飞行学员理论力学教学中航理元素的挖掘

姜爱民，田爱平，张 慧

（海军航空大学 航空基础学院，山东 烟台 264001）

新时代海军飞行学员的培养包含两个层面，一是以大学本科学历教育为标准的科学文化素质培养，二是以打牢海军各机型飞行技术及战术基础为目标的航空专业技能培养。理论力学课程是飞行学员课程体系中的基础课程，是后续的飞机空气动力学、飞行力学与控制等课程（简称航理课程）的重要先导课程。学习理论力学既有助于培养学员的逻辑思维能力，同时也有助于培养学员的分析解决问题能力。飞行本质上是力学过程，理论力学课程在航空飞行与指挥专业课程体系中占有重要地位，是飞行学员理解飞机和飞行的必要知识储备。若将理论力学课程与航理课程教学内容有效融合，挖掘理论力学中的航理元素，不仅能提高学员学习理论力学课程和专业课的兴趣，还可实现学员从基础课程到航理课程的平稳过渡和无缝连接，突出学员知识体系的纵向融合，能在有限时间内为学员提供最有效、最富价值的知识，赋予最管用、最过硬的能力。

一、传统理论力学教学面临的挑战

要真正有效地实现基于“航理”教育的理论力学教学，其实并不容易。笔者认为传统理论力学教学面临的挑战主要包括三项：一是理论力学教员对航空理论的了解不深入。理论力学教员大部分是力学、机械专业出身，长期从事的是基础教学工作和力学科学的研究，没有进行过航空航天专业的培训，要求教员在课时工作量已经很繁重的前提下，将理论力学课程与后续航理课程进行有机的衔接和融合，存在一些困难。二是理论力学和航理课程教员分属于不同教研室，沟通渠道远不如同室教员通畅。理论力学教员要对后续航理课程的教学计划、重难点有及时了解，无疑需要与航理课程教员有持续的联系和沟通交流。三是学员对力学课程的用途缺乏基本认知，学好这门课的主观能动性不强。理论力学教员在力学课与学员后续专业课的联系方面引领不够，常常导致学员在后续航理课程的学习中，往往没有将飞行问题与所学的力学理论相联系、进而融合的主动思维。在学时普遍紧张的现实下，缺乏飞行针对性的理论力学教学可能会浪费宝贵的授课时间，甚至错失重点，影响学员后续的航理课程学习兴趣。

二、注重职业导向，以挖掘航理元素引领理论力学课程综合改革

（一）挖掘飞行问题的理论力学知识点本源，拨云见日

课程教学“内容为王”，重新梳理理论力学知识点，可增加课程“航理”含金量，增强课程内容对培养目标支撑度和关联性。首先，联合飞行力学与控制课程主讲教员共同申请大学的教改项目，进一步获得双方教研室和大学的支持。其次，开展交叉听课活动，理论力学教员随堂听课并与航理课程教员主动交流沟通，双方逐步形成项目组学习共同体，在达成两门课程有机衔接、有效融合贯通的共识后，定期集体讨论细化两门课程间的关联点，搭建起基础课教员和专业课教员之间、基础课和专业课之间的桥梁。接着，派遣理论力学教员参加学员筛选飞行的部队跟训活动，强化教员对基层飞行部队的全面认知，提升教员为战教战的能力。跟训教员要主动开展航空理论知识的学习，按照学员标准全程参与教学训练活动，可以利用训练活动间隙采取座谈、访谈和问卷调查等方式，开展与教学相关问题的研究。通过上述措施，对理论力学和航理课程的知识点进行梳理、提升，突出教学理念的先导作用，论证理论力学与航理课程融合的切入点，梳理后的理论力学知识点特色明显。

1.厚基础，拓宽知识体系的维度

一是要提升学业挑战度，增加课程难度，拓展课程深度。以前很多督导专家听课后指出，对于飞行学员来说，理论力学的内容应浅显易懂，譬如关于力系的简化与平衡只讲平面不用关注空间，角速度矢量、力矩矢不用讲解等。现在通过将理论力学与航理课程的融合研究，教员认识上发生很大的变化。飞行学员的理论力学内容不是要讲得浅，而是要讲得深。理论力学是飞行技术与指挥专业的专业基础课，该课程的深度和广度拓展后，才能支撑后续专业的可拓展性。二是在教学过程中，不再特别强调定量分析，而是更关注定性分析。对知识点的重新分配着重考虑学员的认知心理和逻辑连贯性，特别明确理论力学对后续航理课程影响大的重要知识点。

2.勇创新，建立航空特色的力学模型

力学模型是培养力学思维的磨刀石，力学建模有四个方面的分析工作：一是确定研究对象；二是物体本身的内因；三是物体所承受的外载荷；四是物体可能存在的运动状态。目前教材的力学模型多以杆、圆等简单几何图形代表各种物体系统，具有高度的抽象性，没有明确的物理意义。若尽量以飞行器及各部件为研究对象，外载荷多以飞行中的气动力为主，那么只要学员掌握力学的基本要素，就可以组合出各种形象的力学模型，让力学表现出无穷的创新能力。譬如，以机翼的翼型作为力系简化的力学模型，分析空气动力的来源；在讲述点的运动学直角坐标法时，采用航理课程中的机体轴系作为例子，直观说明直角坐标法的作用，借势引导学员关注基础课与专业课的关联。

