基于問題的學習在航天工程教育中的應用

喬兵+朱嘯宇+康國華+李爽

摘要：基于問題的學習（PBL：Problem Based Learning）是一個學習者主動構建知識的過程，強調以學生為中心，教師僅僅起到引導學生去進行建構性活動的角色。在PBL中，由教師根據課程要求和學生的基礎知識預先定義一個不完整的或劣構的問題，讓學生進行研究，理論聯系實際，運用已掌握的知識和技能厘清問題、分解問題并提出解決問題的可行方案，從而不僅使學生獲取了知識，并且學會運用知識解決問題。本文對PBL理論進行了綜述，總結了幾個國外航空航天工程教育案例，在此基礎上根據我國航天工程教育的現狀，討論了以小衛星作為航天工程教育載體的重要性，并探討了PBL教學方法在航天工程教育中的推行途徑。

關鍵詞：建構主義;基于問題的學習;航天工程教育;小衛星

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）42-0140-04

自改革開放到21世紀初期，中國的發展世界矚目，我們不論在政治、經濟、文化等方面都取得了長足的進步，中國已成為名副其實的世界大國，取得這樣的成就，在很大程度上依賴于我國推行的科教興國戰略所造就的龐大的優秀人才隊伍。然而，不容忽視的現實是，目前我國培養的工程師隊伍雖然已經超出美國的10倍，但是工程師的整體知識水平、設計能力，尤其是優秀工程師的總體質量與美國、德國和日本等發達國家甚至一些發展中國家都有很大的差距[1]，具體表現在工程教育方面就是教學內容與產業需求相脫節，工程實踐經歷缺乏，工程師培養體系不夠健全等。導致這些問題的深層次原因主要在于我國的工程教育依然停留在科學范式而不是工程范式，工程教育過分強調了工程科學，而忽視了諸如設計等實踐能力培養的環節[1-2]。工程教育不同于自然科學教育，它是一種以技術科學為主要學科基礎，以培養工程技術人才為主要目標的專門教育[3]。即工程教育的目的就是培養工程師，這一理念在包括像MIT這樣的世界一流大學早已達成共識，MIT的畢業生，無論學士、碩士或博士，到公司就職就是擔任工程技術人員。通過工程教育提高工程師教育的水平，完成這一目標有兩點很重要：教育的方式和教育的工具。PBL是一種應用廣泛學科教學方法，它不僅僅使學生獲取知識，并且要求他們學會運用知識。讓學生能夠將新的信息與學過的知識結合起來明白他們應該如何應用掌握知識。在建立學習的框架時，應當特別注意學生已有的知識基礎并且激活這些知識。加快新信息的處理和幫助學生建立有意義的聯系是教育和學習的基本要求。PBL促進學生主動參與和學習。學習變成一個發現的過程——討論問題、研究背景、分析解決方法、設計方案、得出最終結果。這種主動學習方法不僅對于學生來說更加有趣，也使學生們對資料有了更深的了解。近年來，我國教育界的學者和奮戰在一線的教育工作者們以這種理論為基礎，針對我國教育教學的實際情況，進行了一系列基于PBL理論的教育教學改革理論研究和實踐，取得了一定的效果。近年來，“小衛星”已經成為航天發展的熱點話題，而將小衛星作為航天工程教育的平臺，也越來越成為一種趨勢。以小衛星作為載體開展航天工程教育的優勢在于：（1）成本低，多數大學里的實驗室都可以開展這類項目;（2）開發周期短（一年到兩年），學生可以在畢業前看到項目成果;（3）體積小，重量輕，使制造和測試可以在比較狹小的大學實驗室內進行;（4）復雜度適中的衛星系統，使學生在參與整個衛星系統工程實施的過程中，能夠獲得一些具體的系統或子系統經驗。作為教育工具，小衛星的重要意義在于：可由學生自主設計、制造甚至發射升空，即使不能發射，也應在與實際發射相似的環境中進行測試。這一點非常重要，因為這樣學生可以得到真實情況的反饋，雖然有時實驗會失敗，但失敗也都是下一次實驗成功的基石。“設計-制造-測試-總結-再設計”這樣的系統循環設計模式，可以很容易地在機器人或計算機這類領域實施，但空間系統發展所需的巨大成本和少有的發射機會讓我們不得不停止發展空間教育中的這類循環模式。而小衛星計劃可以提供一個工具以實現該模式。

