吳宇 吉洪蕾 黎蕾蕾 張琳

（重慶大學(xué)航空航天學(xué)院 重慶 400044）

《飛行動力學(xué)與飛行控制》課程，主要以固定翼飛機(jī)作為研究對象，講授關(guān)于飛行器運動建模、操縱性穩(wěn)定性分析、控制律設(shè)計方面的內(nèi)容［1］。該門課程以《理論力學(xué)》《空氣動力學(xué)》《自動控制原理》等課程為理論基礎(chǔ)，將力學(xué)知識與自動控制理論進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，是一門極具航空宇航專業(yè)特色、理論性與應(yīng)用性并重的課程，在飛行器設(shè)計、導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制等領(lǐng)域具有重要地位［2］。通常，學(xué)習(xí)該課程的學(xué)生應(yīng)在本科階段修完《飛行力學(xué)》課程，在此基礎(chǔ)上對內(nèi)容進(jìn)一步加深與擴(kuò)展，并側(cè)重于講授關(guān)于飛行控制律設(shè)計方面的知識［3］。但是，由于開設(shè)航空宇航相關(guān)本科專業(yè)的高等院?？傮w偏少、考研時又有不少學(xué)生是通過調(diào)劑方式進(jìn)入到航空宇航科學(xué)與技術(shù)學(xué)科學(xué)習(xí)等原因，使得很多學(xué)生不具備本課程所需的基礎(chǔ)知識，導(dǎo)致學(xué)生知識水平參差不齊，這給課堂教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置、講授方式、教學(xué)計劃的順利實施帶來了困難。因此，考慮如何使不具備航空背景知識的學(xué)生盡快進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，并且避免《飛行動力學(xué)與飛行控制》課程與本科生《飛行力學(xué)》課程內(nèi)容之間的簡單重復(fù)，做好兩門課程之間的良好銜接，是在課堂教學(xué)中亟須解決的問題。

本文從《飛行動力學(xué)與飛行控制》課堂教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)的問題出發(fā)，分析出現(xiàn)這些問題背后更深層次的原因，基于碩士研究生現(xiàn)具備的基礎(chǔ)知識與今后擬從事的專業(yè)研究方向，針對性地提出解決方案，并嘗試在課堂教學(xué)中施行，根據(jù)學(xué)生的反饋與學(xué)習(xí)效果，再進(jìn)一步修正和完善課程教學(xué)內(nèi)容和課堂教學(xué)手段，達(dá)到提高課程教學(xué)質(zhì)量，使教學(xué)內(nèi)容學(xué)有所用的目的。

1 課堂教學(xué)中暴露的問題

目前，《飛行動力學(xué)與飛行控制》課程是重慶大學(xué)航空航天學(xué)院航空宇航科學(xué)與技術(shù)學(xué)科學(xué)術(shù)型碩士、機(jī)械工程專業(yè)型碩士的專業(yè)課?；诙嗄甑慕虒W(xué)實踐經(jīng)驗和與學(xué)生的交流，發(fā)現(xiàn)存在以下問題，現(xiàn)總結(jié)如下。

1.1 選課階段學(xué)生具有一定盲目性，不十分明確本門課程所講授的內(nèi)容

通過與學(xué)生的多次交流，問詢學(xué)生本科所學(xué)專業(yè)、碩士生導(dǎo)師、選擇本門課的原因等問題，了解到大多數(shù)學(xué)生在本科階段沒有學(xué)習(xí)過與航空航天相關(guān)的課程，也只有大約一半的學(xué)生具有一定的力學(xué)與控制理論基礎(chǔ)。對于選擇本門課程的原因，一部分學(xué)生是被課程名稱所吸引，認(rèn)為課程中會講授關(guān)于飛行操縱、飛行技巧方面的內(nèi)容［4］，想了解更多關(guān)于飛行駕駛方面的內(nèi)容；而另一部分學(xué)生則是從為了滿足研究生培養(yǎng)方案中課程學(xué)分的要求出發(fā)，通過與往屆學(xué)生之間的交流，了解到課程概貌，選擇了此門課程。以上兩種典型情況中，學(xué)生不明確本門課程的學(xué)習(xí)任務(wù)與講授內(nèi)容，也沒有對本門課程是否適合自身現(xiàn)有知識框架進(jìn)行客觀預(yù)估，從而影響學(xué)習(xí)熱情與效果。

1.2 隨著課程內(nèi)容的逐步深入，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與專注度有下滑趨勢

