風洞實驗直播教學方法研究

賈永霞, 顧 斌, 徐勝金

(1. 清華大學 航天航空學院 教育部應用力學重點實驗室, 北京 100081；2. 清華大學 力學國家級實驗教學示范中心, 北京 100081； 3. 河北清華發(fā)展研究院, 河北 廊坊 065000)

風洞是研制飛行器、汽車、高鐵等快速移動工具的空氣動力學問題的地面科研實驗平臺,圍繞風洞可開展諸多新穎、有趣、高價值的科學研究實驗和教學實驗。用實驗的方法演繹空氣動力學理論可以使學生更加深刻地認識和理解流動物理機制。學生不僅學習了風洞實驗技術,也了解了空氣動力學的工程應用。因此,風洞實驗教學通常是各個高校中流體力學、空氣動力學、湍流、實驗室探究、大學生科學研究訓練計劃等課程的重要實驗教學與實踐內容。

然而,風洞是一種大型、貴重、稀缺的實驗設備,不可能像其他小型實驗臺一樣布置多臺。由于教學課時的原因,風洞實驗教學現場學生人數通常較多,學生聽課注意力下降、容易分心,看不清楚實驗細節(jié),教學過程走馬觀花只是看個新鮮。這不僅降低學生的學習興趣,也嚴重地浪費了教學資源。以我校航天航空學院的1.2 m風洞為例,風洞建設在廊坊市,距離大學校園89 km,每次上課,學生需要乘坐大巴,大約1.5 h的路程到實驗室聽課。風洞現場空間十分有限,學生不得不擠在風洞前面聽教師講課,大多數學生很難觀察到實驗細節(jié),在一定的程度上影響了教學效果,降低了風洞實驗教學的質量。 按照課堂教學的5個層次:安靜(silence)、回答(answer)、對話(dialogue)、批判 (critical)和爭辯(debate)作為評價標準,即便任課教師再努力,風洞實驗現場教學所能達到的層次也不會超過“對話”這層境界。

習近平總書記在黨的十九大報告明確提出：新時代高等教育的任務是實現內涵式發(fā)展[1]。教育的內涵式發(fā)展可以具體到每一堂授課的效果。習近平總書記還指出,創(chuàng)新是引領發(fā)展的第一動力,是建設現代化經濟體系的戰(zhàn)略支撐。當前,互聯網+教育、信息技術與教育教學深度融合,線上線下的深度融合將必然引發(fā)更為深刻的教與學的變革。基于上述指導思想,風洞實驗教學也應該在授課方式、授課設計上積極爭取創(chuàng)新。大型風洞實驗平臺現場授課方式只有通過創(chuàng)新,才能使風洞實驗課具有新的生命力。

為了解決上述問題,本文利用網絡直播方法,應用高清攝影和遠程直播信息化技術,配合劇本式的教學環(huán)節(jié)設計,將遠程控制的風洞實驗呈現于實踐教學課堂,開展了風洞實驗直播的一種新型實踐教學嘗試。直播課堂是信息化教學模式[2](包括媒體教學模式、翻轉課堂模式、遠程直播模式和實景對接模式等多種模式)中遠程教育模式的一種教學方法[3],是基于網絡和信息技術、流媒體技術與教學模式變革的新型教學方法[4]。直播教學是將教學思想和信息技術有機結合起來,實現異地同堂的一種模式[2-5]。通過將智能化信息技術與實踐教學課程有機結合,能夠很大程度上優(yōu)化實踐教學,實現教學課堂與實踐平臺的遠程互動,推動實踐教學改革。將信息技術與實踐教學整合是進行實踐教學改革并改革其教學結構的突破點[6]。通過創(chuàng)造新型教學環(huán)境,改變以教師為中心的傳統教學結構,創(chuàng)設新型的主導-主體相結合的教學結構,使大學創(chuàng)新人才培養(yǎng)的目標落到實處[7-9]。基于“視頻+語音”實時交互平臺的網絡直播課堂跨越空間的限制, 擴大了教學規(guī)模[10]。對于國家級力學實驗教學示范中心,承擔著諸多實驗教學任務,學生人數多且空間有限,設計一套實驗教學直播系統尤為適合[11]。

本文針對我校1.2 m風洞實驗教學實踐,搭建直播教學系統,設計劇本式的直播課堂教案,通過實際授課檢驗這種風洞實驗教學方法的效果。文章結構安排如下:第一部分介紹風洞直播教學系統的軟硬件組成及工作原理；第二部分介紹直播教學教案的劇本式設計方法；第三部分對風洞直播教學效果進行了分析并對進一步提高教學質量進行了展望。

