王新國+++郭一鋒+++單斌+++郭志斌+++楊波

【摘要】力學涉及的分支較廣，在不同的領(lǐng)域?qū)唧w力學知識的要求存在較大的差異，論文根據(jù)航天控制應(yīng)用背景，對我校建立的“航天控制應(yīng)用力學”課程的教學內(nèi)容和教學方法手段進行探討，以更好地服務(wù)教學。

【關(guān)鍵詞】航天控制力學 教學內(nèi)容 教學方法

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）10-0249-02

一、航天控制力學基礎(chǔ)的需求分析

由于航空航天和其他新技術(shù)的發(fā)展，力學的很多分支得到快速發(fā)展，如流體和氣體力學、陀螺力學、飛行力學等，甚至出現(xiàn)很多邊緣學科，如電磁流體力學、生物力學、多體系統(tǒng)動力學等。力學的范疇越來越廣，內(nèi)容和內(nèi)涵越來越豐富。隨著專業(yè)拓展，各高校課程呈現(xiàn)出多樣化、短學時的特征。為了適應(yīng)學時越來越少的情況，各個學科開始制定適合自己學科的力學課程。隨著航天領(lǐng)域的發(fā)展，并伴隨著各大學出現(xiàn)的航天熱，基于航天控制的力學基礎(chǔ)問題越來越顯得突出。

二、教學內(nèi)容構(gòu)建原則與思路

1.聯(lián)系航天背景，整合教學內(nèi)容。在力學課時不斷被壓縮的情況下，教學內(nèi)容需要進行整合。在理論力學基礎(chǔ)上，一方面對與大學物理內(nèi)容重復(fù)的部分進行刪減，同時刪減與航天控制中應(yīng)用聯(lián)系不緊密的部分，并增加飛行力學中與航天控制相關(guān)的部分內(nèi)容，形成縱向以航天控制應(yīng)用為主線、橫向以理論力學、飛行力學、工程力學等交叉融合的教學內(nèi)容體系，教學中體現(xiàn)多學科的相互滲透與交叉融合?；緲?gòu)建思路為：

（1）汲取理論力學中運動學內(nèi)容和動力學內(nèi)容的精華部分，靜力學只保留力系簡化部分，并且摒棄大量的以機械結(jié)構(gòu)運動分析為主的內(nèi)容，不再強調(diào)剛體上某一點的運動分析，而是從火箭的質(zhì)心運動和繞質(zhì)心運動動力學為重點，講解相關(guān)基礎(chǔ)問題。

（2）在飛行力學和彈道學基礎(chǔ)上，保留力的分析、坐標系及其變換等部分，同時增加與航天控制相關(guān)的問題，如各種干擾，如風干擾、結(jié)構(gòu)干擾等，適當增加控制系統(tǒng)設(shè)計和分析的內(nèi)容，供學生拓展學習；同時刪減過于繁雜的軌道計算問題。

（3）利用航天控制的背景知識和問題，將上述內(nèi)容統(tǒng)一和整合，形成一個應(yīng)用背景鮮明、內(nèi)容統(tǒng)一的新課程系統(tǒng)。

2.強化基本概念與數(shù)學推導(dǎo)思路。美國著名物理學家費曼曾說：“對學物理的人來講，重要的不是如何正規(guī)嚴格地解微分方程，是能猜出它們的解并理解物理意義?！币蚨虒W的一個趨勢就是強調(diào)的明確、清晰和深刻，把對概念的理解放在第一位，同時適當放棄理論體嚴密性，簡化物理公式的數(shù)學推導(dǎo)，使學生形成較清晰完整的物理學圖像。因而在力學研究和學習中，基本概念是重點，有些概念難于理解，需要強化概念理解，如達朗伯原理，它把動力學問題轉(zhuǎn)化為靜力學問題進行分析；再如柯氏加速度，由于學生的慣性思維造成理解起來很困難，需要強調(diào)思維過程，重建正確的思維方法。另外對于力學中的公式推導(dǎo)，需要明確思路并簡化數(shù)學推導(dǎo)過程。

