雨课堂在飞行器制导与控制技术课程中的应用

陈琳琳^a，任  元^b，王丽芬^a，刘政良^a    

（航天工程大学 a宇航科学与技术系 b基础部，北京，101416）

[摘  要]飞行器制导与控制技术是航空宇航科学与技术专业的专业核心课程之一，课程知识覆盖面广、理论性强且抽象难懂，因而如何提升教学效果一直备受关注。本文分析了飞行器制导与控制技术课程教学现状，探索了雨课堂在飞行器制导与控制技术课程中的应用，结合雨课堂贯穿课前-课中-课后的功能，同时通过科研成果、航天活动、航天装备等进课堂进行线上线下混合式教学，激发学生学习飞行器制导与控制技术的热情，培养了学生解决实际工程问题的能力。

[关键词]飞行器制导与控制技术；雨课堂；混合式教学

[基金项目] 2023年度航天工程大学教学研究重大项目“新域新质人才前沿基础交叉培养模式研究”；2022年度航天工程大学教学研究重点项目“一流航天人才融合式基础教育模式研究域实践”。【都无编号！】

 [作者简介]陈琳琳（1991-),女（汉族），安徽宿州人，博士，航天工程大学宇航科学与技术系讲师，，主要从事导航制导与控制研究；任元（1982-），男（汉族），四川南充人，博士，航天工程大学基础部教授，，主要从事导航制导与控制研究；王丽芬（1982-），女（汉族），河北鹿泉人，博士，航天工程大学宇航科学与技术系副教授，，主要从事制导与控制研究。

[中图分类号] TP23∶G642.0  [文献标识码]：A 

一、引言

飞行器制导与控制技术课程是我校航空宇航科学与技术专业的一门专业核心课程，在课程体系中起着重要的作用。通过学习该课程学生能够全面掌握飞行器制导与控制的系统表示、系统分析、系统设计三个方面的理论知识，同时能够运用科学的方法解决系统分析、系统设计与控制问题。该课程知识覆盖面广，教学内容多，是一门理论性和实践性都很强的课程，同时对学生综合运用专业知识分析解决实际工程问题的能力有较高要求。

面对飞行器制导与控制技术人才的新挑战，如何提升课堂教学质量，是提高人才培养质量的关键环节^[1]。科学信息技术的飞速发展促进了线上教学的发展，其中雨课堂就是一种新型线上教学工具，能够将PowerPoint和微信结合，并且兼容二者的优点，科学的构建新型互动教学平台^[2,3]。该平台通过手机移动终端，收集课前、课上和课后教学环节的师生动态，真正意义上覆盖了预习、授课和复习的完整环节^[4]。为了进一步提高飞行器制导与控制技术课程的教学质量，结合我校航空宇航科学与技术专业飞行器制导与控制技术课程的特点，文章探讨了将现代信息技术手段融入传统课堂教学，构建基于雨课堂平台的混合式教学，并将其应用在飞行器制导与控制技术课程中，有效提升教学效果。

二、飞行器制导与控制技术课程教学现状

（一）课程内容理论性强

《飞行器制导与控制技术》课程重点培养学生灵活运用所学理论和方法解决制导与控制设计过程中的实际问题，培养学生热爱飞行器制导与控制事业并学以致用的热情，积极投身航天实践。课程总学时为32学时，包括28学时的理论课、2学时现地教学和2学时考试。教材选用2022年任元等人主编，国防工业出版社出版的《航天飞行器制导与控制技术》。该书共有十章，包含了“运载器-高超武器-地球轨道航天器-三体飞行器”的制导与控制基础理论知识。本课程内容多、覆盖面广，同时理论性强、抽象难懂，但由于研究生课程的授课学时有限，对于较难的知识点，教师课堂教学难以深入细致的讲解，学生一直处于似懂非懂的状态，导致学生缺乏学习积极性和热情。随着飞行器制导与控制技术的发展，教学内容需要实时补充和更新，使得本来学时就少的课程显得更加紧凑，仅靠课堂内学习时间很难达到预期的学习目标^[5]。