1 直播系統構成及工作原理

風洞實驗教學直播系統由直播硬件、傳輸軟件和課程流程設計方案組成。直播硬件包括5個方位布置的、可移動及轉動的高清攝像機,服務器和網絡連接設備組成。攝像機安裝在可控制的移動支架上,可自動或手動實現攝像機的平面運動。攝像機自身可進行±360°的轉動,這樣,攝像機能實現不同空間位置、不同角度的拍攝。在課程直播中,安裝在實驗室的5臺高清攝像頭從各個角度對實驗現場進行拍攝,通過開放網絡會議軟件(Team Viewer)將實時畫面?zhèn)骰亟淌一蛘邔W生的筆記本計算機。根據教學的需求,任課教師可以通過語音對話或者文字通知地處廊坊的風洞實驗室的操作人員切換不同的鏡頭,也可以遠程操控攝像頭,對工作人員進行指揮,完成不同的實驗操作,結合實物教學和實驗的實際效果,教師從不同角度講授實驗測量。

在課程直播中,教師和學生利用校園網絡并通過網絡會議平臺(本套系統采用開放軟件Team Viewer)與實驗室建立遠程鏈接,教師以網絡會議主持者身份,控制遠程端服務器并指引實驗人員進行實驗操作,進而實現實時通信與互動。教師也可以授予學生部分控制權,以便讓學生能在自己的計算機上查看實驗細節(jié)。教學課堂中的師生互動的音頻與視頻、遠程實驗室的音頻與視頻以及電子白板等均可以通過網絡會議平臺進行在線直播與分享。直播系統工作原理如圖1所示。利用網絡會議軟件Team Viewer與實驗人員互動并實時指揮控制實驗,同時可以實時傳遞音頻、視頻及數據文件。在科學研究實驗室中,全角度拍攝科學實驗的攝像系統軟件與進行科學實驗的硬件設備系統軟件由同一服務器控制,其中5臺1920×1080高清分辨率攝像頭由IVMS-4200軟件控制,實現拍攝位置變化、拍攝細節(jié)放大等功能。教師客戶端與實驗設備之間通過Team Viewer、實驗室服務器、實驗設備主機形成三層遠程控制鏈接,教師可通過遠程課程會議平臺接收拍攝信息,并向學生展示實時實驗,并通過此三層遠程直接對實驗設備發(fā)布指令,在一定程度上實現了智能操作。

2 風洞實驗教學直播教案設計與教學過程

2017年4月7日上午,在我校第6教室6A313,通過本科生“飛行器基礎實驗”課對這套系統進行了實際授課實驗,實驗結果表明,授課取得了良好的教學效果[12]。

圖1 風洞實驗直播教學系統

在本次實驗課上,風洞實驗教學直播課程以“后掠翼翼型三維邊界層的實驗測量”為例對直播系統進行了實際測試,現場執(zhí)行了直播授課教案,并對學生進行了教學效果的調查,綜合教學過程的相關環(huán)節(jié)進行了效果評估。首先,授課教師向教學課堂上的學生介紹關于后掠翼邊界層流動的基本理論知識,并展示后掠翼邊界層內的速度分布規(guī)律及橫流渦結構特點；然后,向學生介紹測量邊界層速度的智能化熱線風速儀系統,此測量系統由Dantect熱線風速儀、180 mm長焦鏡頭微距鏡頭及高精度位移坐標架組成,可以高效、智能、精確地采集邊界層內的速度分布。學生通過直播平臺能仔細查看這些系統的實物。隨后,教師向學生開啟遠程課程會議平臺,并通過遠程控制攝像系統向學生實時展示風洞實驗室的高清畫面。課堂學生通過遠程會議平臺在個人計算機上參與風洞實踐課程,可以實時控制攝像系統和數據采集測量系統,進行遠程風洞實驗。圖2給出風洞實驗直播系統傳輸的風洞實驗畫面。

圖2 風洞實驗直播系統傳輸的實驗畫面

實驗測量結束后,學生可以通過遠程課堂會議平臺下載實驗數據及基于Matlab開發(fā)的實驗數據后處理可視化軟件(見圖3),根據課堂要求,學生隨堂或課下自行處理實驗數據,并進行機理分析。課堂上,教師還授權學生可以在個人筆記本計算機終端查看風洞實驗的各個細節(jié)(見圖4)。以上的授課過程是事先進行劇本式設計的結果。

