以學(xué)生為中心的流體力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐*

劉美麗 孔令真 陳家慶 韓嚴(yán)和

北京石油化工學(xué)院 北京 102617

0 引言

能源化工、環(huán)境保護(hù)等過(guò)程通常會(huì)涉及流體或者包含固體的兩相/多相流動(dòng)問(wèn)題，因此流體力學(xué)在很多工科專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)課程體系中的地位非常重要[1]。尤其對(duì)于環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生而言，水污染控制工程、大氣污染控制工程等專(zhuān)業(yè)必修課程中，污染治理技術(shù)和設(shè)備的學(xué)習(xí)都涉及流體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2]。為了培養(yǎng)適應(yīng)國(guó)家發(fā)展需求的高水平環(huán)保人才，前期針對(duì)北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程專(zhuān)業(yè)流體力學(xué)課程教學(xué)方式單一、學(xué)生課堂主動(dòng)性低等問(wèn)題，教學(xué)小組結(jié)合中國(guó)工程教育專(zhuān)業(yè)認(rèn)證的最新要求進(jìn)行了教學(xué)改革[3]。但隨著智能化時(shí)代物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等對(duì)教育模式的沖擊以及新工科建設(shè)對(duì)教學(xué)提出的新要求，結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”等信息技術(shù)，開(kāi)展以學(xué)生為中心的教學(xué)改革勢(shì)在必行。

以學(xué)生為中心的教學(xué)范式，其關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)從以“教”為中心向以“學(xué)”為中心轉(zhuǎn)變，即從“教師將知識(shí)傳授給學(xué)生”向“讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造知識(shí)”轉(zhuǎn)變，從“傳授模式”向“學(xué)習(xí)模式”轉(zhuǎn)變[4]。根據(jù)本校建設(shè)高水平應(yīng)用型大學(xué)、打造首善之區(qū)工程師搖籃的辦學(xué)定位，結(jié)合當(dāng)前大學(xué)生是新時(shí)代網(wǎng)絡(luò)“原住民”、個(gè)性張揚(yáng)、活力無(wú)限的特點(diǎn)，在流體力學(xué)的教學(xué)過(guò)程中，以信息化技術(shù)為載體，以培養(yǎng)學(xué)生愿學(xué)習(xí)、會(huì)思考、能解決問(wèn)題為重點(diǎn)，以鼓勵(lì)學(xué)生“做中學(xué)”為手段，構(gòu)建了以學(xué)生為中心的線上線下混合式教學(xué)模式。

1 教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化與設(shè)計(jì)

流體力學(xué)課程的特點(diǎn)是理論性強(qiáng)、多學(xué)科融合、內(nèi)容抽象難懂，因此對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)要求較高[5]。此外，學(xué)情調(diào)研發(fā)現(xiàn)，缺少邏輯主線、無(wú)法形成完整的知識(shí)體系，是學(xué)生學(xué)習(xí)困難的另一主要因素。因此，教學(xué)小組深入挖掘課程內(nèi)容特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)研討后提出了教學(xué)內(nèi)容模塊化、學(xué)習(xí)活動(dòng)分層次、教學(xué)評(píng)價(jià)多樣性的教學(xué)模式，如圖1所示，其中教學(xué)內(nèi)容模塊化是實(shí)現(xiàn)新教學(xué)模式的前提，學(xué)習(xí)活動(dòng)分層次是實(shí)施新教學(xué)模式的關(guān)鍵，教學(xué)評(píng)價(jià)多樣化是保障新教學(xué)模式的導(dǎo)向。

圖1 課程內(nèi)容邏輯分析和教學(xué)模式設(shè)計(jì)

