劉美麗 孔令真 陳家慶 韓嚴和

北京石油化工學(xué)院 北京 102617

0 引言

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

以學(xué)生為中心的教學(xué)范式，其關(guān)鍵是實現(xiàn)從以“教”為中心向以“學(xué)”為中心轉(zhuǎn)變，即從“教師將知識傳授給學(xué)生”向“讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造知識”轉(zhuǎn)變，從“傳授模式”向“學(xué)習模式”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)合當前大學(xué)生是新時代網(wǎng)絡(luò)“原住民”、個性張揚、活力無限的特點，在流體力學(xué)的教學(xué)過程中，以信息化技術(shù)為載體，以培養(yǎng)學(xué)生愿學(xué)習、會思考、能解決問題為重點，以鼓勵學(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

流體力學(xué)課程的特點是理論性強、多學(xué)科融合、內(nèi)容抽象難懂，因此對學(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、無法形成完整的知識體系，是學(xué)生學(xué)習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，經(jīng)過反復(fù)研討后提出了教學(xué)內(nèi)容模塊化、學(xué)習活動分層次、教學(xué)評價多樣性的教學(xué)模式，如圖1所示，其中教學(xué)內(nèi)容模塊化是實現(xiàn)新教學(xué)模式的前提，學(xué)習活動分層次是實施新教學(xué)模式的關(guān)鍵，教學(xué)評價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

1.1 教學(xué)內(nèi)容模塊化

首先要求授課教師對課程發(fā)源發(fā)展、知識體系內(nèi)容、前沿動態(tài)趨勢有較為深入的把握和理解，能夠高屋建瓴地化繁為簡、削枝存干，以幫助學(xué)生理清課程脈絡(luò)，而非總處于“不識廬山真面目，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)容來看，其主要包括靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(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看，其主要有理論分析、實驗測試和計算流體力學(xué)數(shù)值模擬三種，目前的課程內(nèi)容以理論分析和實驗測試為主；從流動現(xiàn)象認知來看，流體運動主要包括運動狀態(tài)描述、運動規(guī)律分析和運動現(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)生增強對課程內(nèi)容內(nèi)在關(guān)聯(lián)性以及整體邏輯性的認識，獨立又相互關(guān)聯(lián)的模塊有利于學(xué)生形成個性化的認知結(jié)構(gòu)。

1.2 學(xué)習活動分層次和教學(xué)評價多樣化

學(xué)習活動分層次和教學(xué)評價多樣化方面，要求授課教師對課程內(nèi)容特點屬性、學(xué)生學(xué)習習慣和認知規(guī)律有較為深入的理解，能夠因地制宜、因勢利導(dǎo)，設(shè)計合適的教學(xué)活動。課程小組以學(xué)生為中心，強調(diào)學(xué)生能力培養(yǎng)而不是知識獲得，設(shè)計了自學(xué)和講授、課內(nèi)和課外、共性和個性相結(jié)合的教學(xué)活動。對概念和理論等知識性內(nèi)容，采用學(xué)生課前自學(xué)、線上測評、教師課上釋疑等方式進行教學(xué)；對知識和理論應(yīng)用等內(nèi)容，采用課上案例教學(xué)、課下學(xué)生分析設(shè)計的方式開展教學(xué)；對理論知識的再創(chuàng)造等內(nèi)容，以視頻資料、文獻調(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)知識在科技自然等領(lǐng)域的神奇力量，促進其內(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（內(nèi)容的實用、實踐和實效性）、四結(jié)合（主動與被動、課內(nèi)和課外、共性和個性、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、開放共享的特點，建立了“整體概貌—自主探索—分析應(yīng)用—自我修復(fù)—評價創(chuàng)造”五部分學(xué)習資源，構(gòu)筑課內(nèi)課外相結(jié)合的泛在學(xué)習環(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)習進度和內(nèi)容的關(guān)聯(lián)；以課程視頻作為課前學(xué)習資料，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習基礎(chǔ)概念和難度較小的內(nèi)容，設(shè)計測試活動，評價學(xué)生自學(xué)效果，同時為教師掌握內(nèi)容難點和易錯點提供參考；制作教學(xué)課件，著重分析重點和難點，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)生自我對標、修復(fù)提升的習慣和能力；收集與流體力學(xué)相關(guān)的科技科普資料，形成雜談趣聞實例庫，激勵學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造；設(shè)置課前測試、課堂討論/頭腦風暴、課后作業(yè)和項目學(xué)習等活動，保證教、學(xué)、評的一致性。

圖2 支撐泛在學(xué)習環(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)校知識空間、學(xué)習維度空間與學(xué)科結(jié)構(gòu)空間的壁壘，提供了豐富的學(xué)習資源，實現(xiàn)了最大參與性，提高了靈活性，增強了社交能力和互動性，也拓寬了學(xué)科相融和動態(tài)反饋特征，從統(tǒng)計情況來看，學(xué)生的學(xué)習參與度大幅提高，完成所有學(xué)習活動的學(xué)生比例達91%。通過構(gòu)筑以學(xué)生為中心的泛在學(xué)習環(huán)境，培養(yǎng)了學(xué)生獨立自主學(xué)習的能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習興趣，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“教師將知識傳授給學(xué)生”向“讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造知識”轉(zhuǎn)變。因此結(jié)合信息化手段，設(shè)計了隔堂對分和項目式學(xué)習等不同的學(xué)習活動，以實現(xiàn)授課教師和學(xué)生共同參與、協(xié)同共進的授課模式。

