研討型方法在“空間推進技術”教學中的探索及實踐

李小康 王墨戈 楊雄 程謀森

摘 ?要：“空間推進技術”課程內容涵蓋傳熱學、流體力學、電磁學等多學科知識，兼有抽象性、理論性強的特點。單純采用教師為主體進行課堂講授會造成學生被動接受，教學效果不佳。針對這一問題，我們從課程實施中的多個環節、課程考核等多方面對該課程的研討型教學方式進行了思考和實踐。結果顯示，將研討方式應用于“空間推進技術”教學中可明顯激發學生的積極性、加深其對知識的理解，對提高教學效果具有重要意義。

關鍵詞：推進技術;研究生課程;研討型教學;BOPPPS模型

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：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，航天技術已成為支撐國民經濟、國防軍事等領域創新發展的關鍵技術之一。作為航天器的核心技術——空間推進技術直接決定了在軌航天器的壽命、位置和姿態保持精度、機動能力，受到國際科研人員和高等院校的高度重視[1]。為滿足我國航天人才的培養需要，我們從麻省理工學院引入了space propulsion這一課程，并調整和加入部分內容，形成了具有我國航天科研特色、綜合性和啟發性強的“空間推進技術”課程。

推進類課程是航空宇航推進理論與工程的專業課程，具有基礎理論與前沿研究緊密結合的特點。“空間推進技術”課程以電推進為主體內容，并涵蓋了物理學、流體力學、等離子體理論、航空宇航推進等多學科領域知識，需要在教學的過程中介紹大量的基本概念、原理和理論[2]。但是，若在課程講授中，過于偏重理論和公式推導，則會使教學枯燥無味，學生對具體的物理意義缺乏理解，不能領會公式形式背后蘊含的機制和機理。

而在研究生教學中，研討型教學方法作為一種有效的教學模式，已受到多方面的肯定和推廣[3-6]。本文將研討型教學方法和推進類教學有機結合起來，探索航天推進類課程研討型教學的最優方式方法。

二、研討型教學模式在空間推進技術課程開展前的實施條件與預評估

課程展開前，首先要確立教學目標，了解清楚教學對象，這樣才能做到有的放矢，對本次教學活動從哪里出發、達到什么效果有一個清晰的規劃。

教學目標的確立包括厘清教學的重點、學習要達到的深度等。在確定教學目標時，要針對學生狀況和具體章節知識點設置教學目標，把目標落在學生收獲最大、最感興趣的方向，并把握好其難易程度。假如設置太難，勢必使學生產生畏難情緒;反之，則又會讓很多學生覺得收獲甚微。兩種情況都會影響學習興趣，使其惰于思考，不利于教學開展。

不同于本科生有著系統的課程體系和前后銜接關系，研究生學生往往來自不同的高校、不同的本科專業、有著不同的知識框架和學科基礎，對所學知識將來的應用也有一定想法。要想做好教學，做到因材施教，就必須先要了解學生，了解他們已有的知識背景和學習中重點關心的問題。因此，在課堂教學之初，了解本屆學生已有的知識結構信息、對該課程內容的知識貯備、預期想要了解的內容和原理等問題，對于課程的順利展開以及實現和學生的有效互動具有重要意義。而通過交流歸納、問卷調查等形式可較好的完成上述預評估過程。

（一）交流歸納法

交流歸納并不是簡單的“一問一答”。作為任課老師，首先需要非常熟悉課程本身的內容，甚至是延伸內容。這樣，在交流的過程中就可以更加敏銳的捕捉到不同的學生與本門課程的相關性，或者說是興趣點。研究生的教育不同于本科，每個學生的知識儲備不同，研究方向也不同。由于研究生數量相對本科生較少，師生之間交流的機會和時間都會明顯增多。充足的學前交流不僅有助于學生向老師傳達學習需求，也有助于老師更好的完成課程設計、平衡理論與實驗比例。

（二）問卷調查法

問卷調查作為交流歸納的補充形式，可有效填補對話交流的空白。例如，課程開始前的知識背景問卷就可以著重了解本屆學生的本科學校、本科專業、畢業設計內容、工作經歷、研究生論文題目、擬就業方向等信息。此外，在課程進行中也可以以問卷調查的形式，對學生的學習效果進行追蹤，以便對授課進度和授課深度進行微調。