（二）教学模式单一

传统教学中，为了整合学校优势资源，采用大班教学的授课方式，所以在课堂教学过程中呈现老师在上面讲，学生在下面听的状态，学员被动地接受老师所讲的内容，学生容易感到枯燥乏味，降低了学生的学习积极性。由于教学内容和教学计划安排，课堂教学时间有限，教师在课堂教学过程中只能通过提问个别同学或者简单讨论的方式了解学生对于所讲内容的掌握情况，师生互动少，不能全面了解每一名学生的掌握情况，无法根据学生的学习情况实时调整授课进度和内容。而且单纯的线下教学模式，教师上完课后学生和老师之间几乎没有后续联系交流。当学生毕业在工作中遇到和飞行器制导于控制技术相关的问题时，也缺乏专业指导和讨论交流，因此需要开展线上和线下混和教学模式，倡导终身学习的学习方式。学生在工作中遇到的飞行器制导与控制相关问题或者自己的工作心得，可以通过线上讨论，随时分享给老师和同学。

（三）学生学习考核方法不完善

飞行器制导与控制技术是航空宇航科学与技术专业的重要课程之一，该门课程一直采用过程考核和期末考核相结合的形式，但过程考核成绩主要来源于出勤率、课后作业、课堂表现等方面，考核内容比较单一。课后作业一般固定为几个版本且雷同情况比较多，无法真实反映学生对课堂所讲内容的掌握情况；而且课堂教学时间有限，教学过程中师生间互动较少，课堂表现评定考核很难量化，教师给出相应成绩时具有一定主观性。由于过程考核手段不完善，导致部分学生养成平时不学习、考前抱佛脚的不良学习习惯，无法提高自主学习能力^[5]。

三、雨课堂介绍

雨课堂是清华大学和清华大学旗下在线教育品牌学堂在线共同推出的智慧教学工具，致力将前沿的教育理念与互联网技术巧妙融合，为教与学带来全新气象，全面提升课堂教学体验，让师生互动更多、教学更为便捷。雨课堂将复杂的信息技术手段融入到PowerPoint和微信，在课外预习与课堂教学间建立沟通桥梁，让课堂互动永不下线。使用雨课堂，教师可以将带有MOOC视频、习题、语音的课前预习课件推送到学生手机，师生沟通及时反馈；课堂上可以实时答题、弹幕互动，教师可根据答题情况实时答疑，为传统课堂教学师生互动提供了完美解决方案^[6,7]。雨课堂科学地覆盖了课前-课上-课后的每一个教学环节，最大限度地释放教与学的能量，为师生提供完整立体的数据支持，个性化报表、自动任务提醒，让教与学更明了。

近年来，随着信息技术的发展，雨课堂被越来越多的应用到教学过程中。冉靓^[8]等人提出基于雨课堂的大学化学课程混合式学习实践，针对课程教学现状，论述了基于雨课堂的“大学化学”课程混合式学习实践思路，阐述了基于雨课堂的“大学化学”课程混合式学习实践成效，并对基于雨课堂的“大学化学”课程混合式学习实践进行了反思。曾莎莎^[9]等人基于雨课堂的工业机器人课程混合式教学改革，构建了基于雨课堂的“线上+线下”以及“课内+课外”的混合式教学模式，雨课堂贯穿课前、课中和课后三个环节，在教学过程中将课堂教学与慕课有机地结合起来，全程量化学生的学习数据，并通过现场实际操作取得了较好的教学效果。丛伟^[10]提出雨课堂+对分课程教学模式探索，设计了“P-AP-D-A”教学过程，营造了教师精心引导、学生充分参与的互动课堂，实现了“动与静”平衡，取得了较好的教学效果。刘晶^[11]等人提出基于雨课堂与BOPPPS模型的分层混合教学模式建构与实践，借助雨课堂一体化平台的实时数据，能够在教学过程中做到难点、问题点精准定位，并持续改进教学，以“工程制图” 课程为例进行教学的改革实践显示，该教学模式能够有效地增强学生的参与感、提升学生的制图能力与学习的效益。

四、雨课堂在飞行器制导与控制技术混合式教学中的应用

本文针对飞行器制导与控制技术课程特点，以远程火箭姿态控制章节为例，基于雨课堂开展混合式教学模式应用。

（一）教学目标

知识与技能：通过本章节的学习，学生能够掌握远程火箭姿态控制基本原理、结构组成和应用方向及其重要地位与作用，了解导航、制导与控制的发展趋势与面临的挑战，为后续课题研究和工程实践奠定必要的系统分析和设计方面的理论和技术基础。