3.巧融合，内容的安排上注重航理概念的引入

在分析重心和质心的位置求解时，类比引出航理中的压力中心、焦点及机动点的概念；讲授点的复合运动时引入螺距和迎角的概念。当然，在课堂教学航理概念引入过程中，不要为了引入而引入，要与本节教学内容紧紧相扣，要建立学员对本节课堂教学内容有一个初步的认知基础，使概念引入具有定向功能，避免随意性。

（二）挖掘经典力学例题、习题的飞行实践表现，学以致用

力学的课程性质决定其和数学一样，如果不加练习，不可能对课程的理论、概念和方法有比较深入的认识。由于目前理论力学课时普遍减少及飞行技术专业的特殊性，例题和习题的收集和编制不能完全照搬原来的题库。在征询航理课程合作教员的意见后，采用定量分析和定性分析两种形式，题量各占一半。定性分析的内容都是与飞行相关的。譬如，点的速度合成定理的定性分析例题为直升机旋翼叶片的速度分布情况，导出旋翼桨盘的左右两侧气动力不对称，进而引出直升机操控方式的力学内涵；螺旋桨滑流也可以依据速度合成定理进行分析，可解释学员在检验飞行初教-6 时，滑跑阶段为什么要预先蹬左舵。质心运动定理的例题为飞机如何转弯，让学员提前明白，操纵方向舵是控制机翼向预期转弯方向的滚转来实现转弯。定性分析习题有B-2 轰炸机如何进行姿态控制、自转旋翼机需要像直升机一样布置尾部小螺旋桨吗……这样的例题和习题时刻把握理论联系实际，抽象结合具体的结果，时常给学员耳目一新的感觉。这些工作明显改变了学员对理论力学太抽象、不知何用的看法，调动了学员的学习主观能动性，对力学知识的理解和记忆也更深刻，这种改变势必对学员在后续的航理课程学习中融会贯通力学和工程知识大有益处。

（三）挖掘传统教学方式、方法的飞行氛围的替代，耳濡目染

1.双师同堂营造“航理”氛围

双师同堂教学是一种由两名教师共同对同一组学生的教学负责，开展协作教学的授课形式。参与的教师可以来自相同或相近的学科，也可以来自完全不同的学科。各学科教师协作制定教学目标、教学计划和备课，共同分享学生回馈和评价，最重要的是共同走进课堂协作完成课堂教学。双师同堂教学的具体形式多种多样，笔者将其概括为三种：一是支持式同堂教学，即一位教师主讲，另一位教师辅助；二是平行式同堂教学，即两位教师分别对同一学生群体进行内容平行的教学活动；三是互补式同堂教学，即两位教师都是主讲，课堂上都起到主导作用，交替对同一学生群体进行内容相关互补的教学。飞行学员理论力学课程中的双师同堂，采用“二同堂”，包括基础与专业教员同堂和内场与外场教员同堂。

基础与专业教员同堂能促进前后课程有机衔接。在课程进行的中后期，可由基础教员与专业教员共同授课。基础教员与专业教员分别使用教室的前后两面黑板，先由基础教员在前台讲述，引入数学方法分析力学原理，建立简化的力学模型推导基本方程。然后学员转身，由后台专业教员用简短语言介绍专业课的主要内容，再详述哪些章节需要以本课程的知识点为基础，以思维导图的形式直观地表达出来，形象说明力学知识对后续专业课学习的重要性。飞行学员的专业课程包括航空发动机学、飞行原理基础及飞机结构强度等。在讲解点的复合运动内容时，可邀请航空发动机学教员同堂，因为在研究气压机的增压原理和涡轮的功率输出之前，学员必须能熟练应用点的速度合成定理绘出速度三角形。在讲授动量定理内容时，飞行原理基础教员同堂介绍飞机基本运动方程的建立必须以此定理为基础。飞机结构强度教员可参与弯曲变形内容的同堂教学，解释飞机着陆时起落架弯曲变形导致强度不足而易折断的原理，以此说明学好基础课的重要性。

课堂与外场教员同堂可突出课程职业背景。待课程完成10 个学时的教学后，邀请外场教员参加2 次课堂教学。先请外场教员讲飞行动作，课堂教员讲力学原理，再由外场教员解读飞行实践与力学理论的关联。外场教员对飞行学员学习基础力学的重要性体会更深刻，现身说法式的讲授具有更强的说服力。例如，在讲授动量矩定理时，外场教员介绍飞机气动布局的类型及其特性，应用动量矩定理定性分析在驾驶飞机时，如何运用操纵杆和方向舵以保持飞机的姿态稳定。对于力系的简化这个子任务，外场教员先列举飞行员在练习失速和尾旋初期常遇到的一些问题，再解释问题产生的主要原因是对升力与阻力的知识点掌握不全面，强调此知识点对飞行员的实用价值。然后课堂教员带领学员绘制机翼的受力图并进行简化和结果分析。外场教员与学员的良好互动，能够使学员更好地从力学的角度理解飞机、理解飞行，也让学员认识到基础力学教学内容在他们职业生涯中的重要价值，增强学员的自信心和职业荣誉感。