一、基于問題的學習

基于問題的學習是一種以學生為中心的主動型教學模式和課程體系設置方法，其最初是由加拿大的麥克馬斯特大學（McMaster University）醫學院于20世紀60年代在醫學課程教改中逐步形成并提煉出來的。在PBL中，教師根據課程要求和學生的知識基礎預先定義一個不完整的或劣構的問題，然后讓學生進行研究，理論聯系實際，運用已掌握的知識和技能提出解決問題的可行方案，讓學生親身參與問題求解的每一個步驟和知識構建的過程，從而將其先前獲得的知識和經驗很好地整合起來，使已有知識結構得到完善的同時達到對新知識的理解與掌。

1.目標和基于問題的學習法的特點。基于問題的學習方法的主要目標不僅僅是讓學生獲得知識，并且要運用知識。PBL重視模型和問題的解決。它試圖模擬現實生活中的工程研究和開發過程。Barrows這樣描述PBL的主要特點：（1）學習是以學生為中心的，即學生選擇怎樣去學習和他們想要學習的內容。（2）學習在小團體中展開并且提倡協作學習。（3）老師是促進者、引導者或教練。（4）問題形成組織重點并刺激學習。（5）問題是拓展真正的問題解決能力的工具。（6）新的信息是通過自學獲得的。

2.PBL工程教育案例——麻省理工學院航空航天工程系。幾年前，在麻省理工學院的航空航天系成立了一個由教師和科研人員組成的新戰略計劃小組，專門負責課程改革。為了強調教育以學生為中心，討論小組花費了一定的時間和精力通過對項目和學習成果進行驗收，設計了新的教學方法，建造與之配套的實驗室。盡管基于問題的學習是關鍵，但它不是課程組織的原則。新的航空航天工程課程以現實生活中產品完整的生命周期工程為背景，即構思、設計、實施和執行（CDIO），結合設計建造經驗，貫穿于整個項目中。接下來就是從簡單的項目到高度復雜的系統設計建立過程，以及從中取得的經驗教訓。第一年，在《航空航天設計導論》課上，學生們設計、構思并且試飛的由無線電控制浮空飛行器（LTA）。第二年，在《聯立工程學》課上，學生們設計、搭建并且試飛了無線電控制的電推力飛行器。在一些比較深入的課程例如《空氣動力學》課上，從工廠或者政府以往項目中提出航空工業中很常見一個實際的問題，像是以洛克希德·馬丁戰術飛機系統為模板提供項目設計方案。高級課程完全利用基于問題的學習方法，如：《實驗項目實驗室空間系統工程》、《CDIO高等課程》。在這些PBL體驗中，學生發現自己感興趣的問題，通過做實驗找到解決方法，并用多學科方法設計出復雜系統。麻省理工學院航空航天系“復雜系統學習實驗室”的主任提出了一個對于基于問題的學習方法的分類框架（見表1）。它將問題分為四個等級，給出了解決基礎科學及先進工程課題的系統方法。endprint