过程与方法：通过将章节内容和学科前沿及国内外的研究现状紧密结合，依托雨课堂，采取课内精讲、课外自学、专题研讨等学习研究结合的“研究型”教学模式，启发学生对教学内容深层次的思考，培养文献调研、实验设计以及灵活运用所学理论方法进行分析问题和解决问题的能力。

情感态度与价值观：通过将相关的科研项目带入课堂，在这个过程中，和同学们一起发现问题、分析问题、探讨可能的解决途径，相互启发，教中学、学中研。在学习、实践过程中养成善于思考、肯于钻研的良好习惯，激发学生热爱飞行器制导与控制事业并学以致用的热情。

（二）教学设计思路

针对飞行器制导与控制技术课程的教学现状，结合雨课堂智慧教学工具，开展线上线下的混合式教学模式。教学实施过程分为课前、课中和课后三个阶段，具体实施流程如图1所示，能够增强师生互动、生生互动，提高教师教学效率和教学质量，提高学生的学习热情；同时培养学生灵活运用所学知识解决实际工程问题的能力。

图1 飞行器制导与控制技术课程教学流程图

（三）雨课堂案例设计—以“航天器姿态控制”章节为例

1.课前

教师根据学生培养方案和教学大纲要求，梳理“航天器姿态控制”章节内容的教学重点和难点，依托雨课堂开展线下教学。本章内容分为三个部分:1)航天器姿态控制系统的组成，包括姿态敏感器、执行机构和控制敏感一体化机构；2）航天器主动姿态稳定控制系统，包括零动量反作用轮三轴姿态稳定系统、偏置动量轮三轴姿态稳定系统和控制力矩陀螺三轴姿态稳定系统；3）基于MSCSG的航天器姿态主动控制，包括MSCSG群动力学建模和MSCSG群操纵律设计。首先，教师将本章节的PPT、相关慕课、微课和语音等音频、章节思考题等相关资料通过电脑上传雨课堂推送给学生，让学生利用课余时间完成课前预习，同时对已经学过的上一章航天器姿态运动方程进行复习，加深对已学知识点的记忆，在预习过程中对于PPT中不懂的难点内容，通过雨课堂进行师生互动，解答学生的问题，提高学习效率，提升预习效果；然后，通过设置课前预习小测验，例如介绍惯性敏感器的基本原理？简述太阳敏感器概念？惯性执行机构的分类？等等，通过学生的答题结果，掌握学生的预习情况；其次，通过设置一些头脑风暴，让学生在讨论区进行分组讨论，进行思维碰撞，激发学生的学习热情和积极性；最后，结合本章节的重难点内容和学生的预习情况，教师在线下教学时调整教学内容和授课进度，提升课堂教学效果。

2.课中

针对飞行器制导与控制技术课程理论性较强、内容较难的特点，教师在雨课堂的辅助下组织课堂教学。教师用微信扫码登录雨课堂，选择相应班级进行授课，学生通过手机微信扫描课程二维码签到进入雨课堂，教师在手机端可以查看课堂情况，实时掌握上课人数，大大节约课堂出勤点名时间[12]。首先，在线下授课过程中，教师通过雨课堂将授课PPT实时推送到学生手机端，针对课 程理论性强、内容抽象，相关概念不易理解和掌握的问题，借助航天装备、航天活动或科研成果阐明相关概念的物理意义，通过数学手段建立对象的系统模型，引导学员凝练相关科学问题，并在一定条件下进行实践验证，实现理论与工程、知识与能力的深度融合。同时，对于重难点内容，建立了以物理意义为抓手、以数学表征为工具、以科学理论为重点、以工程实践为检验的教学方法，培养学生从“工程问题→物理问题→数学问题→科学问题→工程问题”解决实际工程问题的能力，增强学习效果。针对本章重难点“航天器主动姿态稳定控制系统”进行详细讲解，尤其是零动量反作用轮三轴姿态控制律、单框架力矩陀螺群的控制律和MSCSG群动力学建模。学生在听课过程中遇到有疑问或者不懂的地方，通过雨课堂实时反馈给授课教师，教师根据学生对于不懂知识点的反馈次数，对难点内容进行重点讲解，加深学生的理解，提高课堂时间讲授效率。在教学过程中，教师通过雨课堂发布练习题，例如零动量反作用轮的特点是什么？常用控制力矩陀螺的构型？等等，学生通过手机端答题，教师结合学生的答题情况，实时了解学生对课上所讲知识点的掌握情况。同时，为了调动学生的积极性，教学内容紧跟国内外最新研究成果，将航天器新型姿态控制、高超声速飞行一体化设计、捷联惯导系统复合调制技术、基于涡旋光的新体制探测与制导技术，以及深空探测导航制导等技术的最新研究成果引入课堂，并设置一些讨论思考题，充分调动学生的主动性和积极性，激发学生对制导与控制技术的热情。

