“厚基础、强创新、矢志国防”人才的培养具有重要意义。

目前课程建设中存在的问题有以下几个方面：（1）课程的专业知识和课程思政系统性不强、融合度不够，不能形成融会贯通的教学内容体系。（2）目前的课程，学生必须在指定的时间和地点上课，这对于学生的高效和个性化学习是一种束缚，对于学生学习效率、综合能力的提升都是一种制约。因此，须打破传统线下课程在时间和空间上对学生学习过程的束缚。（3）学生所学理论知识与工程实践结合得紧密度不够，“讲授+作业+考试”的教学模式不能使学生对知识的应用、问题的求解有深入的认识和思考，导致理论水平拓展受限、工程创新能力欠缺。因此，须加强学生理论联系实际、深入分析问题、解决问题，进而能够再发现新问题、解决问题的工程创新能力培养。

在对飞行器设计与工程专业学生特点进行深入分析的基础上，瞄准上述问题，建设了专业知识和课程思政融会贯通、线上SPOC与线下翻转课堂结合互补、多维度考核和形成性评价综合的以项目为载体的研究型课程。通过围绕项目的线上线下理论学习、线上线下讨论、线下展示答辩和研究论文撰写，再加上多方位综合考核和形成性评价制度，实现对学生矢志国防的爱国主义情怀、深厚理论基础、强工程创新能力、优秀论文书写能力以及团结协作能力的全方位培养。

一、系统化贯通融合的知识图谱梳理和多级项目库建设

（一）专业知识和课程思政融合的知识图谱构建

知识图谱是一种有着良好多源异构数据整合能力的数据库，它是基于有向图的数据结构，由节点和边构成的语义网络，也是以图的形式表现客观世界中的实体（概念）及其之间关系的知识库［1-3］。知识图谱建立主要由实体获取和实体之间关系抽取两部分。对于“飞行力学”课程来讲，实体由飞行器飞行力学领域各专业知识点和相关思政素材组成，关系抽取即建立专业知识点之间以及专业知识与思政素材之间的逻辑关系。

首先梳理飞行力学的核心知识，构建系统、贯通、融合的多层级专业知识点数据库。从专业知识点角度讲，飞行力学涉及的知识点分为不同的层级，如飞行力学中的飞行器建模、弹道设计、动态特性分析即为第一层级的知识点。飞行器建模包括的第二层级知识点有坐标系定义及变换、飞行器所受力与力矩、飞行器运动模型建立、飞行器运动模型简化；弹道设计包括的第二层级知识点有方案弹道设计、导引弹道设计；动态特性分析包括的第二层级知识点有动态特性分析方法、纵向动态特性分析、侧向动态特性分析。而各二层级知识点又包括三层级知识点，如坐标系定义及变换又包括地面坐标系、弹道坐标系、弹体坐标系、速度坐标系以及各坐标系之间的转换关系；飞行器所受的力和力矩又包括推力、重力、空气动力、推力矩、空气动力矩；导引弹道设计中包括追踪法、平行接近法、比例导引法等。因此，按照逻辑分类的原则，对飞行力学领域涉及的知识点进行梳理，建立专业知识点层级数据库。其次，构建多维度课程思政素材库。从课程思政角度讲，结合专业内容，从人物、团队、飞行器、事件等多个维度搜集素材，如跟学校密切相关的导弹装备、院士校友等，最终构成课程思政素材库。

当得到专业知识点数据库和课程思政素材数据库后，对专业知识点之间、课程思政素材之间以及专业知识点和课程思政素材之间的关系进行深入分析，构建专业知识点、课程思政素材以及专业知识点与课程思政素材融合的有向图。例如，坐标系定义及变换、飞行器所受的力和力矩是飞行器建模的基础，飞行器建模又是飞行器模型简化的前提，飞行器模型又是飞行器动态特性分析的基础，而动态特性分析是飞行器控制的前提和基础。在课程思政素材之间的关系方面，将建设的多角度思政素材如我国最先进的光纤制导导弹红箭-10的概况、总设计师、研制团队、研制过程中的相关事迹通过一条主线连接起来，形成课程思政有向图。最后分析专业知识点和课程思政素材之间的关系，如将飞行器的建模、弹道设计、动态特性分析与红箭-10导弹的建模、弹道设计、基于动态特性分析的制导控制技术结合起来，将与红箭-10导弹相关的课程思政素材穿插入专业知识中，形成专业知识、课程思政双主线融合并进的课程内容。综上即得到了多层级专业知识点、多维度课程思政素材、专业知识点与课程思政素材之间的逻辑关系和有向图，最终形成专业知识和课程思政相融的综合知识图谱。

（二）“基础—进阶—挑战”多级递阶项目库建设

为了提升学生的理论联系实际和工程创新实践能力，“飞行力学”课程以项目为载体开展研究型教学，因此，构建了由基础篇、进阶篇和挑战篇项目组成的项目库。基础篇项目主要侧重课程理论知识的实践应用；进阶篇项目从深度和广度上均大于基础篇项目，要求学生对所学知识有更深入的理解和基于深入理解的拓展；挑战篇项目则注重系统性、综合性和创新性，是所学多个部分理论知识综合起来才能完成的项目，在此基础上鼓励学生自己提问题、大胆探索、勇于创新。例如，在飞行器运动与建模部分，基础篇项目包括基于俄罗斯/欧美坐标系的飞行器质点无控弹道建模与仿真，基于欧拉角的飞行器姿态运动学模型推导与仿真，采用方向余弦法推导求解攻角、侧滑角、速度倾斜角的几何关系方程等；进阶篇项目包括基于俄罗斯/欧美坐标系的飞行器六自由度无控弹道建模与仿真，基于四元数法的飞行器姿态运动学模型推导与仿真，采用方向余弦法推导八个欧拉角中求解任意三个欧拉角的几何关系方程等；挑战篇项目包括基于俄罗斯/欧美坐标系的飞行器六自由度有控弹道建模与仿真，多飞行器协同制导方法设计，飞行器欠驱动姿态控制器设计等。在项目库的设计过程中，将思政元素融入其中，形成有温度的项目群。多层次、多级、有温度的递阶型项目库的构建，为学生不同层次的学习以及具有不同能力学生的学习提供了强有力的支撑。

