“空管系統(tǒng)建模與仿真”PBL教學(xué)中的典型空管問題設(shè)計(jì)

王超 王濤波 王飛

摘要：問題設(shè)計(jì)是PBL教學(xué)中的核心問題。本文首先介紹了PBL從課程體系層面到課程層面的發(fā)展趨勢，分析了PBL的本質(zhì)、設(shè)計(jì)原則、課程設(shè)計(jì)技術(shù)以及問題設(shè)計(jì)，討論了PBL問題的現(xiàn)實(shí)性和相關(guān)性問題。以空管系統(tǒng)建模與仿真課程為例，分析了該課程的學(xué)習(xí)者、班級大小和技術(shù)條件，提出了相應(yīng)的課程目標(biāo)。最后采用PBL教學(xué)法為該課程設(shè)計(jì)了8個典型的空管問題。

關(guān)鍵詞：PBL教學(xué)法；問題設(shè)計(jì)；情景設(shè)計(jì)；空中交通管理

中圖分類號：G642.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）09-0153-04

一、基于問題的學(xué)習(xí)

基于問題的學(xué)習(xí)（PBL，Problem Based Learning）教學(xué)法是1969年美國神經(jīng)病學(xué)專家霍華德教授在加拿大的麥克馬斯特大學(xué)首創(chuàng)，目前已成為國際上廣泛應(yīng)用的教學(xué)方法。這種教學(xué)方法強(qiáng)調(diào)把學(xué)習(xí)過程設(shè)置到復(fù)雜、有意義的問題情景中，鼓勵學(xué)生圍繞某一專題進(jìn)行研究，通過自主學(xué)習(xí)和集體討論、相互協(xié)作來分析并解決問題。

最初PBL是作為醫(yī)學(xué)課程改革來引入的，給學(xué)生將來可能在其職業(yè)生涯中遇到的典型問題提供研究機(jī)會。在麥克馬斯特大學(xué)，PBL課程結(jié)構(gòu)由一系列的跨學(xué)科的模塊組成，這些模塊被設(shè)計(jì)成與所有醫(yī)學(xué)學(xué)生在全部教育階段所涉及的健康問題有關(guān)。課程按照順序單元進(jìn)行組織，可使學(xué)生更早地來接觸到病患和案例。

在醫(yī)學(xué)和其他?？茖W(xué)校的課程體系（Curricular）層面取得成功的同時，PBL方法也逐漸被其他學(xué)科采納，并在課程（Course）層面得以廣泛實(shí)施。教育者鼓勵采用課程間的連續(xù)性，這樣在問題求解過程中能夠使學(xué)生得到最大程度的展現(xiàn)和實(shí)踐。目前，PBL方法的研究重點(diǎn)在如何重新設(shè)計(jì)課程和問題。

二、PBL的課程設(shè)計(jì)模型

（一）PBL的本質(zhì)

PBL的本質(zhì)是使學(xué)習(xí)者通過循序漸進(jìn)、具有上下文關(guān)系的問題分析，在學(xué)習(xí)材料和教師的支持下獲取知識和技能。PBL的核心是協(xié)作和個體參與，主要目標(biāo)是培養(yǎng)具有獨(dú)立思想的終身學(xué)習(xí)者。

PBL是一種主動學(xué)習(xí)形式，鼓勵學(xué)習(xí)者整合學(xué)校學(xué)習(xí)與實(shí)際生活動態(tài)，自主完成知識構(gòu)建。在實(shí)際生活動態(tài)中，學(xué)習(xí)者可以學(xué)到知識的靈活運(yùn)用和有效解決問題的技能，以及在合作中如何交換想法，如何獲取內(nèi)在的激勵。通過合作，學(xué)習(xí)者能夠識別他們已經(jīng)知道什么，還需要知道什么，以及成功求解問題所需信息來源和途徑。教師則通過支持、引導(dǎo)和監(jiān)視學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)進(jìn)度來促進(jìn)學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的自信，鼓勵他們積極參與，拓展其對問題的理解力，為學(xué)習(xí)者掌握問題求解、思考、協(xié)作、溝通、時間管理和計(jì)算技能提供幫助。

（二）PBL課程設(shè)計(jì)的原則

在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時，需要遵循以下原則：

1.有利于積極主動的學(xué)習(xí)的原則。學(xué)習(xí)者可以控制學(xué)習(xí)進(jìn)度，提交和回答他們自己提出的問題。

2.有利于一體化的學(xué)習(xí)的原則。在PBL教學(xué)中，知識、理解和技能齊頭并進(jìn)。通過課堂和書本知識與真實(shí)世界存在的固有聯(lián)系，凝練恰當(dāng)?shù)膯栴}成為一體化學(xué)習(xí)的焦點(diǎn)。

