“海洋動力學與數值模擬”課程翻轉式教學設計*

夏靜敏 史劍 杜輝 張雪艷 郭海龍

（國防科技大學氣象海洋學院 湖南長沙 410003）

引言

隨著現代高等教育模式的不斷深化改革，尤其是“互聯網+”技術的快速發展，傳統單一的課堂教學模式已經無法滿足高素質專業人才的培養要求，這更推動了國防科技大學“以學員為中心，以能力培養為目標”的課堂-課程教學改革，并對高等專業課程發展注重小班化、基于翻轉課堂的線上線下混合式教學。翻轉課堂（flipped classroom）[1]是在當前互聯網信息技術環境中，學員課前下載、學習授課老師所提供的學習資源（如授課視頻、課件等），課中由師生共同完成重難點問題答疑、協作探究與反饋交流等教學活動的一種師生角色轉換的新型教學模式[2，3]，近年來越來越多的課堂嘗試使用翻轉式教學模式，并取得了較好的反饋[4，5]。

“海洋動力學與數值模擬”是國防科技大學海洋科學專業研究生學員選修的一門重要基礎理論課，也是目前海洋科學研究領域國際上通用的研究生課程。這對該領域的科學研究與工程技術工作者具有現實意義，其中海洋動力學為海洋數值模擬提供理論基礎，海洋數值模擬作為海洋科學研究的重要手段。該課程主要講解開展海洋數值模擬所需的動力學模型及相關數值計算方法，培養研究生學員對海洋現象數值模擬的能力，為后續進一步開展海洋科學研究和從事海洋數值預報保障等工作提供理論和實踐支撐。

本文將針對該課程的內容特點，分析傳統“一言堂”式教學存在的問題，并針對這些問題探究如何利用互聯網平臺結合線上學習資源開展翻轉式教學，以期提高學生自主學習、數值預報實踐的能力，提升學員專業素養，適應當前“互聯網+教育”教學模式的改革發展。

一、“一言堂”式傳統教學存在的問題

研究生課程教學不同于本科大學課程教學，具有更強的專業針對性，這對老師和學生的專業知識能力均提出了高標準、高要求，更需要授課老師在傾向傳授科研經驗的同時避免“一言堂”式的教學模式，鼓勵、激發學員充分利用線上資源合作或自主解決問題的能力，有利于研究生學員后續更好地適應科研環境，養成良好的科研習慣。由于“海洋動力學與數值模擬”課程中涉及使學員學習掌握使用COAWST模擬平臺進行海洋環境數值預報的實踐任務和教學目標，因而采用傳統的課堂講解隨后以課后作業的形式要求學員課后熟練操作平臺的教學形式很難滿足學員的學習需求，未能充分考慮到研究生學員對提高專業能力的更高需求，傳統的課堂授課較難發掘出學員對模擬平臺應用中的更深層次問題，不利于培養高水平研究生學員的專業能力。

由于傳統的“海洋動力學與數值模擬”課程教師授課受到線下教學課時的限制，在課堂上僅能在有限的時間內講授課程內容，課中不僅需要考慮學員理解能力的層次水平，也需要結合課堂實際情況實時調整授課速度，從而無法統一學員的課堂初始認知水平，更可能造成對專業重難點問題的不充分講解及演示。例如COAWST模擬平臺的操作需基于部分Linux系統命令但課堂的重點目標應放在使用該系統工具分析海氣耦合數值模擬結果上，因而教員應明確對相關命令語句的掌握程度，并合理調整課堂授課內容，規劃課前自主學習、熟練命令語句的課前任務，避免花費大量時間在課中。

研究生課程內容深、目標遠、要求高、綜合強，這對授課教員的科研能力以及專業水平提出了嚴格要求，因專業課程涉獵面廣且深，教員在授課過程中會遇到來自學員的多種不具備標準答案的問題，而對問題的探討正需要教員開誠布公、引導式地提供可能思考方向，通過學生之間、師生之間的交流與反饋，共同促進師生科研能力的提升。顯然，“一言堂”式教學模式很難在專業研究生課程教學中得到師生互益的效果。

二、實施翻轉式教學的可行性分析

翻轉課堂的應用能與其他傳統的教學手段有機結合，可以幫助學生轉換學習模式，即由“被動灌輸式”向“自主協作式”轉變，有效解決面對專業實踐課程學生課后“時間少”“作業難”“幫助少”的問題[6]。這種新型的教學模式，通過翻轉或反轉傳統課堂上老師負責講、學生認真聽的角色，促使學生占據課堂主導地位，而老師則起到輔助引導的作用，從而重構課堂中的師生定位。同時針對課前學生的自主學習情況，對其中暴露出來的難點疑惑展開啟發式、引導式、討論式解答，促使師生共同探討能力的提高。

