飛行學員理論力學教學中航理元素的挖掘

姜愛民，田愛平，張 慧

（海軍航空大學 航空基礎學院，山東 煙臺 264001）

新時代海軍飛行學員的培養包含兩個層面，一是以大學本科學歷教育為標準的科學文化素質培養，二是以打牢海軍各機型飛行技術及戰術基礎為目標的航空專業技能培養。理論力學課程是飛行學員課程體系中的基礎課程，是后續的飛機空氣動力學、飛行力學與控制等課程（簡稱航理課程）的重要先導課程。學習理論力學既有助于培養學員的邏輯思維能力，同時也有助于培養學員的分析解決問題能力。飛行本質上是力學過程，理論力學課程在航空飛行與指揮專業課程體系中占有重要地位，是飛行學員理解飛機和飛行的必要知識儲備。若將理論力學課程與航理課程教學內容有效融合，挖掘理論力學中的航理元素，不僅能提高學員學習理論力學課程和專業課的興趣，還可實現學員從基礎課程到航理課程的平穩過渡和無縫連接，突出學員知識體系的縱向融合，能在有限時間內為學員提供最有效、最富價值的知識，賦予最管用、最過硬的能力。

一、傳統理論力學教學面臨的挑戰

要真正有效地實現基于“航理”教育的理論力學教學，其實并不容易。筆者認為傳統理論力學教學面臨的挑戰主要包括三項：一是理論力學教員對航空理論的了解不深入。理論力學教員大部分是力學、機械專業出身，長期從事的是基礎教學工作和力學科學的研究，沒有進行過航空航天專業的培訓，要求教員在課時工作量已經很繁重的前提下，將理論力學課程與后續航理課程進行有機的銜接和融合，存在一些困難。二是理論力學和航理課程教員分屬于不同教研室，溝通渠道遠不如同室教員通暢。理論力學教員要對后續航理課程的教學計劃、重難點有及時了解，無疑需要與航理課程教員有持續的聯系和溝通交流。三是學員對力學課程的用途缺乏基本認知，學好這門課的主觀能動性不強。理論力學教員在力學課與學員后續專業課的聯系方面引領不夠，常常導致學員在后續航理課程的學習中，往往沒有將飛行問題與所學的力學理論相聯系、進而融合的主動思維。在學時普遍緊張的現實下，缺乏飛行針對性的理論力學教學可能會浪費寶貴的授課時間，甚至錯失重點，影響學員后續的航理課程學習興趣。

二、注重職業導向，以挖掘航理元素引領理論力學課程綜合改革

（一）挖掘飛行問題的理論力學知識點本源，撥云見日

課程教學“內容為王”，重新梳理理論力學知識點，可增加課程“航理”含金量，增強課程內容對培養目標支撐度和關聯性。首先，聯合飛行力學與控制課程主講教員共同申請大學的教改項目，進一步獲得雙方教研室和大學的支持。其次，開展交叉聽課活動，理論力學教員隨堂聽課并與航理課程教員主動交流溝通，雙方逐步形成項目組學習共同體，在達成兩門課程有機銜接、有效融合貫通的共識后，定期集體討論細化兩門課程間的關聯點，搭建起基礎課教員和專業課教員之間、基礎課和專業課之間的橋梁。接著，派遣理論力學教員參加學員篩選飛行的部隊跟訓活動，強化教員對基層飛行部隊的全面認知，提升教員為戰教戰的能力。跟訓教員要主動開展航空理論知識的學習，按照學員標準全程參與教學訓練活動，可以利用訓練活動間隙采取座談、訪談和問卷調查等方式，開展與教學相關問題的研究。通過上述措施，對理論力學和航理課程的知識點進行梳理、提升，突出教學理念的先導作用，論證理論力學與航理課程融合的切入點，梳理后的理論力學知識點特色明顯。

