《飞行动力学与控制》项目导入任务驱动教学改革实践

吉洪蕾 张琳 吴宇 姚建尧

中圖分类号：G642DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2206-5640-7785基金项目：重庆大学研究生教育教学改革研究项目（项目编号：cquyjg21327）;重庆大学教学改革研究项目（2019Y65）;重庆大学研究生重点课程建设计划项目（201805017）。作者简介：吉洪蕾（1987—），男，博士，讲师，研究方向为飞行动力学与控制。

张琳（1973—），女，本科，中级职称，研究方向为研究生管理。

吴宇（1987—），男，博士，副教授，研究方向为飞行器智能控制与决策。摘要：本文针对研究生《飞行动力学与控制》课程开展项目导入任务驱动教学改革实践进行研究，提出以项目大作业作为前置导引、将项目分解为多个实践任务的教学思路。在教学实践中，首先应开展任务教学，以小组互评和教师评析的方式梳理和总结上次任务实践结果，并讲解下次任务求解思路，然后开展理论教学，最后以学生小组形式在课后完成实践任务，形成任务引导、理论反馈和教师为主导、学生为主体的教学设计，发展过程考核与结果考核、项目评价与理论考试相结合的课程评价方法。实践结果表明，小组互评和教师评析环节的引入能够降低学生学习背景和实践能力差异的影响，帮助学生顺利完成项目实践，学生项目实践水平与理论知识理解掌握水平成正比。本文所述教改实践方法可以实现工程实践技能和理论知识学习的相互促进，教学效果优良，可推广到更多航空航天研究生专业课程的教学实践中。

Key Words： Flight Dynamics and Control; Project-based; Task-driven; Teaching method; Teaching practice

《飞行动力学与控制》是研究飞行器在大气层内运动规律及其控制方法的学科，是以空气动力学、理论力学、燃气涡轮发动机原理、控制理论和计算数学等作为主要基础理论^[1]，对飞行器动力学特性及其控制进行综合的学科。目前主要采用理论与案例结合方式展开授课，以课堂为中心，以知识为线索，结合案例教学提升学生学习兴趣，使学生快速掌握基础理论和设计方法，但《飞行动力学与飞行控制》课程的特点是概念多，公式推导过程繁琐，并且难度、公式推导和定量计算会随着课程内容的逐步深入而难度逐渐增加，课程后期往往出现学生跟不上进度的情况，无法对每个公式的由来有清晰的认识^[2]。更为重要的是，传统教学方法以教师讲授为主体，难以激发学生学习主观能动性、培养工程实践能力。因此，针对研究生《飞行动力学与控制》课程开展的教学改革实践，需增加或融入学生主动参与的教学方式，提升理论教学水平和学生工程实践能力，具有重要意义。

顾名思义，项目教学法是指教师和学生围绕一个项目的完整实现而共同参与的教学活动。项目教学法具有以项目为主线、以教师为主导、学生为主体的特点，教师通过指导学生完成项目，引导学生理解和掌握基础理论和知识，培养学生分析和解决具体问题的能力。与“教师讲学生听”的被动教学模式相比，项目教学法在提升理论教学效果和学生工程实践能力方面具有显著优势，国外针对该方法在航空航天课程中的应用展开大量研究。澳大利亚阿德莱德大学^[3]采用搜索救援无人机开展项目教学，该课程要求学生完成无人机机身结构和气动设计，选择和发展图像和飞行控制系统实现无人机控制，通过完成项目培养学生的团队协作、项目管理等能力，提升学生对航空专业的兴趣。美国宾夕法尼亚州立大学^[4]自20世纪90年代开展项目驱动的飞行器设计课程，学生完成复合材料飞行器的设计和组装，设计结果参加人工驱动飞行器竞赛，通过该课程使学生深入理解和掌握航空工程的基础理论，发展领导能力和团队协作技能。美国德克萨斯大学^[5]将学生分为两组为K-12运载火箭设计自给式冷气推进示范装置實现项目教学，通过该项目的实施使学生掌握航天推进系统的基本知识，了解工程设计迭代过程，训练学生根据一组宽泛的参数提出项目要求和设计规范的能力。英国克兰菲尔德大学^[6]广泛采用小组设计项目的形式开展项目教学，涉及的项目包括民用货运飞机设计、无人作战飞行系统设计、火星飞行器设计、超音速商业飞机设计等，通过小组设计项目的形式提升学生采用所学知识和技能解决工程设计问题的能力。美国弗吉尼亚理工大学^[7]采用广泛商用的多旋翼无人机为例，通过一种向偏远郊区投递医疗用品的无人机的设计、制造和试飞过程加强学生对飞行器设计基础理论的理解和应用能力，使学生了解大型国防合同承包商的飞行器设计流程，以及相关单位对学生实践能力方面的具体要求。加州大学洛杉矶分校^[8]连续3年开展以火箭设计为主题的项目教学课程。该课程以设计一款小功率固体推进剂火箭开始，随着学生火箭工程技术、安全能力和系统复杂能力的提升，逐渐过渡到大功率混合推进剂火箭和液体推进剂火箭设计，通过项目的实施逐渐增加学生工程实践能力，并鼓励有经验的学生带领新生参与项目，从而培养学生的领导能力和团队合作能力。此外，密歇根大学^[9]基于小型无人机平台开展航空和机器人传感器方面的项目教学，意大利博洛文尼亚大学^[10]基于四旋翼无人机和地面站系统软、硬件设施开展飞行控制课程项目教学，均取得良好的教学效果。

