工程项目及问题驱动的导航方向实践课程教学探讨

王玲玲, 富 立, 胡晓光, 段海滨

(北京航空航天大学 国家级机械与控制工程虚拟仿真实验教学中心，北京 100083)

0 引 言

多数学生偏好大学阶段就读理工类专业，因此国内选择理工专业的学生比例远远超出美国等高等教育发达国家，这种现象与个人的价值观、职业定位以及国家发展形势密切相关。在知识经济新时代下，通过高等教育培养具有创新能力与综合素质的高等理工科人才，已成为提升国家综合国力的重要举措[1]。为了提高理工科学生的动手能力，塑造学生的创新思维，培养学生应用科学知识和方法综合解决实际问题的能力[2]，美国政府、教育界和诸多大学将改革高等教育体系提到重要的议事日程[3-4]，同时强调加强开展形式各异的实践教学，很多知名高校积极付诸实际行动。其中，美国麻省理工学院(MIT, Massachusetts Institute of Technology )在航空航天人才培养时，采用了微卫星科学项目任务驱动下的CDIO实践教学方法[5]，将不同专业方向本科生凝聚在一起，历经3个学期自主完成具有近距离行星探测功能的微卫星系统，提高了学生的工程基础知识能力、个人能力、人际团队能力和工程实践能力。此外，MIT在低年级航空设计理论课程中增加了LTA(lighter-than-air)运载体设计实验环节，使得学生在实践中明确飞行器的概念性架构，塑造学生飞行器设计方面的创新性思维，初步培养学生解决实际问题的技能。以高等工程教育著称的德国，凭借健全的工业体系和良性发展的企业支持，多数学校都建立了校企联合共同培养机制以提高学生实践创新能力[6]。这些丰富的实践教学过程在欧美国家创新复合理工人才培养中发挥了举足轻重的作用[7]。

然而，我国和欧美发达国家的理工科学生在学习观念、学习环境、学习连贯性等方面具有显著的差异性，主要体现在：①欧美国家的本科阶段与研究生阶段具有较明显的分界线，本科时段注重通识教育，不明确划分专业，重点关注学生的综合素质及兴趣培养，研究生阶段才加强技能和感兴趣专业方面的进一步学习。②我国本科阶段通常是通识教育与专业教育并重，高年级时需进行初步的系统化专业学习，研究生阶段的专业方向多数是本科专业学习的顺延，对自己所选专业的认识度和兴趣度不高[8]。③不同的学习观念与环境往往导致不同的学习态度[9]。例如，我国很多学生面对实验或实际工程问题时，总是希望在教师一步步指导下完成，缺乏学习积极性与主动性；研究生教育中工程环节的缺失导致学生动手能力不强、创新意识下滑。可见，生搬硬套国外培养理工人才的实践教学方法不一定适于我国本土大学生，特别是一些引领高精尖技术的专业领域人才培养时更为突出。

目前，航空航天领域的发展受到全球性的青睐和关注[10-12]。导航技术作为其中的重要分支，近几十年取得了突飞猛进的进步。针对这类专业性强、工程性强、综合性强的专业实践教学而言，传统观摩验证型实验教学方法或者大系统型项目驱动方法，都容易让学生陷入“没必要做”或者“没法去做”两个极端。然而，研究型学习(research-based learning) 对于培养学生发现并解决问题的创新型思维形成具有潜移默化的作用[13]。MIT航空宇航工程专业的学生在学习空气动力学时，通过研究型学习理念共同完成了翼身融合体飞行器的设计及气动分析项目，实现了对空气动力学知识点的综合掌握与应用[14]。因此，如何将研究型学习融入工程背景下模块化工程项目驱动的本研一体导航专业实践教学，使得学生在深化理解导航知识的基础上，掌握复杂工程环境中导航系统的知识要点，提高学生设计导航系统的动手能力与创新思维，成为导航系统实践课程设置和实施的重点内容。

