【课程思政 以案说教】航天飞行器常用坐标系规范——《大学物理学 A》课程思政案例（1）

学时：72

学分：4.5              

课 程 类 别：公共基础

授 课 对 象：一年级或二年级理工类本科生

课程负责人：谭佐军

课程组成员：刘泉、刘熹微、程其娈、张纾

（谭佐军老师在为同学们讲授热力学第二定律相关知识）

1.案例主题

航天飞行器常用坐标系规范

2.结合章节

第二章　自然坐标系下的质点运动描述

3.案例意义

以航天器常用坐标系规范为案例，结合学生所学的关于参考系和坐标系的知识，从实例出发向学生讲授具体情况具体分析的思想，同时通过对规范的学习，使学生在面对复杂问题的时候能先对其进行切分，分部解决之后再将其统一，简化复杂问题的解决过程。通过讲解我国航空航天的英雄事迹和伟大创举，培养学生大国自信，也让学生学习解决复杂问题的方法和思路。通过案例分析、课堂讨论、随堂作业和经验分享，启迪学生注重解决复杂问题的方法和思路，增强规范意识和具体情况具体分析的能力。

4.案例描述

在案例引入之前，学生已经掌握了直角坐标系和自然坐标系下质点运动的表达方式，并且了解了极坐标和柱坐标的应用，以及坐标之间是可以进行转换的。以此为背景，引导学生思考诸多坐标系的意义。

（1）案例简述：我国在发展航天工业的过程中，从东方红一号的发射成功到现如今的北斗导航、探月工程等，都依赖于对航天器的精准发射。如果仅利用地球或者月球等定点作为参考系建立直角坐标系或者极坐标系，显然无法满足复杂的轨道设计和动力设计。因此，我国的科学家们经过长期的计算研究，总结出国家标准《航天飞行器常用坐标系》（GB/T 32296—2015），其中既有固定的以地球和月球为参考系的坐标系，也有以运动的航天器为参考系的坐标系，与本章所学的自然坐标系相类似。在分析航天器的运动状态的时候，遇到运动轨迹特别复杂，无法用固定坐标系描述的情况下，会利用运动的以航天器本身为原点的坐标系来分析航天器的速度和加速度，从而使计算变得容易。

从航天器常用坐标系标准当中我们可以看到，除了我们所说的直角坐标、极坐标、自然坐标系之外，还有诸多各种各样的坐标系，这些坐标系都是根据具体的需求来设置的。其实我们也一直都在强调这一点，对于不同的问题，要选择合适的参考系和坐标系，使得对运动的描述变得简单，具体问题具体分析，从而简化场景，抓住主要问题进行分析求解。同时，该标准除了规定常用坐标系之外，还规定了坐标系之间的变换公式。在航天器运行的过程中，不同的过程轨迹适用于不同的坐标系，但当我们考虑整个运动过程的时候，还需要将这些坐标系放在一个统一的框架下讨论，这个时候就需要将不同的坐标系通过变换公式进行统一，就同我们之前所学的直角坐标系、柱坐标系和极坐标系之间的变换一样。对于航天器升空这样一个复杂问题，我们往往先将其切分成几个小问题进行求解，但不能将这些小问题完全独立开来，最终还是要放在一个统一的格局下进行思考。

（2）教学方法：结合学生的学习基础，通过引导学生思考航天器坐标系规范内为何存在多种坐标系，结合自然坐标系和直角坐标系的相关内容，让学生认识到不同的问题要用不同的方法解决，可以对问题进行简化。引导学生分析为何航天规范中规定了坐标系之间相应的变换公式，使学生对复杂问题的切分和统一有深刻认识。

5.案例反思

（1）案例实施的优点：通过课前、课堂、课后“三位一体”线上线下混合式教学模式，建立了课堂讨论新模式，学生事先通过数字课程平台中的教学视频进行线上预习，思考引导问题库中的开放性试题。进入课堂后，改变课堂授课模式，以学生之间的讨论为核心，教师扮演课堂组织者的角色，实现翻转课堂，以级联化的问题为纲，教学中通过层层递进的讨论将视频中的知识逐步厘清，以学生为中心，培养学生独立精神。根据课程进度适时进行总结、点评，激发学生探索未知、反思当下的内生动力，这无疑是交给学生一把融合科学精神与人文精神的金钥匙。引导学生在宽松、自由、平等的氛围中相互交流讨论，经常在这种氛围中熏陶，本身就可以培养学生自由平等的学术观。

（2）案例实施的不足：从案例导入、线上预习、课程讨论、抽丝剥茧到随堂考核，需要 2 个学时，学时较长，需要适度提高课程效率，对学生线上预习、课堂讨论、随堂考核的自主学习能力要求高，部分学生无法适应。

6.育人效果与反馈

学生对航天飞行器常用坐标系规范进行了广泛讨论，有的学生还希望能结合课程内容对规范内公式进行简单推导。通过案例教学，一方面激起了学生对我国航空航天事业的热情，另一方面也让学生学习了解决复杂问题的方法和思路。案例和课程学习内容结合紧密，效果良好。

参考文献 ：［1］国家质量监督检验检疫总局 . 航天飞行器常用坐标系 GB/T 32296-2015［S］. 北京：中国标准出版社，2016.3［2］缪天瑞 . 律学［M］. 北京：人民音乐出版社，1996

图片来源 | 匡敏

文字来源 | 谭佐军 程其娈

当班编辑 | 宋国庆

责任编辑 | 孙倩茹 木夕夕