“慣性導航原理”課程虛實結合的教學實踐探析

趙 婧，劉潔瑜，李新三，沈 強

（火箭軍工程大學 導彈工程學院，陜西 西安 710025）

慣性導航是一門綜合了機電、光學、數學、力學、控制以及計算機等多種學科的尖端技術［1］，其僅依靠載體內部的慣性裝置就能獨立完成導航任務，具有高度的自主性，而這些特性都是衛星導航所不具有的。目前，雖然我國的北斗衛星導航系統已經組網工作，但在我國的軍事領域仍然可見慣性導航的身影。由此可見，慣性導航是一種重要的軍事導航定位手段［2］。此外，它在海洋勘探、石油鉆井、智能穿戴及移動設備等國民經濟領域中也獲得成功的應用。可以說，慣性導航技術的重要性日益顯現。

“慣性導航原理”作為我校測控工程專業由基礎課過渡到專業課的一門課程，在整個課程體系中起著承上啟下的作用，是后續專業課學習以及崗位任職的基礎。特別是，隨著科技的發展，部隊裝備正在向信息化、體系化、智能化演進，迫切需要打造能夠與崗位發展需求相適應的一流專業，以及軍隊院校范圍內或國家級精品課程［3］。為順應時代發展，契合部隊需求，進一步增強學員理論與實踐結合的能力，培養創新思維，本文通過分析“慣性導航原理”的課程教學現狀，在課程教學計劃的基礎上，逐步開展基于虛實結合的教學實踐探索。

一、課程教學現狀分析

（一）課程特點

“慣性導航原理”課程重點講述陀螺儀基本理論、典型慣性儀表的基本原理及其應用、慣性導航系統工作原理以及誤差建模及標定方法，是一門非常重要的專業背景課程。通過學習，學員可以在知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀方面達到以下目標：一是準確闡述慣性導航原理的基本概念，歸納和總結慣性儀表和慣性導航系統的基本理論、基本方法，概括慣性導航原理的典型應用，描述最新發展情況；二是提高綜合運用所學知識解決工程實際問題的能力，培養學員善于提出問題、解決問題的創新能力；三是能夠體會慣性導航原理的發展包含幾代人的努力，樹立追求真理的科學思想，養成踏實認真、勤于思考的作風，增強軍校學員的使命感和發展國防科技的緊迫感。

在課程發展過程中，慣性導航原理主要有兩個特點。一是理論性強。“慣性導航原理”課程內容抽象，對空間運動的描述幾乎貫穿了整個課程，需要較強的空間想象能力。另外，慣性導航原理還與物理、高等數學等知識聯系密切，包含復雜的推導演算過程。但是，單一的理論分析容易導致學員學習上的畏難情緒，內容學過即忘，不能入腦入心，教學效果大打折扣。二是工程性強。本課程的應用范圍十分廣泛，需要學員將理論原理與實踐應用相結合，使其不僅知道是什么，還能知道為什么，更要知道如何應用，從而提高學員善于提出問題、解決問題的創新能力。

（二）存在問題

“慣性導航原理”課程采用理論授課與實驗操作相結合的教學模式。理論教學是課程教學的主體，傳統理論教學以教員為中心，大部分時間是教員講，學員聽，教學手段單一，主要是理論知識的堆疊，較難將理論與實踐相互結合，學員的學習動力不足。而且，作為一門專業背景課，每班的學員數量并不少，教員很難關注到每個學員。當然，很多專業背景課的教員也在努力嘗試各種新的教學手段，如利用教具模型、實物、多媒體、現場實況錄像等組織教學，然而學員仍感到理解困難，缺乏學習興趣，難以達到預期的教學效果［4］。

實驗教學作為培養學員創新思維和團隊意識的關鍵環節，是實現理論升華的重要途徑［5］，其對提高“慣性導航原理”課程的教學效果具有重要作用和意義。目前，實驗室原有實驗設備不足，很多實驗設備已經磨損、老化，導致學員在實驗過程中沒有足夠時間動手操作，嚴重制約了課程實驗教學的開展。而且，隨著慣性技術的發展，新型慣性儀表已在各類裝備上得到成功應用，并大有逐步替代傳統機械陀螺儀的趨勢，課程也需要拓展新型慣性儀表及系統的教學實驗項目，為后續學員掌握新型裝備奠定基礎。

針對課程特點以及存在問題，在“慣性導航原理”的理論教學中，課程團隊打造了靈活多樣的數字化教學資源，并結合軟件仿真技術，對枯燥的書本知識進行立體化、可視化、互動化展示。在“慣性導航原理”的實驗教學中，課程團隊將實物操作與虛擬儀器相結合，優化實驗裝置，構建了虛實結合的慣性導航原理半實物仿真實驗系統。

