擂臺賽對PBL項目設計成果完備性的促進

孫淑光

(中國民航大學 電子信息與自動化學院,天津 300300)

20世紀80年代,為適應創新型人才的培養目標,項目式教學(PBL)在美國大學得到空前發展,并逐漸在全球各國得到推廣[1]。PBL教學模式通過項目設計來培養學生的工程實踐能力、團隊協作能力、交流能力以及領導能力。以項目需求為牽引,引導學生通過查閱資料,利用已掌握的知識,通過團隊協作完成項目設計,使學生從工程應用的角度來理解知識,培養學生使用相關知識和工具解決工程問題的能力,提高工程素養[2-4]。

PBL教學過程中,分析解決問題能力的高低取決于學生及其對知識的掌握程度,項目設計效果與學生分析解決問題的能力有很大關系,但分析解決問題的主動性與完備性卻與教師的引導密切相關[5-7]。在信息來源廣泛、開發平臺智能化、設計輔助工具多源化的今天,如果教師在PBL教學過程中不能激發學生持續探索的意識,確保其項目設計的主動性、自主性及獨立見解,則PBL教學模式將流于形式,學生項目設計過程容易出現知識或資料拼湊的情況,甚至出現類似網絡抄襲等更壞的情況,這不僅不利于學生的知識學習和能力培養,也不利于學生養成良好的工程習慣,對系統性、安全性要求極高的航空航天類學生的工程習慣養成是一個極大的隱患。

1 目的

PBL教學過程分為四個階段:教師出題、學生選題、項目設計過程、項目答辯,如圖1所示。

圖1 PBL教學過程

PBL教學中,項目指導教師提出項目題目并明確項目設計成果要求,學生可以自行組成項目小組,或由指導教師指定學生分組,各小組自行選擇題目或由指導教師指定題目。此后,項目小組通過查閱相關資料,首先進行方案設計,然后利用一定的工具或平臺完成項目設計,確保項目成果滿足指導教師的指標要求,即算完成項目。

項目設計過程中,小組成員需要首先對教師提供的項目需求進行分析,明確所要實現的功能及性能,與之對應的關鍵問題以及各種約束條件,據此確定項目的整體架構(模塊化)及各模塊的指標要求,梳理功能指標的關聯關系,將其轉換為清晰、連續、確定的邏輯和時序架構,并據此尋找解決問題的辦法,這是項目的構思過程。構思過程是項目成敗的關鍵,它直接關系到整個項目工作的可行性及有效性,也關系到項目設計的可靠性和完備性。構思完成后,項目小組將根據系統架構及指標要求,選擇合適的設計工具及接口標準,分別進行各分模塊的軟硬件設計及實現,然后將各模塊組裝聯調,對設計成果進行驗證測試,通過運行觀察和實驗測試來驗證項目設計的正確性和有效性。最后提交設計報告及設計成果,完成項目答辯,由指導教師給出對項目設計成果的評價及成績。整個項目的實施過程及工作主體如圖2所示。

圖2 PBL實施過程及工作主體

工程項目的功能及指標需求與其運行環境有極大的關系,忽視運行環境的設計屬于無效設計,而有些設計項目的應用環境通常比較復雜,尤其是與安全密切相關的航空航天系統。從工程的角度來看,項目組在項目需求分析階段(即構思階段)對項目功能及性能分析的完備性及透徹程度將直接影響項目的設計效果及工程適用性,這也是項目設計質量判定的重要依據。

當學生以學習者的身份開始項目研究時,其對項目應用背景及運行環境的理解往往比較狹窄、單一,容易只關注功能實現而忽視應用環境的復雜性與多樣性。項目小組在接到項目設計任務后,通常會直接進入資料查閱和項目方案設計階段,而忽略對項目需求及運行環境的詳細調研、分析與思考,對產品的運行環境及運行性能,特定環境對設備性能的影響以及可能出現的危害這些問題考慮不周或認識不足,導致項目設計成果缺陷多,運行適用性差,影響成果的完備性。這對工程類學生的培養來說,不僅可能會導致學生知識掌握出現偏離或疏漏,而且還會對學生工程習慣的培養產生不良影響,為未來的設計工作埋下安全隱患,失去PBL教學的真正意圖及優勢。