圖3 可視化數據處理軟件

圖4 學生在個人終端進行風洞實驗的直播畫面

本次風洞實驗教學直播,在有限的時間內向學生全方位地展示了風洞中后掠翼翼型三維邊界層精細測量的整個實驗過程,比平時風洞實驗現場授課時間節(jié)省了3學時的時間。避免了由于路程遙遠學生往返實驗室和學校所花的大量時間,在節(jié)省人力物力的同時還規(guī)避了諸如交通意外等風險。通過控制攝像機找到自己感興趣的位置,學生可以觀察到平時很難在授課現場看到的細節(jié),大大提高了大型稀缺的風洞實驗設備的使用效果。通過直播,學生能夠觀察到實驗的每個細節(jié)。在本次課堂上,學生的表現比平時活躍、討論熱烈,并對觀察到的實驗細節(jié)進行質疑,使課堂效果提升了很多。

3 風洞實驗直播教學效果分析及展望

風洞實驗直播教學模式是新型實踐教學模式的一種成功探索,將科學研究實驗引入學生的實踐課堂,增強教師與學生的科學探究性互動、互信性,深度融合了“教”與“學”,更多地讓學生成為課堂的中心,努力實現價值塑造、能力培養(yǎng)和知識傳授三者結合的教學理念。學生在課堂學習中不僅獲得了本次授課的知識,也了解了教育教學的創(chuàng)新思維,接受綜合運用知識的理念,對未來人格培養(yǎng)、能力培養(yǎng)都有積極的促進作用。概括起來,本次教學嘗試有幾下幾點收獲:

(1) 風洞實驗直播教學方法引入本科實踐教學中,突破授課平臺的時空限制,擴大教學輻射面,提高稀缺、貴重實驗平臺的利用率和使用效果。這種教學方法可以推廣到其他大型實驗教學平臺,這將是各高校大型實驗平臺資源共享于本科實踐教育的途徑。

(2) 風洞實驗直播教學改變了傳統實踐教學理念,引入信息化技術,將教學課堂與遠程直播實驗相結合,學生足不出戶即可對校外的風洞實驗室內正在進行的科研實驗進行全面的了解和認識,大大節(jié)省了時間和教學成本,教學效果相比風洞實驗現場教學毫不遜色。通過視頻、音頻和文本的實時交互,可以讓學生深入到實驗現場,“親身體驗”風洞實驗的每一個流程；通過精心布置攝像系統,向學生展現了風洞實驗的每個細節(jié)；通過遠程操作實驗、共享實驗數據,進一步提高了學生對實驗的參與感,強化了學生對實驗測量技術的掌握,加深了學生對流體力學實驗研究的理解,進而激發(fā)和培養(yǎng)了學生的科學探究興趣。風洞實驗直播課堂的整個過程可以培養(yǎng)和提高學生的科學探究素養(yǎng),幫助學生了解和認識科學研究工作的真實狀況,有利于培養(yǎng)學生發(fā)現問題、解決問題的能力。

(3) 風洞實驗直播技術在實踐教學課堂中的成功應用,為建立智能化的實驗室提供了新的思路和改革方向。通過促進高校信息技術與實踐課程更深層次的融合,極大程度地優(yōu)化了本科生實踐教學,是改革實踐教學結構的突破點,將推動本科實踐教學改革的進程。直播實踐教學憑借豐富的數字化教學資源和各種交互工具、認知工具的有力支持,培養(yǎng)了學生的探究精神和創(chuàng)新精神。

總之,遠程直播環(huán)境下的實踐課程教學打破了傳統實踐教學模式,同時也突破了傳統遠程教學無法實現有效的溝通和交流的局限,是新型的實踐教學模式的一次有效嘗試。風洞實驗直播教學課堂可以錄制為完善的教學視頻,轉變?yōu)槟徽n,實現資源共享。當然,本教學方法仍有很大的提升空間,例如如何在技術上實現不同學生的個人終端同時工作；如何提升網絡圖像視頻的傳播速度,縮小課堂與實驗現場的延遲；如何更合理地設計授課環(huán)節(jié),使學生更加感興趣；如何快速錄制視頻并進行后期制作等,在這些方面,仍有很長的路要走。

致謝:感謝清華大學本科教育改革項目“遠程風洞實驗系統”的資助，感謝研究生于沿及宋琨同學在系統搭建、課程設置中對本文的貢獻。

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[12] 于沿,宋琨.“直播”助力清華航院風洞實驗教學[EB/OL].(2017-04-12)[2017-09-15].http://news.sina.com.cn/o/2017-04-12/doc-ifyecfnu8235969.shtml.