一級：問題集。問題集是指在大多數工程課程中發現的傳統問題。它們往往具有一定的結構與較成熟的解決方案（至少問題的設計者知道）。所有學生解決同樣的問題，有時獨自解決，有時以小組形式解決。問題需要在相對較短的時間內解決。二級：小型實驗。小型實驗是指在結構化問題下的實驗課。例如測量或觀察某種工程現象或數據。這些問題在一或兩個學期內解決，可以“重復地進行”，也就是說，每個學生團隊解決與其他團隊同樣的問題。在麻省理工學院有許多例子，如《聯立工程學》課上的桁架實驗室，《空氣動力學》課上對在風洞中的流速計的校準，《航空航天設計導論》課上對空氣動力減速器的各種測試。三級：大型實驗。比起前幾個階段，這個階段的問題需要更長的時間去解決，可能會耗費幾周或整個學期。到了這個階段問題明顯復雜了很多，需要更多的規劃和教員支持。在麻省理工學院有許多如是例子：《實驗項目實驗室》課上的風洞試驗、飛行器模型項目，《空氣動力學》課上的機械項目，《航空航天教育導論》課上的輕于空氣的飛艇，《聯立工程學》課上的電動飛行器設計等。四級：頂級CDIO實驗。這個階段在系統中整合了核心工程的頂級實驗。麻省理工學院的航空航天工程項目用構思-設計-實施-操作（CDIO）的方法來設法更接近于實際工程。在頂級實驗中，工程的四個階段都將涉及。頂級實驗室的項目均為研究的重點，需要更多的資金，工程的復雜度和依賴經驗的程度也很高。例如麻省理工學院的自主衛星光學陣列項目和磁控編隊飛行器。四級的項目需要學生、老師和研究員花費三個學期去完成。可以看出三級和四級問題的解決過程是由學生主導的、不受約束的、復雜的、多方面的且具有很高的主動性過程，符合之前所說的PBL標準。然而一級和二級中的項目體驗過程更結構化，在這個過程中學生體驗到關于問題構想的有用指導，使用工具進行研究發現。基于問題的學習方法和設計-制造經驗貫穿了整個麻省理工學院航空航天工程系的本科生階段。使用四個等級的框架來層次化PBL體驗過程確保了從高度結構化問題到無約束和復雜問題情況的合理推廣。

3.基于問題的學習方法的評估。基于問題的學習方法的評估是多模式和長期性的。這些方法包括實驗室期刊、技術簡報、設計審查、技術報告、團隊協作評估、設計作品、互評和自評。教師的角色主要是顧問和指導員，以及在學習過程中為學生提供大量反饋信息。在《航空航天設計導論》課上，學生們設計、制造并試飛由無線電控制的浮空飛行器，設計審查作品和最后的評估工作都是由飛行器競賽的方式進行。在《綜合工程》課的飛行器設計項目中，二年級學生分析在問題集中與氣動性能、穩定性和推進裝置有關的問題，并動手組裝和試飛無線電控制的電推力飛行器。與第一年的課程相似，評估手段包括問題集、設計審查以及最后的一場比賽。

除了評估認知能力的培養效果，情感變化也要被評估。評估學生們在問題處理過程中的信心、參與到解決具有挑戰性問題中的意愿和控制問題解決進展的感覺也很重要。這些情感變化可以通過觀察、訪談、作品、期刊和其他形式的自評進行評估。

二、小衛星平臺與基于PBL的航天工程教育創新結合途徑

在全球化大背景下，除去意識形態的差別，世界人才的標準正趨于統一。根據著名的CDIO（Conceive-Design-Implement-Operate，即：構想-設計-實現-運作）工程教育模型，工程教育包括以下幾大培養目標：掌握深厚的基礎知識和應用技術;善于構思、設計、實現和運作新產品或系統的能力;承擔和實施復雜系統工程的能力;適應現代團隊協作開發模式及其開發環境。這些目標是直接參照工業界的需求而制定的，它實際上定義了現代工程技術人員的素質構成。

1.小衛星作為航天工程教育的意義。小衛星為空間發展提供了的一條新途徑，這是與以往基于傳統空間開發模式的“政府導向的大型項目”完全不同的。此外，NASA已經開展了很多項目為大學提供發射機會，讓他們逐漸學會如何開發、運營衛星。超小型衛星計劃是其中一個著名的案例，選定十所大學并給予他們項目資金，最終的成品將搭載航天飛機發射上天。憑借多年的項目經驗，一些大學已經能夠制造衛星，甚至出售衛星給其他大學或國家。小衛星為大型衛星上已經實現的一些任務提供了一條新的實現途徑。一定數目的小衛星協作是一個非常重要的概念，通常被稱為“星座”或“編隊飛行”。這種多衛星體系的優點是容錯量大、重構能力強、系統的可擴展性好。