《飛行動力學(xué)與飛行控制》課程的特點是概念多，公式推導(dǎo)過程繁瑣。學(xué)生在剛進(jìn)入課程學(xué)習(xí)時，還能夠?qū)χv授內(nèi)容保持新鮮感，能夠?qū)σ恍┲R點發(fā)表自己的見解與體會。但是，隨著課程內(nèi)容的逐步深入，知識難度增加，需要進(jìn)行公式推導(dǎo)與定量計算的環(huán)節(jié)也越來越多，學(xué)生中出現(xiàn)了由于缺乏力學(xué)與控制理論知識、航空航天背景基本常識等而跟不上進(jìn)度的情況［5］，或者是由于數(shù)學(xué)功底不扎實，無法對每個公式的由來有清晰的認(rèn)識。具體表現(xiàn)為在課堂授課時，學(xué)生眼神飄忽、迷茫，對于課堂互動無所適從，課后答疑時所提問題不屬于課堂教學(xué)內(nèi)容主線等情況。從以上現(xiàn)象可以看出，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中已遇到了瓶頸，需要對教學(xué)內(nèi)容與手段進(jìn)行一定的改進(jìn)。

1.3 學(xué)生對于課程大作業(yè)不夠重視，準(zhǔn)備時間不足

為了將課堂講授知識與工程實際相結(jié)合［6］，并且培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、演講展示、科學(xué)寫作等方面的能力，《飛行動力學(xué)與飛行控制》課程開設(shè)了大作業(yè)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生從指定的幾個話題中抽取一個，論述該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，以及與本門課程知識點之間的聯(lián)系，并加入自己對該話題的一些見解。大作業(yè)最后以學(xué)術(shù)論文的形式提交，并且每位學(xué)生需現(xiàn)場以PPT 演講形式展示自己的作業(yè)內(nèi)容。從該環(huán)節(jié)的實際效果來看，雖然學(xué)生基本能完成指定任務(wù)，但是完成的質(zhì)量還有待提高。具體表現(xiàn)在對當(dāng)前研究進(jìn)展的總結(jié)與課程知識點的聯(lián)系程度不夠，對于未來研究的展望還不夠深入，在PPT的展示與語言表達(dá)方面還缺乏表現(xiàn)力，需要多進(jìn)行鍛煉和思考。

1.4 學(xué)生對于課程所學(xué)知識與自身科研方向之間的聯(lián)系度產(chǎn)生疑惑

通過與學(xué)生之間的交談，了解到學(xué)生今后大多會從事與固體力學(xué)、復(fù)合材料等相關(guān)方向的研究工作。學(xué)生認(rèn)為本門課程講授的內(nèi)容很難與自身的研究方向產(chǎn)生聯(lián)系，無法做到學(xué)以致用，從而在心理上產(chǎn)生被動情緒，不愿花費太多時間和精力消化和理解本課程的知識，最終影響學(xué)習(xí)效果。經(jīng)過課題組教師的討論與分析，承認(rèn)學(xué)生有上述的想法屬于正常現(xiàn)象，畢竟在競爭如此激烈的時代，學(xué)生愿意將有限的時間多花在與自身科研相關(guān)的課程上也是可以理解的。但是，如何解決學(xué)生實際需求與課程內(nèi)容之間存在的矛盾，是授課教師需要進(jìn)行思考和解決的問題?？紤]到工程技術(shù)大類各學(xué)科之間在理論方法上具有一定的共通性，可以此為突破口，在課堂教學(xué)中講授一些具有一定通識性的內(nèi)容，引起學(xué)生的共鳴。

2 改善措施及成效

針對在教學(xué)實踐中出現(xiàn)的上述問題，課題組教師通過教研會的形式進(jìn)行了反復(fù)探討，針對課程的特點與學(xué)生的基礎(chǔ)知識構(gòu)成情況，在教學(xué)內(nèi)容安排、授課方式方法、考核手段等方面進(jìn)行了初步的調(diào)整和實踐，具體措施如下。

2.1 注重課程所需基礎(chǔ)知識的串講，避免與本科生《飛行力學(xué)》課程之間教學(xué)內(nèi)容的簡單重復(fù)

