“空管系统建模与仿真”PBL教学中的典型空管问题设计

王超 王涛波 王飞

摘要：问题设计是PBL教学中的核心问题。本文首先介绍了PBL从课程体系层面到课程层面的发展趋势，分析了PBL的本质、设计原则、课程设计技术以及问题设计，讨论了PBL问题的现实性和相关性问题。以空管系统建模与仿真课程为例，分析了该课程的学习者、班级大小和技术条件，提出了相应的课程目标。最后采用PBL教学法为该课程设计了8个典型的空管问题。

关键词：PBL教学法；问题设计；情景设计；空中交通管理

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）09-0153-04

一、基于问题的学习

基于问题的学习（PBL，Problem Based Learning）教学法是1969年美国神经病学专家霍华德教授在加拿大的麦克马斯特大学首创，目前已成为国际上广泛应用的教学方法。这种教学方法强调把学习过程设置到复杂、有意义的问题情景中，鼓励学生围绕某一专题进行研究，通过自主学习和集体讨论、相互协作来分析并解决问题。

最初PBL是作为医学课程改革来引入的，给学生将来可能在其职业生涯中遇到的典型问题提供研究机会。在麦克马斯特大学，PBL课程结构由一系列的跨学科的模块组成，这些模块被设计成与所有医学学生在全部教育阶段所涉及的健康问题有关。课程按照顺序单元进行组织，可使学生更早地来接触到病患和案例。

在医学和其他专科学校的课程体系（Curricular）层面取得成功的同时，PBL方法也逐渐被其他学科采纳，并在课程（Course）层面得以广泛实施。教育者鼓励采用课程间的连续性，这样在问题求解过程中能够使学生得到最大程度的展现和实践。目前，PBL方法的研究重点在如何重新设计课程和问题。

二、PBL的课程设计模型

（一）PBL的本质

PBL的本质是使学习者通过循序渐进、具有上下文关系的问题分析，在学习材料和教师的支持下获取知识和技能。PBL的核心是协作和个体参与，主要目标是培养具有独立思想的终身学习者。

PBL是一种主动学习形式，鼓励学习者整合学校学习与实际生活动态，自主完成知识构建。在实际生活动态中，学习者可以学到知识的灵活运用和有效解决问题的技能，以及在合作中如何交换想法，如何获取内在的激励。通过合作，学习者能够识别他们已经知道什么，还需要知道什么，以及成功求解问题所需信息来源和途径。教师则通过支持、引导和监视学习者的学习进度来促进学习，增强学习者的自信，鼓励他们积极参与，拓展其对问题的理解力，为学习者掌握问题求解、思考、协作、沟通、时间管理和计算技能提供帮助。

（二）PBL课程设计的原则

在进行课程设计时，需要遵循以下原则：

1.有利于积极主动的学习的原则。学习者可以控制学习进度，提交和回答他们自己提出的问题。

2.有利于一体化的学习的原则。在PBL教学中，知识、理解和技能齐头并进。通过课堂和书本知识与真实世界存在的固有联系，凝练恰当的问题成为一体化学习的焦点。

3.有利于累积学习的原则。知识的获取是渐进的，累积学习将问题的主题深度加大，问题变得更加难以求解，PBL学习将越发具有挑战性，有利于累积学习。

4.为了理解而学习的原则。学习过程是课程的目标，比揭示事实更重要。教师需要了解学习效果的反馈，因此需要针对学习者对知识的理解进行测试。

（三）PBL课程设计技术

PBL课程设计的5项技术包括：

1.问题起到导向的作用，激励学习者，并且时刻抓住他们的注意力；

2.问题以测试为形式，使教师具有确定学习者是否完全理解概念的机会；

3.问题可以是实例，用来展现所教概念；

4.问题可以用来检查进程，即基于问题的学习过程成为课程的本身；

5.问题作为学习活动的激励，使学习者通过学习活动获得解决问题的技能。

（四）问题设计

问题是PBL教学中的起点和核心，科学合理的问题设计是教学成功的保障。问题激励着学生在PBL过程中不断主动学习。换句话说，如果没有问题，就没有PBL。尽管在现实工作中存在着大量的问题，但识别恰当的问题用以引导学生开展学习是具有挑战性的。