3.有利于累積學(xué)習(xí)的原則。知識的獲取是漸進(jìn)的，累積學(xué)習(xí)將問題的主題深度加大，問題變得更加難以求解，PBL學(xué)習(xí)將越發(fā)具有挑戰(zhàn)性，有利于累積學(xué)習(xí)。

4.為了理解而學(xué)習(xí)的原則。學(xué)習(xí)過程是課程的目標(biāo)，比揭示事實(shí)更重要。教師需要了解學(xué)習(xí)效果的反饋，因此需要針對學(xué)習(xí)者對知識的理解進(jìn)行測試。

（三）PBL課程設(shè)計(jì)技術(shù)

PBL課程設(shè)計(jì)的5項(xiàng)技術(shù)包括：

1.問題起到導(dǎo)向的作用，激勵學(xué)習(xí)者，并且時刻抓住他們的注意力；

2.問題以測試為形式，使教師具有確定學(xué)習(xí)者是否完全理解概念的機(jī)會；

3.問題可以是實(shí)例，用來展現(xiàn)所教概念；

4.問題可以用來檢查進(jìn)程，即基于問題的學(xué)習(xí)過程成為課程的本身；

5.問題作為學(xué)習(xí)活動的激勵，使學(xué)習(xí)者通過學(xué)習(xí)活動獲得解決問題的技能。

（四）問題設(shè)計(jì)

問題是PBL教學(xué)中的起點(diǎn)和核心，科學(xué)合理的問題設(shè)計(jì)是教學(xué)成功的保障。問題激勵著學(xué)生在PBL過程中不斷主動學(xué)習(xí)。換句話說，如果沒有問題，就沒有PBL。盡管在現(xiàn)實(shí)工作中存在著大量的問題，但識別恰當(dāng)?shù)膯栴}用以引導(dǎo)學(xué)生開展學(xué)習(xí)是具有挑戰(zhàn)性的。

近期研究表明，問題的有效性可通過11個特征參數(shù)確定。這11個特征參數(shù)可以劃分為兩類：特征參數(shù)和功能參數(shù)。其中，特征參數(shù)是問題的設(shè)計(jì)首要元素。

有效的問題特征參數(shù)是：

①問題清晰度；②問題的格式化；③問題的難度等級；④問題的熟悉程度；⑤問題的相關(guān)性。

除了特征參數(shù)，在設(shè)計(jì)問題時需要考慮的另外一面是功能參數(shù)設(shè)計(jì)，功能性特征是對問題的拓展：

①通向想要學(xué)習(xí)的問題；②促進(jìn)自我指導(dǎo)的學(xué)習(xí)；③激勵批判性推理；④激勵精細(xì)化學(xué)習(xí)；⑤促進(jìn)團(tuán)隊(duì)工作；⑥引發(fā)興趣。

（五）問題的現(xiàn)實(shí)性和相關(guān)性

在面向PBL的問題設(shè)計(jì)中，教師可以從分析學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)和了解學(xué)習(xí)者前續(xù)知識的學(xué)習(xí)需要開始，來設(shè)計(jì)問題的熟悉程度、難度和相關(guān)性。此外，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)風(fēng)格（提供問題格式化的信息）、理解能力（提供問題清晰度信息）等信息需要整合，綜合形成問題。這個層次的問題設(shè)計(jì)是問題的“用戶界面”。

在“用戶界面”下面的是內(nèi)容，即“故事情節(jié)”。在選擇內(nèi)容時，問題設(shè)計(jì)者需要根據(jù)學(xué)習(xí)者的前續(xù)知識和學(xué)習(xí)需求來聚焦學(xué)習(xí)問題。首先分析學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)需求，然后在相關(guān)現(xiàn)實(shí)框架內(nèi)，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者將問題與其他課程或者其他現(xiàn)實(shí)生活關(guān)聯(lián)起來，并學(xué)會加以應(yīng)用。

問題語境化與構(gòu)思劇情類似。除了“用戶界面”和“故事情節(jié)”，同樣需要重點(diǎn)考察問題學(xué)習(xí)的結(jié)果，即希望學(xué)習(xí)者獲得什么，達(dá)到什么目標(biāo)。如果問題是激勵批判性推理，就需要將各種學(xué)習(xí)活動編織到需要學(xué)生進(jìn)行批判性推理的問題中去。