PBL教學過程中,大部分時間,學生為工作主體,教師作為在學生背后的支持者,起到答疑解惑的作用。而大多數PBL課程中,教師對學生的指導通常是通過周期性、階段性的師生討論交流來進行,但由于種種原因,學生的工作進度通常并非周期性的,這就導致二者之間的有效交流較少或不暢,教師難以發現并及時糾正學生工作過程中存在的問題。另外,PBL教學過程的檢查通常僅有階段性項目進展考核和最終成果評價,發現不完備問題時通常已晚,而學生由于項目時間限制問題,很難或不愿進行徹底修改,導致PBL教學模式的優勢難以得到良好的發揮。

可見,PBL教學模式的過程管理尤其是項目方案設計階段的質疑和引導是影響教學效果的關鍵要素,需要在PBL教學中尤其關注。

基于此,以“導航原理與系統”課程的項目設計為例,關注PBL教學模式中的薄弱環節,嘗試改進教學手段,加強項目研究初期指導教師的引導力度與強度,打破項目設計過程中小組工作封閉的狀態,引入外部刺激要素,激發學生思考意識和參與熱情,將項目評估和改進的關口前移,在項目設計實施之前增加項目設計方案完備性測評環節(擂臺賽),允許教師、其他小組學生參與到項目設計中,尋找設計漏洞,對項目設計方案進行質疑。通過這種方式,將工程實際問題及時充實到項目設計方案中,拓展學生項目需求分析的廣度及深度,確保項目研究的完備性及進展的順暢性。

2 擂臺賽實行方案

根據教育心理學,成功和興趣是推動學生思維發展的重要保證,鼓勵學生自主探索,對其問題做出及時有效的回應,會提高學生的成功感,并保持其探究興趣。為學生提供提問及反駁的機會能有效激發他們的創造性思維及高水平思維[7]。

高等教育工程認證通用標準中也規定,學生在設計/開發解決方案方面,應該能夠設計針對復雜工程問題的解決方案,設計滿足特定需求的系統、單元(部件)或工藝流程,并能夠在設計環節中體現創新意識,考慮社會、健康、安全、法律、文化以及環境等因素[8]。這要求學生必須具備系統化思維能力及全局意識,在PBL教學過程中,為學生提供足夠的提問與被提問,回答與被回答的機會,不僅可以提高學生主動思考的興趣和意識,而且可以培養其思考、解決問題的系統性及完備性,養成良好工程設計習慣。

鑒于上述教育思想及學生培養需求,“導航原理與系統”課程嘗試在PBL項目設計過程中,在學生項目設計實施工作正式開展之前增加了一個切磋交流環節——擂臺賽,具體執行過程如圖3所示。

圖3 “導航原理與系統”課程PBL過程

擂臺賽的目的是利用在線網絡平臺——超星學習通的討論模塊,為學生、教師提供一個虛擬空間的實時交流互動場景,對項目小組的設計方案、疑問等進行實時討論反饋。預期在線實時挑戰式交流可以充分調動學生的興趣和好奇心,以挑戰迎戰的模式激勵學生自主、自動思考問題,逐漸了解工程設計的關鍵要素和實現過程,培養其獨立思考能力、工程設計能力以及交流協作能力。并通過教師引導、同學討論使項目設計更加接近工程實際,確保項目設計的完備性。

根據發展心理學原理,處于相同認知水平的同學之間的略有差異的視點與認知碰撞,會引起各自內部的認知矛盾,而這種認知矛盾的解決將會引起每一個個體內部認知結構的重新構建。項目小組內部成員差異化觀點和認識的碰撞,將促進其各自對問題情境思想內容認識的深化,優化解決問題的思路。而不同項目組之間的挑戰,將為學生提供多視角思考問題的機會,產生集約思維效果,在挑戰其他小組的同時,也為自己小組的問題解決帶來新的思路。而教師在學生的討論發生混亂或出現歧途時,適當指點起到支撐學生討論“腳手架”的作用[9-10]。另外,教師可以在學生討論陷入狹窄空間無路可走時,給予適當的引導,使討論進入更廣更深的領域。