2.基于小衛星平臺的航天工程教育項目。小衛星的操作訓練為大學生的太空教育提供了一個特別的機會，讓他們能夠體驗從任務創建、衛星設計、制造、測試、發射、運行，直到結果的分析的整個太空項目周期。同時他們還能從這些項目中學到項目管理和團隊協作等重要技能。小衛星項目不僅對教育有益，而且有望成為太空技術發展與商業運營中的一名新成員。（1）日本衛星設計大賽。上世紀90年代初期，日本的大學小衛星研究項目遠遠落后于美國和歐洲各國。然而，在意識到了小衛星在教育和技術發展上的重要性后，日本國內開始大力推動高校小衛星設計-制造計劃。第一個里程碑是“衛星設計大賽”。1992年三個學術社團共同成立了大賽組委會，他們分別是JSME、JSASS與IEICE。經過一年時間的準備，于1993年舉辦了第一屆比賽。這項比賽的目的是為更多的大學生提供參與太空項目的機會，同時鼓勵一流大學開始進行實體衛星的制造項目。評審項目分成兩大類，創意類評審該項目的創意與想法，設計類評審衛星設計的可實現性。提交的項目首先會進行初步的評審，合格的項目才能入圍最終的決賽。屆時，將進行衛星模型的展示和評審。優秀的作品將獲得“設計獎”、“創意獎”以及三大學術社團頒發的獎項。大賽每年都會收到20到30個創意獨特的項目。（2）大學空間系統研討會（USSS）以及CanSat項目。USSS始于1998年，每年11月由JUSTSAP小衛星工作組在夏威夷舉辦。研討會的形式十分獨特，出席會議的日本和美國的大學首先提出自己衛星項目的構想，以及各大學自身的科研實力，然后將具有相同興趣、能力或科研實力的大學進行組隊。各組展開討論，在一天半的研討會后，各組需要向其他組展示他們的項目設計書。這些項目要在USSS結束后的一年內實施，他們的成果將在下一年的USSS上展示。其中最成功的項目就是CanSat（罐裝衛星）項目了。CanSat項目是1998年由特維格教授提出的。在最初的計劃中，每所大學都要制造一個350mL飲料罐大小的微型衛星，衛星將被發射到軌道上，在下一年的USSS上進行控制操作。（3）立方體衛星。立方體衛星項目由特維格教授在1999年的USSS大會上提出。立方體衛星為重1kg，長寬高均為10cm的微型衛星。每所大學制作的立方體衛星都被放在一個名為“P-POD”的盒形載體內，它由俄羅斯的“第聶伯”火箭裝載發射升空。為了減少立方體衛星和P-POD之間的機械和電氣接口，P-POD釋放機制設置得非常簡單：當P-POD的門打開，里面的立方體衛星就被P-POD末端的彈簧彈出。東京大學和東京工業大學已經開始了立方體衛星項目，并大致完成了設計和EM級別的模型制造。這些大學的學生已經在立方體衛星項目中獲得了微型衛星開發的基本專業知識。但他們現在需要面臨新的挑戰：如何使用現成的廉價的部件設計可靠的空間系統，如何進行空間環境試驗（如真空熱或輻射試驗）并獲得試驗結果，以及如何處理更大的風險，更多的人力資源、時間和成本。目前計劃于2002年底發射第一個立方體衛星。（4）歐洲大學生月球軌道航天器。歐洲大學生月球軌道航天器ESMO是歐空局教育衛星計劃的第四項任務，它是基于“歐洲大學生太空探索與技術倡議”計劃中的“SSETI-Express”衛星。ESMO項目是為了吸引和培養下一代的月球與其他行星的工程師和科學家。航天器有效載荷包括：船載液壓雙組元推進系統，用于飛船從地球同步軌道通過“日地系統中的拉格朗日點L1”轉移到繞月運行軌道的過程，歷時3個月;表面光學成像的窄角相機和一個用于測繪全球引力場的子衛星，將在歷時超過6個月的時間里執行測量任務;可供選擇的載荷還包括一個生物實驗和一個微波輻射計。ESMO項目是未來歐洲的科學和勘探計劃的一個強大的動手教育和公共宣傳工具。它是一個面向大學生的項目，訓練和培養了下一代的月球任務的工程師和科學家。endprint