近期研究表明，问题的有效性可通过11个特征参数确定。这11个特征参数可以划分为两类：特征参数和功能参数。其中，特征参数是问题的设计首要元素。

有效的问题特征参数是：

①问题清晰度；②问题的格式化；③问题的难度等级；④问题的熟悉程度；⑤问题的相关性。

除了特征参数，在设计问题时需要考虑的另外一面是功能参数设计，功能性特征是对问题的拓展：

①通向想要学习的问题；②促进自我指导的学习；③激励批判性推理；④激励精细化学习；⑤促进团队工作；⑥引发兴趣。

（五）问题的现实性和相关性

在面向PBL的问题设计中，教师可以从分析学习者的特点和了解学习者前续知识的学习需要开始，来设计问题的熟悉程度、难度和相关性。此外，学习者的学习风格（提供问题格式化的信息）、理解能力（提供问题清晰度信息）等信息需要整合，综合形成问题。这个层次的问题设计是问题的“用户界面”。

在“用户界面”下面的是内容，即“故事情节”。在选择内容时，问题设计者需要根据学习者的前续知识和学习需求来聚焦学习问题。首先分析学习者的特点和学习需求，然后在相关现实框架内，引导学习者将问题与其他课程或者其他现实生活关联起来，并学会加以应用。

问题语境化与构思剧情类似。除了“用户界面”和“故事情节”，同样需要重点考察问题学习的结果，即希望学习者获得什么，达到什么目标。如果问题是激励批判性推理，就需要将各种学习活动编织到需要学生进行批判性推理的问题中去。

总而言之，在为PBL教学设计问题时，不仅需要考虑学习内容，还包括各种行为技巧，如自我指导学习、批判性思考、学习收获等。素材要用恰当的内容进行框架组织，用优化的特征和用户界面给予表现。设计问题的步骤类似剧本写作，尤其重要的是要思考学习效果和学习内容，然后用合乎逻辑的方式和合适的手法表现出来。

三、空管系统建模与仿真课程问题设计分析

（一）空管系统建模与仿真课程

在当前大航班流量和高航班密度的空管运行形势下，仅依靠加强管制技能训练来提高空管保障能力越来越难以为继，需要从科技创新、提高辅助决策和自动化水平的角度来挖掘空管运行保障能力。为此，加强工程技术能力和创新能力的培养已成为我校对交通运输（空管）专业学生的培养目标之一。

《空管系统建模与仿真》课程是交通运输专业管制和签派方向的学科基础课，重在培养符合大工程观的空管创新型人才，注重学生工程实践能力的培养，在空中交通管制和飞行签派两个专业方向迈向大工程教育培养目标中具有重要支撑地位。

根据民航空管系统对高层次、技术型交通运输（空管）专业学生的迫切需要，按照我校提高工科本科生工程实践能力和创新能力培养的教育方针，目前《空管系统建模与仿真》采用以教师讲授知识为主，以MATLAB编程练习为辅的教学模式，存在学生学习积极性不高和学习效果较差的问题。针对这一问题，开展本课题的研究。

（二）课程分析

首先，检查空管系统建模与仿真课程的语境信息。

1.课程在课群中的地位和作用。以往，空管专业以培养学生的空中交通管制的技能为主。在空管系统建模与仿真课程培养空管专业本科生具有一定的工程实践能力和对现实空管问题的建模和求解能力。因此，增设了空中交通信息与控制课程群，包括：空管系统建模与仿真、空管设备与系统、空管信息系统概论等。其中，空管系统建模与仿真在建立典型空管问题和利用MATLAB求解典型空管问题方面非常适合利用PBL教学模式。