隔堂對分是復(fù)旦大學(xué)張學(xué)新教授[6]提出的對分課堂的一種形式。該授課模式將知識講授和互動討論分為兩部分，要求學(xué)生主動獲取知識，帶著問題進行討論，非常適合有實踐環(huán)節(jié)的課程。因此，圍繞流動阻力和水頭損失，結(jié)合“污水管道與泵站設(shè)計”實踐環(huán)節(jié)，課程小組設(shè)計了圖3所示的隔堂對分授課模式。學(xué)生在課前通過課程視頻自主學(xué)習該單元的知識，理解水頭損失的分類、產(chǎn)生位置和計算方法，并完成預(yù)習測試，同時留言學(xué)習過程中遇到的難點和問題；授課教師在上課之前根據(jù)測試和留言情況掌握學(xué)生學(xué)情，重點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，并對沿程阻力損失的計算方法進行歸納分類，幫助學(xué)生深度理解阻力損失的應(yīng)用和相關(guān)計算；授課教師提出“如何減少水頭損失”和“如何計算管路水頭損失”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)計中；學(xué)生課下完成污水提升管道的管徑、管長、位置和轉(zhuǎn)向等設(shè)計，確定所需閥門、變徑和彎頭等連接件，計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)計和布管理念，講解阻力損失計算的方法、過程和結(jié)果，進行教師點評（占60%）和學(xué)生互評（占30%），并評選確定最優(yōu)設(shè)計方案；學(xué)生根據(jù)討論過程進行修正改進（占10%）。通過對分課堂，學(xué)生的積極性和主動性大幅提高，在交流討論的過程中逐步將知識內(nèi)化為能力。

圖3 隔堂對分授課活動設(shè)計

圖4 項目式學(xué)習內(nèi)容和學(xué)習環(huán)節(jié)設(shè)計[3]

項目式學(xué)習不僅可以訓(xùn)練學(xué)生分析和解決問題的能力，而且可以培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作精神。因此，近年來逐漸延伸至整個教學(xué)領(lǐng)域[7]。項目式學(xué)習要求學(xué)生完成選題、分析、實施和解決整個過程，為理論知識和工程實踐搭建橋梁，所以采用項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，授課教師重點講授量綱分析和相似原理在實際過程中的應(yīng)用原理和方法。按照學(xué)習計劃，學(xué)生5人一組，每組設(shè)一名組長，負責統(tǒng)籌分配任務(wù)、組織學(xué)習活動和聯(lián)絡(luò)授課教師；每組選擇一個工程實際問題，例如“虹吸模型實驗設(shè)計”、“沉砂池模型實驗設(shè)計”和“船模實驗設(shè)計”等，通過文獻閱讀、問題分析、師生交流等活動完成整個項目內(nèi)容，即從工程實際到模型實驗的整個設(shè)計過程；在撰寫報告和答辯時，體現(xiàn)出如圖4所示的設(shè)計和應(yīng)用過程。通過項目式學(xué)習，學(xué)生深刻理解了量綱分析和相似原理在實驗研究中的作用，并完成知識重構(gòu)和轉(zhuǎn)化，為后續(xù)開展學(xué)習奠定了基礎(chǔ)。

4 教學(xué)評價和教學(xué)效果

信息化技術(shù)大幅提高了多環(huán)節(jié)形成性評價的可實現(xiàn)性。采用多樣性評價環(huán)節(jié)，充分利用信息技術(shù)發(fā)布學(xué)習資源、開展活動并及時統(tǒng)計學(xué)生學(xué)習數(shù)據(jù)，同時根據(jù)學(xué)生情況調(diào)整教學(xué)活動、加強學(xué)生思想引導(dǎo)。通過多環(huán)節(jié)形成性評價，不僅可以了解學(xué)生的學(xué)習狀態(tài)，還可以了解學(xué)生的思想動態(tài)，切實從知識傳授到能力培養(yǎng)轉(zhuǎn)變，并適時進行價值引導(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)習方式，大幅提高了學(xué)生的學(xué)習興趣，完成所有學(xué)習活動的學(xué)生比例從63%提升至91%，說明課程改革明顯提升了學(xué)生的學(xué)習積極性。從期末測試成績來看，改革前后學(xué)生的優(yōu)良率從17.86%提升至50%，說明學(xué)生的學(xué)習效果隨著積極性的提高明顯提升。從學(xué)生評教結(jié)果來看，學(xué)生對課程資料、課程的理解和掌握，以及知識面拓寬等方面的認可從79.63%提高至92.59%。從結(jié)課問卷調(diào)查來看，學(xué)生普遍認識到流體力學(xué)知識在工程實踐中的重要性，堅定了學(xué)好專業(yè)、為祖國建設(shè)貢獻力量的決心。

5 結(jié)束語

基于互聯(lián)網(wǎng)+構(gòu)建了以學(xué)生為中心的泛在學(xué)習環(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)容特點設(shè)計了對分課堂和項目式學(xué)習等教學(xué)活動，并組織了多樣化的形成性評價環(huán)節(jié)。由學(xué)生學(xué)習效果和學(xué)生評教結(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)習目標，把握學(xué)習進度并掌握理論知識和工程實際之間的相互聯(lián)系，學(xué)生的積極性、參與度、學(xué)習能力和愛國情懷均得到了大幅提升。