擂台赛对PBL项目设计成果完备性的促进

孙淑光

(中国民航大学 电子信息与自动化学院,天津 300300)

20世纪80年代,为适应创新型人才的培养目标,项目式教学(PBL)在美国大学得到空前发展,并逐渐在全球各国得到推广[1]。PBL教学模式通过项目设计来培养学生的工程实践能力、团队协作能力、交流能力以及领导能力。以项目需求为牵引,引导学生通过查阅资料,利用已掌握的知识,通过团队协作完成项目设计,使学生从工程应用的角度来理解知识,培养学生使用相关知识和工具解决工程问题的能力,提高工程素养[2-4]。

PBL教学过程中,分析解决问题能力的高低取决于学生及其对知识的掌握程度,项目设计效果与学生分析解决问题的能力有很大关系,但分析解决问题的主动性与完备性却与教师的引导密切相关[5-7]。在信息来源广泛、开发平台智能化、设计辅助工具多源化的今天,如果教师在PBL教学过程中不能激发学生持续探索的意识,确保其项目设计的主动性、自主性及独立见解,则PBL教学模式将流于形式,学生项目设计过程容易出现知识或资料拼凑的情况,甚至出现类似网络抄袭等更坏的情况,这不仅不利于学生的知识学习和能力培养,也不利于学生养成良好的工程习惯,对系统性、安全性要求极高的航空航天类学生的工程习惯养成是一个极大的隐患。

1 目的

PBL教学过程分为四个阶段:教师出题、学生选题、项目设计过程、项目答辩,如图1所示。

图1 PBL教学过程

PBL教学中,项目指导教师提出项目题目并明确项目设计成果要求,学生可以自行组成项目小组,或由指导教师指定学生分组,各小组自行选择题目或由指导教师指定题目。此后,项目小组通过查阅相关资料,首先进行方案设计,然后利用一定的工具或平台完成项目设计,确保项目成果满足指导教师的指标要求,即算完成项目。

项目设计过程中,小组成员需要首先对教师提供的项目需求进行分析,明确所要实现的功能及性能,与之对应的关键问题以及各种约束条件,据此确定项目的整体架构(模块化)及各模块的指标要求,梳理功能指标的关联关系,将其转换为清晰、连续、确定的逻辑和时序架构,并据此寻找解决问题的办法,这是项目的构思过程。构思过程是项目成败的关键,它直接关系到整个项目工作的可行性及有效性,也关系到项目设计的可靠性和完备性。构思完成后,项目小组将根据系统架构及指标要求,选择合适的设计工具及接口标准,分别进行各分模块的软硬件设计及实现,然后将各模块组装联调,对设计成果进行验证测试,通过运行观察和实验测试来验证项目设计的正确性和有效性。最后提交设计报告及设计成果,完成项目答辩,由指导教师给出对项目设计成果的评价及成绩。整个项目的实施过程及工作主体如图2所示。

图2 PBL实施过程及工作主体

工程项目的功能及指标需求与其运行环境有极大的关系,忽视运行环境的设计属于无效设计,而有些设计项目的应用环境通常比较复杂,尤其是与安全密切相关的航空航天系统。从工程的角度来看,项目组在项目需求分析阶段(即构思阶段)对项目功能及性能分析的完备性及透彻程度将直接影响项目的设计效果及工程适用性,这也是项目设计质量判定的重要依据。

当学生以学习者的身份开始项目研究时,其对项目应用背景及运行环境的理解往往比较狭窄、单一,容易只关注功能实现而忽视应用环境的复杂性与多样性。项目小组在接到项目设计任务后,通常会直接进入资料查阅和项目方案设计阶段,而忽略对项目需求及运行环境的详细调研、分析与思考,对产品的运行环境及运行性能,特定环境对设备性能的影响以及可能出现的危害这些问题考虑不周或认识不足,导致项目设计成果缺陷多,运行适用性差,影响成果的完备性。这对工程类学生的培养来说,不仅可能会导致学生知识掌握出现偏离或疏漏,而且还会对学生工程习惯的培养产生不良影响,为未来的设计工作埋下安全隐患,失去PBL教学的真正意图及优势。