为此，本文重点阐述基于模块化工程项目的本、研一体研究型导航系统实践课程教学过程。凸显机载导航系统工程背景，融合研究型学习教育理念，提高学生对导航系统每个部分设计过程的充分认识，引发他们对科学工程问题以及后续职业生涯胜任力的深刻思考，得到学生的高度评价。

1 导航系统实践性教学课程概述

作为航空航天技术重要的专业课程，我校自动化学院一直都将导航系统实践课程归为核心类课程进行设置。下面对课程架构和授课学生情况进行介绍和分析，以便系统化地梳理课程内容，摸索适合不同学生分布需求的合理专业实践教学方法。

1.1 课程架构分析

我校自动化专业的学生65%以上本科毕业后都选择继续本校读研深造，研究生中约50%的学生有一定导航专业基础。为了满足不同层次学生的专业实践课程需求，构建了面向本科生和研究生、贯穿大三下-大四上-研一不同时段的导航系统一体化实践课程(共200学时)，主要阶段包括：①面向自动化专业高年级本科生的导航系统实验阶段；②面向高年级本科生的导航课程设计与综合实验阶段；③面向全校学生的先进导航技术实验阶段。按照不同时段阶段的培养要求和学生特点合理分配学时，实验内容由基础型、设计型、综合型逐渐过渡。其中，大三下的8学时导航系统实验围绕机载惯性导航系统理论，设置了4个方面的HMEP项目基础实验内容；围绕复杂环境下机载航姿系统设计问题，大四下学期的160学时(4周)设置了航姿系统硬件及软件HMEP课程设计实验内容；研一的32学时现代导航技术实验通过不同层次HMEP实验项目，形成了多类型导航系统综合研究实验项目。此处的HMEP是指递进式分割与导航系统相关的工程项目，形成紧密关联的模块，利用软件工具、理论知识、动手实验完成基于工程问题驱动的各个模块化项目。可见，无论是时间跨度还是实验项目内容之间，都具有紧密的连贯性。整体实践课程可用于本专业或相关专业本科生-研究生的无缝衔接式培养，也可单独面向不同需求或层次的学生开放课程中的任何一部分内容。

1.2 课程对象分析

该实践课程贯穿了本科生和研究生的不同阶段且面向全校学生开设，因此课程对象具有多样化特征。其中，本科生主要是大学三年级和大学四年级学生，研究生包括不同类型硕士研究生、博士研究生以及来自多个国家的留学研究生。对于这些学生而言，大三年级本科生已基本掌握了导航系统的基础理论知识有待实验验证，到了大四阶段需要进一步加强专业知识的综合运用。研究生情况相对复杂，有的研究生专业理论功底比较强；有的学生欠缺专业理论学习 过程，希望通过边做边学弥补专业知识不足；有的学生仅仅想通过实践过程初步接触并了解机载导航过程。可见，不同学生在导航系统专业知识储备方面呈现多层次性，加上国内外学生学习方式的差异性，这都对课程内容设置和教学方法实施提出了挑战。整体课程架构下不同类别实验内容设置如表1所示。

表1 不同类别实验内容设置情况表

不同类型的实验内容能够满足不同层次学生的需求。基础型和设计型实验内容主要针对自动化本科生开设，同时能够很好地为基础薄弱研究生补充专业知识。综合型实验的主体对象是不同类型的研究生，同时也有助于高水平本科生进行更为深入的专业学习和研究。

2 教学目的、实施安排及评价

2.1 教学目的

导航系列实践课程希望利用工程应用的实际导航设备，借助系列工程背景相关实践项目与研究资料，通过学生共同参与分解的导航系统模块化项目，实现从各个导航模块分解与综合过程中发现问题-抽象问题-解决问题，提高学生对复杂环境下机载导航系统研究过程和研究方法的整体性认识。具体而言，每种类别的模块化项目均设置了目标明确的教学实践内容，通过理论与实践的充分结合，使学生掌握导航系统信息预处理、导航传感器标定及误差补偿、惯性自主导航、卫星导航、惯性/卫星组合导航设计等方面的技能。