3.注重與大學物理的聯(lián)系與發(fā)展。在第一節(jié)構(gòu)建的力學體系中，有很大一部分基本概念與學生在大學物理課程中已學過的力學的基本內(nèi)容相重復(fù)，也有很大一部分是大學物理中概念的拓展，如講述動量定理時，大學物理中以點或者兩個小球為研究內(nèi)容，而在新的課程中將其擴展到質(zhì)點系和變質(zhì)量質(zhì)點系。而大學物理的教學內(nèi)容也在隨著課程改革進行動態(tài)調(diào)整，這就需要我們在建立航天控制力學的過程中動態(tài)跟蹤大學物理課程體系和內(nèi)容，并動態(tài)地調(diào)整我們的教學內(nèi)容。

4.注重與工程應(yīng)用相結(jié)合。航天控制力學課程具有特色鮮明的應(yīng)用背景，因而需要重視航天控制背景，重視力學知識與航天控制的結(jié)合。如動力學研究中，重視航天飛行器的力學環(huán)境，理解每一個力的分析方法和表示方法；鍛煉學生根據(jù)實際問題進行科學思維的能力、掌握科學思考方法，這正是現(xiàn)代素質(zhì)教育的目的所在。

5.注重最新科研成果的引入。原來的教學內(nèi)容，尤其是理論力學部分，缺乏反映近代科技成果的新內(nèi)容和航天控制力學的新發(fā)展，未能很好地將力學與現(xiàn)代物理和科學技術(shù)的發(fā)展相聯(lián)系。我校要求課程教學內(nèi)容和教材需要定時和及時更新，督促各課程及時跟蹤最新發(fā)展，并更新教學內(nèi)容。這些年，我國航天技術(shù)得到飛速進步和發(fā)展，超音速、高超音速航空航天器得到迅猛發(fā)展，其空氣動力學、控制力產(chǎn)生方法等都得到極大的發(fā)展和拓展，需要及時更新教學內(nèi)容，將最新科研成果引入課堂。

三、教學方法構(gòu)建

1.培養(yǎng)學生綜合能力，提升教學方法。以學生為中心，注意學生全面發(fā)展，寬專業(yè)、厚基礎(chǔ)、強能力、重創(chuàng)造，這些理念已逐漸被各大學所接受，但是在教學過程中大多采用傳統(tǒng)的教學模式，未能充分培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維能力、知識在實際中的應(yīng)用能力。在教學過程中激發(fā)學生科學研究興趣的內(nèi)容太少，致使學生學得不活，學習積極性很難調(diào)動起來。

另一方面，由于航天控制力學是在大學物理中力學的基礎(chǔ)上進行延伸和擴展，如靜力學、運動學和動力學，其內(nèi)容都是在大學物理的拓展，這讓學生認為這些知識不過是大學物理中力學內(nèi)容的重復(fù)，因而不能調(diào)動學生的學習積極性，導(dǎo)致學生發(fā)現(xiàn)與大學物理力學不一樣時，為時已晚，更不用說培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

清華大學工程力學系首先在理論力學課程體系上，改變從特殊到一般、從已知到未知的傳統(tǒng)體系，采用了從一般到特殊的講授方法。如在運動學中從一般質(zhì)點系運動講起，在剛體運動學中從剛體的一般運動開始，逐步增加一些特殊條件得到定點運動、平面運動、定軸轉(zhuǎn)動和平動等。這樣的體系能使學生一開始就接受新問題，就能抓住重點，易于理解新思路和新方法，有利于培養(yǎng)學生創(chuàng)造能力。

對于航天控制力學基礎(chǔ)的教學來講，就是以航天控制中遇到的力學問題進行分析，逐步凝煉出力學問題，并采用抽象化和模型化方法對研究問題進行深入分析，得到一般力學結(jié)論，再反過來進行應(yīng)用，以解決實際航天控制問題。有時，一個問題的引出是一步一步進行的，如研究航天器運動時，其是一個一般運動，讓學生思考，當分析過程中遇到困難時，這些困難恰恰是我們需要解決的問題，學生的學習目標就很明確，也樂于去探討新的方法解決新的問題，從而鍛煉學生解決問題的思路和方法，做到從知識灌輸向創(chuàng)造性培養(yǎng)的轉(zhuǎn)變。