PBL教学过程中,大部分时间,学生为工作主体,教师作为在学生背后的支持者,起到答疑解惑的作用。而大多数PBL课程中,教师对学生的指导通常是通过周期性、阶段性的师生讨论交流来进行,但由于种种原因,学生的工作进度通常并非周期性的,这就导致二者之间的有效交流较少或不畅,教师难以发现并及时纠正学生工作过程中存在的问题。另外,PBL教学过程的检查通常仅有阶段性项目进展考核和最终成果评价,发现不完备问题时通常已晚,而学生由于项目时间限制问题,很难或不愿进行彻底修改,导致PBL教学模式的优势难以得到良好的发挥。

可见,PBL教学模式的过程管理尤其是项目方案设计阶段的质疑和引导是影响教学效果的关键要素,需要在PBL教学中尤其关注。

基于此,以“导航原理与系统”课程的项目设计为例,关注PBL教学模式中的薄弱环节,尝试改进教学手段,加强项目研究初期指导教师的引导力度与强度,打破项目设计过程中小组工作封闭的状态,引入外部刺激要素,激发学生思考意识和参与热情,将项目评估和改进的关口前移,在项目设计实施之前增加项目设计方案完备性测评环节(擂台赛),允许教师、其他小组学生参与到项目设计中,寻找设计漏洞,对项目设计方案进行质疑。通过这种方式,将工程实际问题及时充实到项目设计方案中,拓展学生项目需求分析的广度及深度,确保项目研究的完备性及进展的顺畅性。

2 擂台赛实行方案

根据教育心理学,成功和兴趣是推动学生思维发展的重要保证,鼓励学生自主探索,对其问题做出及时有效的回应,会提高学生的成功感,并保持其探究兴趣。为学生提供提问及反驳的机会能有效激发他们的创造性思维及高水平思维[7]。

高等教育工程认证通用标准中也规定,学生在设计/开发解决方案方面,应该能够设计针对复杂工程问题的解决方案,设计满足特定需求的系统、单元(部件)或工艺流程,并能够在设计环节中体现创新意识,考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素[8]。这要求学生必须具备系统化思维能力及全局意识,在PBL教学过程中,为学生提供足够的提问与被提问,回答与被回答的机会,不仅可以提高学生主动思考的兴趣和意识,而且可以培养其思考、解决问题的系统性及完备性,养成良好工程设计习惯。

鉴于上述教育思想及学生培养需求,“导航原理与系统”课程尝试在PBL项目设计过程中,在学生项目设计实施工作正式开展之前增加了一个切磋交流环节——擂台赛,具体执行过程如图3所示。

图3 “导航原理与系统”课程PBL过程

擂台赛的目的是利用在线网络平台——超星学习通的讨论模块,为学生、教师提供一个虚拟空间的实时交流互动场景,对项目小组的设计方案、疑问等进行实时讨论反馈。预期在线实时挑战式交流可以充分调动学生的兴趣和好奇心,以挑战迎战的模式激励学生自主、自动思考问题,逐渐了解工程设计的关键要素和实现过程,培养其独立思考能力、工程设计能力以及交流协作能力。并通过教师引导、同学讨论使项目设计更加接近工程实际,确保项目设计的完备性。

根据发展心理学原理,处于相同认知水平的同学之间的略有差异的视点与认知碰撞,会引起各自内部的认知矛盾,而这种认知矛盾的解决将会引起每一个个体内部认知结构的重新构建。项目小组内部成员差异化观点和认识的碰撞,将促进其各自对问题情境思想内容认识的深化,优化解决问题的思路。而不同项目组之间的挑战,将为学生提供多视角思考问题的机会,产生集约思维效果,在挑战其他小组的同时,也为自己小组的问题解决带来新的思路。而教师在学生的讨论发生混乱或出现歧途时,适当指点起到支撑学生讨论“脚手架”的作用[9-10]。另外,教师可以在学生讨论陷入狭窄空间无路可走时,给予适当的引导,使讨论进入更广更深的领域。

