基于五星教學(xué)原理的《無形邊界層的丈量之法》微課設(shè)計探索

黃河峽，譚慧俊

（南京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院，江蘇 南京 210016）

0 引言

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，社交媒體和移動通信技術(shù)日益成熟，教育資源的形式也呈現(xiàn)出微型化和碎片化的特點，越來越多的在線課程網(wǎng)站，如：國外的edX、Coursera、Udacity，以及國內(nèi)的中國大學(xué)MOOC、網(wǎng)易云課堂、慕課、學(xué)堂在線等平臺在發(fā)揮知識共享、全民在線學(xué)習(xí)等方面起到了非常重要的作用，對于提高教學(xué)質(zhì)量、拓展專業(yè)能力等提供了一種全新的、信息化、便捷式的途徑和方法。其中，微課作為一種短時知識講解形式，一般視頻的時間在5～12分鐘左右，具有知識點單一、情景化等特征，是典型的“少而精”的知識呈現(xiàn)方式[1]，打破了知識學(xué)習(xí)和講授在時間和空間上的限制，在高等教育在線教學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的運用[1-4]。特別是在2020年疫情發(fā)生以來，微課作為線上教學(xué)的一種有益補(bǔ)充方式，在幫助學(xué)生加深知識點的理解方面起到了重要作用[5-6]，如：北京航空航天大學(xué)通過制作課程微課，搭建在線學(xué)習(xí)平臺，并結(jié)合線下課程輔導(dǎo)，發(fā)揮線上和線下教學(xué)的優(yōu)勢，改善了傳統(tǒng)機(jī)械制造基礎(chǔ)課程實驗的教學(xué)效果。南京理工大學(xué)將微課應(yīng)用到《混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程》的課程建設(shè)中，讓學(xué)生更加靈活、自主地開展知識學(xué)習(xí)。上海交通大學(xué)將任務(wù)驅(qū)動法、問題引導(dǎo)法應(yīng)用到醫(yī)學(xué)類微課教學(xué)設(shè)計中。

工程流體力學(xué)課程是航空航天類、能源動力類、機(jī)械類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，教學(xué)的主要內(nèi)容包括：流體靜力學(xué)、流體運動學(xué)、流體動力學(xué)、邊界層理論以及可壓縮空氣動力學(xué)相關(guān)知識。該課程相比于經(jīng)典固體力學(xué)，學(xué)習(xí)難度更大，不僅要求學(xué)生有較好的物理基礎(chǔ)、理論力學(xué)、材料力學(xué)基礎(chǔ)，還對學(xué)生的高等數(shù)學(xué)功底，特別是微積分相關(guān)理論提出了很高的要求。中國礦業(yè)大學(xué)提出了線上線下相結(jié)合的工程流體力學(xué)教學(xué)模式。沈陽工程學(xué)院探索采用基于學(xué)習(xí)產(chǎn)出的教育模式OBE的工程流體力學(xué)教學(xué)模式，以期改善學(xué)生的工程應(yīng)用能力。根據(jù)筆者近5年來的實踐教學(xué)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每年《工程流體力學(xué)》課程卷面成績不足60分的學(xué)生占到了20%左右，掛科率在各科專業(yè)課程中排名靠前。對于教師而言，這門課的教學(xué)資源非常陳舊，很多的教學(xué)視頻素材都是20世紀(jì)拍攝的。因此，從教師的角度而言，如何把知識點清晰地、有層次性地展示給學(xué)生也是一個極大的挑戰(zhàn)。為此，充分發(fā)揮微課的優(yōu)勢，并應(yīng)用五星教學(xué)原理開展工程流體力學(xué)課堂教學(xué)設(shè)計，從實際的教學(xué)需求出發(fā)來設(shè)計優(yōu)質(zhì)的微課。

