航空航天概論類課程分析與教學探索

王海濤　梁彥剛

摘 ?要：為了進一步推動航空航天概論類通識性教育課程的建設，文章首先對國內(nèi)航空航天概論類課程的教育教學現(xiàn)狀進行了總結，然后以國防科技大學“空天技術概論”課程為例，對近些年的課堂教學和線上教學的實踐和體會進行了梳理，最后提出了加強特色教材建設、推動線上和線下融合式教學改革的課程建設方向和目標。文章的分析和思考可為國內(nèi)從事航空航天概論類課程教學的教育界同仁提供參考。

關鍵詞：航空航天概論;空天技術;教學實踐;課程建設

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2021）01-0094-04

Abstract： The purpose of the paper is to further improve the construction of general education course of Introduction to Aerospace. The paper summarizes the education and teaching status of Introduction to Aerospace courses， then takes the "Introduction to Aerospace Technology" course of National University of Defense Technology as an example to comb the practice and experience of classroom teaching and online teaching in recent years， the course construction direction and goal of strengthening the construction of featured textbook and promoting the online and offline integrated teaching reform are proposed finally. The analysis and thinking in this paper can provide a reference for domestic education colleagues who are engaged in teaching the course of introduction to aerospace.

Keywords： Introduction to Aerospace; aerospace technology; teaching practice; course construction

一、概述

在國內(nèi)開設航空航天類本科專業(yè)的院校中，航空航天概論類課程是針對全校低年級各專業(yè)本科生開設的一門公共選修課，屬于通識教育課程。該課程的教學定位是講述航空航天基本概念、基本原理、發(fā)展歷程和常用技術，教學目的是通過課程的學習使學生對航空航天的基礎知識和技術有一個比較全面的了解，掌握航空航天技術的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢，培養(yǎng)學生對航空航天的興趣和愛好。

作者于2018年開始在國防科技大學講授“空天技術概論”課程，目前已經(jīng)講授完3輪。按照教學大綱要求每個教學進度32學時，每年春季學期開課，對航空航天有興趣的學生均可選修本課程，不需要專業(yè)基礎知識。每年的選課人數(shù)基本上都在120人左右，接近學校設定的128人的人數(shù)上限。選課學生大多是一、二年級的低年級學生，少部分高年級學生，分別來自不同學院，覆蓋了學校工科大部分專業(yè)[1]。

為了更好的促進本門課程的教學和課程建設，本文系統(tǒng)梳理了作者關于航空航天概論類課程教學實踐的體會和感悟，并總結出本課程下一步教學和課程建設的方向和目標，希望能為國內(nèi)其他開設航空航天概論類課程的兄弟院校提供借鑒參考。

二、航空航天概論類課程分析

通過近三年來的教學實踐，作者認為在航空航天概論類課程的教學和課程建設中需要掌握好“科普”和“專業(yè)”的平衡關系。選課學生來自不同專業(yè)，學科基礎和知識結構不盡相同，而且對于此類通識性教育課程，同學們更希望上的輕松有趣一點。但是，傳統(tǒng)的教育觀念還是希望盡可能讓學生掌握知識和培養(yǎng)能力，最好能夠量化考核。因此，作者認為要想上好航空航天概論類課程，對授課老師的要求其實是很高的，授課老師最好具備比較全面深入的航空航天專業(yè)知識，而且能夠深入淺出、生動有趣地講授出來。下面以兩門經(jīng)典的航空航天概論類課程為例，對其課程教學狀況進行剖析。

（一）錢學森先生“星際航行概論”課程分析

“星際航行概論”是20世紀60年代錢學森先生親自為中國科學技術大學四年級本科生開設講述的一門課程[2]。錢學森先生親自編寫教學大綱和教材，共講授45學時。該課程系統(tǒng)地介紹了航天技術的各個方面，課程內(nèi)容包括星際航行與宇宙航行、火箭發(fā)動機原理、火箭發(fā)動機的技術實現(xiàn)、運載火箭的技術實現(xiàn)、運載火箭從地面起飛的軌道問題、星際航行的軌道、原子能火箭發(fā)動機、制導問題、星際航行中的通訊問題、再入大氣層、防輻射、飛船的設計問題、飛船中的電源、星際航行進一步發(fā)展的幾個問題等共十四講。雖然時間已經(jīng)過去了將近60年，回首再看“星際航行概論”這門課，課程內(nèi)容既具有前瞻性又有專業(yè)性。課程講授的關于火箭發(fā)動機和運載火箭技術的基本理論已經(jīng)成為指導我國火箭設計的基礎，講授的太陽帆、原子能火箭、電推進火箭等技術是目前正在進行實驗中的新型航天技術，對于運載火箭回收、海上發(fā)射、空天飛機的設想也正是目前航天技術的前沿熱點。

