“部分翻轉(zhuǎn)課堂”在“流體力學(xué)”教學(xué)中的應(yīng)用

唐群國+朱龍威+譚瓊

摘 要：文章鑒于翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施需要學(xué)生投入較多時(shí)間的問題，結(jié)合“流體力學(xué)”課程的特點(diǎn)，采用部分翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，將翻轉(zhuǎn)課堂與傳統(tǒng)教學(xué)有機(jī)結(jié)合，對難度較大、推導(dǎo)過程繁雜的內(nèi)容主要采用傳統(tǒng)教學(xué)法，而內(nèi)容相對簡單、便于自學(xué)的內(nèi)容采用翻轉(zhuǎn)課堂。通過建立翻轉(zhuǎn)課堂信息交流平臺，將線上教學(xué)和線下教學(xué)相結(jié)合。對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，部分翻轉(zhuǎn)課堂在不過多增加學(xué)生負(fù)擔(dān)的條件下較好地提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)課堂；流體力學(xué)；機(jī)械專業(yè)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-4107（2017）12-0004-03

一、完全翻轉(zhuǎn)課堂存在的問題

翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式本世紀(jì)初起源于美國，它顛覆了傳統(tǒng)以教師為中心的教學(xué)方法[1-2]，強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教學(xué)過程中的主體地位，注重調(diào)動學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主觀能動性與積極性，教師則更多地充當(dāng)學(xué)習(xí)引導(dǎo)者和討論組織者的角色，課堂上師生互動時(shí)間增加。翻轉(zhuǎn)課堂有利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力以及提出問題、分析和解決問題的能力。因此近年來翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法在全球教育界得到很多關(guān)注和研究，我國大中小學(xué)及職業(yè)教育學(xué)校也開展了許多翻轉(zhuǎn)課堂的探索及實(shí)踐[3-6]，但總的來說在我國的大學(xué)教育中應(yīng)用還較少。

按照翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)理念，在課程學(xué)習(xí)的課前、課中及課后三個(gè)環(huán)節(jié)都需要學(xué)生積極地參與，包括課前預(yù)習(xí)、通過預(yù)習(xí)提出問題、課堂討論、課堂練習(xí)、課后復(fù)習(xí)鞏固及總結(jié)，完成作業(yè)等，教師則主要做好課前預(yù)習(xí)任務(wù)的布置及準(zhǔn)備相應(yīng)的教學(xué)視頻、微課、課件及思考題，策劃組織學(xué)生課堂討論、課堂練習(xí)等。這種把教與學(xué)倒置與以教師為主導(dǎo)的傳統(tǒng)教學(xué)根本不同的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在本文中定義為“完全翻轉(zhuǎn)”。

完全翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式盡管理論上有其充分調(diào)動學(xué)習(xí)者積極性和主動性的特點(diǎn)，但在教學(xué)實(shí)踐中也存在一些問題，其中比較突出的問題是，完全翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法要求學(xué)生課下投入足夠的時(shí)間完成課前自主學(xué)習(xí)的任務(wù)，為了課堂環(huán)節(jié)按計(jì)劃進(jìn)行，要求學(xué)生借助教師提供的導(dǎo)學(xué)材料通過自學(xué)基本掌握要學(xué)習(xí)的知識。學(xué)習(xí)效果在很大程度上取決于學(xué)生的自覺性，即從“要我學(xué)”變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。由于學(xué)生的課下時(shí)間有限，且同時(shí)要上幾門主干課程，為了配合一門課的翻轉(zhuǎn)教學(xué)，往往只能犧牲其他課程的學(xué)習(xí)時(shí)間，最終影響總體的學(xué)習(xí)效果和學(xué)生各門課程的全面協(xié)調(diào)發(fā)展。而學(xué)生在課前學(xué)習(xí)上的自覺性和自律性也常常因人而異，課前學(xué)校的效果還與要學(xué)習(xí)內(nèi)容的難度有直接關(guān)系，當(dāng)學(xué)習(xí)內(nèi)容較難，特別是涉及復(fù)雜的推導(dǎo)過程時(shí)，總有一部分學(xué)生不能按照要求完成課前預(yù)習(xí)，從而影響后續(xù)教學(xué)計(jì)劃的有效執(zhí)行，影響教學(xué)進(jìn)度。從學(xué)生的角度看，特別是大一、大二低年級的學(xué)生，由于接受了多年的傳統(tǒng)教育和應(yīng)試教育，大多數(shù)學(xué)生尚沒有形成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣，對作為新生事物的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)也應(yīng)該有一個(gè)逐漸適應(yīng)的過程。