擂台赛在各小组针对项目设计要求给出初步设计方案之后开始,通过攻擂与守擂的方式开展。各小组作为自己项目的守擂方,而攻擂方为全体指导教师和所有其他小组成员。为确保攻擂与守擂的实时性及便捷性,擂台赛采取线上线下结合的方式。所有小组的项目题目、设计要求、设计方案以及攻擂、守擂都在超星学习通平台上进行,学习通平台讨论模块可以直接上传、查看有关文档,并可以在分组模块下随时输入信息,便于攻擂和守擂的问答信息录入。所有项目信息都是网上公开的,指导教师和学生可以实时在线查看项目组的设计方案,并随时提出挑战,而守擂方也可以随时对挑战问题做出回答并进行方案修订。擂台赛平台显示如图4所示。

图4 擂台赛平台显示

网络教学平台的实时性与灵活性,使学生与学生、学生与教师之间的讨论可以随时开展,避免了线下PBL教学指导教师周期性指导的局限性,使学生的问题可以得到及时的回应,有效保护学生的参与热情[11-12]。教师和其他学生的实时关注和问题,也可以有效引导研究关注点,避免项目设计的偏离,并通过问题引导项目设计的完备性。项目设计小组可以及时思考分析并修订设计方案,提高工作进度,持续保持项目设计的热情。对于复杂问题或线上交流不畅的问题,项目组可以预约指导教师或同学进行线下沟通交流,形式灵活,也更加及时流畅。

通过对指导教师和其他小组同学攻擂问题的回应,项目小组对研究对象的理解进一步加深,对项目真实工程运行环境的考虑更加周全,模块功能及逻辑关系清晰度得以提高,项目设计方案与工程实际运行环境的吻合度也进一步提高。

另外,在对其他小组研究方案攻擂的过程中,以及查看其他小组的设计方案及守擂应答时,也可以审视本组的设计方案,发现设计漏洞和问题,及时改进完善。各小组成员通过网络平台随时关注各组的进展情况,一定程度上也可以促进小组的工作进度。

2.1 项目(擂台赛)分组

根据“导航原理与系统”课程的教学内容,课程教师选择关键导航参数的测量作为项目设计主题,提出7个项目,分别涉及飞机姿态、航向的测量以及速度、位置的计算等。学生自行组队,各小组选择自己擅长或感兴趣的研究项目,每个项目平均1～2组学生。擂台赛的题目及守擂小组列表如表1所示。

表1 擂台赛项目列表

擂台赛内容基本覆盖“导航原理与系统”课程的关键内容,通过小组间的攻擂守擂,使得每个学生不仅要关注本小组的研究内容,也要对其他小组的内容进行研究,以便提出有效的挑战质疑,在这个过程中,学生可以综合分析比较不同导航参数的测量方法、方法的优势及局限性,实现知识的横向比较和纵向深入,将知识内化为对知识的应用能力。

2.2 项目设计方案完备性的资源支持

PBL过程中,学生对项目情景的建立越接近真实工程环境,其对知识的整体性理解效果越好。擂台赛在很大程度上是为了通过教师、学生的打擂来帮助学生构建尽可能详细、真实的工程情景,将教师和其他学生放到工程项目需求方的位置上来对项目设计进行考评。

擂台赛的攻擂信息主要是其他小组学生的挑战、指导教师的提问,以及工程实际案例的引入。其中工程实际案例的引入主要由指导教师来完成,工程实际案例来自各航空公司的维修实践,指导教师通过不定期的校企技术交流或企业调研,收集航空公司维修维护过程中遇到的导航系统的故障问题及解决方案,形成资源库,在打擂过程中根据项目要求及设计目标适时插入,将其补充到对学生设计方案的提问中,引导学生对这些问题的思考及设计防范。