考慮到不少學(xué)生在本科階段未系統(tǒng)學(xué)習(xí)過《理論力學(xué)》《空氣動力學(xué)》《自動控制原理》等基礎(chǔ)課程，并且綜合考慮課程學(xué)時限制和基礎(chǔ)知識與課程內(nèi)容聯(lián)系緊密度的實際情況，在課堂教學(xué)期間，有針對性地補(bǔ)充一些基礎(chǔ)課程知識，使學(xué)生能夠盡快進(jìn)入本門課程的學(xué)習(xí)狀態(tài)。例如，在講解飛機(jī)運動方程建立這一知識點時，提前復(fù)習(xí)理論力學(xué)中推導(dǎo)剛體運動方程時用到的動量定理與動量矩定理，使學(xué)生能夠盡快進(jìn)入本課程的學(xué)習(xí)狀態(tài)。再如，講授課程緒論時，考慮到飛機(jī)氣動力這一概念將貫穿整門課程，提前復(fù)習(xí)有關(guān)升力、阻力、側(cè)力方面的理論與計算知識，避免在后續(xù)的講解時造成學(xué)生對基本概念不了解，分散學(xué)生注意力的情況。同時，在補(bǔ)充這些基礎(chǔ)課程知識的同時，要把握精簡內(nèi)容與緊密聯(lián)系教學(xué)內(nèi)容這兩個原則，才能有效提高課堂講授與學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

另外，對于在本科階段具有航空航天背景知識以及已經(jīng)學(xué)習(xí)過《飛行力學(xué)》課程的學(xué)生，在課堂教學(xué)中則需要注重對已有知識的加深和拓展，避免對本科課程內(nèi)容進(jìn)行簡單重復(fù)。具體地，在介紹飛機(jī)運動方程建立這一內(nèi)容時，本科教學(xué)中采用了平面靜止地球假設(shè)，即在方程推導(dǎo)過程中忽略地球的曲率半徑與自轉(zhuǎn)，在這一前提下導(dǎo)出了飛機(jī)的六自由度運動方程。在本門課程中，不再采用平面地球假設(shè)，而是在更加符合實際的情況下得到結(jié)果，此措施既保證了該知識點與本科課程之間的連續(xù)性，又在原知識點的基礎(chǔ)上進(jìn)行了加深。由于本課程綜合了《飛行力學(xué)》與《自動控制原理》的知識，在介紹飛行控制律的設(shè)計方法時，首先根據(jù)《自動控制原理》中判定系統(tǒng)性穩(wěn)定性的知識出發(fā)，得出飛機(jī)本體是否穩(wěn)定的結(jié)論。然后由以上結(jié)果對飛機(jī)本體特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其不足，從而引出通過設(shè)計自動器來改善飛行品質(zhì)的需求，并且提出控制所要達(dá)到的目的。最后從自動控制理論的角度講授控制器的設(shè)計過程，使學(xué)生明確整個問題的解決思路。

2.2 突出以科研問題為導(dǎo)向的教學(xué)手段，明確所學(xué)知識的實際應(yīng)用

《飛行動力學(xué)與飛行控制》課程具有很強(qiáng)的實用性，利用課程的這一特點，從實際工程問題出發(fā)，采用引導(dǎo)式［7-8］的教學(xué)手段，能夠使學(xué)生進(jìn)一步明確學(xué)習(xí)目的，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，從而提高學(xué)習(xí)效果。例如，針對改善飛行穩(wěn)定性和操縱性不同層面的要求，首先從飛機(jī)本體特性出發(fā)，說明在飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計中確實存在這樣的問題，然后為了改善飛機(jī)在不同方面的飛行品質(zhì)，分別需要采取哪些措施，再詳細(xì)闡述飛行控制系統(tǒng)中阻尼器、增穩(wěn)系統(tǒng)、控制增穩(wěn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，以及它們各自的優(yōu)缺點、在改善飛行品質(zhì)中起到的具體作用和相互關(guān)系，最后再詳細(xì)介紹每個控制回路的設(shè)計步驟。上述方式能夠避免學(xué)生從本堂課一開始就接觸自動控制原理中復(fù)雜的輸入輸出控制方程，而對于將要學(xué)習(xí)的知識沒有宏觀上的認(rèn)識和全局的把握，不能深刻理解知識點的內(nèi)涵和之間的潛在聯(lián)系。

邀請工業(yè)界專家到課堂上開展講座也是突出以科研問題為導(dǎo)向的重要教學(xué)手段。通過邀請行業(yè)內(nèi)從事飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的一線專家，從他們自身的工作經(jīng)歷出發(fā)，詳細(xì)介紹目前世界航空的發(fā)展現(xiàn)狀，我國航空工業(yè)的大背景，在工程實踐中如何發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的過程，以及當(dāng)前飛機(jī)設(shè)計研究所的主要任務(wù)與對工作人員的技能要求。通過這樣別開生面的講座，使學(xué)生零距離接觸專業(yè)技術(shù)人員，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使他們跳出書本知識，對于課程的內(nèi)容與地位有一個更加全面和理性的認(rèn)識，也能使他們更好地了解專業(yè)技術(shù)人員的具體工作職責(zé)，重新考慮自己是否適合這樣的工作崗位，對學(xué)生未來的擇業(yè)與就業(yè)產(chǎn)生積極的引導(dǎo)和促進(jìn)作用。