擂臺賽在各小組針對項目設計要求給出初步設計方案之后開始,通過攻擂與守擂的方式開展。各小組作為自己項目的守擂方,而攻擂方為全體指導教師和所有其他小組成員。為確保攻擂與守擂的實時性及便捷性,擂臺賽采取線上線下結合的方式。所有小組的項目題目、設計要求、設計方案以及攻擂、守擂都在超星學習通平臺上進行,學習通平臺討論模塊可以直接上傳、查看有關文檔,并可以在分組模塊下隨時輸入信息,便于攻擂和守擂的問答信息錄入。所有項目信息都是網上公開的,指導教師和學生可以實時在線查看項目組的設計方案,并隨時提出挑戰,而守擂方也可以隨時對挑戰問題做出回答并進行方案修訂。擂臺賽平臺顯示如圖4所示。

圖4 擂臺賽平臺顯示

網絡教學平臺的實時性與靈活性,使學生與學生、學生與教師之間的討論可以隨時開展,避免了線下PBL教學指導教師周期性指導的局限性,使學生的問題可以得到及時的回應,有效保護學生的參與熱情[11-12]。教師和其他學生的實時關注和問題,也可以有效引導研究關注點,避免項目設計的偏離,并通過問題引導項目設計的完備性。項目設計小組可以及時思考分析并修訂設計方案,提高工作進度,持續保持項目設計的熱情。對于復雜問題或線上交流不暢的問題,項目組可以預約指導教師或同學進行線下溝通交流,形式靈活,也更加及時流暢。

通過對指導教師和其他小組同學攻擂問題的回應,項目小組對研究對象的理解進一步加深,對項目真實工程運行環境的考慮更加周全,模塊功能及邏輯關系清晰度得以提高,項目設計方案與工程實際運行環境的吻合度也進一步提高。

另外,在對其他小組研究方案攻擂的過程中,以及查看其他小組的設計方案及守擂應答時,也可以審視本組的設計方案,發現設計漏洞和問題,及時改進完善。各小組成員通過網絡平臺隨時關注各組的進展情況,一定程度上也可以促進小組的工作進度。

2.1 項目(擂臺賽)分組

根據“導航原理與系統”課程的教學內容,課程教師選擇關鍵導航參數的測量作為項目設計主題,提出7個項目,分別涉及飛機姿態、航向的測量以及速度、位置的計算等。學生自行組隊,各小組選擇自己擅長或感興趣的研究項目,每個項目平均1～2組學生。擂臺賽的題目及守擂小組列表如表1所示。

表1 擂臺賽項目列表

擂臺賽內容基本覆蓋“導航原理與系統”課程的關鍵內容,通過小組間的攻擂守擂,使得每個學生不僅要關注本小組的研究內容,也要對其他小組的內容進行研究,以便提出有效的挑戰質疑,在這個過程中,學生可以綜合分析比較不同導航參數的測量方法、方法的優勢及局限性,實現知識的橫向比較和縱向深入,將知識內化為對知識的應用能力。

2.2 項目設計方案完備性的資源支持

PBL過程中,學生對項目情景的建立越接近真實工程環境,其對知識的整體性理解效果越好。擂臺賽在很大程度上是為了通過教師、學生的打擂來幫助學生構建盡可能詳細、真實的工程情景,將教師和其他學生放到工程項目需求方的位置上來對項目設計進行考評。

擂臺賽的攻擂信息主要是其他小組學生的挑戰、指導教師的提問,以及工程實際案例的引入。其中工程實際案例的引入主要由指導教師來完成,工程實際案例來自各航空公司的維修實踐,指導教師通過不定期的校企技術交流或企業調研,收集航空公司維修維護過程中遇到的導航系統的故障問題及解決方案,形成資源庫,在打擂過程中根據項目要求及設計目標適時插入,將其補充到對學生設計方案的提問中,引導學生對這些問題的思考及設計防范。

