廖宇新 魏才盛 杏建軍 陳琪鋒 戴健

[摘 要] 為適應(yīng)國家空天強國戰(zhàn)略對航空航天專業(yè)復(fù)合型高級人才的需求，以提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)與思考和解決問題的能力為目標(biāo)，結(jié)合遠程火箭飛行動力學(xué)課程的特點，綜合應(yīng)用BOPPPS教學(xué)模式和問題驅(qū)動教學(xué)方法，對課程教學(xué)進行“以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向”的實踐探索。實踐結(jié)果表明，基于BOPPPS教學(xué)模式和問題驅(qū)動教學(xué)方法的教學(xué)方式能激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)積極性，提高學(xué)生課程教學(xué)參與程度，進而促進學(xué)生學(xué)習(xí)效率和發(fā)現(xiàn)與解決問題能力的提升，同時通過師生互動和學(xué)生反饋等手段增強教師教學(xué)的效率與質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞] BOPPPS教學(xué)模式;問題驅(qū)動教學(xué)方法;學(xué)習(xí)效率;教學(xué)效率;教學(xué)質(zhì)量

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）04-0078-04? ? [收稿日期] 2020-05-07

一、引言

遠程火箭飛行動力學(xué)課程是面向航空航天工程專業(yè)高年級本科生開設(shè)的一門專業(yè)選修課，主要包括飛行動力學(xué)的基礎(chǔ)知識、遠程火箭飛行的力學(xué)環(huán)境、空間運動方程建立、自由飛行段彈道特性、再入段運動特性與彈道設(shè)計、主動段運動特性與彈道設(shè)計等內(nèi)容。通過本課程的理論學(xué)習(xí)和實踐，學(xué)生可掌握遠程火箭飛行動力學(xué)相關(guān)的基本概念、知識和理論，培養(yǎng)學(xué)生對遠程火箭運動規(guī)律進行建模和分析的能力以及進行初步彈道計算、分析與設(shè)計的能力，為后續(xù)從事航空航天飛行器總體設(shè)計、飛行力學(xué)和制導(dǎo)控制系統(tǒng)的研究和技術(shù)工作打下一定的基礎(chǔ)。因此，本課程對航空航天工程專業(yè)本科生加深專業(yè)認(rèn)識、拓展理論深度、提升工程實踐能力和創(chuàng)新能力具有非常重要的意義。

遠程火箭飛行動力學(xué)課程內(nèi)容抽象，符號和定義繁多，公式推導(dǎo)復(fù)雜，前后知識點關(guān)聯(lián)程度高，理論性和工程性強，授課教師如果采用傳統(tǒng)的知識傳授式教學(xué)方法，追求概念、理論、公式推導(dǎo)的完備和細致講解，缺乏教學(xué)內(nèi)容與實際應(yīng)用的聯(lián)系，教學(xué)內(nèi)容和過程會極為枯燥乏味，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和主動學(xué)習(xí)積極性難以調(diào)動，教師教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)效果會大打折扣。因此，基于國際工程教育專業(yè)認(rèn)證遵循的成果導(dǎo)向教育（Outcome-Based Education，OBE）理念[1]，應(yīng)用新型教學(xué)模式和先進教學(xué)方法對遠程火箭飛行動力學(xué)課程教學(xué)進行“以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向”的實踐探索，對提高課程教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量意義顯著。

二、遠程火箭飛行動力學(xué)課程教學(xué)存在的問題

（一）教學(xué)方法陳舊和教學(xué)手段簡單

與多數(shù)飛行力學(xué)課程類似，遠程火箭飛行動力學(xué)課程的符號、定義、抽象概念和公式推導(dǎo)多，前后知識點關(guān)聯(lián)程度高，授課教師通常以教師、課堂和教材為中心，追求概念、理論、公式推導(dǎo)的完備和系統(tǒng)性，采用“PPT+黑板板書”的授課手段，進行“填鴨式”知識傳授教學(xué);學(xué)生則被動聽講、理解和記憶課程知識，無自身思維拓展和能力提升空間，難以調(diào)動主動學(xué)習(xí)積極性和創(chuàng)造性，教學(xué)和學(xué)習(xí)效果不甚理想。

（二）教學(xué)主體主動性難以調(diào)動和參與程度較低

遠程火箭飛行動力學(xué)課程的教學(xué)主體是航空航天工程專業(yè)高年級本科生，很多學(xué)生重心主要在考研與就業(yè)，對專業(yè)課拿學(xué)分的需求強烈，但對知識的新鮮感和課程的投入不夠，如果師生缺乏高質(zhì)量雙向互動或授課內(nèi)容缺乏趣味性，課程教學(xué)會形成學(xué)生主動性和積極性逐漸減弱進而參與程度逐漸降低的惡性循環(huán)。