三、建立基于PBL的航天工程教育實驗平臺和培養范式

我國在“十二五”規劃中提出了“創新驅動，實施科教興國戰略和人才強國戰略”，要“圍繞提高科技創新能力、建設創新型國家，以高層次創新型科技人才為重點，造就一批世界水平的科學家、科技領軍人才、工程師和高水平創新團隊。實施PBL教學是一項系統工程，由于受國情、傳統教育教學模式和人才培養機制的約束，在中國工科大學中實施PBL教學存在問題案例少、實施成本高、評價方式單一和師生角色僵化等問題，因此，需要根據我國工程教育的現狀和國情對PBL教學進行本地化處理，不能生搬硬套，具體來講有以下幾個方面需要注意。

1.樹立以學生為中心的教學理念。樹立以學生為中心的教學理念是實施PBL教學的前提條件，PBL強調以學生為中心，作為PBL教學的實施者，教師必須要深刻認識到這一點。

2.根據具體航天任務設計問題。豐富的問題案例是PBL教學成功的關鍵。每門專業課的設置都是基于學生已具備一定的先修課程基礎為前提，但個體的差異不容忽視，教師或教師團隊在進行某課程PBL問題設計的時候要充分了解學生的知識基礎，結合具體的實施條件進行問題案例的設計。為了保持熱情，學生們可以一種競賽的形式開始項目，學生們互相分享自己的認識，用自己的雙手選擇出最吸引人并且最有意義的項目。

3.提高衛星實驗平臺的開放性與多樣性。除了教育實踐空間項目對航空航天教育帶來的價值之外，學生建造空間項目長期承諾創新型大學的任務是可直接有利于空間行業本身。目前，各大學中設立的大學或研究生開放實驗室及其配套的開放創新基金都是一些很好的嘗試，取得了很好的效果，但其范圍需要擴大，讓大學生能夠進入一些比較前沿的和良好國際合作背景的研究型實驗室，使其很早就能受到良好的學術熏陶，以促進其產生向更高層次發展的內部動機和欲望。

4.加強學習能力的培養。發展學生的學習能力，使其成為高效、獨立的終生學習者是PBL的重要目標之一。通過參加PBL學習，讓學生明白學習不完全是個人的事情，在PBL小組中每個學生都擔當一定的角色，并承擔相應的責任，在小組討論中無私貢獻自己的學習成果，并吸取其他成員的學習成果，達到共同進步。

5.建立合理多樣化的評估體系。在實施PBL的過程中，可以采用學生自我評價、同學互評及教師評價相結合的辦法，注重學生的過程表現，而不是結果。創新人才的多樣性和創新思維的多樣性決定了我們不能用一刀切的方法來評價學生，而是要采取靈活多樣的評估體系，建立激發創新的長效機制。除了評估認知能力的發展和成就，情感變化也要被評估。評估學生們在問題處理過程中的信心、參與到解決具有挑戰性問題中的意愿和控制問題解決進展的感覺也很重要。

四、結論

PBL植根于建構主義理論之上，強調發現和知識意義的構建，是一種先進的培育創新精神和激發創新思維活動的教學/學習方式。PBL強調以學生為中心，問題、教師和團隊學習是PBL教學法實施的三大關鍵要素。本文在總結PBL理論的基礎上，在此基礎上根據我國航天工程教育的現狀，從國外幾個航空航天教育典型案例吸取經驗，討論了以小衛星作為航天工程教育工具的重要性;其次，敘述了它作為太空技術發展新成員的重要性。探討了基于PBL理論的航天工程教育在學生群體中推行的途徑，期望能促進教育工作者對有關問題的思考。

由學生運作衛星項目極具挑戰性，但這會給參與項目的學生和院校帶來巨大回報。這些項目提供大學生關于設計、分析、測試、制造和操作空間系統方面的實踐經歷。有證據表明，參與空間飛行器設計項目的學生，能力得到顯著提高。統計證據也顯示如果相當數量的大學參與空間飛行器設計活動，進入空間領域工作的學生數量會顯著增長。

參考文獻：

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