1 五星教學(xué)原理的釋義及其主要流程

五星教學(xué)原理最早是由美國著名教育技術(shù)理論家和教育心理學(xué)家M.DavidMerrill教授提出的，它為教師的教學(xué)制定了詳細(xì)的步驟：首先聚焦解決問題（Question），然后激活舊知（Activation）、示證新知（Demonstration）、應(yīng)用新知（Application）和融會貫通（Integration）構(gòu)成。該教學(xué)原理是目前一直被推崇的一種教學(xué)模式，受到教育界的高度關(guān)注，尤其是給在線教學(xué)、多媒體教學(xué)以及E-learning學(xué)習(xí)提供了一種實用的教學(xué)方法。

2 基于五星教學(xué)原理開展課程設(shè)計的主要原則

2.1 始終堅持以學(xué)生為主體的原則

基于五星教學(xué)原理的教學(xué)設(shè)計關(guān)鍵在于堅持以學(xué)生為主體，宏觀把握教學(xué)內(nèi)容，將教學(xué)重點和難點分解、細(xì)化、具象化，使得流體力學(xué)知識點的講解更加符合學(xué)生的邏輯思維與學(xué)習(xí)興趣。具體而言，從教學(xué)目標(biāo)的制定，到教學(xué)過程的系統(tǒng)化設(shè)計，再到教學(xué)任務(wù)的層次化分解需著重考慮學(xué)生的現(xiàn)有基礎(chǔ)、認(rèn)知能力以及學(xué)習(xí)風(fēng)格。建立課后學(xué)情反饋渠道，通過布置綜合性的測驗，全面檢查學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并注重和學(xué)生的交流，反饋學(xué)生的問題，使得教師可以全面徹底地了解每一位學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，并因材施教，及時解決學(xué)生的困惑。

表1 《無形邊界層的丈量之法》教學(xué)設(shè)計案例

2.2 堅持以教師為教學(xué)主導(dǎo)的原則

信息化技術(shù)發(fā)展的微課，教師僅需一次錄制好微課視頻，無須再反復(fù)講述相同的知識點，可在一定程度上減輕教師授課工作量，但這并不意味著教師可以從學(xué)生的教學(xué)活動中省略。學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)的脈絡(luò)需要有教師的引導(dǎo)，方能高效實現(xiàn)。基于五星教學(xué)原理的在線課堂和線下課程一樣，需要教師做精心準(zhǔn)備，錄制優(yōu)質(zhì)的微課、制作精煉的教學(xué)任務(wù)清單；結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，合理設(shè)計學(xué)習(xí)方式；課后依托學(xué)習(xí)通、企業(yè)微信平臺等對學(xué)生延伸練習(xí)的結(jié)果進(jìn)行反饋和交流。上述所有流程均是在以教師為主導(dǎo)的原則下進(jìn)行的。

2.3 始終堅持教學(xué)過程完整性的原則

本文基于五星教學(xué)基本原理，以《無形邊界層的丈量之法》知識點為應(yīng)用案例，通過分解各個階段的不同學(xué)習(xí)內(nèi)容，各個環(huán)節(jié)之間保持協(xié)調(diào)、層次性和邏輯性。在課程設(shè)計過程中通過全局把握教學(xué)任務(wù)，環(huán)繞“激活舊知”“示證新知”“應(yīng)用新知”和“融會貫通”四個不同而又相互關(guān)聯(lián)的教學(xué)序列，層次化、逐步遞進(jìn)地呈現(xiàn)知識點，提升課堂教學(xué)效果。

2.4 始終堅持理論聯(lián)系實踐的原則

工程流體力學(xué)是一門集理論性、實踐性于一體的基礎(chǔ)力學(xué)課程，除了要求學(xué)生能夠理解課程中的基本物理概念之外，學(xué)生能夠主動、靈活運用課程的知識點，特別在未來航空航天飛行器、發(fā)動機(jī)設(shè)計過程中，知識的運用非常重要。基于五星教學(xué)原理的教學(xué)設(shè)計突出的特色就是讓學(xué)生能結(jié)合實際的航空航天工程問題，開展實踐，達(dá)到知識的靈活運用和正向遷移。且涉及的任務(wù)工作量很大，需要群體一起完成，學(xué)生在實踐中不僅可以提升自己對航空航天的興趣，還可實現(xiàn)合作性學(xué)習(xí)，最終共同進(jìn)步。