（三）教學(xué)內(nèi)容與先進科研成果脫節(jié)

遠程火箭飛行動力學(xué)是根據(jù)理論力學(xué)的普遍規(guī)律，深入分析彈道導(dǎo)彈和運載火箭及其有效載荷等對象在各種力作用下的質(zhì)心運動，建立描述其質(zhì)心運動的微分方程，揭示其質(zhì)心運動的客觀規(guī)律，并運用規(guī)律來解決彈道分析、計算與設(shè)計等實際工程問題[2]。課程的基本理論體系較為成熟。授課教師容易受教學(xué)基本要求、課時、教材等因素限制，偏重于經(jīng)典理論講解與核心公式推導(dǎo)，而忽略將教學(xué)內(nèi)容與相關(guān)的先進科研成果進行關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致學(xué)生對所學(xué)知識的目的和用途存在困惑。

針對以上遠程火箭飛行動力學(xué)課程教學(xué)過程中存在的問題，筆者基于OBE理念，將問題驅(qū)動教學(xué)方法融入BOPPPS教學(xué)模式，對該課程教學(xué)進行實踐探索，旨在提高課程教學(xué)質(zhì)量和人才培養(yǎng)質(zhì)量。

三、BOPPPS教學(xué)模式與問題驅(qū)動教學(xué)方法概述

（一）BOPPPS教學(xué)模式

BOPPPS教學(xué)模式起源于加拿大教師技能培訓(xùn)體系ISW（Instructional Skills Workshop）[3]，是教師根據(jù)教育學(xué)的認(rèn)知理論進行課程設(shè)計的一種模式，近年來在英屬哥倫比亞大學(xué)、卡爾加里大學(xué)等諸多知名院校中推廣應(yīng)用，目前已經(jīng)成為加拿大高等教育教師培訓(xùn)和課堂教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模式。

BOPPPS教學(xué)模式以構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論為理論基礎(chǔ)，強調(diào)教師要圍繞以學(xué)生為中心的教學(xué)理念開展強針對性和可操作性的教學(xué)過程設(shè)計，遵循“教學(xué)目標(biāo)→教學(xué)行為→學(xué)習(xí)活動→教學(xué)評估→教學(xué)目標(biāo)”的教學(xué)循環(huán)過程[4]開展教學(xué)組織實施，通過充分考慮教師教和學(xué)生學(xué)的特點以及強調(diào)師生全方位參與式互動學(xué)習(xí)的核心環(huán)節(jié)，調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性和興趣，提升學(xué)生的參與度和課堂活力，并通過及時調(diào)整和改進達到提高教學(xué)效率、提升教學(xué)質(zhì)量和實現(xiàn)教育目標(biāo)的效果。

BOPPPS教學(xué)模式將課堂教學(xué)過程進行模塊化并分解為六個前后銜接的階段，即引入（Bridge-in）、目標(biāo)（Objective）、前測（Pre-assessment）、參與式學(xué)習(xí)（Participatory learning）、后測（Post-assessment）和總結(jié)（Summary），六個階段英文首字母的縮寫即為BOPPPS。引入是教學(xué)的切入環(huán)節(jié)，可通過引用經(jīng)典案例、提出意想不到的問題、講述新聞故事、復(fù)述以往關(guān)聯(lián)教學(xué)內(nèi)容等手段引入新的教學(xué)內(nèi)容，吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從根本上實現(xiàn)從強制教到主動學(xué)的師生主體地位轉(zhuǎn)換。目標(biāo)即明確教學(xué)目標(biāo)和讓學(xué)生明白知識的用途，制定目標(biāo)須遵循簡潔、明確、具體的原則，方可有的放矢地指導(dǎo)教學(xué)內(nèi)容組織工作。前測是通過問答、問卷、概念圖等手段，在授課前對學(xué)生關(guān)于待學(xué)內(nèi)容及相關(guān)知識儲備進行了解，從而針對性調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，做到真正的視情施教。參與式學(xué)習(xí)是主體核心環(huán)節(jié)，可通過在研討、參與、互動式的教學(xué)模式中采用教師與學(xué)生互動、學(xué)生之間互動等手段和問答、討論、辯論、游戲等形式，突出學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主導(dǎo)地位和明確教師的指導(dǎo)、幫助與組織的角色，充分提高學(xué)生參與熱情和參與程度，使學(xué)生從機械式的被動聽變?yōu)橛兴伎嫉闹鲃訉W(xué)。后測是檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)和教師教學(xué)效果的環(huán)節(jié)，可通過問答、案例解析、知識地圖等手段，及時檢測教學(xué)目標(biāo)達到情況、教學(xué)內(nèi)容掌握情況及教學(xué)效果等，并基于反饋為教師后續(xù)的教學(xué)目標(biāo)設(shè)置、教學(xué)內(nèi)容組織等環(huán)節(jié)提供借鑒和幫助。總結(jié)是通過提綱挈領(lǐng)地回顧重點教學(xué)內(nèi)容和歸納與總結(jié)知識點，呼應(yīng)和強化教學(xué)目標(biāo)，同時可進行后續(xù)教學(xué)內(nèi)容預(yù)告。