“星際航行概論”課程的考核采用開卷筆試，據(jù)中科大黃吉虎教授回憶說：“就兩道題，第一題是一道概念題，占30分，一般都能拿到20分左右，但要拿到25分以上就會有一定的困難。第二題非常特別，即‘從地球上發(fā)射一枚火箭，繞過太陽，再返回到地球上來，請列出方程求出解”。作者認為，這種考核方式完全是在考核能力，但是據(jù)說當年這場從早上8：30持續(xù)到下午6：30的考試有95%的學生不及格。

作者認為，由錢老親自開設和講授的“星際航行概論”課程是我國航天類和航天概論類課程的開山之作、經(jīng)典之作，其內(nèi)容經(jīng)典且影響深遠。就作者的體會而言，“星際航行概論”課程內(nèi)容的難度、深度和廣度超出了目前各大學開設的航空航天概論類課程，作為大學低年級的本科生，尤其是非航空航天和力學專業(yè)的本科生學習“星際航行概論”課程將存在很大的困難，而且考核也難以通過。按照目前的大學課程體系，“星際航行概論”課程的內(nèi)容體系和難度比較適合給研究生一年級的學生開設成公共選修課。但是“星際航行概論”課程的內(nèi)容知識體系經(jīng)過通識化，部分內(nèi)容經(jīng)過更新之后將會是適合目前大學航天概論類通識教育課程并且是非常好的課程內(nèi)容體系，這也是作者未來課程建設的目標。

（二）北京航空航天大學“航空航天概論”課程分析

目前，北京航空航天大學、南京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學和西北工業(yè)大學等兄弟院校均開設有航空航天概論類課程，然而各大學的課程內(nèi)容體系卻不盡相同。例如：西北工業(yè)大學將“航天概論”、“航空概論”、“航海概論”分開設置成三門公選課，哈爾濱工業(yè)大學僅開設了“航天概論”公選課，北京航空航天大學和南京航空航天大學則均開設了“航空航天概論”公共選修課程。

就內(nèi)容設置而言，南京航空航天大學的“航空航天概論”課程主要是面向航空類低年級學生開設，大部分講解航空的內(nèi)容，僅在課程最后一講選取了航天器相關內(nèi)容[3-4]。而北京航空航天大學的“航空航天概論”則相對比較均衡，對航空和航天相關內(nèi)容均有所考慮，而且北航的“航空航天概論”也是目前國內(nèi)航空航天概論類課程里唯一建設成為國家級精品課的課程[5]。因此，下面就以北航的國家級精品課程“航空航天概論”為對象進行分析。

北京航空航天大學“航空航天概論”課程共設置32學時（包括理論課和現(xiàn)場課），理論課內(nèi)容主要由航空航天發(fā)展概況、升力與阻力的產(chǎn)生、飛機氣動布局及飛行性能、直升機飛行原理與航天器飛行原理、航空器動力裝置、航天器動力裝置、飛行器導航與制導、飛行器構造等內(nèi)容組成，實踐課主要是對航空史和飛機構造兩部分進行現(xiàn)場授課。該課程是北航自1952年建校以來開設最早的課程之一，自2015年在中國大學MOOC上線以來，每年春季學期和秋季學期開課，目前已經(jīng)進行至第11輪，課程建設有完善的課堂單元測試、課程單元作業(yè)、課堂討論以及期末考試環(huán)節(jié)。

作者認為，北京航空航天大學的“航空航天概論”課程目前看來除了一些課程內(nèi)容因為時間關系需要更新之外，整體建設水平還是很高的。課程內(nèi)容整體偏科普，比較適合大學低年級的本科生。課程內(nèi)容上航空內(nèi)容比航天內(nèi)容偏多，這可能和該校發(fā)展歷史以及該課程的建設歷史有關。但是，作者更偏向于課程內(nèi)容設置更專業(yè)和豐富一些，這也為課程教學的實施增加了難度，可以作為未來建設的一個目標。

三、航空航天概論類課程的教學實踐

國防科技大學空天科學學院為全校低年級本科生開設了航空航天概論類公共選修課“空天技術概論”，每年春季學期開課，共設置32學時（包括理論和實踐課時）。作者自2018年開始講授“空天技術概論”課程，迄今為止已經(jīng)講授完3個進度。以下是對國防科技大學“空天技術概論”課程的分析和教學實踐總結。