2.3 改變課程考核方式，強(qiáng)調(diào)理論知識的實際應(yīng)用

課程目前的考核方式為“總成績=平時（10%）+大作業(yè)（30%）+期末閉卷筆試（60%）”。雖然考核方式中大作業(yè)占了一定比重，但從實際的運行效果來看，目前的大作業(yè)內(nèi)容還不能完全達(dá)到“開放性作答”的效果，而且期末閉卷筆試中的試題也大多是基于書本知識?？傮w來看，目前的考核方式仍較為傳統(tǒng)，需要注入一些新鮮的環(huán)節(jié)，一方面能開闊學(xué)生的思維方式，另一方面也使得教師對學(xué)生實際學(xué)習(xí)效果的評價更為合理。因此，基于以上考慮，將大作業(yè)環(huán)節(jié)的內(nèi)容更換為在給定飛機(jī)構(gòu)型與飛行參數(shù)的條件下，利用課堂所學(xué)知識，推導(dǎo)飛機(jī)六自由度運動方程，并且對該運動方程組進(jìn)行線性化操作。利用線化的運動方程組分析飛機(jī)的本體特性，并且通過設(shè)計飛行控制律來改善飛行品質(zhì)。以上任務(wù)需要在計算機(jī)上進(jìn)行仿真實現(xiàn)，將整個飛行控制律設(shè)計過程書寫成實驗報告，并在課堂上進(jìn)行PPT展示。在期末閉卷筆試中，設(shè)計具有開放性的試題，例如針對近期航空業(yè)的大事件與新聞，結(jié)合課程內(nèi)容發(fā)表自己的觀點與看法，以此鼓勵學(xué)生進(jìn)行發(fā)散性思考，對所學(xué)知識進(jìn)行更深層次的分析。以上的改進(jìn)措施能夠讓學(xué)生將課堂上的知識學(xué)以致用，一方面可以檢驗自己的學(xué)習(xí)效果，另一方面，由于飛行控制律設(shè)計問題往往沒有唯一的正確答案，只有合理與否，大作業(yè)這樣的特點也能促進(jìn)學(xué)生之間的相互討論與評價，形成開放、和諧、共同進(jìn)步的課堂氛圍。

應(yīng)當(dāng)注意的是，在設(shè)計課程大作業(yè)題目時，需要綜合考慮和協(xié)調(diào)不同基礎(chǔ)的學(xué)生在完成作業(yè)時面臨的難度。因此，大作業(yè)內(nèi)容的難度與工作量應(yīng)當(dāng)適中，注重工程應(yīng)用，避免太多前序課程中的基礎(chǔ)知識與繁瑣的公式推導(dǎo)和數(shù)學(xué)運算過程。并且鼓勵學(xué)生自愿成組，通過自行分工與配合，發(fā)揮各自在公式推導(dǎo)、控制律設(shè)計、程序編寫等方面的優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，合作完成大作業(yè)。另外，教師在學(xué)生完成大作業(yè)的過程中應(yīng)進(jìn)行定期檢查與指導(dǎo)，把握大體方向與進(jìn)度，并且適當(dāng)引導(dǎo)，保證大作業(yè)的順利完成。

2.4 增加課程專題板塊，擴(kuò)展工程技術(shù)通識知識

針對學(xué)生反映的課程內(nèi)容與自身研究方向關(guān)聯(lián)性較低的問題，課題組教師進(jìn)行了多次的研討，一致認(rèn)為要想方設(shè)法構(gòu)建起聯(lián)系起這兩者之間的橋梁，使得既能保證課堂教學(xué)效果，又能促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)研究。通過對當(dāng)前先進(jìn)飛行控制方法的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)近年來群智能優(yōu)化理論與強(qiáng)化學(xué)習(xí)理論被越來越多地應(yīng)用于飛行控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化與飛行控制機(jī)動決策問題中，并且以上兩類方法屬于信息科學(xué)的基本理論，具有較廣的應(yīng)用范圍，能夠應(yīng)用于力學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料加工等研究方向，與學(xué)生科研方向相對較為契合，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，在教學(xué)過程中，當(dāng)講授完課程的主干知識后，增設(shè)了兩個專題的講座。