二、理論教學中虛實結合探索

（一）數字化教學資源建設

作為課程教學的重要載體，教材是教學的基礎性資源，教材建設是提高教學質量的根本，更是順利開展虛實結合教學實踐的關鍵環節。近年來，隨著教育信息技術的發展，教員的教學模式以及學員的學習方式都發生了很大的變化。傳統的課本教材由于載體形式的限制，知識內容的呈現方式是靜態的、單一的、不直觀的，已無法適應現在的人才培養需求。以實時獲取多形態、多媒介數字教學資源為特征的新形態教材涌現并不斷發展完善，可有效實現混合式教學和探究式學習等教學方法的創新，有利于高校人才的培養［6］。對此，“慣性導航原理”課程的數字化教學資源建設刻不容緩。

目前，許多高校都對數字化教學資源建設進行了探索，形式多樣，百花齊放。總體來說，數字化教學資源建設還是要堅持以學員為中心，圍繞課程要求的核心知識點，尤其是教學重點和教學難點，建設與“慣性導航原理”課程相匹配的數字化教學資源。對此，數字化教學資源建設應該遵循三個原則。其一，整體框架要有邏輯性。數字化教學資源應該結合課程教學計劃，明確教學內容主線，各種形式相互配合，融為一體。其二，具體內容要有針對性。數字化教學資源應該側重課程中的教學重點、教學難點以及書本教材無法形象描述的教學內容，進而幫助學員有效理解消化教學內容。其三，呈現形式要有合理性。數字化教學資源的表現方式應該突出內容特色、有效呈現知識點、提升教學目標，比如動畫、虛擬仿真、人工智能等技術。同時，要注意與相關課程共享共建，可以有效提升建設速度和建設質量。

“慣性導航原理”課程的數字化教學資源建設以紙質版教材為核心，通過校園網絡平臺將靜態枯燥的紙質教材與動態直觀的數字化教學資源有機融為一體，再輔助學堂在線課程平臺、二維碼、智能移動終端App等手段，全方位、立體化呈現課程相關的電子課件、思維導圖、原理動畫、試題庫、科普視頻以及拓展資料等不同類型的資源，為教員和學員創建了不同維度的教與學環境。這種現實與數字的結合不僅優化了教學資源的結構形態，同時還拓展了教學活動的組織方式。并且，隨著科技的高速發展，數字化的教學資源可以進行迭代且可持續的動態更新，大大克服了傳統教材的局限性、陳舊性等問題，極大地滿足了學員的個性化需求，激發學員的學習熱情和探索精神，從而達到提升教學效果的目的。

（二）MATLAB仿真軟件應用

慣性傳感器包括陀螺儀和加速度計，是慣性導航系統的核心組成部分，它們的性能決定了慣性導航系統的性能。然而，慣性傳感器的工作原理復雜，涉及剛體動力學、控制科學、信號處理等多門學科，單一的理論講解無法引起學員共鳴，需要借助仿真工具加深學員對知識的理解與應用。MATLAB的最大特點就是直觀和高效，它可以經過簡單的命令，快速完成復雜的科學計算，得到相應的圖形輸出，從而使理論分析變得清晰化、可視化，進而提高學員對學習內容的關注度。因此，在“慣性導航原理”課程的教學過程中引入MATLAB十分必要，具體應用舉例如下。

以單自由度陀螺儀的基本運動特性分析為例，當系統同時存在阻尼約束和彈性約束時，屬于典型的二階系統。利用自動控制原理的知識，通過拉普拉斯變換及反變換，可以得到時域下輸出與輸入的關系式。但是，單一的理論推導枯燥煩瑣，也是學員早就掌握的內容，重復講解意義不大。而利用MATLAB進行簡單的代碼命令編寫，就可以直接求出單自由度陀螺儀的輸入和輸出關系，方便快捷，使教學手段靈活多樣，也能夠集中學員的注意力。此外，通過MATLAB可以畫出不同阻尼下單自由度陀螺儀的輸出曲線。不僅可以直觀地看出其運動特性，還有利于引導學員自己總結規律，進而提高分析問題的能力。

MATLAB還有一個重要的應用就是Simulink仿真平臺，可以直接從系統的傳遞函數方框圖得到輸出響應，便于觀察系統在各種可能條件下的工作性能。為了讓學員理解加速度計實際結構設計的原因，進一步加深學員對原理結構的認識，進行Simulink仿真。通過對不同條件下響應曲線的觀察，可以引導學員逐步理解液浮擺式加速度計設計阻尼約束、力矩再平衡回路的原因，然后將理論分析與仿真現象進行對比，可以提高學員對理論知識的理解深度和在實際系統中的應用能力，同時利用參數調節還可以為慣性導航系統的設計提供大致的思路和方法，提高學員學習的自主性，進而培養學員的探索創新能力。