總而言之，在為PBL教學(xué)設(shè)計(jì)問題時，不僅需要考慮學(xué)習(xí)內(nèi)容，還包括各種行為技巧，如自我指導(dǎo)學(xué)習(xí)、批判性思考、學(xué)習(xí)收獲等。素材要用恰當(dāng)?shù)膬?nèi)容進(jìn)行框架組織，用優(yōu)化的特征和用戶界面給予表現(xiàn)。設(shè)計(jì)問題的步驟類似劇本寫作，尤其重要的是要思考學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)內(nèi)容，然后用合乎邏輯的方式和合適的手法表現(xiàn)出來。

三、空管系統(tǒng)建模與仿真課程問題設(shè)計(jì)分析

（一）空管系統(tǒng)建模與仿真課程

在當(dāng)前大航班流量和高航班密度的空管運(yùn)行形勢下，僅依靠加強(qiáng)管制技能訓(xùn)練來提高空管保障能力越來越難以為繼，需要從科技創(chuàng)新、提高輔助決策和自動化水平的角度來挖掘空管運(yùn)行保障能力。為此，加強(qiáng)工程技術(shù)能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)已成為我校對交通運(yùn)輸（空管）專業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)之一。

《空管系統(tǒng)建模與仿真》課程是交通運(yùn)輸專業(yè)管制和簽派方向的學(xué)科基礎(chǔ)課，重在培養(yǎng)符合大工程觀的空管創(chuàng)新型人才，注重學(xué)生工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)，在空中交通管制和飛行簽派兩個專業(yè)方向邁向大工程教育培養(yǎng)目標(biāo)中具有重要支撐地位。

根據(jù)民航空管系統(tǒng)對高層次、技術(shù)型交通運(yùn)輸（空管）專業(yè)學(xué)生的迫切需要，按照我校提高工科本科生工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的教育方針，目前《空管系統(tǒng)建模與仿真》采用以教師講授知識為主，以MATLAB編程練習(xí)為輔的教學(xué)模式，存在學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高和學(xué)習(xí)效果較差的問題。針對這一問題，開展本課題的研究。

（二）課程分析

首先，檢查空管系統(tǒng)建模與仿真課程的語境信息。

1.課程在課群中的地位和作用。以往，空管專業(yè)以培養(yǎng)學(xué)生的空中交通管制的技能為主。在空管系統(tǒng)建模與仿真課程培養(yǎng)空管專業(yè)本科生具有一定的工程實(shí)踐能力和對現(xiàn)實(shí)空管問題的建模和求解能力。因此，增設(shè)了空中交通信息與控制課程群，包括：空管系統(tǒng)建模與仿真、空管設(shè)備與系統(tǒng)、空管信息系統(tǒng)概論等。其中，空管系統(tǒng)建模與仿真在建立典型空管問題和利用MATLAB求解典型空管問題方面非常適合利用PBL教學(xué)模式。

2.誰是目標(biāo)學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)者規(guī)模。空管系統(tǒng)建模與仿真課程定位為空中交通運(yùn)輸專業(yè)的基礎(chǔ)課，目標(biāo)學(xué)習(xí)者是空管專業(yè)二年級卓越班的本科生，在第四學(xué)期進(jìn)行教學(xué)，班級人數(shù)約為36人。當(dāng)課程改革取得成熟經(jīng)驗(yàn)后，考慮向普通本科班推廣，普通本科班人數(shù)為70人左右。

3.課程學(xué)習(xí)時間?？展芟到y(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)計(jì)劃為36課時。其中，系統(tǒng)仿真原理介紹需要2課時，主要講授系統(tǒng)仿真概述、離散系統(tǒng)仿真原理和連續(xù)系統(tǒng)仿真原理等。采用MATLAB軟件作為系統(tǒng)建模和仿真學(xué)習(xí)的平臺，因此講授MATLAB基本知識介紹講授10課時，主要講授MATLAB的數(shù)據(jù)類型和基本語法。擬采用24課時進(jìn)行8空管典型問題的建模和求解實(shí)踐，按照由簡單到復(fù)雜，循序漸進(jìn)的原則，逐步展開8個空管問題。