二、覆盖知识图谱的SPOC课程建设

小规模限制性在线课程（SPOC）由加州大学伯克利分校的阿曼德·福克斯教授最早提出和使用，是一种结合了课堂教学与在线教学的混合学习模式［4］。针对已梳理得到的贯通融合飞行力学知识图谱，选取线上相应的优秀课程资源，同时添加已经构建的多级项目库，形成集理论知识与实践项目库于一体的线上综合性SPOC课程。

基于“飞行力学”MOOC和其他高校的关于飞行力学的中英文精品MOOC，构建SPOC课程的视频资源，覆盖飞行器动力学建模、制导方法设计、动态特性分析、制导部件和控制部件原理介绍、自动驾驶仪设计等内容，即覆盖课程知识图谱涉及的专业知识。建设由随堂测验、单元测验、期中测验、期末测验组成的客观题理论测验模块，同时建设由多级项目库形成的作业模块，再对应专业知识模块设置相应的线上主题讨论模块。测验模块、作业模块和主题讨论模块构成了线上的考核模块。

线下教学辅助方式的建设是SPOC课程建设的重要方面，采用慕课堂工具，按照实际线下教学课堂的时间和班级创建线上课堂，并引导学生加入，完成每一次课程的备课，包括签到、公告、课前测试、课后测试、课堂讨论等。基于慕课堂的教学辅助主要针对学生对理论知识的掌握程度进行测试，根据慕课堂显示的测试结果，构建反映学生学情的数据库。学生学情数据库反映了每一名学生对课前、课后测试题回答的正确率，同时也能显示学生观看SPOC视频资源的时间和频次，因此能够从多个维度、多个角度反映学生的学习情况。根据学生学情数据库，进一步对SPOC课程的视频资源、测试模块、作业模块、主题讨论模块进行改进。

三、基于OBE的线上线下研究型课程教学模式

针对飞行器设计与工程专业大三学生基础扎实、急需工程实践创新能力培养的特点，根据OBE理念，建设由理论学习、研究讨论、展示答辩以及论文撰写等环节构成的研究型学习过程，同时，建设基于线上SPOC课程、慕课堂线下辅助系统、“线下讨论+翻转课堂”的线上线下混合研究型课程教学模式［5-7］。

线上教学和线下教学的定位是通过不受时空限制的线上教学，夯实学生的理论基础；通过主要由师生讨论、项目编程实践、翻转课堂项目答辩、科技论文写作与分析环节组成的线下教学，提升学生理论联系实际的能力，以及在飞行器设计方面提出问题、解决问题，再提出新问题、解决新问题的创新实践能力。

课程的教学组织模式为，根据飞行力学的专业知识内容和知识图谱，设置飞行器运动建模、弹道设计、飞行器动态特性分析与控制系统设计、飞行器制导控制综合设计四个项目群，每个项目群又包括基础篇、进阶篇和挑战篇三个层次的项目。上述四个项目群贯穿了整个课程的始终。课程总共48学时，每个项目12学时，由理论讲授3学时、师生讨论6学时、学生答辩展示3学时构成。理论讲授部分由线上学生观看SPOC视频资源和线下教师讲授共同完成；师生讨论环节，教师和学生（包括学生之间）就所研究的项目进行深入讨论，包括项目涉及的理论理解、模型求解、编程实现、项目拓展等相关问题，讨论以线上SPOC课的主题讨论和线下的讨论同步开展；展示答辩是指学生在完成项目研究后，制作PPT将项目整理总结，通过翻转课堂的形式在课堂上展示，接受教师和同学的提问并回答大家提出的问题。项目完成还有最后一个环节，即科技论文撰写，要求学生遵循科技论文的撰写规范将所研究的项目提炼总结。

课程的考核同样由线上考核和线下考核组成。理论部分的考核主要通过线上的客观题考核模块和慕课堂的测试完成。为了对学生的学习过程进行记录和考核，设计了学习过程记录文档。线下的考核则主要包括基于学习过程记录文档的学习过程考核、基于讨论情况和答辩情况表格的学生参与度及活跃度考核、学生答辩展示结果考核以及项目科技论文考核。在课程思政方面，采用形成性评价方式。因此，“飞行力学”课程构建了由线上客观题考核、慕课堂测试考核，以及线下研究过程考核、研究结果考核、课程思政形成性评价等多种考核手段共同构成的综合性考核机制。

结语

针对飞行器设计与工程专业大三学生急需夯实理论基础、提升工程实践创新能力的特点，建设了“飞行力学”线上线下混合式研究型课程，建设了专业知识与课程思政相融合的综合知识图谱和多级多层次有温度的项目群作为课程的基础。基于网上优质资源和自编内容构建了包括线上视频资源、考核模块、线下辅助上课工具的“飞行力学”SPOC课，建设了由SPOC课与线下讨论、翻转课程相结合的线上线下混合式研究型课程。“飞行力学”课程从专业知识、课程思政、项目案例等基础资源角度，线上线下混合式教学、研究型教学等教学模式角度，以及线上、线下、课程思政等考核评价角度对课程进行了全方位、多角度的综合改革和建设，形成了一套有效的教学方法，对于培养适应新时代的飞行器设计与工程专业未来双领人才具有强有力的支撑作用。