远程火箭飞行动力学课程教学实践探索

廖宇新 魏才盛 杏建军 陈琪锋 戴健

[摘 要] 为适应国家空天强国战略对航空航天专业复合型高级人才的需求，以提高学生自主学习与思考和解决问题的能力为目标，结合远程火箭飞行动力学课程的特点，综合应用BOPPPS教学模式和问题驱动教学方法，对课程教学进行“以学生为中心，以学习成果为导向”的实践探索。实践结果表明，基于BOPPPS教学模式和问题驱动教学方法的教学方式能激发学生主动学习积极性，提高学生课程教学参与程度，进而促进学生学习效率和发现与解决问题能力的提升，同时通过师生互动和学生反馈等手段增强教师教学的效率与质量。

[关键词] BOPPPS教学模式;问题驱动教学方法;学习效率;教学效率;教学质量

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）04-0078-04    [收稿日期] 2020-05-07

一、引言

远程火箭飞行动力学课程是面向航空航天工程专业高年级本科生开设的一门专业选修课，主要包括飞行动力学的基础知识、远程火箭飞行的力学环境、空间运动方程建立、自由飞行段弹道特性、再入段运动特性与弹道设计、主动段运动特性与弹道设计等内容。通过本课程的理论学习和实践，学生可掌握远程火箭飞行动力学相关的基本概念、知识和理论，培养学生对远程火箭运动规律进行建模和分析的能力以及进行初步弹道计算、分析与设计的能力，为后续从事航空航天飞行器总体设计、飞行力学和制导控制系统的研究和技术工作打下一定的基础。因此，本课程对航空航天工程专业本科生加深专业认识、拓展理论深度、提升工程实践能力和创新能力具有非常重要的意义。

远程火箭飞行动力学课程内容抽象，符号和定义繁多，公式推导复杂，前后知识点关联程度高，理论性和工程性强，授课教师如果采用传统的知识传授式教学方法，追求概念、理论、公式推导的完备和细致讲解，缺乏教学内容与实际应用的联系，教学内容和过程会极为枯燥乏味，学生学习兴趣和主动学习积极性难以调动，教师教学和学生学习效果会大打折扣。因此，基于国际工程教育专业认证遵循的成果导向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念[1]，应用新型教学模式和先进教学方法对远程火箭飞行动力学课程教学进行“以学生为中心，以学习成果为导向”的实践探索，对提高课程教学质量和人才培养质量意义显著。

二、远程火箭飞行动力学课程教学存在的问题

（一）教学方法陈旧和教学手段简单

与多数飞行力学课程类似，远程火箭飞行动力学课程的符号、定义、抽象概念和公式推导多，前后知识点关联程度高，授课教师通常以教师、课堂和教材为中心，追求概念、理论、公式推导的完备和系统性，采用“PPT+黑板板书”的授课手段，进行“填鸭式”知识传授教学;学生则被动听讲、理解和记忆课程知识，无自身思维拓展和能力提升空间，难以调动主动学习积极性和创造性，教学和学习效果不甚理想。

（二）教学主体主动性难以调动和参与程度较低

远程火箭飞行动力学课程的教学主体是航空航天工程专业高年级本科生，很多学生重心主要在考研与就业，对专业课拿学分的需求强烈，但对知识的新鲜感和课程的投入不够，如果师生缺乏高质量双向互动或授课内容缺乏趣味性，课程教学会形成学生主动性和积极性逐渐减弱进而参与程度逐渐降低的恶性循环。

（三）教学内容与先进科研成果脱节

远程火箭飞行动力学是根据理论力学的普遍规律，深入分析弹道导弹和运载火箭及其有效载荷等对象在各种力作用下的质心运动，建立描述其质心运动的微分方程，揭示其质心运动的客观规律，并运用规律来解决弹道分析、计算与设计等实际工程问题[2]。课程的基本理论体系较为成熟。授课教师容易受教学基本要求、课时、教材等因素限制，偏重于经典理论讲解与核心公式推导，而忽略将教学内容与相关的先进科研成果进行关联，导致学生对所学知识的目的和用途存在困惑。

针对以上远程火箭飞行动力学课程教学过程中存在的问题，笔者基于OBE理念，将问题驱动教学方法融入BOPPPS教学模式，对该课程教学进行实践探索，旨在提高课程教学质量和人才培养质量。

三、BOPPPS教学模式与问题驱动教学方法概述

（一）BOPPPS教学模式

BOPPPS教学模式起源于加拿大教师技能培训体系ISW（Instructional Skills Workshop）[3]，是教师根据教育学的认知理论进行课程设计的一种模式，近年来在英属哥伦比亚大学、卡尔加里大學等诸多知名院校中推广应用，目前已经成为加拿大高等教育教师培训和课堂教学的标准模式。