工程案例的引入為學生的項目設計增添了工程現實意義。例如,針對2017年某架飛機的GPS接收機出現GPS日期錯誤的問題引導學生思考GPS接收機定位計算時,初始時間確定的問題,分析機載GPS接收機與飛行管理計算機以及慣性基準組件之間的信號傳輸關系,使學生理解導航數學計算與工程顯示的關系。通過大氣數據系統氣壓高度差值過大告警問題引導學生分析飛機的機動飛行對氣壓測量的影響,從而分析傳感器位置及安裝方式對氣壓高度測量系統精度的影響,在設計中應該如何考慮。這些問題在學生獨立項目設計過程中通常很容易被忽視。通過擂臺挑戰的形式將這些隱秘的問題提出,便于學生在項目方案設計中就考慮到這些問題,避免設計漏洞,提高項目的工程完備性。

擂臺賽過程中,學生為尋找攻擂問題的解決方案會去查閱大量相關資料,促使項目設計方案逐步從模糊到清晰,再到完善,接近工程實際環境。這個過程鍛煉了學生工程設計的系統化思維、工程思維以及溝通協作能力。但這個過程對教師的工作要求以及參考資料的需求會比較苛刻,要求教師投入大量時間關注每個小組的設計方案,并在恰當的時機提出恰當的工程實踐問題。

“導航原理與系統”課程的擂臺賽持續一個多月。一個多月的攻擂與守擂,各項目小組對本組項目的功能及性能目標日漸清晰,項目設計方案逐步完善,功能需求轉化為具體的功能模塊,并明確了不同模塊的功能及技術指標,各模塊的實現技術及模塊間接口關聯關系,為設計方案的實現提供了明確的實施方法及路線。

2.3 擂臺賽有效推進的保障措施

為充分發揮擂臺賽的作用,鼓勵項目小組成員積極參與到擂臺賽中,并提出充足、有效的挑戰問題,課程指導教師綜合考慮設計了項目題目及設計要求,并制定了擂臺賽實施規則,分別從攻擂問題的數量、質量,守擂的回答的要求等幾個方面做了規定,并將其作為判定小組成績和成員個人成績的參考依據。

項目題目盡可能覆蓋所有導航參數的測量及計算,每個小組的設計方案要求包括該導航參數測量系統的設計思路,以及所要實現的功能(功能要求應能符合飛機各種情況下對導航參數的要求)。項目設計方案可以選用現有飛機導航系統所采用的方案,也可以設計新的實現方案。質疑問題要深入到所有飛行階段及飛行狀況,可以是具體功能問題,也可以是詳細的技術指標。

1) 攻擂要求

攻擂是為了引導學生盡可能地多地參與到項目設計過程中,并盡可能廣泛地覆蓋所學知識,從而實現對所有飛機導航系統的理解與掌握。

所有學生都可以對其他任意項目組的設計方案提出質疑并發問,被提問組必須給出相應的答復,必要時修改或補充完善設計方案。設計方案以及問題應答可以被多次質疑,如果項目組發現自己的方案無法滿足功能要求,則需要更改設計方案。

指導教師可以隨時對項目組的設計方案提出質疑,教師對每個小組質疑的問題不能超過5個,但是,針對項目小組前一個質疑問題回答得不完善或不清楚的追加問題不在5個問題之列。

2) 守擂終止

守擂終止規定是為了確保攻擂問題都得到有效解決。因此要求守擂成員必須對攻擂問題做出回答,只有當問題得到圓滿回答,沒有新的質疑出現時,才算一個守擂的完成;如果守擂小組發現現有方案無法解決攻擂問題,可以放棄原方案,重新進行方案設計,則針對原方案的問題自動作廢;擂臺賽討論到期后所有問題自動結束,但未回答的問題會作為無效守擂問題計入成績計算中。

3) 擂臺賽評分規則

為確保學生有效參與,多數參與到擂臺賽中,項目小組擂臺賽中的攻擂提問及守擂應答的數量和質量計入到成績中,限定教師提問數量是為了給學生提供更多的參與機會,同時確保在打擂冷場或跑偏時及時干預。

