翻轉課堂在高等流體力學教學中的應用

潘麗萍，王 強*，譚方關，梁 雄，賀 鑄

（武漢科技大學鋼鐵冶金與資源利用省部共建教育部重點實驗室 湖北 武漢 430081）

高等流體力學課程目標是使學生掌握流體力學的基本理論、基本計算方法、基本實驗技能，能在工程實際中初步應用相關知識。通過該課程的學習，學生可以初步具備分析和解決實際流體力學問題的能力，掌握流體問題計算的基本方法，并具備一定的計算能力，為學習后續專業課程、從事專業技術工作和進行科學研究打下良好的基礎。在以往的教學中，教師多都是采用傳統課堂教學模式，“填鴨式”地給學生灌輸理論知識，這樣難以培養學生運用流體力學理論解決工程問題的能力。如冶金企業中鋼鐵連續鑄造中間包和轉爐型鐵合金精煉過程側吹轉爐，化工連續重整用的徑向移動床反應器等設備運行時氣液、液液、氣固、液固兩相，甚至氣固液三相流體的傳動量、傳熱和傳質等問題的求解，目前多采用經驗公式進行理論計算。但由于實際物理問題涵蓋動量傳輸、傳熱、傳質等現象，求解過程煩瑣，且大量的簡化假設使得求解結果精確度不高。因此，學生很難通過理論學習獲得相應工程問題的解析，傳統的課本知識及課堂模式已經無法滿足學生的學習需求。

翻轉課堂（Flipped Classroom）最初是解決學困生無法完成學習目標的問題。在教學過程中，教師試行開展同伴教學，在課堂學習中增強學生的互動和討論，以提高學生的思考能力和學習積極性。美國學者Maureen等在2000年正式提出“翻轉課堂”的學術概念，2007年，美國科羅拉多州的化學教師Jonathan Bergmann和Aaron Sams開始嘗試讓學生在家看學習視頻和資料，而將課堂上的時間用來讓學生完成作業或實驗，同時教師為學生學習提供輔導和幫助。這種教學方式將“課上聽課—課下完成作業/實驗”轉換為“課下聽課—課上完成作業/實驗/輔導”，即將傳統的學習模式“顛倒”，翻轉課堂由此而來。我國的翻轉課堂教學模式改革于2011年開始，雖然我國引入翻轉課堂教學理念的時間較短，但智慧樹、超星等學習平臺為翻轉課堂提供了豐富的網絡教學資源。翻轉課堂以學生學習為中心，符合人本主義學習理念；突出問題的研討，符合人類的認知規律；突出教師的專業化發展，符合教育工作的要求；突出學習的針對性，有利于教學質量和效果的提高。在慕課背景下，翻轉課堂如雨后春筍般發展起來。

高等流體力學的課程也采用了翻轉教學模式。本文著手研究翻轉課堂在高等流體力學教學中的應用，以期對進一步深化高等流體力學教學改革提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象和研究分組

選取熱能與動力專業與冶金工程專業2019級及2020級學生共計66人，其中2019級33人，采用傳統教學方法教學，2020級33人為實驗組，采用翻轉課堂教學。課程結束考核，按照平時成績30%與考試成績70%的比例統計，發現兩組間學生成績平均分相差1.9分，基本無差異。

1.2 研究方法

采用傳統授課方式教學的參照組，學生課前無須任何準備工作。在課堂上，教師針對流體的基本性質、流體的運動、微分形式的控制方程、積分形式的控制方程、量綱分析與相似原理、流體的平衡、不可壓縮黏性流體內流及外流、CFD數值模擬簡介、幾何建模與網格劃分、數值求解與邊界條件和CFD數字模型等知識點展開教學，學生課下完成教師布置的案例練習。