2.2 教学实施安排

课程教学团队由理论功底深厚且实践教学经验丰富的教授、实验系列教师、研究生助教组成。任一阶段的课程实施过程包括问题汇总与讨论、动手实践与分析、项目展示与汇报3个主要环节。下面以32学时的先进导航技术实验阶段为例说明各环节在各阶段的具体安排。其他阶段课程的环节安排与此相似，只是在学时上有所不同，如图1所示。

图1 先进导航技术实验阶段实施安排情况

其中，问题汇总与讨论环节共8学时，分别安排在每个HMEP实验项目(总共4个项目)的开始(1学时)和中间(1学时)，根据学生特点梳理基本知识，采取分段授课形式，注重与学生实时沟通，与学生共同分析每个HMEP项目的设计方案，共同讨论解决棘手问题；动手实践与分析环节共24学时，这仅仅是理论意义上的学时数，实际上学生需花费近2倍的课下时间来查询资料、调试程序，基础薄弱或者没有经过课程前两个阶段系统化训练的学生可能要花费更多的课外时间。尽管如此，深感兴趣的学生对此却乐此不疲。在这个环节中，学生可以自由组队共同完成一个HMEP实验项目。项目展示与汇报环节安排在每次实验结束端，一般不再单独占用课时，而是由学生和老师共同商定闲暇时间完成，这期间学生在完成实践设计任务的基础上整理研究成果并形成研究报告，通过答辩考察学生的分析能力、设计能力、沟通能力与合作能力。

2.3 教学评价方式

客观公允地对学生进行评价考核是每一门课开设中都要面临的问题。评价学生的考核形式应科学、合理和多方位考虑[15]。本实践课程主要采用了非考试型的“三度”评价机制，即项目复杂度(40%)、协同合作度(40%)、论述清晰度(20%)对实验项目完成情况进行综合评价。项目复杂度根据所选项目的难易程度和合作小组的规模分为“容易”“较难”“很难”3个等级；协同合作度成绩由同组成员相互评价和实际出勤情况加权平均，其中既包括教师对学生表现的评价、学生自己的实际工作成果，还有不同合作者的评价；论述清晰度具体表现形式是每项实验结束后的项目展示与汇报。利用“三度”评价机制科学合理客观地评价学生的实践能力，限制实践考核环节可能出现的不公正现象。

3 HMEP驱动的导航系统研究式实践教学方法与内容设置

为了实现上述教学目的，做到有效评价学生的实践情况，在充分分析选课学生各方面差异性的基础上，本节提出与之相应的模块化工程项目驱动的导航系统研究式实践教学方法，及其详细的HMEP实验内容。

3.1 HMEP教学思路

HMEP项目结构图如图2所示，那为什么要对大型系统进行递进式分割形成紧密关联的HMEP项目呢？这是整体系统由子系统的构建本质决定的，工程应用的导航系统更是如此。因此，导航系统HMEP内容分割时兼顾导航领域的工程性与前沿性问题，在总结多年相关科研经验的基础上，凝练出以机载导航设备为对象的系列工程应用关键问题，比如复杂环境下的导航系统信息处理、低成本导航算法、适用组合滤波等工程技术问题[15]。在梳理由模块级向系统级逐渐升华的导航系统实践课程主线基础上，并将这些工程性问题融入导航系统实践教学，转化为高水平实验内容和HMEP项目，为学生提供感知真实世界中复杂工程问题的机会。

图2 HMEP项目结构图

HMEP教学是一种基于逆向思维的递进式教学方法。这种采用逆向思维将大系统模块化分割，然后通过实验加强学生对模块及系统中专业知识的理解和掌握，符合实际导航系统工程设计过程。HMEP可以是针对单一实践课程的一种实践教学模式；还可将其贯通至多门课程所组成的实践课程群或整个专业课程体系中。