“项目”是实现项目导向教学方法的关键，然而项目的选取和设计较为困难，限制了该方法的应用。另外，与传统教学中理论知识的渐进学习相比，项目是一个系统工程，本身的实现难度较大、时间跨度长，对学生的理论知识储备、工程实践技能和自主解决问题能力的要求都很高，研究生学习背景和实践能力的差异往往导致难以取得良好的教学效果。鉴于项目教学法的问题，在项目实施过程中，将项目细化为具体的几个任务，以任务驱动的方式学习相关的理论知识和实践技能，逐步完成各个任务，最终实现整个项目，称之为“项目导入任务驱动”教学法。与项目导向法相比，项目导入任务驱动教学法将时间跨度大、难度高的设计项目划分解为时间跨度短、难度低的多个任务，循序渐进完成设计项目并达成教学目标，暗合“图难于其易”的哲学思想，更加易于推广实施。

针对研究生《飞行动力学与控制》课程的特点，提出项目导入任务驱动教学和理论教学相结合的教学设计，以项目大作业为导引，以项目细分任务驱动理论教学，以学生小组为主体在课后完成实践任务，形成任务引导、理论反馈和教师为主导、学生为主体的教学设计。在教学实践中引入小组互评和教师评析环节，采用过程考核与结果考核、小组互评与教师评价相结合的课程评价方法考核学生学习效果。以学院2020—2021学年第二学期12名选课的研究生分组实践上述教学改革内容。

1教改思路

《飞行动力学与控制》课程是我院航空航天类研究生的专业主干课程，以本科阶段的《理论力学》《飞行力学》《自动控制原理》等课程为基础，以固定翼飞机的刚体动力学特性为主要研究对象，围绕飞机稳定性和操纵性等飞行品质指标讲授飞行控制系统的基本概念、原理和设计方法。该课程共有32个学时，分为8周完成，具体的教学内容和课时分配如表1所示。通过本课程的学习，使学生了解飞行器运动的基本特性和通过飞行控制设计改善飞行品质的基本方法，掌握相应的数学建模与求解方法，初步掌握一般飞行器飞行动力学特性和飞行控制律设计方法，提升解决工程实际问题的能力^[1]。

为了考核研究生应用理论知识解决工程问题的实践能力和专业创新思维，本课程在往年的教学中均布置了项目形式的大作业作为课程考核的一部分，要求学生以项目小组的形式独立自主地完成指定任务并编写项目报告。然而过去几年的教学实践发现，大部分小组的大作業完成质量不高，经过多方讨论与分析，原因主要有以下几点^[2]。（1）该课程以本科阶段的飞行力学、自动控制原理等航空航天相关课程为先导，概念多、公式推导繁杂，不少学生由于缺乏相关的力学和控制理论基础，对相关理论的理解和掌握程度不深，在学习过程中没有目标，不明确所学专业知识的工程实践意义，因此难以在学习完成后将所学知识与大作业项目联系起来解决遇到的问题.（2）不少学生在本科阶段主要进行理论知识学习，刚进入研究生阶段，缺乏工程实践技能，还有些学生认为本门课程与自己的研究方向没有关系，从项目作业学习到的实践技能无法应用到自己以后的科研实践中，因此产生畏难和被动情绪，不愿意花费太多时间和精力放在项目作业上。（3）项目大作业由多个任务有机组合而成，需要学生分组配合依次完成各个任务，对学生的自主性要求较高。不少学生由于理论知识和实践能力的不足，往往在某一个中间环节出现卡壳，从而导致后续任务无法继续完成，或者由于某一环节错误，导致后续环节皆无法正确完成，从而不同分组之间的项目完成质量形成“马太效应”。因此，由于学生理论知识和实践能力的差异，将具有一定难度和系统性的项目大作业完全交给学生自主完成无法达成理想的实践效果，容易学生产生挫败感，有学不到什么东西的感觉、学到的东西没有什么用的感觉，教师的适当介入和引导则能够避免上述问题的发生。