3 基于五星教學(xué)原理的微課教學(xué)設(shè)計實例詳細(xì)分析

基于五星教學(xué)原理，對工程流體力學(xué)課程中《邊界層理論》這一章節(jié)中邊界層特性及厚度定義方法相關(guān)的知識點開展了詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計，具體的設(shè)計過程如表1所示。

4 五星教學(xué)原理對微課教學(xué)設(shè)計的啟示

4.1 聚焦問題情境

基于五星教學(xué)原理，在課堂教學(xué)中需創(chuàng)設(shè)能夠吸引學(xué)生興趣的問題情境。因此，在本次課堂教學(xué)之前，先播放我國首部空戰(zhàn)電影《空天獵》，講述我軍通過眼鏡蛇快速機(jī)動迅速扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)局，成功將敵機(jī)趕出國門的案例。結(jié)合案例講述大機(jī)動飛行時，進(jìn)氣道-發(fā)動機(jī)匹配的困難與危害，引出邊界層隔道，建立起邊界層隔道和邊界層厚度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為后續(xù)教學(xué)埋下鋪墊。

4.2 激活原有流體力學(xué)知識

根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，教師設(shè)問讓學(xué)生開展頭腦風(fēng)暴，引導(dǎo)學(xué)生回顧之前已經(jīng)掌握的一些流體力學(xué)基本概念，并結(jié)合邊界層的基本概念自主提出定量描述邊界層厚度的方法。

4.3 展示論證新知-邊界層名義厚度和位移厚度

本環(huán)節(jié)是整個教學(xué)過程的關(guān)鍵。聚焦本次課的知識點-邊界層名義厚度和位移厚度，通過大量的CFD仿真動畫、圖片以及實測的邊界層速度剖面，講述邊界層名義厚度的定義和位移厚度的定義。通過具象的展示手法，幫助學(xué)生對邊界層以及邊界層厚度的度量建立起宏觀的概念。

4.4 結(jié)合典型案例應(yīng)用所學(xué)知識

教師講述完知識點之后，學(xué)生是否掌握需要及時反饋。應(yīng)用雨課堂等在線教學(xué)軟件，現(xiàn)場發(fā)布“等截面等直管道不可壓流動，受近壁邊界層的影響，管道核心流流沿流動方向的變化”這一問題。學(xué)生在規(guī)定的時間內(nèi)完成選擇，通過雨課堂可立馬了解學(xué)生對所學(xué)知識的掌握情況，教師針對幾種錯誤和正確的選項做具體的分析。

4.5 知識點的融會貫通—知識遷移與綜合訓(xùn)練

教師圍繞層流和湍流這兩種典型流態(tài)速度邊界層，布置一個綜合性的課后訓(xùn)練作業(yè)，要求學(xué)生一方面能判斷兩類邊界層位移厚度的大小關(guān)系，還要求學(xué)生能結(jié)合編程語言，定量計算出兩類邊界層位移厚度的具體數(shù)值，形成一個通用性的計算程序/軟件，該程序/軟件對于指導(dǎo)學(xué)生未來從事相關(guān)專業(yè)都大有裨益。

5 總結(jié)

本文基于五星教學(xué)原理針對《工程流體力學(xué)》課程中無形邊界層的丈量之法這一知識點開展具體的設(shè)計。即首先結(jié)合情境向?qū)W生呈現(xiàn)問題，學(xué)生開展頭腦風(fēng)暴、激活已有的流體力學(xué)知識，主動思考定量表征的方法，教師順勢結(jié)合豐富的流場動畫、圖片等信息化資源開展新知的示證，并開展課堂練習(xí)。對學(xué)生的掌握情況實測，最后布置綜合性訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會融會貫通、知識遷移。基于上述流程，教學(xué)內(nèi)容層層遞進(jìn)，加深了學(xué)生對知識點的理解，培養(yǎng)了學(xué)生對于從事航空航天的興趣，拓展了學(xué)生的知識邊界與知識類比遷移能力，收到了有益的教學(xué)反饋。上述教學(xué)設(shè)計方法也可以應(yīng)用于其他工科基礎(chǔ)類課程教學(xué)改革的探索中。