工程案例的引入为学生的项目设计增添了工程现实意义。例如,针对2017年某架飞机的GPS接收机出现GPS日期错误的问题引导学生思考GPS接收机定位计算时,初始时间确定的问题,分析机载GPS接收机与飞行管理计算机以及惯性基准组件之间的信号传输关系,使学生理解导航数学计算与工程显示的关系。通过大气数据系统气压高度差值过大告警问题引导学生分析飞机的机动飞行对气压测量的影响,从而分析传感器位置及安装方式对气压高度测量系统精度的影响,在设计中应该如何考虑。这些问题在学生独立项目设计过程中通常很容易被忽视。通过擂台挑战的形式将这些隐秘的问题提出,便于学生在项目方案设计中就考虑到这些问题,避免设计漏洞,提高项目的工程完备性。

擂台赛过程中,学生为寻找攻擂问题的解决方案会去查阅大量相关资料,促使项目设计方案逐步从模糊到清晰,再到完善,接近工程实际环境。这个过程锻炼了学生工程设计的系统化思维、工程思维以及沟通协作能力。但这个过程对教师的工作要求以及参考资料的需求会比较苛刻,要求教师投入大量时间关注每个小组的设计方案,并在恰当的时机提出恰当的工程实践问题。

“导航原理与系统”课程的擂台赛持续一个多月。一个多月的攻擂与守擂,各项目小组对本组项目的功能及性能目标日渐清晰,项目设计方案逐步完善,功能需求转化为具体的功能模块,并明确了不同模块的功能及技术指标,各模块的实现技术及模块间接口关联关系,为设计方案的实现提供了明确的实施方法及路线。

2.3 擂台赛有效推进的保障措施

为充分发挥擂台赛的作用,鼓励项目小组成员积极参与到擂台赛中,并提出充足、有效的挑战问题,课程指导教师综合考虑设计了项目题目及设计要求,并制定了擂台赛实施规则,分别从攻擂问题的数量、质量,守擂的回答的要求等几个方面做了规定,并将其作为判定小组成绩和成员个人成绩的参考依据。

项目题目尽可能覆盖所有导航参数的测量及计算,每个小组的设计方案要求包括该导航参数测量系统的设计思路,以及所要实现的功能(功能要求应能符合飞机各种情况下对导航参数的要求)。项目设计方案可以选用现有飞机导航系统所采用的方案,也可以设计新的实现方案。质疑问题要深入到所有飞行阶段及飞行状况,可以是具体功能问题,也可以是详细的技术指标。

1) 攻擂要求

攻擂是为了引导学生尽可能地多地参与到项目设计过程中,并尽可能广泛地覆盖所学知识,从而实现对所有飞机导航系统的理解与掌握。

所有学生都可以对其他任意项目组的设计方案提出质疑并发问,被提问组必须给出相应的答复,必要时修改或补充完善设计方案。设计方案以及问题应答可以被多次质疑,如果项目组发现自己的方案无法满足功能要求,则需要更改设计方案。

指导教师可以随时对项目组的设计方案提出质疑,教师对每个小组质疑的问题不能超过5个,但是,针对项目小组前一个质疑问题回答得不完善或不清楚的追加问题不在5个问题之列。

2) 守擂终止

守擂终止规定是为了确保攻擂问题都得到有效解决。因此要求守擂成员必须对攻擂问题做出回答,只有当问题得到圆满回答,没有新的质疑出现时,才算一个守擂的完成;如果守擂小组发现现有方案无法解决攻擂问题,可以放弃原方案,重新进行方案设计,则针对原方案的问题自动作废;擂台赛讨论到期后所有问题自动结束,但未回答的问题会作为无效守擂问题计入成绩计算中。

3) 擂台赛评分规则

为确保学生有效参与,多数参与到擂台赛中,项目小组擂台赛中的攻擂提问及守擂应答的数量和质量计入到成绩中,限定教师提问数量是为了给学生提供更多的参与机会,同时确保在打擂冷场或跑偏时及时干预。

