“空管系統建模與仿真”PBL教學中的典型空管問題設計

王超 王濤波 王飛

摘要：問題設計是PBL教學中的核心問題。本文首先介紹了PBL從課程體系層面到課程層面的發展趨勢，分析了PBL的本質、設計原則、課程設計技術以及問題設計，討論了PBL問題的現實性和相關性問題。以空管系統建模與仿真課程為例，分析了該課程的學習者、班級大小和技術條件，提出了相應的課程目標。最后采用PBL教學法為該課程設計了8個典型的空管問題。

關鍵詞：PBL教學法；問題設計；情景設計；空中交通管理

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

一、基于問題的學習

基于問題的學習（PBL，Problem Based Learning）教學法是1969年美國神經病學專家霍華德教授在加拿大的麥克馬斯特大學首創，目前已成為國際上廣泛應用的教學方法。這種教學方法強調把學習過程設置到復雜、有意義的問題情景中，鼓勵學生圍繞某一專題進行研究，通過自主學習和集體討論、相互協作來分析并解決問題。

最初PBL是作為醫學課程改革來引入的，給學生將來可能在其職業生涯中遇到的典型問題提供研究機會。在麥克馬斯特大學，PBL課程結構由一系列的跨學科的模塊組成，這些模塊被設計成與所有醫學學生在全部教育階段所涉及的健康問題有關。課程按照順序單元進行組織，可使學生更早地來接觸到病患和案例。

在醫學和其他專科學校的課程體系（Curricular）層面取得成功的同時，PBL方法也逐漸被其他學科采納，并在課程（Course）層面得以廣泛實施。教育者鼓勵采用課程間的連續性，這樣在問題求解過程中能夠使學生得到最大程度的展現和實踐。目前，PBL方法的研究重點在如何重新設計課程和問題。

二、PBL的課程設計模型

（一）PBL的本質

PBL的本質是使學習者通過循序漸進、具有上下文關系的問題分析，在學習材料和教師的支持下獲取知識和技能。PBL的核心是協作和個體參與，主要目標是培養具有獨立思想的終身學習者。

PBL是一種主動學習形式，鼓勵學習者整合學校學習與實際生活動態，自主完成知識構建。在實際生活動態中，學習者可以學到知識的靈活運用和有效解決問題的技能，以及在合作中如何交換想法，如何獲取內在的激勵。通過合作，學習者能夠識別他們已經知道什么，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、引導和監視學習者的學習進度來促進學習，增強學習者的自信，鼓勵他們積極參與，拓展其對問題的理解力，為學習者掌握問題求解、思考、協作、溝通、時間管理和計算技能提供幫助。

（二）PBL課程設計的原則

在進行課程設計時，需要遵循以下原則：

1.有利于積極主動的學習的原則。學習者可以控制學習進度，提交和回答他們自己提出的問題。

2.有利于一體化的學習的原則。在PBL教學中，知識、理解和技能齊頭并進。通過課堂和書本知識與真實世界存在的固有聯系，凝練恰當的問題成為一體化學習的焦點。

3.有利于累積學習的原則。知識的獲取是漸進的，累積學習將問題的主題深度加大，問題變得更加難以求解，PBL學習將越發具有挑戰性，有利于累積學習。

4.為了理解而學習的原則。學習過程是課程的目標，比揭示事實更重要。教師需要了解學習效果的反饋，因此需要針對學習者對知識的理解進行測試。

（三）PBL課程設計技術

PBL課程設計的5項技術包括：

1.問題起到導向的作用，激勵學習者，并且時刻抓住他們的注意力；

2.問題以測試為形式，使教師具有確定學習者是否完全理解概念的機會；

3.問題可以是實例，用來展現所教概念；

4.問題可以用來檢查進程，即基于問題的學習過程成為課程的本身；

5.問題作為學習活動的激勵，使學習者通過學習活動獲得解決問題的技能。

（四）問題設計

問題是PBL教學中的起點和核心，科學合理的問題設計是教學成功的保障。問題激勵著學生在PBL過程中不斷主動學習。換句話說，如果沒有問題，就沒有PBL。盡管在現實工作中存在著大量的問題，但識別恰當的問題用以引導學生開展學習是具有挑戰性的。

近期研究表明，問題的有效性可通過11個特征參數確定。這11個特征參數可以劃分為兩類：特征參數和功能參數。其中，特征參數是問題的設計首要元素。

有效的問題特征參數是：

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問題的相關性。

除了特征參數，在設計問題時需要考慮的另外一面是功能參數設計，功能性特征是對問題的拓展：

①通向想要學習的問題；②促進自我指導的學習；③激勵批判性推理；④激勵精細化學習；⑤促進團隊工作；⑥引發興趣。

（五）問題的現實性和相關性

在面向PBL的問題設計中，教師可以從分析學習者的特點和了解學習者前續知識的學習需要開始，來設計問題的熟悉程度、難度和相關性。此外，學習者的學習風格（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。這個層次的問題設計是問題的“用戶界面”。

在“用戶界面”下面的是內容，即“故事情節”。在選擇內容時，問題設計者需要根據學習者的前續知識和學習需求來聚焦學習問題。首先分析學習者的特點和學習需求，然后在相關現實框架內，引導學習者將問題與其他課程或者其他現實生活關聯起來，并學會加以應用。

問題語境化與構思劇情類似。除了“用戶界面”和“故事情節”，同樣需要重點考察問題學習的結果，即希望學習者獲得什么，達到什么目標。如果問題是激勵批判性推理，就需要將各種學習活動編織到需要學生進行批判性推理的問題中去。