3.课后

授课结束后，雨课堂会把课堂教学过程以报告形式推送给老师，老师可以查看学生的出勤、不懂知识点标记、答题情况等，分析学生对重难点内容的掌握情况，对于较难点内容通过录制音频等形式上传至雨课堂进行拓展详细讲解，提升教学效果。为了巩固本章节所学内容，教师通过雨课堂发布课后作业题，主要是关于航天器主动姿态稳定控制系统的相关概念解释和简答计算题等等，学生完成后以图片形式上传至雨课堂。同时，教师授课PPT、视频音频资料会保存在雨课堂中，学生可以利用课下碎片化时间随时查看进行复习。教师还可以根据课上所讲内容设置一些讨论题目，开展线上讨论，比如在讲解控制力矩陀螺三轴姿态稳定系统时，让学生探讨下：控制力矩陀螺适用于什么扰动力矩情况下的姿态稳定控制？通过这种形式加深学生对所学知识点的理解。教师也可以将一些最新文献、视频等资料上传至雨课堂，拓宽学生的知识面。学生也可以将自己平时学习心得、有趣的报道等上传至雨课堂与他人共享，增加学生之间，师生之间的交流，增加学生的学习兴趣，激发学生的学习热情。

4.考核评价

课程考核采用形成性考核和终结性考核相结合的形式，其中形成性考核成绩和终结性考核成绩分别占总成绩的30%和70%，终结性考核采用闭卷考试的方式，考试题型有判断题、简答题和计算题，考察学生对本课程内容的掌握情况。形成性考核成绩包括线上学习时长、线上签到、课前预习、课中回答、随堂测试、课后作业、课后讨论等等。对于课前预习情况、随堂测试情况、课后作业情况等，教师可以通过雨课堂后台数据进行查看，提高教师的工作效率。学生也可以通过雨课堂后台数据了解自己的学习情况，及时进行自我调整，提高学习效率。

五、结语

随着网络信息科学技术的飞速发展，高校教师如何综合利用网络资源，如何更有效的开展线上线下混合式教学，对教师来说是一个挑战，需要我们进行教学模式的探索和研究。本文分析了飞行器制导与控制技术课程教学现状以及存在问题，探索了雨课堂在飞行器制导与控制技术课程中的应用，结合雨课堂贯穿课前-课中-课后的功能，同时通过科研成果、航天活动、航天装备等进课堂，教师能够实时掌握学生的知识点掌握情况，及时调整授课内容和进度，实现了课前准备自主化、课堂授课在线化、课后答疑及时化的教学模式，有效利用教员和学员碎片化时间，达到连贯化教学效果；同时培养了学生从“工程问题→物理问题→数学问题→科学问题→工程问题”解决实际工程问题的能力，激发学生学习飞行器制导与控制技术的热情，提高学习效率。

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[12]邓悦,王昌军,王亚平等.基于雨课堂的混合式教学在医学影像物理学中的应用[J].中国继续医学教育,2023,15(02):61-64.

The Application of Rain Classroom in the Course of Aircraft Guidance and Control Technology

CHEN Lin-lin^a, REN Yuan^b, WANG Li-fen^a，Liu Zheng-liang^a

(a Department of Aerospace Science and Technology, b Foundation department, Space Engineering University, Beijing 101416, China)

Abstract: Aircraft guidance and control technology is one of the core courses of the major of aerospace science and technology. The course knowledge covers a wide range, is highly theoretical, abstract and difficult to understand, so how to improve the teaching effect has been concerned. This paper analyzes the teaching status of aircraft guidance and control technology course, explores the application of rain class in the course of aircraft guidance and control technology, combines the function of rain class throughout pre-class, in-class and after-class, and carries out online and offline mixed teaching through scientific research achievements, space activities, space equipment, etc., to stimulate students' enthusiasm for learning aircraft guidance and control technology. Cultivate students' ability to solve practical engineering problems.

Key words: aircraft guidance and control technology; rain classroom; mixed teaching