1.1 教學(xué)內(nèi)容模塊化

首先要求授課教師對(duì)課程發(fā)源發(fā)展、知識(shí)體系內(nèi)容、前沿動(dòng)態(tài)趨勢(shì)有較為深入的把握和理解，能夠高屋建瓴地化繁為簡(jiǎn)、削枝存干，以幫助學(xué)生理清課程脈絡(luò)，而非總處于“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”的狀態(tài)和境地。從流體力學(xué)的課程內(nèi)容來(lái)看，其主要包括靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)三大理論模塊，其余內(nèi)容可視為理論模塊的拓展應(yīng)用；從研究手段和方法來(lái)看，其主要有理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬三種，目前的課程內(nèi)容以理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試為主；從流動(dòng)現(xiàn)象認(rèn)知來(lái)看，流體運(yùn)動(dòng)主要包括運(yùn)動(dòng)狀態(tài)描述、運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析和運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象應(yīng)用。構(gòu)建模塊清晰的內(nèi)容邏輯關(guān)系，有助于學(xué)生增強(qiáng)對(duì)課程內(nèi)容內(nèi)在關(guān)聯(lián)性以及整體邏輯性的認(rèn)識(shí)，獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的模塊有利于學(xué)生形成個(gè)性化的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

1.2 學(xué)習(xí)活動(dòng)分層次和教學(xué)評(píng)價(jià)多樣化

學(xué)習(xí)活動(dòng)分層次和教學(xué)評(píng)價(jià)多樣化方面，要求授課教師對(duì)課程內(nèi)容特點(diǎn)屬性、學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣和認(rèn)知規(guī)律有較為深入的理解，能夠因地制宜、因勢(shì)利導(dǎo)，設(shè)計(jì)合適的教學(xué)活動(dòng)。課程小組以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生能力培養(yǎng)而不是知識(shí)獲得，設(shè)計(jì)了自學(xué)和講授、課內(nèi)和課外、共性和個(gè)性相結(jié)合的教學(xué)活動(dòng)。對(duì)概念和理論等知識(shí)性內(nèi)容，采用學(xué)生課前自學(xué)、線上測(cè)評(píng)、教師課上釋疑等方式進(jìn)行教學(xué)；對(duì)知識(shí)和理論應(yīng)用等內(nèi)容，采用課上案例教學(xué)、課下學(xué)生分析設(shè)計(jì)的方式開(kāi)展教學(xué)；對(duì)理論知識(shí)的再創(chuàng)造等內(nèi)容，以視頻資料、文獻(xiàn)調(diào)研和自我總結(jié)為媒介，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)流體力學(xué)知識(shí)在科技自然等領(lǐng)域的神奇力量，促進(jìn)其內(nèi)在轉(zhuǎn)化。目前，課程小組已建立了基于互聯(lián)網(wǎng)+的兩維（教師和學(xué)生）、三實(shí)（內(nèi)容的實(shí)用、實(shí)踐和實(shí)效性）、四結(jié)合（主動(dòng)與被動(dòng)、課內(nèi)和課外、共性和個(gè)性、形成性和終結(jié)性相結(jié)合）的線上線下混合式教學(xué)模式，提高了教學(xué)效果。

2 泛在課程資源構(gòu)筑

利用互聯(lián)網(wǎng)靈活便捷、開(kāi)放共享的特點(diǎn)，建立了“整體概貌—自主探索—分析應(yīng)用—自我修復(fù)—評(píng)價(jià)創(chuàng)造”五部分學(xué)習(xí)資源，構(gòu)筑課內(nèi)課外相結(jié)合的泛在學(xué)習(xí)環(huán)境，如圖2所示。具體而言，繪制了課程內(nèi)容思維導(dǎo)圖，幫助學(xué)生了解課程的整體輪廓，明確學(xué)習(xí)進(jìn)度和內(nèi)容的關(guān)聯(lián)；以課程視頻作為課前學(xué)習(xí)資料，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)基礎(chǔ)概念和難度較小的內(nèi)容，設(shè)計(jì)測(cè)試活動(dòng)，評(píng)價(jià)學(xué)生自學(xué)效果，同時(shí)為教師掌握內(nèi)容難點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)提供參考；制作教學(xué)課件，著重分析重點(diǎn)和難點(diǎn)，并結(jié)合案例培養(yǎng)學(xué)生的分析應(yīng)用能力；錄制課后作業(yè)解答視頻、共享優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)資源，培養(yǎng)學(xué)生自我對(duì)標(biāo)、修復(fù)提升的習(xí)慣和能力；收集與流體力學(xué)相關(guān)的科技科普資料，形成雜談趣聞實(shí)例庫(kù)，激勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造；設(shè)置課前測(cè)試、課堂討論/頭腦風(fēng)暴、課后作業(yè)和項(xiàng)目學(xué)習(xí)等活動(dòng)，保證教、學(xué)、評(píng)的一致性。