鉴于以上问题，本次教学改革实践的思路是将项目大作业前置，以项目作为导引，明确学习目标，将项目分解为具体的实践任务并穿插到理论教学中，使学生明确所学专业知识的工程实践意义、了解实践任务求解涉及的理论知识，从而通过实践任务的逐步实现和项目大作业的完成激发学生学习兴趣，培养学生工程实践能力和专业创新思维。

2教学设计

采用理论教学与项目教学相结合的教学设计，将每次课（4课时）划分为两部分，第1个课时开展项目教学，后面3个课时进行理论教学，完成相关的教学内容，具体流程如图1所示，共分为7步：（1）在第一次上课时根据教学目标和教学内容分析学生需要学习的理论知识点，并结合学生的特点精选主题，围绕主题创设情境和项目;（2）结合项目特点和教学内容，将项目分解为递进的几个研究任务，将学生分组;（3）在2～7课时的开始开展任务教学，各小组讲解上次任务完成情况，各小组相互评价，教师针对存在的问题进行讲解并梳理和回顾相关的知识点，布置下一次任务，讲解任务解决思路及所涉及的理论教学知识;（4）教师开展理论教学;（5）各小组在课后协作完成实践任务，通过任务的实现加深对相关知识点的理解和掌握;（6）重复步骤（3）至步骤（5），完成各项实践任务，形成项目报告;（7）在课程结束后根据项目完成情况和理论考试成绩给出课程总评分。

2.1 项目导入设计

建构主义教学方法认为，学生需要在一定社会文化背景的情境下学习，使学生能够利用原有的知识经验去建构新的知识，并赋予新知识某种意义^[11]。项目导入的目的即是以项目为载体创设情境，通过项目的实现导入需要学习的理论知识。导入项目应结合课程的教学目标、教学内容以及学生的学习背景，具有以下特点^[12]。（1）具有完整的实践过程，使学生能够经历完整的飞行动力学建模、分析过程，了解工业界的工程设计流程，而不是局限于几个简单的操作。（2）具有明确的工作任务和具体的成果展示，使学生能够发现和采用所需要的理论知识解决具体问题，并利于评价工作成果。（3）能够激发学生学习的自主性，使学生有独立进行计划和组织工作的机会，培养学生的团队协作能力和发现、解决问题的能力。（4）项目应具备综合性和可操作性，尽可能覆盖课程所有理论知识，并使大部分学生能够通过团队协作形式完成工作任务。

《飞行动力学与控制》是直接面向工程实际需求的学科，课程项目以某固定翼飞机为研究对象，开展飞行动力学建模和操、稳特性分析，研究内容主要包括飞行动力学建模、配平和线化计算、稳定性和操纵性分析等内容。飞行动力学模型是研究的基础，根据空气动力学和发动机的基础知识建立气动力和发动机推力模型，根据刚体动力学的基础知识推导飞机动力学和运动学方程，形成飞行特性分析和仿真的非线性数学模型。平衡状态是指飞行参数不随时间变化的飞行状态，配平是指根据给定的飞行条件逆解飞行动力学模型获得平衡状态所需操纵量的求解过程，配平计算结果可用于基本飞行性能计算和静操纵性分析。在配平的基础上，根据小扰动假设将非线性飞行动力学模型在平衡状态点附近线化获得线性模型，用于飞机的操、稳特性分析和飞行控制律设计。飞机的稳定性是指保持操纵量不变，飞机在受扰动作用后会偏离其平衡状态，在扰动停止后飞机恢复到原来状态的能力;飞机的操纵性是操纵输入之后飞机响应的全过程特性^[13]。根据线性常微分方程的基本理论和飞机的线性飞行动力学模型求解飞机的操、稳特性，指导飞机飞行控制律设计。该项目实践内容完整、工作任务明确，不仅能够激发学生学习的自主性，还能加深学生对课程教学内容的理解，掌握飞机动力学特性的一般规律，为后续飞行控制律设计教学内容打下良好理论基础。