（一）“空天技術概論”課程分析

國防科技大學“空天技術概論”課程在借鑒國內(nèi)外的經(jīng)典教材的基礎上形成自己的教學內(nèi)容體系，主要教學內(nèi)容如圖1所示。

從內(nèi)容體系上來講，“空天技術概論”課程航天的內(nèi)容比航空多一些，這也與國防科技大學空天科學學院歷史上以航天為主，缺少航空專業(yè)有關系。作者認為，整體課程內(nèi)容體系框架還是不錯的，但是在一些教學內(nèi)容的選取上還有一些值得進一步改進的地方。例如：航天器軌道原理部分內(nèi)容講授6個學時，其內(nèi)容的深度和廣度還有進一步改進的空間;關于航空航天基本原理的內(nèi)容還需要進一步凝練，一些概念性的內(nèi)容也可不必在課堂上過多講解，可制作成閱讀材料供同學們課后閱讀。但是，航空航天的知識內(nèi)容體系過于繁雜，如果需要學生課前或課后閱讀則最好有針對性的教材。因此，進行“空天技術概論”課程教材建設也是一項目前對課程教學影響很大且急需進行的工作。

（二）“空天技術概論”課程教學實踐

作者在2018年和2019年度對選修“空天技術概論”課程的本科生進行了課堂授課，總結出一些教學實踐經(jīng)驗和感悟如下。

1. 多數(shù)學生對發(fā)展歷程和基本原理感興趣，對專業(yè)知識和計算有所畏懼

作者在講授緒論部分即航空航天基本概念和發(fā)展史的時候，學生反映比較熱烈。原因可能是剛開始上課，同學們都充滿了新鮮感，另外同學們對于此部分內(nèi)容確實是比較感興趣的。進入航空概論部分的講解時，涉及到空氣動力學的基本原理部分，例如：連續(xù)性定理、伯努利原理、升力阻力產(chǎn)生的基本原理等，大部分學生都能夠接受，但是涉及更專業(yè)的一些知識，例如：飛機失速原理涉及的流動分離、轉捩，誘導阻力的產(chǎn)生以及激波等，非航空航天和力學專業(yè)的學生表現(xiàn)出畏難情緒。航天概論部分則在涉及兩體軌道計算部分一部分學生理解存在困難。整體而言，在專業(yè)知識稍多稍深的地方會使一部分學生退縮，大部分學生希望每堂課都上成精彩的科普課。

2. 授課PPT中應多采用圖表、動畫和視頻的形式，減少過多文字

“空天技術概論”課程涉及的模型和公式推導比較少，基本上采用多媒體講授。航空航天的知識內(nèi)容體系繁雜，在PPT設計過程中采用圖表、動畫或視頻把要講授的知識內(nèi)容體系呈現(xiàn)出來效果會更好，更受歡迎。作者在這方面做了一些工作，例如：在講解載人航天相關內(nèi)容時，加入了中央電視臺制作的載人航天發(fā)展歷程的視頻，大約5分鐘，將我們國家載人航天工程從提出、立項、試驗、飛行以及歷屆國家領導人講話串聯(lián)起來，給了同學們較強的震撼并極大地激發(fā)了同學們的愛國熱情;在講解衛(wèi)星姿態(tài)控制原理時，利用動畫呈現(xiàn)出飛輪控制衛(wèi)星姿態(tài)的過程，讓同學們對衛(wèi)星姿態(tài)主動控制有一個直觀的認識。但是，也有一些內(nèi)容體系是目前做得不夠的地方，例如：關于航天器各分系統(tǒng)的講解，概念和敘述過多，學生容易產(chǎn)生疲勞感，吸引不了學生的注意力，這也是以后需要進一步改進的地方。

3. 設計互動和實踐場景，減少過多概念性的講述

因為航空航天的知識內(nèi)容太多，想要面面俱到的將盡可能多的知識講授給學生容易給人一種“滿堂灌輸”的印象。因此，還是要有選擇性的選取一些經(jīng)典知識體系進行講授，并且在講授過程中要注意學生的反應，設計一些互動和實踐場景。例如：作者在講授飛機飛行穩(wěn)定性的時候，在課堂現(xiàn)場折一個紙飛機，利用金屬夾子夾在紙飛機下方不同位置來改變其質心位置，然后通過紙飛機的飛行演示來講解飛機質心和壓心相對位置對其飛行穩(wěn)定性的影響。這個實踐例子來源于生活且簡單易操作，課堂演示能夠吸引同學們的注意力并進行有效互動。利用生活中的小例子引出航空航天相關技術，再進行專業(yè)知識的講解，這樣授課的效果確實會更好。當然，這些例子和素材需要進行積累并恰當引入，這也是今后授課和課程建設中需要努力的地方。