三、空間推進技術課程中研討型教學模式的構建方法與教學示例

本課程教學的實施充分借鑒了University of British Columbia等大學的教育BOPPPS模型（Bridge-in， Objective，Pre-test，Participatory learning， Post-assessment，Summary）[7]，以學生興趣為課堂牽引點，采用講授與研討結合的方式，取得了良好的效果。

（一）引入環節

該環節對應了BOPPPS模型的Bridge-in，Objective，Pre-test部分，即引入、目標和預測試。

由于課程本身理論較強，其中不乏大量概念和公式推演。如果上課伊始就直接深入，很容易造成學生和教師不同步、課堂的教與學相脫節。因此，在上課之前需要尋找學生的興趣點，切入話題，也就是構建BOPPPS模型中所說的橋梁（Bridge-in）。例如，在講授靜電推力器之前，給出我國在某衛星上進行推力器飛行實驗的圖片（該年度的授課對象調查顯示，相當部分學生來自相關承擔單位），從發展我國電推進系統的必要性和迫切性，引出本次課程擬解決的問題和授課目標，即刻拉近了課堂理論和學生需求的距離，引起了學生的極大興趣。

預測試以提問的形式展開。目的是掌握學生前次課程的學習情況，以及本次課程相關知識的熟悉程度。提問以搶答或按序傳遞的形式為主，答案可以是簡單的，但最好是開放式的，這樣可以讓學生盡量多的參與“熱身”。例如，在講解完離子推力器之后的第二次課開始時，讓學生按座次回答離子推力器的主要組件及作用，回答僅用一個詞或一句話即可。實踐證明，這一“熱身”的方式在回顧知識、協調教師和學生思路上，能起到非常好的效果。

（二）授課環節

該環節對應了BOPPPS模型的Participatory learning部分，即參與式學習。授課過程中，應該以學生的參與性為教學重點，通過老師的提問引導，學生與老師的互動，使問題一步步明晰化，最終使知識的構建自然流暢。

在組織過程中，應充分尊重學生的中心和研討主體地位，充分激發學生與教師以及學生之間的交流積極性。教師是組織者和引導者，在研討過程中要把握時機，通過適時提問、鼓勵學生之間辯論的形式，加強師生互動和學生之間的互動;對于錯誤觀點，最好不直接評判，而是通過引導本人思考，讓其發現并得到糾正[8]。

根據學習要求，知識可分為三個層次：認識了解、理解掌握、分析應用。不同層次所采用的研討教學方法的重點，應有所區別。

1. 認識了解層次

在這一層次，重點是不要簡單而直接地向學生灌輸“某物是某樣”，而是通過引導學生思考，從中尋找設計思路，明白“某物之所以為某樣”的背后原因。

例如在講解離子推力器結構時，不是單純地告訴學生現有離子推力器的設計是怎樣的。而是提出一個問題讓學生思考：“如果讓你利用靜電場加速工質，你會怎么做？”，“這樣的設計會有什么問題？”，“要克服這個問題，又需要做什么樣的改進？”這樣一步步把推力器的結構漸進地“演化”出來。雖然占用時間較多，但學生深刻地理解了結構設計背后的物理原因。在此后的學習中，對照自己“設計”出來的推力器，會更有的放矢，也會更加有興趣深入思考。

2. 理解掌握層次

先把注意力放在物理圖景上，再使用必要的公式描述，逐步展開;其中，要特別注意學生的參與性。推進技術課程涉及較多公式，但均有明確的物理背景。教學時，可以參照流體力學大師馮·卡門在加州理工學院所使用的教學方法[9]，將師生的視角調整為一個粒子的角度（be the fluid particle），頭腦中首先產生物理“畫面”，像一張突出強調重點的漫畫，然后再考慮用公式和數學將其描述出來。

例如，在霍爾推力器加速機理的講解中，可以從常見的家用微波爐入手，講述磁控管與霍爾推力器二者的異同。進而請學生設想自己是一個從空心陰極發射的電子，那么它在進入正交的電場和磁場這一環境后，受到什么樣的力作用于自己，是怎樣的“感覺”（feeling）？將有怎樣的反應和行為？通過提問和引導，學生思考并回答，其他人加以補充，這樣代入式的視角考慮問題，一是能夠使學生很好地理解不同推力器中的物理圖景，對于緊隨其后的公式推演也能做到胸有成竹、心中有數;二是能夠讓學生也參與到思考和建模中來，作為參與式教學的活躍者，能對所學到的東西留下深刻印象。