2.谁是目标学习者和学习者规模。空管系统建模与仿真课程定位为空中交通运输专业的基础课，目标学习者是空管专业二年级卓越班的本科生，在第四学期进行教学，班级人数约为36人。当课程改革取得成熟经验后，考虑向普通本科班推广，普通本科班人数为70人左右。

3.课程学习时间。空管系统建模与仿真课程的教学计划为36课时。其中，系统仿真原理介绍需要2课时，主要讲授系统仿真概述、离散系统仿真原理和连续系统仿真原理等。采用MATLAB软件作为系统建模和仿真学习的平台，因此讲授MATLAB基本知识介绍讲授10课时，主要讲授MATLAB的数据类型和基本语法。拟采用24课时进行8空管典型问题的建模和求解实践，按照由简单到复杂，循序渐进的原则，逐步展开8个空管问题。

4.课堂形式和支撑技术。系统仿真原理和MATLAB部分采用课堂讲授为主的形式，引导学习者的学习方向。教师可以采用推荐参考书目和学习网站的方法，鼓励学生课下自主学习。此外，教师还通过BP平台建设了学习课件和视频，学习者可以根据需要自主学习。在PBL学习阶段，教师提供计算机机房，装有MATLAB软件，每一位学习者需要熟练使用MATLAB进行空管问题的建模。

（三）确定课程目标

通过对空管系统建模与仿真课程的学习，使学生了解现代仿真与建模技术、方法和应用；掌握利用MATLAB环境进行工程计算、系统建模、系统仿真的能力，为交通运输（空管、签派两个方向）专业学生在后续学习和工作中解决问题奠定基础。本课程的学习，也将为交通运输专业学生解决在其他课程学习、本科毕业设计以及实际空管中的计算与仿真问题提供一个重要的工具和手段。

完成该课程的学习后，学习者应对空中交通管理中急需解决的典型问题有一个较全面的了解和一定深度的认识，熟练使用MATLAB进行教师给出的典型问题的建模和求解能力，同时应获得空管问题建模中遇到的思考问题、分析问题、抽象问题和建模求解的能力，同时可以获得协作能力和沟通能力等综合素质的提高。

四、典型空管问题设计

具有鲜明空管特色的、在空管工作实际中需要解决的科学技术问题和空管仿真案例能够明显唤起学生的学习兴趣。同时，典型空管问题和仿真案例能丰富课程的理论基础，增加学生对空管专业和仿真的认同性；教师也能够把教学与工程项目的实践相结合。因此，空管问题和空管仿真案例凝练、设计和建设是本项目的重点问题。

空管案例要能够反映典型的问题，但是难度太低不但不能反映实际问题，吸引学生的兴趣，还会导致仿真度太低，显得仿真没有意义；难度过高又会打击学生的学习热情。

（一）提出适合教学的典型空管问题

研究提出适合教学的典型空管问题教学资源，与MATLAB中的知识点有机结合。既要反映空管运行中存在的、具有普遍性的实际问题，又要符合空管发展趋势，还需要精心设计空管问题的教学资源，对实际问题进行必要简化，满足教学的需要。研究针对这些问题建模所需要的MATLAB知识点，每个问题重点对应一个或几个MATLAB知识点。空管系统建模与仿真课程拟研究的部分典型问题和所需MATLAB知识点联系如表1所示：

（二）提出适合本科教学的空管仿真案例

研究提出适合本科教学的空管仿真案例教学资源，与系统仿真理论有机结合。精心设计空管案例教学资源，研究案例中需要的Monte-Carlo仿真原理、连续时间系统仿真和离散事件仿真的知识点，研究需要学生合作才完成的仿真实验模块。部分空管仿真案例和系统仿真理论联系如表2所示：

五、结论

问题设计是PBL学习的前提和关键。本文从PBL的本质出发，建立PBL教学的课程设计模型，对空管系统建模与仿真课程进行了深入的分析，建立科学明确的学习目标，并给出8个典型的空管问题教学设计方案。本文提出的PBL问题设计方法对于指导其他课程PBL设计具有重要参考价值，提出的空管案例将直接指导该课程的教学活动。

参考文献：

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