圖2 支撐泛在學(xué)習(xí)環(huán)境的課程資源

互聯(lián)網(wǎng)打破了傳統(tǒng)教學(xué)存在的學(xué)校知識(shí)空間、學(xué)習(xí)維度空間與學(xué)科結(jié)構(gòu)空間的壁壘，提供了豐富的學(xué)習(xí)資源，實(shí)現(xiàn)了最大參與性，提高了靈活性，增強(qiáng)了社交能力和互動(dòng)性，也拓寬了學(xué)科相融和動(dòng)態(tài)反饋特征，從統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度大幅提高，完成所有學(xué)習(xí)活動(dòng)的學(xué)生比例達(dá)91%。通過(guò)構(gòu)筑以學(xué)生為中心的泛在學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立自主學(xué)習(xí)的能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并提升了學(xué)生的創(chuàng)新精神。

3 多元化課程講授模式探索

“以學(xué)生為中心”的關(guān)鍵是從“教師將知識(shí)傳授給學(xué)生”向“讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造知識(shí)”轉(zhuǎn)變。因此結(jié)合信息化手段，設(shè)計(jì)了隔堂對(duì)分和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等不同的學(xué)習(xí)活動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)授課教師和學(xué)生共同參與、協(xié)同共進(jìn)的授課模式。

隔堂對(duì)分是復(fù)旦大學(xué)張學(xué)新教授[6]提出的對(duì)分課堂的一種形式。該授課模式將知識(shí)講授和互動(dòng)討論分為兩部分，要求學(xué)生主動(dòng)獲取知識(shí)，帶著問(wèn)題進(jìn)行討論，非常適合有實(shí)踐環(huán)節(jié)的課程。因此，圍繞流動(dòng)阻力和水頭損失，結(jié)合“污水管道與泵站設(shè)計(jì)”實(shí)踐環(huán)節(jié)，課程小組設(shè)計(jì)了圖3所示的隔堂對(duì)分授課模式。學(xué)生在課前通過(guò)課程視頻自主學(xué)習(xí)該單元的知識(shí)，理解水頭損失的分類(lèi)、產(chǎn)生位置和計(jì)算方法，并完成預(yù)習(xí)測(cè)試，同時(shí)留言學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的難點(diǎn)和問(wèn)題；授課教師在上課之前根據(jù)測(cè)試和留言情況掌握學(xué)生學(xué)情，重點(diǎn)講授沿程阻力損失和局部阻力損失的區(qū)別和聯(lián)系，建立流態(tài)和沿程阻力損失的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并對(duì)沿程阻力損失的計(jì)算方法進(jìn)行歸納分類(lèi)，幫助學(xué)生深度理解阻力損失的應(yīng)用和相關(guān)計(jì)算；授課教師提出“如何減少水頭損失”和“如何計(jì)算管路水頭損失”讓學(xué)生討論和思考，并將討論結(jié)果應(yīng)用于后續(xù)污水提升管道的設(shè)計(jì)中；學(xué)生課下完成污水提升管道的管徑、管長(zhǎng)、位置和轉(zhuǎn)向等設(shè)計(jì)，確定所需閥門(mén)、變徑和彎頭等連接件，計(jì)算得到污水提升管的阻力損失；在第二課堂中學(xué)生講述自己的設(shè)計(jì)和布管理念，講解阻力損失計(jì)算的方法、過(guò)程和結(jié)果，進(jìn)行教師點(diǎn)評(píng)（占60%）和學(xué)生互評(píng)（占30%），并評(píng)選確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；學(xué)生根據(jù)討論過(guò)程進(jìn)行修正改進(jìn)（占10%）。通過(guò)對(duì)分課堂，學(xué)生的積極性和主動(dòng)性大幅提高，在交流討論的過(guò)程中逐步將知識(shí)內(nèi)化為能力。

圖3 隔堂對(duì)分授課活動(dòng)設(shè)計(jì)

圖4 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)[3]