1.厚基礎，拓寬知識體系的維度

一是要提升學業挑戰度，增加課程難度，拓展課程深度。以前很多督導專家聽課后指出，對于飛行學員來說，理論力學的內容應淺顯易懂，譬如關于力系的簡化與平衡只講平面不用關注空間，角速度矢量、力矩矢不用講解等。現在通過將理論力學與航理課程的融合研究，教員認識上發生很大的變化。飛行學員的理論力學內容不是要講得淺，而是要講得深。理論力學是飛行技術與指揮專業的專業基礎課，該課程的深度和廣度拓展后，才能支撐后續專業的可拓展性。二是在教學過程中，不再特別強調定量分析，而是更關注定性分析。對知識點的重新分配著重考慮學員的認知心理和邏輯連貫性，特別明確理論力學對后續航理課程影響大的重要知識點。

2.勇創新，建立航空特色的力學模型

力學模型是培養力學思維的磨刀石，力學建模有四個方面的分析工作：一是確定研究對象；二是物體本身的內因；三是物體所承受的外載荷；四是物體可能存在的運動狀態。目前教材的力學模型多以桿、圓等簡單幾何圖形代表各種物體系統，具有高度的抽象性，沒有明確的物理意義。若盡量以飛行器及各部件為研究對象，外載荷多以飛行中的氣動力為主，那么只要學員掌握力學的基本要素，就可以組合出各種形象的力學模型，讓力學表現出無窮的創新能力。譬如，以機翼的翼型作為力系簡化的力學模型，分析空氣動力的來源；在講述點的運動學直角坐標法時，采用航理課程中的機體軸系作為例子，直觀說明直角坐標法的作用，借勢引導學員關注基礎課與專業課的關聯。

3.巧融合，內容的安排上注重航理概念的引入

在分析重心和質心的位置求解時，類比引出航理中的壓力中心、焦點及機動點的概念；講授點的復合運動時引入螺距和迎角的概念。當然，在課堂教學航理概念引入過程中，不要為了引入而引入，要與本節教學內容緊緊相扣，要建立學員對本節課堂教學內容有一個初步的認知基礎，使概念引入具有定向功能，避免隨意性。

（二）挖掘經典力學例題、習題的飛行實踐表現，學以致用

力學的課程性質決定其和數學一樣，如果不加練習，不可能對課程的理論、概念和方法有比較深入的認識。由于目前理論力學課時普遍減少及飛行技術專業的特殊性，例題和習題的收集和編制不能完全照搬原來的題庫。在征詢航理課程合作教員的意見后，采用定量分析和定性分析兩種形式，題量各占一半。定性分析的內容都是與飛行相關的。譬如，點的速度合成定理的定性分析例題為直升機旋翼葉片的速度分布情況，導出旋翼槳盤的左右兩側氣動力不對稱，進而引出直升機操控方式的力學內涵；螺旋槳滑流也可以依據速度合成定理進行分析，可解釋學員在檢驗飛行初教-6 時，滑跑階段為什么要預先蹬左舵。質心運動定理的例題為飛機如何轉彎，讓學員提前明白，操縱方向舵是控制機翼向預期轉彎方向的滾轉來實現轉彎。定性分析習題有B-2 轟炸機如何進行姿態控制、自轉旋翼機需要像直升機一樣布置尾部小螺旋槳嗎……這樣的例題和習題時刻把握理論聯系實際，抽象結合具體的結果，時常給學員耳目一新的感覺。這些工作明顯改變了學員對理論力學太抽象、不知何用的看法，調動了學員的學習主觀能動性，對力學知識的理解和記憶也更深刻，這種改變勢必對學員在后續的航理課程學習中融會貫通力學和工程知識大有益處。