2.现代化的教学媒介助力“航理氛围”

教学方法是促进学员建构知识、发展思维与能力生成的桥梁纽带，教学方法的选取直接决定着课堂教学效果。在理论力学课程的教学中具体分析飞行领域的实例，对学员在后续航理课程的学习中主动联系力学理论的思维习惯大有益处。在每章教学内容中发掘一些与飞机和飞行相关的特色案例，每次课堂教学都采用案例教学法。为了能在有限的课堂时间内引出航空例子，讲解力学知识点，详细分析案例，营造出“航理氛围”，我们将传统课堂、雨课堂、在线课堂和翻转课堂相结合，从而有效地实现航空特色案例教学。下面以第六章动量矩定理为例，简要介绍操作步骤。

本章案例：“直升机结构形式有哪几类？利用力学知识解释为什么采用这几种螺旋桨布置类型？”第一步，通过雨课堂发布案例，让学员自主查阅文献和收集飞机图片，激发学员对航空的热爱。同时发布预习课件，引导学员去预习。第二步，课堂上，教员播放事先制作好的微视频，形象地展示案例，介绍四种结构形式直升机的特点及典型型号，引出问题，启迪学员探索解决航理问题的思路。第三步，教员开始PPT 加板书授课，数学演绎定理的推导过程及结论。第四步，知识点讲解结束后，在课堂上发布通过雨课堂编辑的选择题，教员的手机上实时显示学生答题情况，及时了解学员对当前所学知识的掌握情况。第五步，采用翻转课堂教学法，基于第一步和第二步的案例设计问题，组织学员讨论分析案例，根据学员的表现教员及时引导和纠偏，最终形成一种对案例定性分析的完整说法。第六步，学员利用理论力学慕课，课堂上没有听懂的部分，尤其是案例分析部分，在课后反复复习，这样可以很好地融会贯通。通过传统课堂与在线课堂的结合，最大限度地利用在线课堂来为课堂教学服务，促进案例法得以有效实施，让“航理氛围”贯穿授课过程每一步，提升了学员自主学习意识和学习能力。

3.航理“腔调”烘托“航理氛围”

由于力学与航空专业领域的不同发展，有不少概念术语叫法和授课语言不同，这些都会影响学员对理论力学和航理知识的融会贯通，影响其理解问题、解决问题思维的逻辑性和连贯性。两门课的教员通过集体备课“统一口径”，可提高学员反应的快速性和课堂效果，真正实现两门课程的平稳过渡和无缝连接。

譬如，航理课程上讲授飞机纵向静操纵性这个知识点时，需要建立驾驶杆力、杆位移与飞行状态之间的关系。航理课程教员一般会说“从力学原理得知”，但是对于飞行学员来说，有时花很长时间还反应不过来。然而，若教员直接提示根据动能定理，学员就会豁然开朗。关于理论力学的动能定理，高中和大学物理都涉及，学员不太重视，易出现“夹生”现象。其实，理论力学与大学物理相比，前者强调刚体的学习，后者所讨论的对象几乎都是质点。尽管力是一个力，但是对象的模型不一样，所能解释的物理现象就不一样。若在讲述理论力学的动能定理时，教员提前像飞行教官一样，告知学员操作口令“双脚控舵，眼盯仪表，带杆起飞”，直接以初教-6 升降舵操纵部分为例来讲解动能定理及应用，学员学习的主动性会更强。曾经有一次听课经历，航理课程教员课堂提问“飞机单轮着陆会出现什么情况？”，学员回答“曲线运动”。教员又启发，“大家不是学过牛顿力学吗？从力和力矩的角度分析”，但学员仍需在教员的引导下通过力平衡关系及力矩性质，详细推导出右轮着陆飞机向左倾斜和向右偏转的结论，由于推导时间长而导致本节课未完成进度。理论力学教员听课后的感想是：明明很简单的理论力学知识点，学员为什么就不知道如何思考？因此，如果早点儿在理论力学课堂上“航理化”力矩的性质，例如介绍飞机的滚转力矩、偏转力矩等航理概念，那么就便于学员养成用力学的思维分析问题的习惯。

三、结束语

航理特色的理论力学教学不是一蹴而就的，需要在课堂教学的过程中不断实践逐步完善。以理论力学与航理课程教学内容融合设计为主线，优化理论力学教学内容，体现航空特色和专业针对性，提升教学效果。充分考虑飞行学员的专业特点，在课程内容安排、例题选取、教学方法和方式等方面与航理课程紧密联系，深度融合，可避免学员有课程之间碎片化、前学后忘的感觉，真正实现理论力学课程与航理课程间的平稳过渡和无缝连接，确保理论力学的“飞行”教学稳步推进，使学员看得远一些、飞得更高一些，真正实现“前课观照后课、后端介入前端”课程体系一体化建设。