2.2 驱动任务设计

在项目导入以后，如何以学生为主体，将项目划分为具体的工作任务是关键。依据项目目标，某固定翼飞机飞行动力学建模和操、稳特性分析项目划分为6个驱动任务，即气动特性分析、气动力建模、飞行动力学建模、配平计算及分析、模型线化及分析、操稳特性分析，项目各实践任务的具体内容及相关的教学内容如表2所示。其中，任务1和任务2的目标是建立飞机的气动力模型，主要涉及空气动力学的基础知识，通过本项任务可以使学生主动复习并掌握飞机气动特性及其变化规律，为下一步工作任务奠定基础;任务3和任务4的目标是建立飞机飞行动力学模型及其配平计算方法，涉及课程飞行动力学建模相关教学内容，通过任务实践加深学生对相关教学内容的理解应用水平、掌握飞机稳态平衡特性及变化规律;任务5和任务6的目标是建立飞机线化模型，分析飞机操、稳特性，涉及本课程稳定性和操纵性相关教学内容，通过该任务实践不仅使学生可以掌握模型线化的工程实践技能，而且可以使学生深入了解飞机的典型模态特征和操纵响应特性，为后续飞行控制律设计相关教学内容打下基础。本课程驱动任务设计上承飞机空气动力学的基础知识，下接飞行控制律设计的教学内容，与飞行动力学建模及稳定性和操纵性相关的教学内容紧密结合，各个实践任务相互独立而又围绕导入项目相互关联、层层铺进，每个任务的目标和考核方式明确，为教学改革实践的顺利实施奠定基础。

3 教学实践

本次教学实践将每次课（4课时）划分为项目教学和理论教学两部分，其中项目教学采用小组互评与教师评析的方式实施，持续1个学时;然后开展3个小时的理论教学，完成规定的教学内容，各教学内容的教学时长及所采用的教学方法如表1所示，主要介绍项目教学方法和课程评价指标如下。

3.1 小组互评

每次项目教学时首先让各小组学生讲解上一次任务实践结果，然后让各小组相互评价打分，作为课程评价的组成部分。小组互评采用如图2所示的任务/项目评价表打分，打分标准为，以自己组报告为基准（85分），比自己组略好为90分，好很多为95～100分，比自己组略差为80分，差很多为70～80分。学生可以通过小组互评环节相互学习、互通有无，加深对实践任务的理解，激励相互竞争，取得更好的教学效果。

3.2 教师评析

小组互评之后进入教师评析环节，首先对各小组展示结果进行点评，讲解各小组报告存在的问题，梳理容易引起错误的环节和相关的知识点，总结实践和报告撰写中的共性问题，并发布一个相对标准的计算程序或模型，为下一步工作任务做准备。然后，针对下一次工作任务，讲解任务目标、与上一次任务的衔接关系及求解思路及关键问题求解的基础理论。在讲解过程中，明确各个环节求解所涉及的理论教学知识。通过教师评析环节，教师可以深度参与到项目研究工作，有效推动各个驱动任务的实施，并通过讲解解决学生实践中遇到的理论难点，加深巩固学生对所学知识的理解和应用能力。

3.3 课程评价

根据教学模式的改变调整传统以考核学生对理论知识记忆、理解和掌握程度为主、以闭卷考试分数为主要评价标准的课程评价方法^[14]，采用过程考核与结果考核、小组互评与教师评价相结合的指导思想组织本次教学改革实践的课程评价。课程成绩由考勤和课堂纪律成绩、项目成绩以及理论考试成绩构成，各项占比分别为10%、40%、50%，课程成绩由式（1）计算：

4 结果分析

对2020—2021学年第二学期研究生《飞行动力学与控制》课程实践结果进行分析。选择本次课程的学生共有12名，以2人组成一个项目小组，共分为6个项目小组。图3所示为小组互评得分平均值随各次任务变化，从图中可以看出，第一次任务时各小组得分差别较大，这主要是由各小组学生学习背景、实践能力的差异导致的。随着任务次数的增加，各小组得分排序变化很小，但得分相差越来越小，逐渐趋近基准分（85分），这主要因为各小组之间的相互学习和教师讲解有效降低了各个小组学习背景和实践能力差异的影响。

图4所示为小组互评得分标准差随任务次数变化。从图中可以看出，第一次任务时各小组互评得分标准差较大，随着任务的进行，各小组互评得分标准差逐渐缩小。主要原因是第一次任务时，各组学生之间由于学习背景和实践能力的差异，对实践任务的理解程度不一样，对同一任务的打分呈现出较大的差异性。随着任务次数的增加，由于小组之间相互学习和教师讲解的深入，学生对实践任务的理解程度逐渐加深、认识趋于一致，因此打分也趋于一致。