（三）挖掘傳統教學方式、方法的飛行氛圍的替代，耳濡目染

1.雙師同堂營造“航理”氛圍

雙師同堂教學是一種由兩名教師共同對同一組學生的教學負責，開展協作教學的授課形式。參與的教師可以來自相同或相近的學科，也可以來自完全不同的學科。各學科教師協作制定教學目標、教學計劃和備課，共同分享學生回饋和評價，最重要的是共同走進課堂協作完成課堂教學。雙師同堂教學的具體形式多種多樣，筆者將其概括為三種：一是支持式同堂教學，即一位教師主講，另一位教師輔助；二是平行式同堂教學，即兩位教師分別對同一學生群體進行內容平行的教學活動；三是互補式同堂教學，即兩位教師都是主講，課堂上都起到主導作用，交替對同一學生群體進行內容相關互補的教學。飛行學員理論力學課程中的雙師同堂，采用“二同堂”，包括基礎與專業教員同堂和內場與外場教員同堂。

基礎與專業教員同堂能促進前后課程有機銜接。在課程進行的中后期，可由基礎教員與專業教員共同授課。基礎教員與專業教員分別使用教室的前后兩面黑板，先由基礎教員在前臺講述，引入數學方法分析力學原理，建立簡化的力學模型推導基本方程。然后學員轉身，由后臺專業教員用簡短語言介紹專業課的主要內容，再詳述哪些章節需要以本課程的知識點為基礎，以思維導圖的形式直觀地表達出來，形象說明力學知識對后續專業課學習的重要性。飛行學員的專業課程包括航空發動機學、飛行原理基礎及飛機結構強度等。在講解點的復合運動內容時，可邀請航空發動機學教員同堂，因為在研究氣壓機的增壓原理和渦輪的功率輸出之前，學員必須能熟練應用點的速度合成定理繪出速度三角形。在講授動量定理內容時，飛行原理基礎教員同堂介紹飛機基本運動方程的建立必須以此定理為基礎。飛機結構強度教員可參與彎曲變形內容的同堂教學，解釋飛機著陸時起落架彎曲變形導致強度不足而易折斷的原理，以此說明學好基礎課的重要性。

課堂與外場教員同堂可突出課程職業背景。待課程完成10 個學時的教學后，邀請外場教員參加2 次課堂教學。先請外場教員講飛行動作，課堂教員講力學原理，再由外場教員解讀飛行實踐與力學理論的關聯。外場教員對飛行學員學習基礎力學的重要性體會更深刻，現身說法式的講授具有更強的說服力。例如，在講授動量矩定理時，外場教員介紹飛機氣動布局的類型及其特性，應用動量矩定理定性分析在駕駛飛機時，如何運用操縱桿和方向舵以保持飛機的姿態穩定。對于力系的簡化這個子任務，外場教員先列舉飛行員在練習失速和尾旋初期常遇到的一些問題，再解釋問題產生的主要原因是對升力與阻力的知識點掌握不全面，強調此知識點對飛行員的實用價值。然后課堂教員帶領學員繪制機翼的受力圖并進行簡化和結果分析。外場教員與學員的良好互動，能夠使學員更好地從力學的角度理解飛機、理解飛行，也讓學員認識到基礎力學教學內容在他們職業生涯中的重要價值，增強學員的自信心和職業榮譽感。

2.現代化的教學媒介助力“航理氛圍”

教學方法是促進學員建構知識、發展思維與能力生成的橋梁紐帶，教學方法的選取直接決定著課堂教學效果。在理論力學課程的教學中具體分析飛行領域的實例，對學員在后續航理課程的學習中主動聯系力學理論的思維習慣大有益處。在每章教學內容中發掘一些與飛機和飛行相關的特色案例，每次課堂教學都采用案例教學法。為了能在有限的課堂時間內引出航空例子，講解力學知識點，詳細分析案例，營造出“航理氛圍”，我們將傳統課堂、雨課堂、在線課堂和翻轉課堂相結合，從而有效地實現航空特色案例教學。下面以第六章動量矩定理為例，簡要介紹操作步驟。