擂臺賽成績計入到課程最終成績,成績評定綜合考慮小組設計方案、守擂回答的質量以及對其他小組的攻擂質疑貢獻,所有攻擂及守擂都是指有效質疑與回答,成績由三部分組成。

設計方案及守擂成績(A):根據設計方案以及守擂應答的數量及正確率給定。被質疑問題的數量不超過10個作為基準滿分,如果被質疑問題超過10個(預示著設計方案不詳細或可行性低),則每超過2個問題,成績會相應地降低10%,由此給出基于質疑問題數量的成績,再根據問題回答的正確率進一步調整成績。

攻擂成績(B):根據本小組成員有效攻擂問題相對所有攻擂問題(教師的除外)數量的百分比確定成績,提出5個及以上有效質疑問題的小組中,問題最少的小組成績為60分,其他組的成績在60分的基數上增加本組成員有效攻擂問題百分比×40。攻擂問題低于5個的小組成績為攻擂問題個數×10。

小組成員互評成績(C):小組根據各成員在擂臺賽方案設計和守擂問題回答中的貢獻給出小組成員互評成績。

每位學生擂臺賽的最終成績為:0.5A+0.3B+0.2C。成績的給定方式調動了學生攻擂與守擂的熱情,也由此帶動了學生對項目設計的時間及精力投入。

3 擂臺賽數據采集及分析

擂臺賽持續一個月,指導教師對項目成果進行了定性與定量分析,并與前幾學期未增加擂臺賽環節的教學進行了對比。整體來看,經過擂臺賽后形成的項目設計方案論證較充分,項目各組成模塊的功能及模塊間關聯關系明確,項目小組成員之間任務劃分明確,相互之間的溝通也比較暢通,項目參與度較以往有所提高。與沒有經過擂臺賽環節的項目設計工作相比,設計進展明顯加快,設計過程中的討論也更順暢有效。

以衛星導航小組的設計為例,項目設計任務劃分了四個模塊:接收機輸出信息處理模塊,導航定位計算模塊,導航定位性能分析模塊以及全球導航星系統民航應用的分析模塊。小組成員利用GPS接收模塊獲取導航電文信息及測距信息,用Matlab軟件計算衛星的位置以及接收機的位置,并根據數據輸出分析接收機接收衛星數量的變化,導航定位精度與衛星數量、高度角之間的關系,分析了基于性能的導航運行情況下,衛星導航所面臨的問題以及相應的解決方案。項目實現效果良好,對于GPS在民航中的應用更合理。答辯過程中,學生回答問題的效果相對更令人滿意。

整個擂臺賽期間,學生發起或回復打擂討論92條,全部討論136條,涉及幾乎所有的導航參數或系統。部分問題的解決方案超出授課教師預期,出現了可喜的效果。擂臺賽打擂信息如表2所示。

將設置擂臺賽的項目設計與未設擂臺賽過程的項目設計成績進行比較,數據歸一化處理后可以看出:設置擂臺賽過程對項目設計效果有一定的提升,尤其是在項目的工程適用性及完備性方面,有較好的提升。但由于擂臺賽占用了一定的時間,項目設計時間被壓縮,整體成績提升并沒有顯著提高。

課程結束后,任課教師對項目的執行過程進行了滿意度調查。問卷調查將滿意度設置為5個等級,分別為1-幾乎沒有、2-很小、3-中等、4-較大、5-非常大,進行分數統計。統計結果如圖5所示。

圖5 擂臺賽滿意度調查

70%以上的學生認為,如果項目設計時間適當延長一下,則設計效果會更好。隨著擂臺賽時間的增長,項目小組對本組項目設計完備性的滿意度逐漸增加,但很明顯還有可以改進的空間。

4 結語

針對PBL教學過程中學生項目設計的完備性及工程適用性經驗不足的問題,“導航原理與系統”課程通過項目設計擂臺賽的形式進行改進。結果顯示擂臺賽可以極大地調動學生項目參與的熱情和深度,教師的有意識引導可以促進學生對工程真實運行環境的認識,并將其引入到項目設計中,提高項目設計的完備性,對培養學生良好的工程設計習慣有較好的促進作用。