3.2 递进式HMEP课程内容设置

前面章节已概述了导航系统实践课程架构及其整体性情况。在分析HMEP教学思路后，本节重点论述导航系统实践课程构架下各HMEP项目之间的承接性与关联性，这是合理设置课程内容的重要依据。结合实际工程需求，依托实验室现有的微机械、光纤、激光惯性测量组件、其他各类真实机载导航系统，以及高精度三轴速率位置测试转台、高精度温控转台等精密专业测试设备，设置了由“模块级小单元-系统-大系统”渐近过渡的问题驱动型HMEP实验内容。

随着学生知识面和视野的不断开阔，结合导航系统的设计过程，依次开设符合学生认知规律的基础型(小单元层面)、设计型(系统层面)和综合型(大系统层面)等难度逐次递增且紧密关联的多个HMEP项目。

图3给出了各个HMEP项目之间的关联关系。可见，各类型项目具有各自的侧重点，但是之间相互交联。基础型的实验内容为设计型机载航姿系统，以及综合型机载组合导航系统的研究奠定了良好功底。即使是同一类型的HMEP实验项目，也遵循渐近支撑原则。例如，在综合型实验项目过程中，首先利用高精度三轴速率位置测试转台和高精度温控转台完成惯性元件的标定测试建模，提高惯性信息以及捷联惯性导航系统精度；采用性能互补的卫星导航信息抑制惯性导航累积误差，为此引出了卫星导航系统实验项目；最后完成惯性/卫星组合导航系统的顶层设计与验证。

此外，每一具体HMEP实验项目涉及多方面知识点，学生需要综合运用大学阶段所学知识才能顺利完成当前的HMEP项目。例如，在航姿系统硬件设计与调试中，学生要清晰系统硬件设计流程，并利用示波器、分析仪等设备及在线调试工具，检测调试系统核心处理器、外围端口、时钟系统、供电模块等硬件问题；基于硬件平台进行航姿系统软件设计与实现时，学会分析不同应用环境下惯性信息数据特征，设计惯性信息不确定性误差在线估计与补偿的预处理方法，完成具有不同输出特性的航姿软件开发及程序实时嵌入。

图3 HMEP关联性框图

3.3 HMEP思路下的合作研究型教学方法

HMEP下的教学方法采取师生交互合作研究式学习。为了培养学生的团队合作精神，实验过程中采取了自由组建团队制，鼓励不同学院不同专业方向的学生自愿组建团队完成HMEP项目，一般每个团队包含3～5名组员。每名同学在不同HMEP实验项目中交替性承担组长和成员角色，即使是在同一HMEP项目中，在组长领导和大家的共同努力下分工完成所有内容。历经多个HMEP工程项目各个环节的完整训练，合作完成所有实验内容，实现多学科背景下每名学生个体、成员以及负责人的角色转换。角色转换带给学生的不仅仅是新鲜感，更主要的是增强了他们对于自己承担工作的责任感，以及对团队合作的认同感。

课程进行时既注重学生间的相互合作，又注重学生和老师之间的交互合作。虽然实验及学习过程倡导将主动权交给学生，但教师心中应有把可衡量的尺度，做到面对不同阶段不同学生不同需求时权限“主动”程度的松弛有度。学生组建团队并不是要教师放任不管，而是要教师承担好“引导者”“激励者”“协调者”“亦师亦友”的角色。特别是在每个模块化项目实验的初始阶段，出于设备维护、实验安全的考虑，实验方案评审时教师作为“引导者”要严格把关，此时是否利用专用设备进行实验的主动权多数由教师决定，毕竟教师经历了长时间实践教学和工程项目的磨练。当然，对于把握不准的实验方案不能持有“一棒子打死”的态度，要与学生及其他专家共同探讨可行性，然后再动手进行相关实验。评审后的实验后续阶段将主动权完全交还学生，作为“激励者”“协调者”与学生同学习同进步，让他们在自由、自主的氛围中发掘导航系统工程项目的乐趣。