總而言之，在為PBL教學設計問題時，不僅需要考慮學習內容，還包括各種行為技巧，如自我指導學習、批判性思考、學習收獲等。素材要用恰當的內容進行框架組織，用優化的特征和用戶界面給予表現。設計問題的步驟類似劇本寫作，尤其重要的是要思考學習效果和學習內容，然后用合乎邏輯的方式和合適的手法表現出來。

三、空管系統建模與仿真課程問題設計分析

（一）空管系統建模與仿真課程

在當前大航班流量和高航班密度的空管運行形勢下，僅依靠加強管制技能訓練來提高空管保障能力越來越難以為繼，需要從科技創新、提高輔助決策和自動化水平的角度來挖掘空管運行保障能力。為此，加強工程技術能力和創新能力的培養已成為我校對交通運輸（空管）專業學生的培養目標之一。

《空管系統建模與仿真》課程是交通運輸專業管制和簽派方向的學科基礎課，重在培養符合大工程觀的空管創新型人才，注重學生工程實踐能力的培養，在空中交通管制和飛行簽派兩個專業方向邁向大工程教育培養目標中具有重要支撐地位。

根據民航空管系統對高層次、技術型交通運輸（空管）專業學生的迫切需要，按照我校提高工科本科生工程實踐能力和創新能力培養的教育方針，目前《空管系統建模與仿真》采用以教師講授知識為主，以MATLAB編程練習為輔的教學模式，存在學生學習積極性不高和學習效果較差的問題。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，空管專業以培養學生的空中交通管制的技能為主。在空管系統建模與仿真課程培養空管專業本科生具有一定的工程實踐能力和對現實空管問題的建模和求解能力。因此，增設了空中交通信息與控制課程群，包括：空管系統建模與仿真、空管設備與系統、空管信息系統概論等。其中，空管系統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教學模式。

2.誰是目標學習者和學習者規模。空管系統建模與仿真課程定位為空中交通運輸專業的基礎課，目標學習者是空管專業二年級卓越班的本科生，在第四學期進行教學，班級人數約為36人。當課程改革取得成熟經驗后，考慮向普通本科班推廣，普通本科班人數為70人左右。

3.課程學習時間。空管系統建模與仿真課程的教學計劃為36課時。其中，系統仿真原理介紹需要2課時，主要講授系統仿真概述、離散系統仿真原理和連續系統仿真原理等。采用MATLAB軟件作為系統建模和仿真學習的平臺，因此講授MATLAB基本知識介紹講授10課時，主要講授MATLAB的數據類型和基本語法。擬采用24課時進行8空管典型問題的建模和求解實踐，按照由簡單到復雜，循序漸進的原則，逐步展開8個空管問題。

4.課堂形式和支撐技術。系統仿真原理和MATLAB部分采用課堂講授為主的形式，引導學習者的學習方向。教師可以采用推薦參考書目和學習網站的方法，鼓勵學生課下自主學習。此外，教師還通過BP平臺建設了學習課件和視頻，學習者可以根據需要自主學習。在PBL學習階段，教師提供計算機機房，裝有MATLAB軟件，每一位學習者需要熟練使用MATLAB進行空管問題的建模。

（三）確定課程目標

通過對空管系統建模與仿真課程的學習，使學生了解現代仿真與建模技術、方法和應用；掌握利用MATLAB環境進行工程計算、系統建模、系統仿真的能力，為交通運輸（空管、簽派兩個方向）專業學生在后續學習和工作中解決問題奠定基礎。本課程的學習，也將為交通運輸專業學生解決在其他課程學習、本科畢業設計以及實際空管中的計算與仿真問題提供一個重要的工具和手段。

完成該課程的學習后，學習者應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識，熟練使用MATLAB進行教師給出的典型問題的建模和求解能力，同時應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，同時可以獲得協作能力和溝通能力等綜合素質的提高。

四、典型空管問題設計

具有鮮明空管特色的、在空管工作實際中需要解決的科學技術問題和空管仿真案例能夠明顯喚起學生的學習興趣。同時，典型空管問題和仿真案例能豐富課程的理論基礎，增加學生對空管專業和仿真的認同性；教師也能夠把教學與工程項目的實踐相結合。因此，空管問題和空管仿真案例凝練、設計和建設是本項目的重點問題。

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際問題，吸引學生的興趣，還會導致仿真度太低，顯得仿真沒有意義；難度過高又會打擊學生的學習熱情。

（一）提出適合教學的典型空管問題

研究提出適合教學的典型空管問題教學資源，與MATLAB中的知識點有機結合。既要反映空管運行中存在的、具有普遍性的實際問題，又要符合空管發展趨勢，還需要精心設計空管問題的教學資源，對實際問題進行必要簡化，滿足教學的需要。研究針對這些問題建模所需要的MATLAB知識點，每個問題重點對應一個或幾個MATLAB知識點。空管系統建模與仿真課程擬研究的部分典型問題和所需MATLAB知識點聯系如表1所示：

（二）提出適合本科教學的空管仿真案例

研究提出適合本科教學的空管仿真案例教學資源，與系統仿真理論有機結合。精心設計空管案例教學資源，研究案例中需要的Monte-Carlo仿真原理、連續時間系統仿真和離散事件仿真的知識點，研究需要學生合作才完成的仿真實驗模塊。部分空管仿真案例和系統仿真理論聯系如表2所示：

五、結論

問題設計是PBL學習的前提和關鍵。本文從PBL的本質出發，建立PBL教學的課程設計模型，對空管系統建模與仿真課程進行了深入的分析，建立科學明確的學習目標，并給出8個典型的空管問題教學設計方案。本文提出的PBL問題設計方法對于指導其他課程PBL設計具有重要參考價值，提出的空管案例將直接指導該課程的教學活動。

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