“航海自动化基础”课程教学法探讨

李丽娜

(集美大学 航海学院，福建 厦门 361021)

“航海自动化基础”课程教学法探讨

李丽娜

(集美大学 航海学院，福建 厦门 361021)

针对“航海自动化基础”课程授课对象数理基础薄弱、教学内容跨度大、信息量大以及课时不足等问题，为了使航海技术专业学生从科普层次最大限度获取不同学科最基本的知识，根据“航海自动化基础”课程的目标定位及课程特点，结合教学实践，提出课程重点及难点的教学技巧，并指出课程教学应注意的问题。

航海自动化基础；课程教学；教学法

一、引言

为了适应现代航海技术的发展，满足现代航海教育的需要，拓宽学生的视野，针对航海技术专业学生开设“航海自动化基础”课程。该课程起源于20世纪80年代初大连海运学院(现名大连海事大学)开设的“驾驶自动化概论”[1]。集美航海学院(现集美大学航海学院)于20世纪80年代末开设“驾驶自动化概论”，2000年扩展为专业基础课“航海自动化基础”和限选课“航海自动化系统”，到2006年调整教学计划因时间有限不再开设“航海自动化系统”限选课，将《航海自动化》教材[2]的第二部分内容作为学生的课外学习材料。学校重视航海自动化相关课程建设，在自编的两部内部教材基础上，分别于2000年和2012年由人民交通出版社先后出版了两版《航海自动化》[2-3]，作为上述两门课程及部分航海类院校相关课程的教材或参考书，该课程于2008年获得省级精品课程。

课程主要包括控制理论基本知识及其在航海自动化技术应用知识两大部分内容，但因学生基础所限，教学内容还需补充线性代数、概率论与数理统计、积分变换、随机过程、统计估计、模糊数学等控制理论的基础知识，因此教学内容涵盖了自控理论的专业基础、自控理论基本知识及其应用方面的知识，这三部分知识跨度很大，导致课程信息量大，加上航海技术专业学生的数理基础有限，教与学的难度都相当大。如何使航海技术专业的学生能从科普层次上系统地了解和掌握控制理论的基本知识及其在航海自动化技术的应用，本文结合教学实践进行深入探讨，旨在为相关课程教学理念的转变和教学方法的改革，以及提高课程的教学效果和学生的学习效率提供参考。

二、“航海自动化基础”课程教学内容及目标定位

1.课程教学内容及学时安排

“航海自动化基础”主要介绍自控理论基本知识和航海自动化的基本方法，内容共分六章，包括船舶自动化研究概况、自控理论基本知识、动态规划法及其在最佳航线设计的应用、船舶自动操舵原理、综合导航数据处理方法以及船舶智能避碰决策自动化方法，在航海自动化的基本方法中融入课程负责人引领的研发团队二十多年在船舶自动避碰领域研究的理论成果。鉴于航海技术专业的学生缺乏工程数学方面的基础知识，因此在教学过程中适当引入线性代数、概率论与数理统计和随机过程的相关基本知识。各章内容学时分配见表1。

2.课程定位与目标

“航海自动化基础”课程是为了适应现代航海技术的发展、满足培养具有国际竞争能力的航海类人才及国内新型高素质航运人才的要求，为航海技术专业学生开设的一门专业基础课。

表1 “航海自动化基础”课程各章节内容学时分配

通过学习本课程，学生能充分认识提高船舶自动化水平的重要性和必要性及其对提高航行安全和效益、减轻驾驶员劳动强度、营造舒适的工作环境所产生的积极影响，有助于巩固专业思想，拓宽知识面。基于课程内容跨度大、学时少、信息量大及其在航海技术专业的地位，针对授课对象航海技术专业学生数理基础知识较为薄弱的现状，确立了教学总体目标定位为科普教育，即使学生在科普层次上学习自控理论基本知识，理解航海自动化系统及其各子系统的基本原理及功能特点，为学生将来更好地使用航海自动化设备和系统、安全操控船舶打下基础。具体要求如下：