4 课程具体实施情况、评估与讨论

HMEP驱动的导航系统本研一体实践课程紧密结合机载导航系统工程背景，采用了师生交互合作研究学习教学方法，自2008年开始已面向全校的本科生和研究生连续开设了9年，惠及学生共计525人。其中，大三年级本科生160人，大四年级本科生160人，研究生135人，留学生65人。为了有效跟踪课程实施情况，评价课程实施效果，促进课程的不断完善与改进，学校于2012年开发了课程实施评估系统，学生结合自己的亲身感受，在学期末借助网络平台可以对课程进行中肯的评价与提议，有效推动了课程的良好建设。

此外，任课教师还通过反馈问卷形式及面对面访谈形式与学生共同交流，从学生角度客观评估评价课程在培养学生综合素质方面的有效性。主要就以下3个问题分别对本科生和研究生进行了问卷调查：①课程结合实际工程项目程度如何？②课程对你哪方面的能力提高有所帮助？③你觉得该课程是否有助于你以后从事的职业？学生对此给出了各自的看法，统计结果分别如图4～6所示。

图4 问题1结果

图5 问题2结果

经分析90%以上的学生由于对机载导航系统较感或者深感兴趣选择学习导航系统实践课程。可见，兴趣是驱动学生学习的最好动力和老师；兴趣驱动下学生能够全身心地投入其中。似乎研究生对该课程更感兴趣，这可能与研究生阶段已经选择了更加明确的专业方向有关。

图6 问题3结果

关于课程实验项目与实际工程的紧密结合程度，学生给出了如图4所示的统计结果。分析可知，95%以上的学生一致认为，导航系统实践课程充分结合了机载导航系统工程应用背景，每个HMEP项目都是由导航系统工程应用问题凝练而来的，使得他们充分认识到了导航系统工程实现的复杂性。

通过长期的实践过程，学生在哪些方面有所锻炼和提高呢？图5给出了选课学生的答案。该课程不仅仅增强了他们对理论学习的认识，更是通过系列实操型实验项目提高了他们的动手能力、工程能力、团队合作能力和创新能力。本科生与研究生的数据统计情况基本处于持平状态。

图6主要关注课程内容或学习方法对学生从事职业的影响。可见，本科生和研究生观点呈现一定差异性。85%的研究生明确表示以后从事航空航天领域工作，认为课程所学所获将与此后职业密切相关，对此仅有60%的本科生持相同意见。究其原因，研究生在确定专业方向时已具有比较明确的职业选择，而多数本科生是凭着兴趣选择感兴趣的课程，至于具体从事何种职业考虑较少。

最后，95%以上学生表示会推荐对导航领域感兴趣的同学选择本课程，同时对课程的设备更新、课时安排等方面提出了宝贵意见。

5 结 语

不管是理论创新还是应用创新都需与实际真实世界紧密结合。特别是对于理工科领域的学生们，科研创新的同时更应注重解决实际工程问题，这将为他们毕业后出色完成职业任务做好准备，对此学生应充分认识到理论实践统一的重要性，能够综合应用学科知识，完整解决实际问题。

面对现实性的导航系统实践教学需求，设置了基于问题的HMEP导航系统一体化研究型实践教学课程，将构思、设计、操作、分析等实践要素渗透到每个模块化工程实验项目中，采用教师启发为辅、学生探究为主的合作互动研究教学方法，使得教师和学生可共同营造浓厚的学习实践氛围，互相讨论、互相启发、互相

促进。教师给学生提供充分的学术自主权和民主氛围，学生有机会充分发表自己的见解，敢于向传统挑战，充分体现教师的主导性与学生的主体性并重，知识的继承性、批判性与创造性并重，教师讲授与互动交流并重。课程的实施结果表明，这种教学方法给予了学生宽松的自由度，却没有影响学生探索真理的自觉性，反而增强了他们力图解决复杂问题的主观能动性。每个模块实验项目的执行全过程，以及学生的积极反应充分说明了这一点。学生作为课程的实施主体，将学生的意见融入课程的后续改革和完善环节，才能进一步实现课程的提质增效！

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