2.開發(fā)現(xiàn)代化教學手段。在教學過程中，根據(jù)課程內(nèi)容引入方法論，在課程教學設(shè)計中加以體現(xiàn)，培養(yǎng)學生應(yīng)用科學方法解決工程問題的能力，并開發(fā)現(xiàn)代化教學手段，充實教學資源。

目前，我們已經(jīng)開發(fā)和收集了大量視頻信息，如航天控制教學視頻和動畫，拓展學生航天控制中的基本概念和基本原理，為力學教學提供專業(yè)背景，有利于后續(xù)課程按照航天控制使用的角度進行引入和分析。

隨著微課的發(fā)展，課程可以將重要的知識點，難于理解的問題等制作微課，或者收集網(wǎng)絡(luò)平臺上的相關(guān)內(nèi)容的微課，讓學生根據(jù)自己學習的情況，利用微課進行自學，充分調(diào)動學習積極性，使微課成為課堂教學的有利補充。

隨著微信的普及，建立航天控制力學課程微信群，使學生有一個力學知識分享、討論和交流的集中“場所”，使學生在交流中，深化知識學習，彌補個人學習的不足。同時，老師可以根據(jù)學生討論和提出的問題，進行答疑解惑。但同時老師需要規(guī)范學生用網(wǎng)安全意識，對航天中的涉密敏感信息進行監(jiān)控。

3.實踐教學的構(gòu)建。實踐教學是鞏固理論知識和加深對理論認識的有效途徑，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)工程技術(shù)人員的重要環(huán)節(jié)。為加強學生實踐技能，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，建設(shè)以實驗、裝備現(xiàn)地教學、參觀三位一體的實踐體系。

力學課程實驗依托實驗教學中心，以本科生教學為主體開發(fā)力學基礎(chǔ)實驗。把有關(guān)科研、工程應(yīng)用和先進實驗手段融入到實驗教學中，不斷更新實驗內(nèi)容、方法和手段，強化學生的實驗技能訓(xùn)練和創(chuàng)新精神培養(yǎng)。目前對于學生理解較為困難的知識，如柯氏慣性力，建立相應(yīng)驗證性實驗，方便學生理解理論知識，培養(yǎng)學生的觀察能力、動手能力、分析能力，養(yǎng)成理論聯(lián)系實際的科學精神。

為發(fā)揮我校在航天領(lǐng)域的裝備特色，在航天控制力學課程中積極開展基于裝備的現(xiàn)地教學，學生能夠親眼看到所學的載體，甚至能親手操作，來增強學習的直觀性，便于學生理解學習內(nèi)容，加深學習的層次。在控制力的產(chǎn)生方式、發(fā)動機推力、箭體結(jié)構(gòu)等內(nèi)容的教學中，得到了很好的應(yīng)用。

為拓展學生視野，利用校外高校的力學實驗室、研究所的力學環(huán)境實驗以及風洞模型，開展參觀教學，拓展學生的視野，了解力學的相關(guān)前沿技術(shù)、發(fā)展方向和研究方法，從而調(diào)動學生學習的積極性，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

四、小結(jié)

論文對教學內(nèi)容構(gòu)建原則進行了探討，建立了基于航天背景整合教學內(nèi)容、強化基本概念、注重與大學物理的聯(lián)系、注重與工程應(yīng)用方法相結(jié)合、注重最新科研成果引入等五個方面的原則；對教學方法進行了研究，從提升改進教學方法、開發(fā)現(xiàn)代化教學手段和實踐教學構(gòu)建方法進行來探討。這些研究和探討有些已經(jīng)應(yīng)用到教學體系構(gòu)建上，在指導(dǎo)力學課程改革中起到了重要的作用。我們將緊跟力學發(fā)展，與時俱進，不斷探索和完善力學課程內(nèi)容和教學方法。

參考文獻：

[1]施毅敏，工科物理力學教學內(nèi)容和方法的改革探究，湖南師范大學碩士論文，2006

[2]羅偉林，工程力學課程中實踐教學的建設(shè)，中國現(xiàn)代教育裝備，2011.02

[3]陳震，《理論力學》課程教學改革探討，江漢大學學報（自然科學版），2013.04