(1)了解现代船舶自动化技术的发展概况；

(2)理解自控理论的基本概念，熟练掌握自控系统的基本组成及原理；

(3)了解主要估计方法及控制方法的基本思想；

(4)了解航海自动化系统的主要内容、动态规划法设计航线的基本思想、船舶自动操舵仪的基本原理、综合数据处理方法以及船舶智能避碰自动化方法；

(5)掌握运用自控理论的基本方法解决航海自动化技术问题的基本思路。

三、课程重点难点的教学技巧

1.根据课程的性质，关注课程理论基础知识与航海自动化技术应用之间的联系

为了激发学生的学习兴趣，教学过程尽可能将抽象的理论基础知识与航海自动化技术紧密联系。例如在讲授闭环控制系统组成原理之后，立即联系到绪论课引出的航海自动化系统组成框图，并运用闭环控制的基本概念及原理解释航海自动化系统的各组成环节的作用及其基本原理；再如在讲授系统分类及解释随动控制系统(自动跟踪系统)时，提出后续“航海仪器”课程的陀螺罗经随动系统的工作原理，可以运用闭环控制的自动跟踪原理加以阐述，并通过引入“航向自动控制系统按照控制任务划分归属于哪一类型”的课堂讨论题目，加深学生对各种类型控制系统的理解及对航向自动控制系统功能及品质的初步认识；又如在讲授卡尔曼滤波基本思想之后，强调卡尔曼滤波技术可应用于解决航海自动化技术中组合导航系统的船位滤波、自适应自动舵的高频海浪处理和海岸雷达的目标跟踪处理等问题。又如将改版前的动态规划法原理移到第四章(最佳航线设计方法)，将动态规划法原理及其应用于设计最佳航线的基本方法紧密联系在一起，在解释原理的基础上，指出方法的不变性与应用的灵活性，强调应用的关键技术在于如何构建一个适合动态规划法求解的网格，然后应用领域知识求解基础数据并把网格上的数据填满。

2.根据知识的关联性，紧密联系课程知识与学生所学基础知识

航海技术学生缺乏自控理论的专业基础，为了弥补这一缺陷，教师需要以学生学过的基础知识为起点，借助数学方法，循序渐进切入主题。例如自动控制系统的传递函数是经典控制的主要分析方法，作为科普教育，学生只需了解传递函数概念及其成为经典控制主要分析方法的物理实质。由于传递函数是建立在拉氏变换基础上，需要涉及拉氏变换的基础知识，鉴于学生不具备积分变换的基础知识，传递函数对于航海技术的学生来说必然成为课程讲授的难点内容。根据课程目标定位，学生只需了解拉氏变换物理意义、用途及适用对象。为了使学生快速领会拉氏变换的物理实质，课堂讲授应从学生熟悉的电工学解决非正弦周期信号作用下交流电路分析方法入手，强调傅里叶级数在处理非正弦周期信号作用下交流电路分析所发挥的作用；然后引申到非正弦非周期信号在信号与系统分析中的处理方法，即可以把非正弦非周期的信号看成周期为无穷大的周期信号，进而通过求极限从傅里叶级数过渡到傅里叶变换(即从级数到积分)；再通过解释从傅里叶变换的频域扩展到复频域的物理意义，最后从傅氏变换延伸到拉氏变换，形成了循序渐进的基础知识链。学生从上述搭建的基础知识链中，便可快速领悟拉氏变换的物理实质及线性系统叠加性在系统分析发挥的重要作用。在此基础上，建立在拉氏变换基础上的传递函数作为经典控制分析方法的物理意义便迎刃而解。上述基础知识链中傅氏级数、傅氏变换及拉氏变换从数学上仅仅是个变换的手法，但都达到方便电路及系统分析的共同目的，学生可从中领略数学的魅力和真谛。

3.汲取基础知识精髓，搭建解决问题知识链

卡尔曼滤波技术应用广泛，但涉及的基础知识十分丰富，成为课程的重点和难点内容。卡尔曼滤波技术的预备知识是统计估计方法，而随机过程和概率论与数理统计是统计估计方法的基础，同时概率论与数理统计又是随机过程的基础。无论学生是否学习先修课程概率论与数理统计，为了让学生理解卡尔曼滤波的基本思想，需用1学时学习概率论与数理统计的精髓——随机变量及其分布(函数与概率密度函数)、随机变量的统计规律性、统计特性(数字特征)等，即仅选取有助于理解随机过程基本知识的重要概念，回避复杂严密的数学公式推导；再用1学时汲取随机过程和统计估计方法的精髓。为了让学生快速领会随机过程的精髓，抓住概率论讨论的随机现象与时间无关为讨论问题的切入点，通过引入时间作为媒介，使学生从概率论的随机变量等知识点顺利过渡到随机过程(序列)的重要概念及其统计特性等关键知识点的理解。综上所述，从概率论与数理统计→随机过程→统计估计基本方法→卡尔曼滤波技术，形成了解决问题的知识链。在讲授最小方差、线性最小方差及卡尔曼滤波三种状态估计方法时，前两种方法重点讲授问题的提法、求解思路、估计结果的特点，重点分析存在问题及其根源，进而引申出新的估计方法提出的意义所在。