在智能優(yōu)化方法的講座中，首先從數(shù)學(xué)優(yōu)化問題的角度講解該方法用于求解優(yōu)化的問題的步驟，然后再以飛行控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化問題為例，介紹典型的智能優(yōu)化方法（如遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等）求解該問題的具體過程，最后總結(jié)智能優(yōu)化方法求解優(yōu)化問題的一般思路，并對其應(yīng)用場景進(jìn)行擴(kuò)展。這樣的講解方式首先對學(xué)生的基礎(chǔ)知識沒有太多的要求，容易使學(xué)生快速進(jìn)入狀態(tài)。隨后將智能優(yōu)化方法與課程內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合的方式也是對前期教學(xué)過程的進(jìn)一步完善。最后，將智能優(yōu)化方法推廣到更加一般的情形下，旨在提示學(xué)生將此方法與自己研究方向產(chǎn)生聯(lián)系，對號入座，為自己今后的科研工作提供更多可選的思路。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)是學(xué)生都耳熟能詳?shù)拿~，但是該方法的內(nèi)涵卻很少有學(xué)生能夠娓娓道來。授課過程中，首先從著名的AlphaGo 戰(zhàn)勝圍棋世界冠軍的例子出發(fā)，講述強(qiáng)化學(xué)習(xí)的基本概念與訓(xùn)練過程。隨后，以“超級瑪麗”游戲為背景，詳細(xì)介紹了強(qiáng)化學(xué)習(xí)中狀態(tài)、動作、獎勵、價值函數(shù)等概念，通過游戲過程進(jìn)一步加深對這些概念的理解。然后將強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法引入到求解無人機(jī)智能空戰(zhàn)決策問題中，描述其求解思路與流程，使強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法與本課程內(nèi)容緊密結(jié)合。最后，總結(jié)強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法求解優(yōu)化與決策問題的一般步驟，并介紹此方法在智能加工制造、模式識別等方面的應(yīng)用。

經(jīng)過課題組全體教師的精心準(zhǔn)備和學(xué)生的密切配合，目前已將上述教學(xué)改革的手段逐步運用到了課堂實踐中，并且取得了一定的積極效果。具體表現(xiàn)在學(xué)生聽課熱情明顯升高，課后學(xué)生之間、師生之間的交流也更加頻繁；學(xué)生已經(jīng)初步具備將課程中的知識與飛機(jī)實際飛行過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行聯(lián)系的能力；學(xué)生對于大作業(yè)的積極性有所增強(qiáng)、能夠做到進(jìn)行合理分工與協(xié)作；筆試成績有一定提升，對于開放性問題的回答不再局限于書本上現(xiàn)成的知識。但是在教學(xué)過程中也仍然暴露出了一些不足之處，如學(xué)生反映課程內(nèi)容偏多、大作業(yè)工作量偏大等情況，需要在今后的教改過程中不斷完善。另外，在演講展示大作業(yè)時，發(fā)現(xiàn)少數(shù)學(xué)生存在濫竽充數(shù)的現(xiàn)象，即其完成的工作量遠(yuǎn)少于組內(nèi)其他學(xué)生的平均水平。對于上述現(xiàn)象，今后要求學(xué)生在進(jìn)行展示時，需要明確列出每位學(xué)生的具體分工與完成情況，以便教師對學(xué)生的大作業(yè)完成情況進(jìn)行更加公正的評價。

3 結(jié)語

《飛行動力學(xué)與飛行控制》是一門專業(yè)性與實踐性均很強(qiáng)的課程，學(xué)習(xí)過程中需要多門前序課程的知識作為鋪墊。本文針對該課程的特點及學(xué)生的知識構(gòu)成情況，從不同的教學(xué)環(huán)節(jié)與視角分析了當(dāng)前教學(xué)過程中存在的問題，并且提出了以科研問題為導(dǎo)向的教學(xué)改革措施。將以上措施應(yīng)用在教學(xué)實踐中，已取得初步成效。教學(xué)內(nèi)容上，做到了適量補(bǔ)充課程預(yù)備知識與擴(kuò)寬知識應(yīng)用領(lǐng)域并重；教學(xué)手段上，實現(xiàn)了教師講授理論知識與行業(yè)內(nèi)專家介紹工程實踐的有機(jī)結(jié)合；考核方式上，完成了由卷面分?jǐn)?shù)評價到多元開放評價體系的轉(zhuǎn)變。通過評教系統(tǒng)顯示，以上教學(xué)改革措施得到了學(xué)生的一致好評。在今后的教學(xué)過程中，課題組教師需要將以上改革措施進(jìn)行反復(fù)迭代與改進(jìn)，才能不斷提高教學(xué)質(zhì)量。以學(xué)生為主體、以聯(lián)系實際為手段、以提高能力為目的，繼續(xù)探索新的教改措施，開展教材建設(shè)與課程網(wǎng)站建設(shè)等工作，才能讓更多的學(xué)生與教師共享本課程教學(xué)改革的成果。