本章案例：“直升機結構形式有哪幾類？利用力學知識解釋為什么采用這幾種螺旋槳布置類型？”第一步，通過雨課堂發布案例，讓學員自主查閱文獻和收集飛機圖片，激發學員對航空的熱愛。同時發布預習課件，引導學員去預習。第二步，課堂上，教員播放事先制作好的微視頻，形象地展示案例，介紹四種結構形式直升機的特點及典型型號，引出問題，啟迪學員探索解決航理問題的思路。第三步，教員開始PPT 加板書授課，數學演繹定理的推導過程及結論。第四步，知識點講解結束后，在課堂上發布通過雨課堂編輯的選擇題，教員的手機上實時顯示學生答題情況，及時了解學員對當前所學知識的掌握情況。第五步，采用翻轉課堂教學法，基于第一步和第二步的案例設計問題，組織學員討論分析案例，根據學員的表現教員及時引導和糾偏，最終形成一種對案例定性分析的完整說法。第六步，學員利用理論力學慕課，課堂上沒有聽懂的部分，尤其是案例分析部分，在課后反復復習，這樣可以很好地融會貫通。通過傳統課堂與在線課堂的結合，最大限度地利用在線課堂來為課堂教學服務，促進案例法得以有效實施，讓“航理氛圍”貫穿授課過程每一步，提升了學員自主學習意識和學習能力。

3.航理“腔調”烘托“航理氛圍”

由于力學與航空專業領域的不同發展，有不少概念術語叫法和授課語言不同，這些都會影響學員對理論力學和航理知識的融會貫通，影響其理解問題、解決問題思維的邏輯性和連貫性。兩門課的教員通過集體備課“統一口徑”，可提高學員反應的快速性和課堂效果，真正實現兩門課程的平穩過渡和無縫連接。

譬如，航理課程上講授飛機縱向靜操縱性這個知識點時，需要建立駕駛桿力、桿位移與飛行狀態之間的關系。航理課程教員一般會說“從力學原理得知”，但是對于飛行學員來說，有時花很長時間還反應不過來。然而，若教員直接提示根據動能定理，學員就會豁然開朗。關于理論力學的動能定理，高中和大學物理都涉及，學員不太重視，易出現“夾生”現象。其實，理論力學與大學物理相比，前者強調剛體的學習，后者所討論的對象幾乎都是質點。盡管力是一個力，但是對象的模型不一樣，所能解釋的物理現象就不一樣。若在講述理論力學的動能定理時，教員提前像飛行教官一樣，告知學員操作口令“雙腳控舵，眼盯儀表，帶桿起飛”，直接以初教-6 升降舵操縱部分為例來講解動能定理及應用，學員學習的主動性會更強。曾經有一次聽課經歷，航理課程教員課堂提問“飛機單輪著陸會出現什么情況？”，學員回答“曲線運動”。教員又啟發，“大家不是學過牛頓力學嗎？從力和力矩的角度分析”，但學員仍需在教員的引導下通過力平衡關系及力矩性質，詳細推導出右輪著陸飛機向左傾斜和向右偏轉的結論，由于推導時間長而導致本節課未完成進度。理論力學教員聽課后的感想是：明明很簡單的理論力學知識點，學員為什么就不知道如何思考？因此，如果早點兒在理論力學課堂上“航理化”力矩的性質，例如介紹飛機的滾轉力矩、偏轉力矩等航理概念，那么就便于學員養成用力學的思維分析問題的習慣。

三、結束語

航理特色的理論力學教學不是一蹴而就的，需要在課堂教學的過程中不斷實踐逐步完善。以理論力學與航理課程教學內容融合設計為主線，優化理論力學教學內容，體現航空特色和專業針對性，提升教學效果。充分考慮飛行學員的專業特點，在課程內容安排、例題選取、教學方法和方式等方面與航理課程緊密聯系，深度融合，可避免學員有課程之間碎片化、前學后忘的感覺，真正實現理論力學課程與航理課程間的平穩過渡和無縫連接，確保理論力學的“飛行”教學穩步推進，使學員看得遠一些、飛得更高一些，真正實現“前課觀照后課、后端介入前端”課程體系一體化建設。