航天控制力学的教学内容与方法探讨

【摘要】力学涉及的分支较广，在不同的领域对具体力学知识的要求存在较大的差异，论文根据航天控制应用背景，对我校建立的“航天控制应用力学”课程的教学内容和教学方法手段进行探讨，以更好地服务教学。

【关键词】航天控制力学 教学内容 教学方法

【中图分类号】G64【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2017）10-0249-02

一、航天控制力学基础的需求分析

由于航空航天和其他新技术的发展，力学的很多分支得到快速发展，如流体和气体力学、陀螺力学、飞行力学等，甚至出现很多边缘学科，如电磁流体力学、生物力学、多体系统动力学等。力学的范畴越来越广，内容和内涵越来越丰富。随着专业拓展，各高校课程呈现出多样化、短学时的特征。为了适应学时越来越少的情况，各个学科开始制定适合自己学科的力学课程。随着航天领域的发展，并伴随着各大学出现的航天热，基于航天控制的力学基础问题越来越显得突出。

二、教学内容构建原则与思路

1.联系航天背景，整合教学内容。在力学课时不断被压缩的情况下，教学内容需要进行整合。在理论力学基础上，一方面对与大学物理内容重复的部分进行删减，同时删减与航天控制中应用联系不紧密的部分，并增加飞行力学中与航天控制相关的部分内容，形成纵向以航天控制应用为主线、横向以理论力学、飞行力学、工程力学等交叉融合的教学内容体系，教学中体现多学科的相互渗透与交叉融合。基本构建思路为：

（1）汲取理论力学中运动学内容和动力学内容的精华部分，静力学只保留力系简化部分，并且摒弃大量的以机械结构运动分析为主的内容，不再强调刚体上某一点的运动分析，而是从火箭的质心运动和绕质心运动动力学为重点，讲解相关基础问题。

（2）在飞行力学和弹道学基础上，保留力的分析、坐标系及其变换等部分，同时增加与航天控制相关的问题，如各种干扰，如风干扰、结构干扰等，适当增加控制系统设计和分析的内容，供学生拓展学习；同时删减过于繁杂的轨道计算问题。

（3）利用航天控制的背景知识和问题，将上述内容统一和整合，形成一个应用背景鲜明、内容统一的新课程系统。

2.强化基本概念与数学推导思路。美国著名物理学家费曼曾说：“对学物理的人来讲，重要的不是如何正规严格地解微分方程，是能猜出它们的解并理解物理意义。”因而教学的一个趋势就是强调的明确、清晰和深刻，把对概念的理解放在第一位，同时适当放弃理论体严密性，简化物理公式的数学推导，使学生形成较清晰完整的物理学图像。因而在力学研究和学习中，基本概念是重点，有些概念难于理解，需要强化概念理解，如达朗伯原理，它把动力学问题转化为静力学问题进行分析；再如柯氏加速度，由于学生的惯性思维造成理解起来很困难，需要强调思维过程，重建正确的思维方法。另外对于力学中的公式推导，需要明确思路并简化数学推导过程。

3.注重与大学物理的联系与发展。在第一节构建的力学体系中，有很大一部分基本概念与学生在大学物理课程中已学过的力学的基本内容相重复，也有很大一部分是大学物理中概念的拓展，如讲述动量定理时，大学物理中以点或者两个小球为研究内容，而在新的课程中将其扩展到质点系和变质量质点系。而大学物理的教学内容也在随着课程改革进行动态调整，这就需要我们在建立航天控制力學的过程中动态跟踪大学物理课程体系和内容，并动态地调整我们的教学内容。

4.注重与工程应用相结合。航天控制力学课程具有特色鲜明的应用背景，因而需要重视航天控制背景，重视力学知识与航天控制的结合。如动力学研究中，重视航天飞行器的力学环境，理解每一个力的分析方法和表示方法；锻炼学生根据实际问题进行科学思维的能力、掌握科学思考方法，这正是现代素质教育的目的所在。

5.注重最新科研成果的引入。原来的教学内容，尤其是理论力学部分，缺乏反映近代科技成果的新内容和航天控制力学的新发展，未能很好地将力学与现代物理和科学技术的发展相联系。我校要求课程教学内容和教材需要定时和及时更新，督促各课程及时跟踪最新发展，并更新教学内容。这些年，我国航天技术得到飞速进步和发展，超音速、高超音速航空航天器得到迅猛发展，其空气动力学、控制力产生方法等都得到极大的发展和拓展，需要及时更新教学内容，将最新科研成果引入课堂。

三、教学方法构建

1.培养学生综合能力，提升教学方法。以学生为中心，注意学生全面发展，宽专业、厚基础、强能力、重创造，这些理念已逐渐被各大学所接受，但是在教学过程中大多采用传统的教学模式，未能充分培养学生的创造性思维能力、知识在实际中的应用能力。在教学过程中激发学生科学研究兴趣的内容太少，致使学生学得不活，学习积极性很难调动起来。