4.运用实例分析法，避免课堂讲授抽象理论枯燥乏味

为了提高学生的听课效果，避免课堂抽象理论讲授枯燥乏味， 尽可能通过实例分析法，解释或总结相关控制理论问题或导出函数方程。例如通过温度控制系统的实例分析，引出开环控制和闭环控制的概念并解释其系统原理，并对比人工控制过程，加深学生对系统各环节作用的认识；又如通过“升降机的最速下降问题”和“登月舱的月球软着陆问题”的实例分析，总结出一般最优控制问题的提法及基本要素；再如通过动态规划法求解最短路径问题的实例分析，从求解过程导出动态规划法的函数方程，可避免直接给出抽象的函数方程令人难以理解。运用实例分析法，避免了课堂讲授抽象理论枯燥乏味，有效提高学生的学习兴趣。

四、“航海自动化基础”教学应注意的问题

1.根据课程知识特点，引导学生掌握正确的学习方法

航海技术的专业课程大部分属于技能型知识，要求学生应知应会并达到熟练掌握的程度，因此学生必须具备解决航海技术问题的能力；而基于本课程的知识特点、性质及定位以及学生的知识基础，只能要求学生掌握自控理论基本方法解决问题的基本思路，犹如认知衣服成品基本过程的普通人一样，因为没有经过专业学习及训练的普通人，不可能完成一件衣服的设计或制作。通过上述例子，使学生认识到“具备解决问题的能力与掌握解决问题的基本思路”之间实际存在很大的差距，进而引导学生正确把握课程知识的认知尺度。实践表明，利用第一节绪论引导学生正确把握课程所学知识的认知尺度，进而掌握本课程正确的学习方法，才能有效排除学生学习本课程未能达到具备解决问题的能力而产生畏难情绪。例如在讲授数学模型的概念及建模方法过程中，首先引导学生认识建立数学模型的目的意义，然后列举简单实例(如电容充电物理过程的数学抽象)帮助学生理解数学模型的概念；在讲授分析法建立系统的数学模型方法时，通过列举学生熟悉的电工学和力学的典型实例，按照分析法建立数学模型的思路导出各自的数学模型，帮助学生理解分析法建模的基本思路。

2.注意化解难点，妥善处理教材出现的数学公式

教材从内容的系统性、逻辑性及完整性考虑，必然出现相关数学模型。基于航海技术专业学生的知识基础，教材上的数学公式有相当部分学生难以理解是正常现象，出现数学公式的用意在于帮助学生理解相关概念及原理，从教学目标定位不可能要求学生掌握这些公式本身及其推导。例如卡尔曼滤波技术是课程的重点和难点内容之一，教学上强调学生重点掌握卡尔曼滤波任务、实质、基本思想、特点及其应用。在讲授关键技术——卡尔曼滤波基本思想即解释卡尔曼滤波如何保证实时得到最优的估算结果过程中，应从如何确保估计结果的最优性及解决最优估计的实时性两方面加以阐述。前者采用最优估算的性能指标便可得到保证，后者需要涉及卡尔曼滤波技术的精华——五个递推公式的详解。为了避免学生因数学基础薄弱产生畏难情绪，讲授时不必给出公式的推导过程，只要说明公式来源于最优估算性能指标及构建的状态空间模型，强调引用公式的目的在于帮助学生理解卡尔曼滤波如何解决状态最优估计的实时性问题，具体做法如下：

(1)从状态空间模型引出状态预测方程，因忽略了系统噪声的影响必然存在预测误差，进而解释预测方差迭代公式的意义；

(2)通过对状态滤波公式的详解，使学生领悟到卡尔曼滤波的原理与闭环控制系统原理雷同，同样基于“检测偏差修正偏差”的原理，即通过检测系统输出的偏差来达到修正状态预测偏差的目的；