（三）“空天技術概論”線上教學實踐

2020年春季學期，由于新冠疫情的影響，國防科技大學“空天技術概論”課程改為線上授課，這也是作者第一次進行線上授課實踐。授課方法采用雨課堂和騰訊會議同步進行，經(jīng)過一學期的授課體驗，作者對在線講授“空天技術概論”課程也有了一些自己的體會。

首先，航空航天概論類課程比較適合線上授課，因為其授課內(nèi)容中公式推導不多，大多是基本概念、基本原理、發(fā)展歷程和相關技術的講解，而雨課堂是融入到PPT中進行的，所以原來的教學素材并不需要進行較大改動。利用雨課堂發(fā)布公告和課件、簽到點名、語音直播、彈幕互動、習題、板書、直播回放功能極大地方便了學生們的學習，雨課堂的缺點就是無法實時語音、視頻交流，而騰訊會議語音和視頻互動比較好，因此在授課過程中同步采用騰訊會議共享雨課堂的PPT屏幕，并和同學們進行語音或視頻互動，但是無論是雨課堂的彈幕還是騰訊會議的聊天功能在上課時容易打斷授課進程且不能及時回應，若能配備助教輔助進行課堂互動則效果更好。另外，作者還通過建立了班級微信群進行上課通知、發(fā)布課件和答疑?？傮w來講，整個學期的線上授課還算比較順利。

在線上授課過程中也存在一些問題，例如：師生互動受限，一些實踐環(huán)節(jié)無法開展，而且?guī)熒又荒茳c對點進行，老師無法感知整個班級的氛圍。由于該課程選修學生比較多，老師在授課過程中的無法關注到每位學生是否在集中精力聽課以及聽課效果如何，這些問題需要在未來的教學實踐中總結經(jīng)驗，把真正適合線上進行的教學內(nèi)容搬到線上，例如：課前預習、課后復習、隨堂測試和課后作業(yè)可以嘗試在線上建設。

四、課程未來建設思考

航空航天概論類課程涉及的內(nèi)容知識體系廣博，通過對該類課程的分析和以及課堂教學和線上教學實踐的總結，作者對“空天技術概論”課程有以下的幾點未來建設的思考：

（一）梳理航空航天專業(yè)知識，加快形成特色教材

教材對一門課程來講很重要，尤其是航空航天概論類課程涉及知識內(nèi)容繁多，許多相關知識學習需要放在課下學習。如果老師僅依靠課堂全面講授知識，不但容易形成灌輸式教學的印象，而且適得其反，會使學生失去對航空航天的興趣和熱情。在教材的建設方面，作者有一個憧憬目標，希望能夠以錢老的《星際航行概論》為榜樣，結合目前大學本科航空航天概論類通識性教育的現(xiàn)狀和要求，考慮國防科技大學軍事院校教育的特點，形成特色內(nèi)容體系和教材。當然，一本好的教材編寫工作量很大，非一朝一夕之功，需要瞄準目標持續(xù)進行。

（二）以教學效果為導向，推動線上和線下融合式教學

航空航天概論類課程比較適合改造成線上教學，北京航空航天大學和南京航空航天大學都在中國大學MOOC上推出了此門課程。另外，南京航空航天大學的老師已經(jīng)開始探索在“航空航天概論”教學中應用微課等新興的教學方法[6]?；谧髡呔€上教學的體會，線上和線下各有優(yōu)缺點，若能融合線上和線下這兩種教學方法，形成更好的教學效果，則可以推動航空航天概論類通識教育課程建設的進一步發(fā)展。

參考文獻：

[1]王海濤.空天技術概論課程的教學實踐與探索[J].高教學刊，2019（01）：96-98+101.

[2]錢學森.星際航行概論[M].科學出版社，1963.

[3]昂海松，童明波，余雄慶.航空航天概論（第二版）[M].科學出版社，2015.

[4]吳偉.本科《航空航天概論》課程現(xiàn)場教學與實踐教學探索[J].課程教育研究，2017（04）：248.

[5]賈玉紅，黃俊，吳永康.航空航天概論（第四版）[M].北京航空航天出版社，2017.

[6]王寧.淺談微課在“航空航天概論”教學中的應用[J].工業(yè)和信息化教育，2016（04）：60-62+67.

基金項目：2018年湖南省普通高校教學改革項目“以能力塑造為核心推進空天學科群實踐教學改革”（湘教通[2018]436號）;2019年空天科學學院教學改革項目“空天技術概論課程教學改革研究”

作者簡介：王海濤（1982-），男，漢族，河南開封人，博士，副教授，研究方向：航天動力學專業(yè)教學與研究。