4.課堂形式和支撐技術(shù)。系統(tǒng)仿真原理和MATLAB部分采用課堂講授為主的形式，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方向。教師可以采用推薦參考書目和學(xué)習(xí)網(wǎng)站的方法，鼓勵學(xué)生課下自主學(xué)習(xí)。此外，教師還通過BP平臺建設(shè)了學(xué)習(xí)課件和視頻，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)需要自主學(xué)習(xí)。在PBL學(xué)習(xí)階段，教師提供計(jì)算機(jī)機(jī)房，裝有MATLAB軟件，每一位學(xué)習(xí)者需要熟練使用MATLAB進(jìn)行空管問題的建模。

（三）確定課程目標(biāo)

通過對空管系統(tǒng)建模與仿真課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解現(xiàn)代仿真與建模技術(shù)、方法和應(yīng)用；掌握利用MATLAB環(huán)境進(jìn)行工程計(jì)算、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真的能力，為交通運(yùn)輸（空管、簽派兩個方向）專業(yè)學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)和工作中解決問題奠定基礎(chǔ)。本課程的學(xué)習(xí)，也將為交通運(yùn)輸專業(yè)學(xué)生解決在其他課程學(xué)習(xí)、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)以及實(shí)際空管中的計(jì)算與仿真問題提供一個重要的工具和手段。

完成該課程的學(xué)習(xí)后，學(xué)習(xí)者應(yīng)對空中交通管理中急需解決的典型問題有一個較全面的了解和一定深度的認(rèn)識，熟練使用MATLAB進(jìn)行教師給出的典型問題的建模和求解能力，同時應(yīng)獲得空管問題建模中遇到的思考問題、分析問題、抽象問題和建模求解的能力，同時可以獲得協(xié)作能力和溝通能力等綜合素質(zhì)的提高。

四、典型空管問題設(shè)計(jì)

具有鮮明空管特色的、在空管工作實(shí)際中需要解決的科學(xué)技術(shù)問題和空管仿真案例能夠明顯喚起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。同時，典型空管問題和仿真案例能豐富課程的理論基礎(chǔ)，增加學(xué)生對空管專業(yè)和仿真的認(rèn)同性；教師也能夠把教學(xué)與工程項(xiàng)目的實(shí)踐相結(jié)合。因此，空管問題和空管仿真案例凝練、設(shè)計(jì)和建設(shè)是本項(xiàng)目的重點(diǎn)問題。

空管案例要能夠反映典型的問題，但是難度太低不但不能反映實(shí)際問題，吸引學(xué)生的興趣，還會導(dǎo)致仿真度太低，顯得仿真沒有意義；難度過高又會打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

（一）提出適合教學(xué)的典型空管問題

研究提出適合教學(xué)的典型空管問題教學(xué)資源，與MATLAB中的知識點(diǎn)有機(jī)結(jié)合。既要反映空管運(yùn)行中存在的、具有普遍性的實(shí)際問題，又要符合空管發(fā)展趨勢，還需要精心設(shè)計(jì)空管問題的教學(xué)資源，對實(shí)際問題進(jìn)行必要簡化，滿足教學(xué)的需要。研究針對這些問題建模所需要的MATLAB知識點(diǎn)，每個問題重點(diǎn)對應(yīng)一個或幾個MATLAB知識點(diǎn)?？展芟到y(tǒng)建模與仿真課程擬研究的部分典型問題和所需MATLAB知識點(diǎn)聯(lián)系如表1所示：

（二）提出適合本科教學(xué)的空管仿真案例

研究提出適合本科教學(xué)的空管仿真案例教學(xué)資源，與系統(tǒng)仿真理論有機(jī)結(jié)合。精心設(shè)計(jì)空管案例教學(xué)資源，研究案例中需要的Monte-Carlo仿真原理、連續(xù)時間系統(tǒng)仿真和離散事件仿真的知識點(diǎn)，研究需要學(xué)生合作才完成的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)K。部分空管仿真案例和系統(tǒng)仿真理論聯(lián)系如表2所示：

五、結(jié)論

問題設(shè)計(jì)是PBL學(xué)習(xí)的前提和關(guān)鍵。本文從PBL的本質(zhì)出發(fā)，建立PBL教學(xué)的課程設(shè)計(jì)模型，對空管系統(tǒng)建模與仿真課程進(jìn)行了深入的分析，建立科學(xué)明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并給出8個典型的空管問題教學(xué)設(shè)計(jì)方案。本文提出的PBL問題設(shè)計(jì)方法對于指導(dǎo)其他課程PBL設(shè)計(jì)具有重要參考價值，提出的空管案例將直接指導(dǎo)該課程的教學(xué)活動。

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