實驗組采取翻轉課堂教學模式，根據大綱要求，教師錄制360分鐘微課視頻，分解為46個。為提高學生的學習興趣，每個視頻控制在5―10分鐘，涵蓋知識點各個方面，分別在課前1周下達自主學習任務單及課后思考題。課前1天下發課后測試題、問卷調查。這樣教師既可以檢查學生對基礎知識的掌握情況也，能進一步明確學生的學習需求。實驗組授課分為4個環節：①教師根據學生們提出的疑問及知識欠缺點進行答疑解惑，串聯相關知識點，幫助學生鞏固基礎知識，完善知識儲備；②各小組討論并展示，分別描述方程及理論的應用條件，進而培養學生的科研思維能力；③由教師實際操作相關案例的計算，并與學生配合完成；④教師再次總結整節課的內容，加深學生學習印象。此外，課后學生可繼續通過學習通與教師交流。具體授課模式如圖1所示。

圖1 翻轉課堂授課模式

1.3 評價方法

兩組均采用案例測試和問卷調查進行評價，在課程結束后兩組均統一試卷測試。在課程結束后填寫問卷調查表對教學方法進行評價。

2 研究結果

2.1 教學方法評價

實驗組94%的同學認為，相比于傳統教學模式，翻轉課堂能激發學生的求知欲望，調動他們的學習主動性。課堂上教師講解的知識點都是針對性的，課下練習也用得著，這樣在提高學生的自主學習能動性的同時，也強化了學生解決問題的能力。相比較而言，參照組79%的同學希望能夠體驗新的教學方式。

2.2 考試成績分析

平時成績以每次反饋的課堂作業記分，考試成績按判斷題、選擇題和簡答題3種題型進行，滿分為100分（見表1）。

表1 課程測試成績分析

2.3 分組討論分析

在課堂上，授課教師將實驗組33人分成3組，每組學生做一個與專業相關的應用匯報。課前要求每組學生準備15分鐘PPT，在課堂上選擇一位成員進行匯報。評分標準包括口頭表述能力、邏輯性、知識點相關性及PPT制作水平四個方面。

從圖2（p64）可以看出，“實驗組”學生口頭表述能力最佳，PPT制作水平其次，邏輯性和知識點相關性還需要進一步提高。同時，實驗組學生普遍認為，充分準備后分組匯報有利于鍛煉和提升上述能力。他們不再是簡單被動地接收知識，而是通過課前查找資料、研究討論等手段主動獲取知識，并在此過程中培養了科研、邏輯思維能力，其自主學習能力和綜合素質得到提升（見圖1）。

圖2 應用匯報分析

2.4 課程滿意度調查

教師在課程結束后對實驗組學生下發調查問卷，針對本次課程改革方式進行評價。結果發現，25.2%的學生表示非常滿意，該模式教學收獲很大。57.5%的學生認為改變課程方式對學習有幫助，與傳統教學模式相比，可以更為高效深入地學習。其余學生則認為沒有幫助，究其原因是他們認為這種學習方式浪費時間，不愿意在課上做PPT匯報，不想參與討論。因此，如何引導學生開展良性討論、建立學生的自信仍需進一步研究。

3 結語

高等流體力學是一門專業性極強的課程，課程內容設置遵循“由淺入深、循序漸進、加強基礎、理論聯系實際”的原則，力求結構嚴謹、重點突出、簡明易學。各個教學環節著重應用流體力學理論知識解析工程中的流動現象，培養學生綜合運用所學知識分析和解決實際工程問題的能力。如今，知識更新速度快，實踐應用性要求更高，這就要求高等流體力學授課進行全新嘗試。翻轉課堂打破了時間空間限制，學習地點和學習資源具有可移動性，有利于學生隨時隨地學習，并且學習資料可以反復利用。高等流體力學教學需要大量的操作案例作為參考，視頻資料可以使學生們更為直觀地學習知識，隨時隨地獲取圖片、視頻、文字等各種類型的學習內容。而教師在課前教學資料的準備和整個課程設計等方向都需要嚴謹的安排。這對教師提升專業素質也是一種考驗。翻轉課堂利用現代信息技術豐富教學資源，通過實踐教學豐富專業內容，提高了學生的學習積極性，有助于提升教學質量。

*通訊作者：王強