研讨型方法在“空间推进技术”教学中的探索及实践

李小康 王墨戈 杨雄 程谋森

摘  要：“空间推进技术”课程内容涵盖传热学、流体力学、电磁学等多学科知识，兼有抽象性、理论性强的特点。单纯采用教师为主体进行课堂讲授会造成学生被动接受，教学效果不佳。针对这一问题，我们从课程实施中的多个环节、课程考核等多方面对该课程的研讨型教学方式进行了思考和实践。结果显示，将研讨方式应用于“空间推进技术”教学中可明显激发学生的积极性、加深其对知识的理解，对提高教学效果具有重要意义。

关键词：推进技术;研究生课程;研讨型教学;BOPPPS模型

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）03-0115-03

Abstract： The course of space propulsion covers a wide range of knowledge concerned with many subjects such as heat transfer， fluid dynamics， electromagnetics and so on， and is extremely abstract and theoretical. The simple use of the traditional lecturing method， whichtakes the teachers as the main body in the classroom， will result in the passive acceptance of students and poor teaching effect. In response to this problem， we have considered and practiced the seminar-style teaching methods in various aspects of the course implementation and assessment. The results show that applying the seminar teaching method to the course of space propulsion technology can obviously stimulate students' enthusiasm and deepen their understanding of knowledge， which is of great significance to improve teaching effect.

Keywords： propulsion technology; graduate course; seminar-style teaching; BOPPPS model

一、概述

眾所周知，航天技术已成为支撑国民经济、国防军事等领域创新发展的关键技术之一。作为航天器的核心技术——空间推进技术直接决定了在轨航天器的寿命、位置和姿态保持精度、机动能力，受到国际科研人员和高等院校的高度重视[1]。为满足我国航天人才的培养需要，我们从麻省理工学院引入了space propulsion这一课程，并调整和加入部分内容，形成了具有我国航天科研特色、综合性和启发性强的“空间推进技术”课程。

推进类课程是航空宇航推进理论与工程的专业课程，具有基础理论与前沿研究紧密结合的特点。“空间推进技术”课程以电推进为主体内容，并涵盖了物理学、流体力学、等离子体理论、航空宇航推进等多学科领域知识，需要在教学的过程中介绍大量的基本概念、原理和理论[2]。但是，若在课程讲授中，过于偏重理论和公式推导，则会使教学枯燥无味，学生对具体的物理意义缺乏理解，不能领会公式形式背后蕴含的机制和机理。

而在研究生教学中，研讨型教学方法作为一种有效的教学模式，已受到多方面的肯定和推广[3-6]。本文将研讨型教学方法和推进类教学有机结合起来，探索航天推进类课程研讨型教学的最优方式方法。

二、研讨型教学模式在空间推进技术课程开展前的实施条件与预评估

课程展开前，首先要确立教学目标，了解清楚教学对象，这样才能做到有的放矢，对本次教学活动从哪里出发、达到什么效果有一个清晰的规划。

教学目标的确立包括厘清教学的重点、学习要达到的深度等。在确定教学目标时，要针对学生状况和具体章节知识点设置教学目标，把目标落在学生收获最大、最感兴趣的方向，并把握好其难易程度。假如设置太难，势必使学生产生畏难情绪;反之，则又会让很多学生觉得收获甚微。两种情况都会影响学习兴趣，使其惰于思考，不利于教学开展。

不同于本科生有着系统的课程体系和前后衔接关系，研究生学生往往来自不同的高校、不同的本科专业、有着不同的知识框架和学科基础，对所学知识将来的应用也有一定想法。要想做好教学，做到因材施教，就必须先要了解学生，了解他们已有的知识背景和学习中重点关心的问题。因此，在课堂教学之初，了解本届学生已有的知识结构信息、对该课程内容的知识贮备、预期想要了解的内容和原理等问题，对于课程的顺利展开以及实现和学生的有效互动具有重要意义。而通过交流归纳、问卷调查等形式可较好的完成上述预评估过程。

（一）交流归纳法

交流归纳并不是简单的“一问一答”。作为任课老师，首先需要非常熟悉课程本身的内容，甚至是延伸内容。这样，在交流的过程中就可以更加敏锐的捕捉到不同的学生与本门课程的相关性，或者说是兴趣点。研究生的教育不同于本科，每个学生的知识储备不同，研究方向也不同。由于研究生数量相对本科生较少，师生之间交流的机会和时间都会明显增多。充足的学前交流不仅有助于学生向老师传达学习需求，也有助于老师更好的完成课程设计、平衡理论与实验比例。

（二）问卷调查法

问卷调查作为交流归纳的补充形式，可有效填补对话交流的空白。例如，课程开始前的知识背景问卷就可以着重了解本届学生的本科学校、本科专业、毕业设计内容、工作经历、研究生论文题目、拟就业方向等信息。此外，在课程进行中也可以以问卷调查的形式，对学生的学习效果进行追踪，以便对授课进度和授课深度进行微调。