表3为学生最终考核成绩。从表中可以看出，项目导入任务驱动的教学方式克服了项目教学法存在的项目实现困难问题，使具有较大学习背景和实践能力差异的各项目小组均以优良的成绩完成项目。另外可以看出，通过项目实践可有效促进学生对于理论教学内容的理解掌握和应用能力，各小组均取得良好的理论考试成绩，且理论考试成绩与项目成绩总体上呈现出一定的相关性，即：项目成绩高的同学，理论考试成绩也相对偏高。本次实践证明了项目导入任务驱动的教学方式能够兼顾理论知识学习与工程实践能力的培养。

5结论

（1）项目导入任务驱动教学方法有效克服了项目教学法存在的项目实现困难问题，各小组学生可以通过小组互评和教师评析环节相互学习，降低学习背景和实践能力差异的影响，逐步提升项目实践能力，同时也有助于提升理论教学效果，学生项目实践水平与对理论知识的掌握深度成正比。

（2）过程考核与结果考核、项目评价与理论考试相结合的课程评价方法不仅能够考核学生对理论知识的掌握深度，还能考查学生利用所学知识分析和解决工程实践问题的能力，改善了传统评价方法重知识考核而轻能力考核的弊端。

（3）项目导入任务驱动教学方法以项目导入激发学生学习兴趣，以实践任务驱动学生自主学习能力，充分体现构建主义教学以学生为主体的思想，让学生在工程实践中加深对理论知识的理解和应用，在工作成果的相互评价中相互学习、激发创新能力，取得了良好的教学效果，更加符合研究生工程实践课程的教学目标，可推广到更多航空航天类专业研究生课程的教学应用中。

参考文献

• 冯瑞娜，余泉.《飞行力学》课程实践教学探索[J].科技创新导报，2011（2）：166.
• 吴宇，吉洪蕾，黎蕾蕾，等.《飞行动力学与飞行控制》教学改革探索与实践[J].科技创新导报，2022（20）：1-7.
• MISSINGHAM D L， CHARTIER B J， GIBSON B A， ARJOMANDI M. The Effective of Project-Based Learning on Net-Generation Aerospace Engineering Students[C].47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including New Horizons Forum and Aerospace Exposition. 5-8 January 2009， Orlando， Florida， United States.
• COLE J A， MAUGHMER M D. The Flight Vehicle Design and Fabrication Course： Two Decades of Project-Based Learning at Penn State[C].10th AIAA Aviation Technology， Integration， and Operation （ATIO） Conference， 13-15 September 2010， Forth Worth， Texas.
• ROBINSON N V， HILL S， CHOUDHURI A. Project Based Learning in Spacecraft Design Course[C].49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference， 14-17 July， 2013， San Jose， CA， United States.
• STOCKING P J. The Teaching of Aerospace Vehicle Design at Cranfield University with Particular Reference to the Group Design Project[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part G： Journal of Aerospace Engineering， 2017， 221（2）： 225-234.
• BUTLER M. Introducing Engineering Design through an Aerospace-Based Design Project [C].AIAA SciTech 2019 Forum， 7-11 January 2019， San Diego， California.
• MITCHELL SPEARRIN R， NAIR A P， PINEDA D I. Progressive Project-based Learning Program for Collegiate Rocket Engineering[C].AIAA SciTech 2020 Forum， 6-10 January， 2020， Orlando， FL， United States.
• DONATO P F A， GASKELL P E， ATKINS E M. Small Unmanned Aircraft Systems for Projected-Based Engineering Education[C].AIAA SciTech 2020 Forum， 9-13 January 2017， Grapevine， Texas， United States.
• CASTALDI P， MIMMO N. An Experience of Project Based Learning in Aerospace Engineering[J].IFAC Papers Online， 2019， 52（12）： 484-489.
• 武韡.“項目导入任务驱动”教学法在高职计算机应用技术专业教学中的应用[D].上海：华中师范大学，2011.
• 符来.“项目导入任务驱动”教学法在中职教学中的应用研究[D].天津：天津职业技术师范大学，2020.
• 方振平，陈万春，张曙光.航空飞行器飞行动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005：.
• 俞素平.基于行动导向的"项目引领，任务驱动"教学模式的设计与实施[J].福建交通科技，2020（3）：184-186.