(3)通过解释递推公式仅与当前时刻观测向量有关且矩阵求逆的阶次取决于观测向量的维数，说明卡尔曼滤波技术可有效解决状态最优估计的实时性问题；

(4)通过对状态预测和状态滤波方差阵公式的解释，帮助学生理解卡尔曼滤波为什么具有误差分析能力。

3.注重现代教学手段的运用和实施，缓解课程内容信息量多与课时少的矛盾

多媒体教学等现代教学手段的运用和实施，不仅可以增加单位时间的信息量，提高讲课效率，把节省的板书时间用于加强师生间的互动及课堂讨论，使启发式教学方法和课堂讨论得以有效实施，对提高本课程教学质量起到保障作用，但这种保障作用必须建立在教师具有熟练驾驭课堂多媒体教学模式的能力上。教师作为教学的主体，必须努力提高自身的教学设计能力、组织学生协作学习的能力、计算机操作能力和对教学环境的适应能力[4]。因此，教师实施现代化教学过程中，首先应合理安排教学内容，不能因为减少了板书时间而过度增加信息量，影响教学效果；其次应精心设计多媒体教学课件，从课件字体的大小、颜色、排版以及图的制作都需要按照讲课逻辑精心设计和安排，授课过程尽可能以动画的形式逐一出现，避免一整版的文字瞬间出现，以免学生出现视觉疲劳；第三应配置合适的多媒体设备操作工具，例如遥控鼠标或带激光的PPT遥控翻页笔，避免因多媒体设备位置设置不合理，教师在一个角落操作多媒体课件授课而影响讲课的感染力。

4.开展课堂专题讨论，培养学生综合素质

为了培养学生分析问题和运用知识解决问题的能力以及开拓创新的意识和能力，同时为了培养学生根据论题搜集资料、分析资料及运用资料提供的信息解答问题的能力，可设置适当的课堂专题讨论[5]。为了使专题讨论达到预期目标，从选题、目的要求到组织形式，教师需精心策划做好准备工作。本课程组织的专题讨论釆用课外分组与课堂讨论相结合的组织形式，课外小组讨论要求每组同学分工协作，做好记录，根据讨论结果制作PPT，然后各组派代表结合自制的PPT在课堂演讲，根据演讲情况允许同组学生参与回答老师提出的问题，并根据制定的评分标准当场评分。通过这种教学形式，既可活跃课堂气氛，还可激发学生的学习主动性，加深学生对选题涉及的知识点的认识，如果教学条件允许可以适当增加讨论的次数。

5.合理确定考核方式，满足课程特点及教学定位的需求

鉴于课程跨度大、信息量大及难度大的主要特点及其目标定位，期末考试不宜采用常规的闭卷和开卷考核方式，采用“半开卷”考核方式，区别于常规的开卷考核方式在于带进考场的资料有所限制。经过实践检验，逐步修改半开卷的考试规则，最后定义半开卷考核方式为允许携带书本以外的纸质材料(包括笔记本、复印的资料及作业)进入考场，答题可以查阅本人带进的纸质材料。显然这种考核方式对试卷要求具有一定数量灵活性和综合性的题目，需要通过学生平时认真听课并做好笔记，课后及时复习及整理相关资料，即只有靠平时的学习积累才有可能通过课程考核，因此对学习积极性不高的学生能起到一定的促进作用，同时有利于学生从科普层次上较广泛地学习和掌握课程的知识点。

五、结语

为了使数理基础不足的航海技术专业学生在有限的时间内最大限度地获取更多的知识，开拓学生的视野，本文结合多年的课程建设及教学实践，提出行之有效的教学技巧并总结教学中应注意的问题，实践证明，这些教学法的应用可使“航海自动化基础”课程教学取得预期效果，达到预期的教学目标，提高了学生对基础、专业基础及专业知识之间关系的认识。2012改版后的课程内容加强了自控理论基础知识在航海自动化技术应用的结合，较好地解决了改版前纯理论知识抽象、难以激发学生学习兴趣的不足。但改版后课程内容的增多导致学时不足的问题依然存在，这有待日后寻求解决问题的新途径，若条件允许建议学生选修线性代数和概率论与数理统计，或适当增加课程学时等。

[1] 李丽娜.浅谈“航海自动化”方面课程建设若干问题[C]//.集美大学航海学院校庆论文集，北京：中国文联出版社，2000.

[2] 李丽娜.航海自动化[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3] 李丽娜，张寿桂.航海自动化[M].北京：人民交通出版社，2012.

[4] 李丽娜，杨神化.浅析课堂多媒体教学模式[C]//.杏坛争辉.福州：福建教育出版社，2007：382-387.

[5] 李丽娜.浅析课堂专题讨论[J].交通高教研究，2003(SL)：100-101.

2016-10-07

福建省自然基金项目“船舶智能避碰决策支持系统的关键技术研究”(2012D031)

李丽娜(1962-)， 女，教授，主要从事交通信息工程及控制研究。

U676.2

A

1006-8724(2017)01-0067-05