三、空间推进技术课程中研讨型教学模式的构建方法与教学示例

本课程教学的实施充分借鉴了University of British Columbia等大学的教育BOPPPS模型（Bridge-in， Objective，Pre-test，Participatory learning， Post-assessment，Summary）[7]，以学生兴趣为课堂牵引点，采用讲授与研讨结合的方式，取得了良好的效果。

（一）引入环节

该环节对应了BOPPPS模型的Bridge-in，Objective，Pre-test部分，即引入、目标和预测试。

由于课程本身理论较强，其中不乏大量概念和公式推演。如果上课伊始就直接深入，很容易造成学生和教师不同步、课堂的教与学相脱节。因此，在上课之前需要寻找学生的兴趣点，切入话题，也就是构建BOPPPS模型中所说的桥梁（Bridge-in）。例如，在讲授静电推力器之前，给出我国在某卫星上进行推力器飞行实验的图片（该年度的授课对象调查显示，相当部分学生来自相关承担单位），从发展我国电推进系统的必要性和迫切性，引出本次课程拟解决的问题和授课目标，即刻拉近了课堂理论和学生需求的距离，引起了学生的极大兴趣。

预测试以提问的形式展开。目的是掌握学生前次课程的学习情况，以及本次课程相关知识的熟悉程度。提问以抢答或按序传递的形式为主，答案可以是简单的，但最好是开放式的，这样可以让学生尽量多的参与“热身”。例如，在讲解完离子推力器之后的第二次课开始时，让学生按座次回答离子推力器的主要组件及作用，回答仅用一个词或一句话即可。实践证明，这一“热身”的方式在回顾知识、协调教师和学生思路上，能起到非常好的效果。

（二）授课环节

该环节对应了BOPPPS模型的Participatory learning部分，即参与式学习。授课过程中，应该以学生的参与性为教学重点，通过老师的提问引导，学生与老师的互动，使问题一步步明晰化，最终使知识的构建自然流畅。

在组织过程中，应充分尊重学生的中心和研讨主体地位，充分激发学生与教师以及学生之间的交流积极性。教师是组织者和引导者，在研讨过程中要把握时机，通过适时提问、鼓励学生之间辩论的形式，加强师生互动和学生之间的互动;对于错误观点，最好不直接评判，而是通过引導本人思考，让其发现并得到纠正[8]。

根据学习要求，知识可分为三个层次：认识了解、理解掌握、分析应用。不同层次所采用的研讨教学方法的重点，应有所区别。

1. 认识了解层次

在这一层次，重点是不要简单而直接地向学生灌输“某物是某样”，而是通过引导学生思考，从中寻找设计思路，明白“某物之所以为某样”的背后原因。

例如在讲解离子推力器结构时，不是单纯地告诉学生现有离子推力器的设计是怎样的。而是提出一个问题让学生思考：“如果让你利用静电场加速工质，你会怎么做？”，“这样的设计会有什么问题？”，“要克服这个问题，又需要做什么样的改进？”这样一步步把推力器的结构渐进地“演化”出来。虽然占用时间较多，但学生深刻地理解了结构设计背后的物理原因。在此后的学习中，对照自己“设计”出来的推力器，会更有的放矢，也会更加有兴趣深入思考。

2. 理解掌握层次

先把注意力放在物理图景上，再使用必要的公式描述，逐步展开;其中，要特别注意学生的参与性。推进技术课程涉及较多公式，但均有明确的物理背景。教学时，可以参照流体力学大师冯·卡门在加州理工学院所使用的教学方法[9]，将师生的视角调整为一个粒子的角度（be the fluid particle），头脑中首先产生物理“画面”，像一张突出强调重点的漫画，然后再考虑用公式和数学将其描述出来。

例如，在霍尔推力器加速机理的讲解中，可以从常见的家用微波炉入手，讲述磁控管与霍尔推力器二者的异同。进而请学生设想自己是一个从空心阴极发射的电子，那么它在进入正交的电场和磁场这一环境后，受到什么样的力作用于自己，是怎样的“感觉”（feeling）？将有怎样的反应和行为？通过提问和引导，学生思考并回答，其他人加以补充，这样代入式的视角考虑问题，一是能够使学生很好地理解不同推力器中的物理图景，对于紧随其后的公式推演也能做到胸有成竹、心中有数;二是能够让学生也参与到思考和建模中来，作为参与式教学的活跃者，能对所学到的东西留下深刻印象。

3. 分析应用层次

这一层次要求学生能够运用所学理论知识，对新接触到的事物进行分析，发现问题和解决问题。应用研讨型教学方法时，教师要注意几个问题，一是要鼓励发现问题，提出质疑;二是在发现问题的基础上，鼓励学生大胆思考和讨论;三是合理安排，使分析和讨论有序进行，有条件的话可借助实验手段来达到更好的教学效果。