BOPPPS教學(xué)模式作為一種有效教學(xué)模式，其六個階段并無嚴(yán)格界限，需真正領(lǐng)會精髓并在實踐中靈活運用，做到各階段環(huán)環(huán)相扣、知識銜接流暢和邏輯層次清晰，持續(xù)吸引學(xué)生注意力和興趣，開啟“思考—學(xué)習(xí)—吸收—應(yīng)用”的良性循環(huán)[5]，才能到達既定的教學(xué)目標(biāo)和理想的教學(xué)效果。

（二）問題驅(qū)動教學(xué)方法

問題驅(qū)動教學(xué)方法（Problem-Based Learning，PBL）是以專業(yè)領(lǐng)域具體問題驅(qū)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)和教師充分引導(dǎo)相結(jié)合來尋求問題解決方案的一種教學(xué)方法，于1960年由Barrows和Tamblyn針對專業(yè)知識充足但臨床經(jīng)驗缺乏的剛畢業(yè)醫(yī)科學(xué)生提出[6]，目前已在國內(nèi)外各學(xué)科門類的課程教學(xué)等人才培養(yǎng)的多個環(huán)節(jié)中廣泛應(yīng)用。

問題驅(qū)動教學(xué)方法以構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論為理論基礎(chǔ)，強調(diào)以學(xué)生為主體，以專業(yè)領(lǐng)域具體問題為出發(fā)點，教師以問題為核心規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容和進行課程設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生整合已有知識并利用各種資源獲取新知識，從而通過分析提出問題解決方案，并對結(jié)果進行評估。因此，問題驅(qū)動教學(xué)過程一般包括提出問題、分析問題、討論交流解決問題和結(jié)果評價四個環(huán)節(jié)[7]。

問題驅(qū)動教學(xué)方法將改變傳統(tǒng)的“填鴨式”知識傳授教學(xué)模式，以目的明確、難度適度、內(nèi)容開放、體驗性強的問題驅(qū)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新興趣，同時圍繞重點簡化難點、突出教學(xué)目標(biāo)，通過以問題為核心的教學(xué)內(nèi)容合理規(guī)劃和教學(xué)工作系統(tǒng)組織，加深學(xué)生對知識的理解，并培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析、解決問題的能力與意識以及創(chuàng)造性思維。

BOPPPS教學(xué)模式和問題驅(qū)動教學(xué)方法都是基于構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論，以學(xué)生為中心，教師扮演“學(xué)習(xí)引導(dǎo)者、教學(xué)內(nèi)容組織者、教學(xué)過程設(shè)計者”的角色，因此二者存在有機融合的可能。問題驅(qū)動教學(xué)方法如能在合適的時機（如知識點之間過渡銜接時或需調(diào)動和展示學(xué)生潛能時）和地方（如引入階段）運用于基于BOPPPS教學(xué)模式的教學(xué)設(shè)計中，將對提高學(xué)生學(xué)習(xí)主動性、教學(xué)過程參與程度、思維活躍度，增強學(xué)生在主動學(xué)習(xí)和積極參與后解決問題的成就感起到更大的推動作用。

四、BOPPPS模式與問題驅(qū)動教學(xué)方法在遠程火箭飛行動力學(xué)課程教學(xué)中的實踐探索

本節(jié)以遠程火箭飛行動力學(xué)課程中的飛行動力學(xué)的基礎(chǔ)知識部分的“常用坐標(biāo)系及其相互轉(zhuǎn)換”為例，闡述BOPPPS教學(xué)模式與問題驅(qū)動教學(xué)方法在遠程火箭飛行動力學(xué)課程實際教學(xué)中的綜合實踐探索。

（一）引入階段

通過講述中國古代石申用入宿度和去極度表示恒星在天球上位置的星標(biāo)，裴秀的“制圖六體”，古希臘阿波羅尼奧斯在《圓錐曲線論》中借助坐標(biāo)描述曲線等歷史故事，吸引學(xué)生注意力，進而提出“如何描述遠程火箭在空間中的位置和速度”的問題引出教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

（二）目標(biāo)階段

本案例的學(xué)習(xí)目標(biāo)知識層面包括：①掌握描述遠程火箭質(zhì)心運動的常用坐標(biāo)系的定義;②掌握方向余弦陣的定義、特性及初等轉(zhuǎn)換矩陣;