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)不僅可以訓(xùn)練學(xué)生分析和解決問(wèn)題的能力，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神。因此，近年來(lái)逐漸延伸至整個(gè)教學(xué)領(lǐng)域[7]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)要求學(xué)生完成選題、分析、實(shí)施和解決整個(gè)過(guò)程，為理論知識(shí)和工程實(shí)踐搭建橋梁，所以采用項(xiàng)目式授課模式講授量綱分析與相似原理部分。同樣，學(xué)生首先自學(xué)課程視頻，授課教師重點(diǎn)講授量綱分析和相似原理在實(shí)際過(guò)程中的應(yīng)用原理和方法。按照學(xué)習(xí)計(jì)劃，學(xué)生5人一組，每組設(shè)一名組長(zhǎng)，負(fù)責(zé)統(tǒng)籌分配任務(wù)、組織學(xué)習(xí)活動(dòng)和聯(lián)絡(luò)授課教師；每組選擇一個(gè)工程實(shí)際問(wèn)題，例如“虹吸模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”、“沉砂池模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”和“船模實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)”等，通過(guò)文獻(xiàn)閱讀、問(wèn)題分析、師生交流等活動(dòng)完成整個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，即從工程實(shí)際到模型實(shí)驗(yàn)的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程；在撰寫(xiě)報(bào)告和答辯時(shí)，體現(xiàn)出如圖4所示的設(shè)計(jì)和應(yīng)用過(guò)程。通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，學(xué)生深刻理解了量綱分析和相似原理在實(shí)驗(yàn)研究中的作用，并完成知識(shí)重構(gòu)和轉(zhuǎn)化，為后續(xù)開(kāi)展學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

4 教學(xué)評(píng)價(jià)和教學(xué)效果

信息化技術(shù)大幅提高了多環(huán)節(jié)形成性評(píng)價(jià)的可實(shí)現(xiàn)性。采用多樣性評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，充分利用信息技術(shù)發(fā)布學(xué)習(xí)資源、開(kāi)展活動(dòng)并及時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)學(xué)生情況調(diào)整教學(xué)活動(dòng)、加強(qiáng)學(xué)生思想引導(dǎo)。通過(guò)多環(huán)節(jié)形成性評(píng)價(jià)，不僅可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，還可以了解學(xué)生的思想動(dòng)態(tài)，切實(shí)從知識(shí)傳授到能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，并適時(shí)進(jìn)行價(jià)值引導(dǎo)。

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為課程教學(xué)提供了豐富的資源、多樣性的教學(xué)手段和靈活的學(xué)習(xí)方式，大幅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，完成所有學(xué)習(xí)活動(dòng)的學(xué)生比例從63%提升至91%，說(shuō)明課程改革明顯提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。從期末測(cè)試成績(jī)來(lái)看，改革前后學(xué)生的優(yōu)良率從17.86%提升至50%，說(shuō)明學(xué)生的學(xué)習(xí)效果隨著積極性的提高明顯提升。從學(xué)生評(píng)教結(jié)果來(lái)看，學(xué)生對(duì)課程資料、課程的理解和掌握，以及知識(shí)面拓寬等方面的認(rèn)可從79.63%提高至92.59%。從結(jié)課問(wèn)卷調(diào)查來(lái)看，學(xué)生普遍認(rèn)識(shí)到流體力學(xué)知識(shí)在工程實(shí)踐中的重要性，堅(jiān)定了學(xué)好專(zhuān)業(yè)、為祖國(guó)建設(shè)貢獻(xiàn)力量的決心。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于互聯(lián)網(wǎng)+構(gòu)建了以學(xué)生為中心的泛在學(xué)習(xí)環(huán)境，梳理了明確的課程內(nèi)容邏輯關(guān)系，根據(jù)課程內(nèi)容特點(diǎn)設(shè)計(jì)了對(duì)分課堂和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等教學(xué)活動(dòng)，并組織了多樣化的形成性評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)。由學(xué)生學(xué)習(xí)效果和學(xué)生評(píng)教結(jié)果可知，新的教學(xué)模式有利于學(xué)生更好地理解課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，把握學(xué)習(xí)進(jìn)度并掌握理論知識(shí)和工程實(shí)際之間的相互聯(lián)系，學(xué)生的積極性、參與度、學(xué)習(xí)能力和愛(ài)國(guó)情懷均得到了大幅提升。