另一方面，由于航天控制力学是在大学物理中力学的基础上进行延伸和扩展，如静力学、运动学和动力学，其内容都是在大学物理的拓展，这让学生认为这些知识不过是大学物理中力学内容的重复，因而不能调动学生的学习积极性，导致学生发现与大学物理力学不一样时，为时已晚，更不用说培养学生的创新能力。

清华大学工程力学系首先在理论力学课程体系上，改变从特殊到一般、从已知到未知的传统体系，采用了从一般到特殊的讲授方法。如在运动学中从一般质点系运动讲起，在刚体运动学中从刚体的一般运动开始，逐步增加一些特殊条件得到定点运动、平面运动、定轴转动和平动等。这样的体系能使学生一开始就接受新问题，就能抓住重点，易于理解新思路和新方法，有利于培养学生创造能力。

对于航天控制力学基础的教学来讲，就是以航天控制中遇到的力学问题进行分析，逐步凝炼出力学问题，并采用抽象化和模型化方法对研究问题进行深入分析，得到一般力学结论，再反过来进行应用，以解决实际航天控制问题。有时，一个问题的引出是一步一步进行的，如研究航天器运动时，其是一个一般运动，让学生思考，当分析过程中遇到困难时，这些困难恰恰是我们需要解决的问题，学生的学习目标就很明确，也乐于去探讨新的方法解决新的问题，从而锻炼学生解决问题的思路和方法，做到从知识灌输向创造性培养的转变。

2.开发现代化教学手段。在教学过程中，根据课程内容引入方法论，在课程教学设计中加以体现，培养学生应用科学方法解决工程问题的能力，并开发现代化教学手段，充实教学资源。

目前，我们已经开发和收集了大量视频信息，如航天控制教学视频和动画，拓展学生航天控制中的基本概念和基本原理，为力学教学提供专业背景，有利于后续课程按照航天控制使用的角度进行引入和分析。

随着微课的发展，课程可以将重要的知识点，难于理解的问题等制作微课，或者收集网络平台上的相关内容的微课，让学生根据自己学习的情况，利用微課进行自学，充分调动学习积极性，使微课成为课堂教学的有利补充。

随着微信的普及，建立航天控制力学课程微信群，使学生有一个力学知识分享、讨论和交流的集中“场所”，使学生在交流中，深化知识学习，弥补个人学习的不足。同时，老师可以根据学生讨论和提出的问题，进行答疑解惑。但同时老师需要规范学生用网安全意识，对航天中的涉密敏感信息进行监控。

3.实践教学的构建。实践教学是巩固理论知识和加深对理论认识的有效途径，是培养具有创新意识的高素质工程技术人员的重要环节。为加强学生实践技能，培养创新型人才，建设以实验、装备现地教学、参观三位一体的实践体系。

力学课程实验依托实验教学中心，以本科生教学为主体开发力学基础实验。把有关科研、工程应用和先进实验手段融入到实验教学中，不断更新实验内容、方法和手段，强化学生的实验技能训练和创新精神培养。目前对于学生理解较为困难的知识，如柯氏惯性力，建立相应验证性实验，方便学生理解理论知识，培养学生的观察能力、动手能力、分析能力，养成理论联系实际的科学精神。

为发挥我校在航天领域的装备特色，在航天控制力学课程中积极开展基于装备的现地教学，学生能够亲眼看到所学的载体，甚至能亲手操作，来增强学习的直观性，便于学生理解学习内容，加深学习的层次。在控制力的产生方式、发动机推力、箭体结构等内容的教学中，得到了很好的应用。

为拓展学生视野，利用校外高校的力学实验室、研究所的力学环境实验以及风洞模型，开展参观教学，拓展学生的视野，了解力学的相关前沿技术、发展方向和研究方法，从而调动学生学习的积极性，激发学生的创新思维。

四、小结

论文对教学内容构建原则进行了探讨，建立了基于航天背景整合教学内容、强化基本概念、注重与大学物理的联系、注重与工程应用方法相结合、注重最新科研成果引入等五个方面的原则；对教学方法进行了研究，从提升改进教学方法、开发现代化教学手段和实践教学构建方法进行来探讨。这些研究和探讨有些已经应用到教学体系构建上，在指导力学课程改革中起到了重要的作用。我们将紧跟力学发展，与时俱进，不断探索和完善力学课程内容和教学方法。

参考文献：

[1]施毅敏，工科物理力学教学内容和方法的改革探究，湖南师范大学硕士论文，2006

[2]罗伟林，工程力学课程中实践教学的建设，中国现代教育装备，2011.02

[3]陈震，《理论力学》课程教学改革探讨，江汉大学学报（自然科学版），2013.04

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