③掌握歐拉角的定義和轉(zhuǎn)換矩陣的歐拉角表示。能力層面包括：①能應(yīng)用初等轉(zhuǎn)換矩陣結(jié)合歐拉角的定義推導(dǎo)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣;②能推導(dǎo)坐標(biāo)系之間常用歐拉角聯(lián)系方程。上述學(xué)習(xí)目標(biāo)也是教師的教學(xué)依據(jù)和檢測學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評估標(biāo)準(zhǔn)，反映了學(xué)生通過學(xué)習(xí)能夠掌握的知識和具備的能力。通過明確上述學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)生可確定學(xué)習(xí)重點，教師也可確定教學(xué)重點。

（三）前測階段

通過“什么是坐標(biāo)系”“本課程學(xué)習(xí)之前的其他飛行力學(xué)相關(guān)課程中學(xué)到的坐標(biāo)系如何定義”“這些坐標(biāo)系相互之間轉(zhuǎn)換關(guān)系如何描述”等問題，讓教師對學(xué)生關(guān)于坐標(biāo)系基本概念以及之前所學(xué)描述飛行器運動的坐標(biāo)系相關(guān)知識儲備進行了解和摸底，從而可根據(jù)前后知識關(guān)聯(lián)關(guān)系針對性調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，真正做到視情施教。

（四）參與式學(xué)習(xí)階段

在講述完描述遠程火箭質(zhì)心運動的常用坐標(biāo)系后，提出“本課程的坐標(biāo)體系與其他飛行力學(xué)課程中所學(xué)的坐標(biāo)體系有何異同”等問題，融入知識關(guān)聯(lián)與演繹的訓(xùn)練，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解和明白類似知識點之間的異同。進一步通過“什么是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”“為什么進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”“如何描述坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系”等一系列問題，啟發(fā)學(xué)生自主思考和討論。通過問題驅(qū)動的方式，強化學(xué)生對已學(xué)知識的理解，同時啟發(fā)學(xué)生對新知識的興趣，讓學(xué)生自主地加入教學(xué)過程中，既調(diào)動其自主學(xué)習(xí)積極性，也讓其完整地掌握“常用坐標(biāo)系及其相互轉(zhuǎn)換”的所有細節(jié)。

（五）后測階段

通過讓學(xué)生“描述所學(xué)常用坐標(biāo)系中某個或某幾個坐標(biāo)系的定義和相互之間歐拉角的定義”“根據(jù)初等轉(zhuǎn)換矩陣結(jié)合歐拉角推導(dǎo)它們之間的轉(zhuǎn)換矩陣”“構(gòu)建常用坐標(biāo)系之間通過歐拉角關(guān)聯(lián)的知識圖譜”等一連串問答類型的測試，從基本概念與原理、公式推導(dǎo)等不同層面檢測學(xué)習(xí)效果和教學(xué)效果，保持教學(xué)整體性的同時實現(xiàn)了教學(xué)目標(biāo)的前后呼應(yīng)。

（六）總結(jié)階段

通過對教學(xué)內(nèi)容的簡要回顧，呼應(yīng)教學(xué)目標(biāo)，點明重點和化解難點，同時拓展笛卡爾創(chuàng)立微分幾何和笛卡爾坐標(biāo)系的歷史知識，既強化教學(xué)目標(biāo)，又對學(xué)生進行人文素養(yǎng)熏陶和勵志教育。

綜上所述，筆者綜合應(yīng)用BOPPPS教學(xué)模式和問題驅(qū)動教學(xué)方法對遠程火箭飛行動力學(xué)課程教學(xué)進行實踐探索，不僅能大大激發(fā)學(xué)生的求知欲，讓學(xué)生理解知識點本身及其之間的內(nèi)在聯(lián)系，也能讓教師更清晰地組織教學(xué)內(nèi)容和開展課程設(shè)計。師生的互動與學(xué)生對教學(xué)過程的深度參與，使學(xué)生學(xué)習(xí)效果和教師教學(xué)效果大幅提升。

五、結(jié)語

本文針對航空航天工程專業(yè)高年級本科生專業(yè)選修課遠程火箭飛行動力學(xué)，應(yīng)用BOPPPS教學(xué)模式和問題驅(qū)動教學(xué)方法，進行“以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向”的課程教學(xué)實踐探索，取得了良好的效果。教學(xué)實踐表明：基于BOPPPS教學(xué)模式和問題驅(qū)動教學(xué)方法的教學(xué)方式與傳統(tǒng)“填鴨式”知識傳授教學(xué)方式相比，更能調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)其學(xué)習(xí)熱情，提升學(xué)生的課程教學(xué)參與程度和課堂研討氛圍，加深學(xué)生對知識點本身及其之間內(nèi)在聯(lián)系的理解程度，進而有效提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)與解決問題的能力，同時促進教師教學(xué)效率與教學(xué)質(zhì)量明顯提升。

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