BOPPPS教学模式以构建主义学习理论为理论基础，强调教师要围绕以学生为中心的教学理念开展强针对性和可操作性的教学过程设计，遵循“教学目标→教学行为→学习活动→教学评估→教学目标”的教学循环过程[4]开展教学组织实施，通过充分考虑教师教和学生学的特点以及强调师生全方位参与式互动学习的核心环节，调动学生主动学习的积极性和兴趣，提升学生的参与度和课堂活力，并通过及时调整和改进达到提高教学效率、提升教学质量和实现教育目标的效果。

BOPPPS教学模式将课堂教学过程进行模块化并分解为六个前后衔接的阶段，即引入（Bridge-in）、目标（Objective）、前测（Pre-assessment）、参与式学习（Participatory learning）、后测（Post-assessment）和总结（Summary），六个阶段英文首字母的缩写即为BOPPPS。引入是教学的切入环节，可通过引用经典案例、提出意想不到的问题、讲述新闻故事、复述以往关联教学内容等手段引入新的教学内容，吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣，从根本上实现从强制教到主动学的师生主体地位转换。目标即明确教学目标和让学生明白知识的用途，制定目标须遵循简洁、明确、具体的原则，方可有的放矢地指导教学内容组织工作。前测是通过问答、问卷、概念图等手段，在授课前对学生关于待学内容及相关知识储备进行了解，从而针对性调整教学内容，做到真正的视情施教。参与式学习是主体核心环节，可通过在研讨、参与、互动式的教学模式中采用教师与学生互动、学生之间互动等手段和问答、讨论、辩论、游戏等形式，突出学生在学习中的主导地位和明确教师的指导、帮助与组织的角色，充分提高学生参与热情和参与程度，使学生从机械式的被动听变为有思考的主动学。后测是检验学生学习和教师教学效果的环节，可通过问答、案例解析、知识地图等手段，及时检测教学目标达到情况、教学内容掌握情况及教学效果等，并基于反馈为教师后续的教学目标设置、教学内容组织等环节提供借鉴和帮助。总结是通过提纲挈领地回顾重点教学内容和归纳与总结知识点，呼应和强化教学目标，同时可进行后续教学内容预告。

BOPPPS教学模式作为一种有效教学模式，其六个阶段并无严格界限，需真正领会精髓并在实践中灵活运用，做到各阶段环环相扣、知识衔接流畅和逻辑层次清晰，持续吸引学生注意力和兴趣，开启“思考—学习—吸收—应用”的良性循环[5]，才能到达既定的教学目标和理想的教学效果。

（二）问题驱动教学方法

问题驱动教学方法（Problem-Based Learning，PBL）是以专业领域具体问题驱动学生主动学习和教师充分引导相结合来寻求问题解决方案的一种教学方法，于1960年由Barrows和Tamblyn针对专业知识充足但临床经验缺乏的刚毕业医科学生提出[6]，目前已在国内外各学科门类的课程教学等人才培养的多个环节中广泛应用。

问题驱动教学方法以构建主义学习理论为理论基础，强调以学生为主体，以专业领域具体问题为出发点，教师以问题为核心规划教学内容和进行课程设计，引导学生整合已有知识并利用各种资源获取新知识，从而通过分析提出问题解决方案，并对结果进行评估。因此，问题驱动教学过程一般包括提出问题、分析问题、讨论交流解决问题和结果评价四个环节[7]。

问题驱动教学方法将改变传统的“填鸭式”知识传授教学模式，以目的明确、难度适度、内容开放、体验性强的问题驱动学生的学习兴趣和创新兴趣，同时围绕重点简化难点、突出教学目标，通过以问题为核心的教学内容合理规划和教学工作系统组织，加深学生对知识的理解，并培养学生发现、分析、解决问题的能力与意识以及创造性思维。

BOPPPS教学模式和问题驱动教学方法都是基于构建主义学习理论，以学生为中心，教师扮演“学习引导者、教学内容组织者、教学过程设计者”的角色，因此二者存在有机融合的可能。问题驱动教学方法如能在合适的时机（如知识点之间过渡衔接时或需调动和展示学生潜能时）和地方（如引入阶段）运用于基于BOPPPS教学模式的教学设计中，将对提高学生学习主动性、教学过程参与程度、思维活跃度，增强学生在主动学习和积极参与后解决问题的成就感起到更大的推动作用。

四、BOPPPS模式与问题驱动教学方法在远程火箭飞行动力学课程教学中的实践探索

本节以远程火箭飞行动力学课程中的飞行动力学的基础知识部分的“常用坐标系及其相互转换”为例，阐述BOPPPS教学模式与问题驱动教学方法在远程火箭飞行动力学课程实际教学中的综合实践探索。

（一）引入阶段

通过讲述中国古代石申用入宿度和去极度表示恒星在天球上位置的星标，裴秀的“制图六体”，古希腊阿波罗尼奥斯在《圆锥曲线论》中借助坐标描述曲线等历史故事，吸引学生注意力，进而提出“如何描述远程火箭在空间中的位置和速度”的问题引出教学内容，激发学生学习兴趣。