結合本課程對研究生學員實踐應用能力以及專業數值預報素養的高標準，實施翻轉式教學模式將重點解決基于海洋環境數值預報平臺COAWST的實踐難題，充分利用課堂內的有限時間，有針對性地解決學員的實操技術問題，引導學員以小組的形式進行協作討論，培養其團體合作的能力。同時由于在互聯網上具有豐富的科研教育資源，可以滿足大多數學員學習個性化的需要，也有利于培養其獨立思考、自主探索的科研能力，符合對研究生學員專業能力的培養目標。

三、翻轉式教學設計

在本文對“海洋動力學與數值模擬”課程翻轉課堂的設計中，將結合美國教育學家Bloom等人[7]提出的教學目標分類法，將學生的認知過程分為下列六個維度，包括記憶（Memorize）、理解（Understand）、應用（Apply）、分析（Analyze）、評價（Evaluate）、創造（Create）。其中，前兩個層次屬于基礎認知能力，而后四個層次則是對高階思考能力的鍛煉。該教學目標分類理論為設計“海洋動力學與數值模擬”課程翻轉式教學提供了新的視角，有利于開展基于小班的啟發式、探究式、討論式教學，將線上線下學習過程有機組織起來，可以更好地為研究生實操課程的學習提供服務。

接下來以翻轉課堂教學模式為框架，結合Bloom教學目標分類法，進行如下具體的教學設計，關于該課程的翻轉式教學設計結構如圖1所示。

圖1 翻轉課堂教學設計結構展示

1.課前準備

（1）由授課教員于課前一周發布下周課堂的學習任務清單，將制作的課件、選取的課程案例、相關教學視頻推送到信息化教學系統的學生端，并以公告的形式告知學生課前預習的相關要求，明確重難點及教學目標。在“海洋動力學與數值模擬”的教學過程中，使用任務驅動和翻轉課堂的教學模式，需要教師對該課程教學內容有較深入的理解。在此教員可按照Bloom分類法里的記憶、理解和運用維度，梳理課堂知識點，構建思維導圖，更好地幫助學員理清知識點脈絡。

（2）教員在任務清單中設置相應的課程相關引導類問題以及關于COAWST模擬平臺的相關實踐操作任務，引導學生循序漸進地開展自主學習，并完成相應的線上預習、學習任務，熟悉掌握接下來一周課堂的必備技能，針對教員所提問題和任務留言并分享結果。授課教員則可通過學生的課前預習反饋、討論情況，調整線下授課課堂教學內容，達到有針對性地解決共性問題的目標。

在課前準備中，教員應注重把握多門學科概念間的系統聯系，便于學員對教學內容的整體性和系統性掌握，注重各章節內容的層層深入，以此為基礎發布任務，使學員先理解動力學框架，后有實踐數值模擬方式的相關任務基礎，便于學員對難度較大的教學內容的理解。

2.課中教學

在線上預習、教學的基礎上，線下面授教學更注重將學員自主學習的知識內化，授課教員將依據課前準備的情況反饋來調整教學內容，開展基于小班的啟發式、探究式、討論式教學，注重培養學員動手能力，將手寫作業與計算機編程實踐有機結合。課中授課主要采取如下進程。

（1）課程開始前需用約五分鐘時間利用長江雨課堂發送給學員部分測試題目，通過此方式來檢測、鞏固學員對基礎知識點的掌握，確保學員自主學習達到預期效果。

（2）授課教員依據總體教學目標，結合及設計合理的課堂分目標，制定聯系緊密、具有邏輯性的學習任務，結合課堂重難點問題舉出實際相關科研案例，引導學員分組分析。在分組學習討論過程中，教員負責對各組情況加以引導并回答學員的思考問題，調動每位學生主動參與討論的積極性，促進學員之間的合作交流，實現課堂教學效益的最大化。

（3）根據課堂時間，隨機或有代表性地選取學習小組分享討論結果，教員則組織學員開展提問，并聽取多名學員的思考情況。教員適時引入與課堂重難點知識相關聯的題目，甚至可以提出探討式問題，激發學員深層次思考，從而達到Bloom教學目標分類法中的分析、評價、創造三層次。

（4）在課堂的最后，由教員總結內容，給出整體思維導圖，方便學員查漏補缺，并請學員一起完成對整體課堂的回顧與自我總結。

3.課程考核說明

本課程考核注重結果考核和過程考核相結合。總分設計100分，其中終結性考核占50%，為課終考試，采用閉卷筆試方式，上完該課程后，統一組織學生期末考試；形成性考核占50%，含實驗報告20%、課堂研討15%、平時作業15%共三個部分，課堂研討部分由教員每次記錄課堂實際討論情況，綜合打分，實驗報告則是基于對COAWST模擬系統的實踐成果完成。

結語

結合海洋科學專業特征及要求，將翻轉課堂引入到教學課堂中是順應當前“互聯網+教育”快速發展趨勢的重要嘗試。本文基于Bloom教學目標分類法，合理設計“海洋動力學與數值模擬”課程的翻轉式教學模式，互換傳統課堂中的師生角色，以學生為主體，激發學生自主學習的積極性及創造性，這對翻轉課堂大趨勢下進行專業課程教學改革具有實踐借鑒意義。