擂台赛成绩计入到课程最终成绩,成绩评定综合考虑小组设计方案、守擂回答的质量以及对其他小组的攻擂质疑贡献,所有攻擂及守擂都是指有效质疑与回答,成绩由三部分组成。

设计方案及守擂成绩(A):根据设计方案以及守擂应答的数量及正确率给定。被质疑问题的数量不超过10个作为基准满分,如果被质疑问题超过10个(预示着设计方案不详细或可行性低),则每超过2个问题,成绩会相应地降低10%,由此给出基于质疑问题数量的成绩,再根据问题回答的正确率进一步调整成绩。

攻擂成绩(B):根据本小组成员有效攻擂问题相对所有攻擂问题(教师的除外)数量的百分比确定成绩,提出5个及以上有效质疑问题的小组中,问题最少的小组成绩为60分,其他组的成绩在60分的基数上增加本组成员有效攻擂问题百分比×40。攻擂问题低于5个的小组成绩为攻擂问题个数×10。

小组成员互评成绩(C):小组根据各成员在擂台赛方案设计和守擂问题回答中的贡献给出小组成员互评成绩。

每位学生擂台赛的最终成绩为:0.5A+0.3B+0.2C。成绩的给定方式调动了学生攻擂与守擂的热情,也由此带动了学生对项目设计的时间及精力投入。

3 擂台赛数据采集及分析

擂台赛持续一个月,指导教师对项目成果进行了定性与定量分析,并与前几学期未增加擂台赛环节的教学进行了对比。整体来看,经过擂台赛后形成的项目设计方案论证较充分,项目各组成模块的功能及模块间关联关系明确,项目小组成员之间任务划分明确,相互之间的沟通也比较畅通,项目参与度较以往有所提高。与没有经过擂台赛环节的项目设计工作相比,设计进展明显加快,设计过程中的讨论也更顺畅有效。

以卫星导航小组的设计为例,项目设计任务划分了四个模块:接收机输出信息处理模块,导航定位计算模块,导航定位性能分析模块以及全球导航星系统民航应用的分析模块。小组成员利用GPS接收模块获取导航电文信息及测距信息,用Matlab软件计算卫星的位置以及接收机的位置,并根据数据输出分析接收机接收卫星数量的变化,导航定位精度与卫星数量、高度角之间的关系,分析了基于性能的导航运行情况下,卫星导航所面临的问题以及相应的解决方案。项目实现效果良好,对于GPS在民航中的应用更合理。答辩过程中,学生回答问题的效果相对更令人满意。

整个擂台赛期间,学生发起或回复打擂讨论92条,全部讨论136条,涉及几乎所有的导航参数或系统。部分问题的解决方案超出授课教师预期,出现了可喜的效果。擂台赛打擂信息如表2所示。

将设置擂台赛的项目设计与未设擂台赛过程的项目设计成绩进行比较,数据归一化处理后可以看出:设置擂台赛过程对项目设计效果有一定的提升,尤其是在项目的工程适用性及完备性方面,有较好的提升。但由于擂台赛占用了一定的时间,项目设计时间被压缩,整体成绩提升并没有显著提高。

课程结束后,任课教师对项目的执行过程进行了满意度调查。问卷调查将满意度设置为5个等级,分别为1-几乎没有、2-很小、3-中等、4-较大、5-非常大,进行分数统计。统计结果如图5所示。

图5 擂台赛满意度调查

70%以上的学生认为,如果项目设计时间适当延长一下,则设计效果会更好。随着擂台赛时间的增长,项目小组对本组项目设计完备性的满意度逐渐增加,但很明显还有可以改进的空间。

4 结语

针对PBL教学过程中学生项目设计的完备性及工程适用性经验不足的问题,“导航原理与系统”课程通过项目设计擂台赛的形式进行改进。结果显示擂台赛可以极大地调动学生项目参与的热情和深度,教师的有意识引导可以促进学生对工程真实运行环境的认识,并将其引入到项目设计中,提高项目设计的完备性,对培养学生良好的工程设计习惯有较好的促进作用。