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(gè)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(shí)，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(gè)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(shí)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(shí)，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(shí)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(gè)特征參數(shù)確定。這11個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)，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(gè)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?？展芟到y(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(shí)間。空管系統(tǒng)建模與仿真課程的教學(xué)計(jì)劃為36課時(shí)。其中，系統(tǒng)仿真原理介紹需要2課時(shí)，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(shí)，主要講授MATLAB的數(shù)據(jù)類型和基本語法。擬采用24課時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)，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(gè)問題重點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)或幾個(gè)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(shí)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(gè)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(jià)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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