3. 分析應用層次

這一層次要求學生能夠運用所學理論知識，對新接觸到的事物進行分析，發現問題和解決問題。應用研討型教學方法時，教師要注意幾個問題，一是要鼓勵發現問題，提出質疑;二是在發現問題的基礎上，鼓勵學生大膽思考和討論;三是合理安排，使分析和討論有序進行，有條件的話可借助實驗手段來達到更好的教學效果。

例如，在學習感應式電磁推進理論后的實驗課上，演示了市場常見的商業級電磁彈射組件，并向學生提出，這運用了課堂上講授的哪種電磁推進原理？針對這一問題，學生中可能會產生兩種不同觀點，并各有依據。這時，請學生通過自己動手實驗，發現該組件只能彈射鐵磁性材料，而對同樣導電的銅質材料無法加速。教師此時適當引導，使學生之間相互討論這一現象成因，由此反推其加速機制，最終得出該商業組件是利用了電磁鐵原理，并不是感應式電磁加速系統的結論。教學到達這一階段后，再向學生演示真正的電磁感應加速系統，特別是展示討論中的異同，這樣可使學生對該知識點有更深刻的理解。

（三）收束環節

該環節對應了BOPPPS模型的Post-assessment、 Summary部分，即評價和小結。

本次課程接近結束時，安排課程小結和回顧，回應課程開始時的Bridge-in和Objective部分，使學生總體上把握本次學習獲得了哪些知識，在應用上能做到什么程度，并布置具有一定難度的思考題，例如若深入應繼續考慮什么方面的問題，這樣保證學生課后也能延續思維上的活躍，并用以下次課堂的提問熱身。

四、空間推進技術課程中研討型教學模式考核方式

作為學生尤為關注的課程考核評價，合理地設置將具有明確的導向作用，可以進一步提高學生的積極性。除了常規的書面考試成績之外，還可結合學生在研討過程中的實際表現來綜合評定成績，具體包含課堂表現及課堂報告。

課堂表現根據學生平時參與回答問題、課堂討論的情況，體現了其平時成績。而課堂報告以大作業的形式，作為教學內容的有機拓展，在研討教學中居于重要地位。報告可以選擇和前沿緊密相關的方向，一般按照分組的形式進行。報告本身包括調研文獻、分析問題、給出結論，更為重要的是，課堂上將組織針對報告的討論和答辯。其他分組需要根據報告內容對該組提出質疑，報告分組成員需要現場進行答辯，提問者和答辯者的表現都將納入最終成績。這樣的方式可以有效避免出現臺上做報告，臺下事不關己的情況，鼓勵全體學生都參與到思考和互動之中來。

在研討之前的理論課中，要有意識地強化講解將要探討的知識點。只有學生在理解和較好掌握了相應的知識之后，才能圍繞所設的研討課題進行深入的思考，展開探討和交流，最終得到正確的結論，反過來對理論知識進行深化。如果缺乏對知識點的深刻理解，學生或言之無物，或怯于開口，研討出現冷場。

五、研討型教學模式運用于空間推進技術課程的教學思考

隨著我國研究生教育規模的增長，教育質量逐漸受到重視。從事“空間推進技術”課程學習的研究生大都是將來從事航天科研領域的儲備人才。作為航天事業發展的重要參與者，他們不僅需要具備扎實的基礎知識，還需要具有在實際工作中不斷提出新方法、解決新問題的創新能力。如果研究生教育繼續延續舊有的教育模式，以課本為主、以考試為標，只是以灌輸式傳輸知識為主要目的，則會在很大程度上扼殺了學生的學習興趣和創造力。研究生培養更加注重的應該是培養學生探究事物的好奇心，訓練學生自主思考的習慣，磨礪其不怕失敗的毅力。因此，改變傳統的教學模式，積極開展教學方法改革，對于研究生的培養具有重大意義。

實踐證明，在航天推進類課程的教學中，將研討型教學思路和BOPPPS模型結合，綜合運用實例講解、課堂報告等方法，使學生主動參與思考和討論，能夠令其真正理解并掌握理論知識;同時在研討中發現問題、提出解釋、驗證結論的過程，也鍛煉了學生勇于探索的科學精神，以及融會貫通、綜合運用所學知識去解決問題的能力。這一教學過程中，學生從被動接受者變為主動探尋者，學習模式從注入式變為探索式，可以培養學生思考和自主創新等能力，獲得良好的教學效果。

參考文獻：

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

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[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.