三、實驗教學中虛實結合探索

實驗教學是培養學員實踐能力的重要環節，對教學質量的影響不容小覷。引入計算機輔助技術、仿真技術，可以有效解決實驗教學過程中的高投入、高損耗、高風險，以及難實施、難觀摩、難再現的“三高三難”問題，在新型教育模式中發揮其作用［7］。但是，在實際的實驗過程中，計算機輔助技術、仿真技術等手段并不能完全取代實物操作，二者應該虛實結合，才能相得益彰。

（一）內容設計

課程團隊根據“以學員為主體”的實驗教學要求，結合“慣性導航原理”教學和研究特點，在“實驗教學和理論教學和諧統一，知識學習、能力提升、創新精神并重培養”的實驗教學理念指導下，完善改進實驗教學體系，將虛擬仿真與實物操作有機結合，建設了慣性導航原理半實物仿真實驗系統。不僅能夠增強學員對專業知識的理解，培養學員的動手能力，還能夠引導學員向科研實驗過渡，逐步掌握科學研究的方法與技能。

先進的實驗系統需要配合科學合理的教學設計，才能更好地提升實驗教學效果。第一，要精選實踐實驗教學內容。充分了解學員已有的理論知識情況，關注學員在實驗期間其他課程的學習進程，加強課程實踐實驗教學與理論教學的內容聯系與協同。第二，要合理進行實驗教學組織。宏觀上要對實驗課程整體設置進行規劃，微觀上要對每一堂課的教學過程進行設計，在教學方法上還要注意運用啟發式教學，引導學員對知識進行總結和概括。第三，實施分層實驗教學。對不同專業基礎和專業背景的學員實施不同的教學，尊重學員的個體差異，實現其個性化發展。

慣性導航原理半實物仿真實驗系統能夠進行“慣性導航原理”課程中經典的慣性儀表驗證性、設計性實驗教學，新型慣性儀表、慣導系統的設計性、綜合性實驗教學及學員的科創實踐。而且，每個實驗下都有若干分項實驗，被分為基礎實驗和拓展實驗，在保證教學目標達成的基礎上充分發揮學員的主觀能動性，以學員自主探索為主，教員進行引導和評價。

（二）應用實例

以光纖陀螺儀特性實驗系統為例進行具體介紹。光纖陀螺儀克服了傳統機械陀螺的多種限制，已經在海、陸、空、天各個方面都得到了廣泛應用。為緊跟科技前沿，增設了光纖陀螺儀特性實驗系統。該系統可以實現光纖陀螺儀構成及基本原理實驗、光纖陀螺輸出角速率測量及比對實驗、光纖陀螺角電壓振幅的變化比對實驗以及光纖陀螺儀尋北實驗。其中，前三個為基礎實驗，最后一個是拓展實驗。特色功能如下。

1.結構可視化。為便于觀察光纖陀螺儀的工作方式，外殼采用高透明度亞克力材料，超輻射光源、光纖耦合器、光電探測器、光相位調節器、光纖環等部件及其連接結構清晰可見，幫助學員理解光纖陀螺儀的系統結構。

2.互動教學功能。學員在安裝有App的安卓手機或平板電腦上，啟動實驗互動應用軟件App，點擊開始演示對應操作，就可以觀察到光纖陀螺儀中的指示燈相應閃亮，既可以指示對應名稱和功能，也可以顯示工作過程。另外，也可以通過運行測控計算機上的應用軟件實現同樣的功能。

3.知識拓展實驗。光纖陀螺儀教學實驗系統還可以開展數字式光纖陀螺儀尋北實驗，通過學員自主設計方案及參數，從而獲得實驗室所在緯度和地球自轉角速度，幫助學員了解地理北極、真北的含義及其在導航中的應用，提高學員自主探究的創新能力。

結語

本文探索了“慣性導航原理”課程教學中虛實結合的應用，不僅能夠調動學員學習的積極性，還有助于學員更加深刻地理解慣性導航系統的工作原理和系統結構。同時，也能鍛煉學員借助工具分析問題、解決問題的能力。然而，教學活動是一個長期的工作，需要不斷改進。在今后的教學實踐中，需要注意理論教學與實踐教學之間的協同，完善與之對應的教學評價與改進環節，形成良性循環，實現持續提升。