（二）目标阶段

本案例的学习目标知识层面包括：①掌握描述远程火箭质心运动的常用坐标系的定义;②掌握方向余弦阵的定义、特性及初等转换矩阵;

③掌握欧拉角的定义和转换矩阵的欧拉角表示。能力层面包括：①能应用初等转换矩阵结合欧拉角的定义推导坐标系之间的转换矩阵;②能推导坐标系之间常用欧拉角联系方程。上述学习目标也是教师的教学依据和检测学生学习效果的评估标准，反映了学生通过学习能够掌握的知识和具备的能力。通过明确上述学习目标，学生可确定学习重点，教师也可确定教学重点。

（三）前测阶段

通过“什么是坐标系”“本课程学习之前的其他飞行力学相关课程中学到的坐标系如何定义”“这些坐标系相互之间转换关系如何描述”等问题，让教师对学生关于坐标系基本概念以及之前所学描述飞行器运动的坐标系相关知识储备进行了解和摸底，从而可根据前后知识关联关系针对性调整教学内容，真正做到视情施教。

（四）参与式学习阶段

在讲述完描述远程火箭质心运动的常用坐标系后，提出“本课程的坐标体系与其他飞行力学课程中所学的坐标体系有何异同”等问题，融入知识关联与演绎的训练，加深学生对所学知识的理解和明白类似知识点之间的异同。进一步通过“什么是坐标转换”“为什么进行坐标转换”“如何描述坐标系之间的轉换关系”等一系列问题，启发学生自主思考和讨论。通过问题驱动的方式，强化学生对已学知识的理解，同时启发学生对新知识的兴趣，让学生自主地加入教学过程中，既调动其自主学习积极性，也让其完整地掌握“常用坐标系及其相互转换”的所有细节。

（五）后测阶段

通过让学生“描述所学常用坐标系中某个或某几个坐标系的定义和相互之间欧拉角的定义”“根据初等转换矩阵结合欧拉角推导它们之间的转换矩阵”“构建常用坐标系之间通过欧拉角关联的知识图谱”等一连串问答类型的测试，从基本概念与原理、公式推导等不同层面检测学习效果和教学效果，保持教学整体性的同时实现了教学目标的前后呼应。

（六）总结阶段

通过对教学内容的简要回顾，呼应教学目标，点明重点和化解难点，同时拓展笛卡尔创立微分几何和笛卡尔坐标系的历史知识，既强化教学目标，又对学生进行人文素养熏陶和励志教育。

综上所述，笔者综合应用BOPPPS教学模式和问题驱动教学方法对远程火箭飞行动力学课程教学进行实践探索，不仅能大大激发学生的求知欲，让学生理解知识点本身及其之间的内在联系，也能让教师更清晰地组织教学内容和开展课程设计。师生的互动与学生对教学过程的深度参与，使学生学习效果和教师教学效果大幅提升。

五、结语

本文针对航空航天工程专业高年级本科生专业选修课远程火箭飞行动力学，应用BOPPPS教学模式和问题驱动教学方法，进行“以学生为中心，以学习成果为导向”的课程教学实践探索，取得了良好的效果。教学实践表明：基于BOPPPS教学模式和问题驱动教学方法的教学方式与传统“填鸭式”知识传授教学方式相比，更能调动学生主动学习的积极性，激发其学习热情，提升学生的课程教学参与程度和课堂研讨氛围，加深学生对知识点本身及其之间内在联系的理解程度，进而有效提高学生学习效率和培养学生发现与解决问题的能力，同时促进教师教学效率与教学质量明显提升。

参考文献

[1]Spady W G. Outcome-Based Education：Critical Issues and Answers [M]. Arlington：American Association of School Administrators，1994：1-10.

[2]陈克俊，刘鲁华，孟云鹤.远程火箭飞行动力学与制导[M].北京：国防工业出版社，2014.

[3]Pattison P， Russell D. Instructional Skills Workshop （ISW） Handbook[M].Vancouver：UBC Centre for Teaching and Academic Growth，2006：42-63.

[4]陈卫卫，鲍爱华，李清，等.基于BOPPPS模型和问题驱动教学法培养计算思维的教学设计[J].工业和信息化教育，2014（6）：8-11+18.

[5]常翠芝，李继林，蔡超.基于问题驱动法的BOPPPS教学模式在电工理论教学的应用[J].教育教学论坛，2018（17）：210-212.

[6]Albanese M， Mitchell S. Problem-Based Learning： A Review of the Literature on Its Outcomes and Implementation Issues[J]. Academic Medicine，1993，68（1）：52-81.

[7]HMELO M， FERRARI C E.The Problem Base Learning Tutorial：Cultivation Higher Order Thinking Skills[J].Journal for the Education of the Gifted：1997，20（4）：401-422.