例如，在学习感应式电磁推进理论后的实验课上，演示了市场常见的商业级电磁弹射组件，并向学生提出，这运用了课堂上讲授的哪种电磁推进原理？针对这一问题，学生中可能会产生两种不同观点，并各有依据。这时，请学生通过自己动手实验，发现该组件只能弹射铁磁性材料，而对同样导电的铜质材料无法加速。教师此时适当引导，使学生之间相互讨论这一现象成因，由此反推其加速机制，最终得出该商业组件是利用了电磁铁原理，并不是感应式电磁加速系统的结论。教学到达这一阶段后，再向学生演示真正的电磁感应加速系统，特别是展示讨论中的异同，这样可使学生对该知识点有更深刻的理解。

（三）收束环节

该环节对应了BOPPPS模型的Post-assessment、 Summary部分，即评价和小结。

本次课程接近结束时，安排课程小结和回顾，回应课程开始时的Bridge-in和Objective部分，使学生总体上把握本次学习获得了哪些知识，在应用上能做到什么程度，并布置具有一定难度的思考题，例如若深入应继续考虑什么方面的问题，这样保证学生课后也能延续思维上的活跃，并用以下次课堂的提问热身。

四、空间推进技术课程中研讨型教学模式考核方式

作为学生尤为关注的课程考核评价，合理地设置将具有明确的导向作用，可以进一步提高学生的积极性。除了常规的书面考试成绩之外，还可结合学生在研讨过程中的实际表现来综合评定成绩，具体包含课堂表现及课堂报告。

课堂表现根据学生平时参与回答问题、课堂讨论的情况，体现了其平时成绩。而课堂报告以大作业的形式，作为教学内容的有机拓展，在研讨教学中居于重要地位。报告可以选择和前沿紧密相关的方向，一般按照分组的形式进行。报告本身包括调研文献、分析问题、给出结论，更为重要的是，课堂上将组织针对报告的讨论和答辩。其他分组需要根据报告内容对该组提出质疑，报告分组成员需要现场进行答辩，提问者和答辩者的表现都将纳入最终成绩。这样的方式可以有效避免出现台上做报告，台下事不关己的情况，鼓励全体学生都参与到思考和互动之中来。

在研讨之前的理论课中，要有意识地强化讲解将要探讨的知识点。只有学生在理解和较好掌握了相应的知识之后，才能围绕所设的研讨课题进行深入的思考，展开探讨和交流，最终得到正确的结论，反过来对理论知识进行深化。如果缺乏对知识点的深刻理解，学生或言之无物，或怯于开口，研讨出现冷场。

五、研讨型教学模式运用于空间推进技术课程的教学思考

随着我国研究生教育规模的增长，教育质量逐渐受到重视。从事“空间推进技术”课程学习的研究生大都是将来从事航天科研领域的储备人才。作为航天事业发展的重要参与者，他们不仅需要具备扎实的基础知识，还需要具有在实际工作中不断提出新方法、解决新问题的创新能力。如果研究生教育继续延续旧有的教育模式，以课本为主、以考试为标，只是以灌输式传输知识为主要目的，则会在很大程度上扼杀了学生的学习兴趣和创造力。研究生培养更加注重的应该是培养学生探究事物的好奇心，训练学生自主思考的习慣，磨砺其不怕失败的毅力。因此，改变传统的教学模式，积极开展教学方法改革，对于研究生的培养具有重大意义。

实践证明，在航天推进类课程的教学中，将研讨型教学思路和BOPPPS模型结合，综合运用实例讲解、课堂报告等方法，使学生主动参与思考和讨论，能够令其真正理解并掌握理论知识;同时在研讨中发现问题、提出解释、验证结论的过程，也锻炼了学生勇于探索的科学精神，以及融会贯通、综合运用所学知识去解决问题的能力。这一教学过程中，学生从被动接受者变为主动探寻者，学习模式从注入式变为探索式，可以培养学生思考和自主创新等能力，获得良好的教学效果。

参考文献：

[1]张敏，杭观荣.电推进——空间推进技术的革命[J].中国航天， 2016（2）：7-12.

[2]MIT open course.Space propulsion[EB/OL].[2015-08].http：//ocw.mit.edu/courses/aeronautics-and-astronautics/16-522-space-propulsion-spring-2004.

[3]汪东风，林洪，曾明湧，等.创新实践课程的实施步骤[J].实验室研究与探索，2009，28（3）：107-109.

[4]付丽丽.国内高校研讨型教学法普及并发挥教与学的积极作用问题探讨[J].当代教育实践与教学研究，2017（2）：329.

[5]任福全，张小飞，吴佳洁.研究生教学中进行讨论式教学探析 [J].四川职业技术学院学报，2013，23（1）：59-61.

[6]汤鸣.专题研讨方法论[J].南京航空航天大学学报（社会科学版），2011，13（1）：96-100.

[7]Cheryl King， Diane Morrison， Cheryl Wilson.， et al. Instructional Skills Workshop（ISW）handbook for participants. UBC： ISW Community，May，2006.

[8]联合国教科文组织.学会生存——教育世界的今天和明天[M]. 北京：教育科学出版社，1996：108.

[9]Cummins R. M. Aerodynamics education： Where We've Been and Where We're Going[C]//31st AIAA Applied Aerodynamics Conference. San Diego： 2013，AIAA 2013-2401.