在開展該項(xiàng)研究之初，通過無記名問卷的方法調(diào)查了解了華中科技大學(xué)2014級機(jī)械專業(yè)兩個(gè)班級對之前上的“機(jī)械制圖”等課程翻轉(zhuǎn)課堂的體會與看法，參與調(diào)查的學(xué)生共51人，從反饋的情況來看，大家對這種教學(xué)方法看法并不統(tǒng)一，很多學(xué)生認(rèn)為翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)盡管有學(xué)生參與度高、在任務(wù)驅(qū)動下學(xué)習(xí)節(jié)奏快等促進(jìn)學(xué)習(xí)的一面，但超過85%的學(xué)生認(rèn)為翻轉(zhuǎn)課堂模式占用了他們太多的課下時(shí)間，導(dǎo)致其他課程學(xué)習(xí)時(shí)間不足，一定程度上影響了其他課程的學(xué)習(xí)。調(diào)查也發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)比例的學(xué)生傾向于接受傳統(tǒng)教學(xué)法，而大部分則選擇本文后面提出的部分翻轉(zhuǎn)課堂法，這也從側(cè)面說明了一個(gè)問題：任何一種教學(xué)方法在使用時(shí)都有其局限性，因?yàn)槊總€(gè)個(gè)體的情況都不盡相同?？梢姺D(zhuǎn)課堂雖然理念新穎，但目前受各種主客觀因素的影響在學(xué)生群體中也并非受到一致歡迎。

按照美國著名心理學(xué)家、教育家布魯姆（Benjamin Bloom）關(guān)于教學(xué)活動目標(biāo)層次理論，教學(xué)活動要實(shí)現(xiàn)的總體目標(biāo)分為認(rèn)知、情感和心理運(yùn)動三大領(lǐng)域，翻轉(zhuǎn)課堂課前學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中學(xué)生對相關(guān)知識的學(xué)習(xí)主要處于認(rèn)知領(lǐng)域的識記、領(lǐng)會和簡單應(yīng)用的最低層次，學(xué)習(xí)內(nèi)容的難度、復(fù)雜程度必然會影響自主學(xué)習(xí)的時(shí)間和效果，內(nèi)容越抽象，難度越大，需要投入的時(shí)間就會越多。我們的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生大多認(rèn)為用于課前自主學(xué)習(xí)的時(shí)間控制在1小時(shí)內(nèi)為宜。因此在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)方法的使用上，我們認(rèn)為不同的課程因?yàn)檎n程內(nèi)容、課程特點(diǎn)及學(xué)習(xí)的難易程度等不同而應(yīng)有所區(qū)別，不宜一刀切。一般來說，對于人文類的或易于理解的內(nèi)容比較適合自學(xué)，但對于理論性強(qiáng)，內(nèi)容抽象，難理解的課程，特別是涉及復(fù)雜推導(dǎo)的內(nèi)容，如果采用傳統(tǒng)教學(xué)為主的方法，從學(xué)生的角度來看時(shí)間效益可能會更好，也有利于學(xué)生統(tǒng)籌安排自己的課下時(shí)間，協(xié)調(diào)其他課程的學(xué)習(xí)進(jìn)度。即使同一門課程，在不同的章節(jié)部分，難易程度通常也會有較大差別，所以在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中應(yīng)根據(jù)課程及內(nèi)容特點(diǎn)，同時(shí)綜合考慮學(xué)生的基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力及總體的課業(yè)負(fù)擔(dān)情況，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和綜合考慮，以求獲得最好的教學(xué)效果，提高學(xué)習(xí)效率。

基于上述考慮，我們提出“部分翻轉(zhuǎn)課堂”的教學(xué)方法。部分翻轉(zhuǎn)課堂就是在一門課程的教學(xué)中，將傳統(tǒng)教學(xué)模式與翻轉(zhuǎn)課堂模式有機(jī)結(jié)合，根據(jù)內(nèi)容難易程度采用相應(yīng)的教學(xué)方法，即使在采用傳統(tǒng)教學(xué)方法時(shí)，也適當(dāng)借鑒翻轉(zhuǎn)課堂的一些好的思想和措施，以充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性。

二、在“流體力學(xué)”教學(xué)中采用部分翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)設(shè)計(jì)

“流體力學(xué)”是大中專院校機(jī)械、土木、能源、船舶、材料、環(huán)境、航空航天等很多專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，學(xué)生通過該課程的學(xué)習(xí)可為后續(xù)相關(guān)專業(yè)課學(xué)習(xí)打下必要的力學(xué)基礎(chǔ)。

目前華中科技大學(xué)“流體力學(xué)”已列為機(jī)械大類專業(yè)平臺課，但所用的教學(xué)方法基本上沿用多年來的以教師為中心的傳統(tǒng)方法，近年來由于培養(yǎng)計(jì)劃調(diào)整等，課程學(xué)時(shí)數(shù)壓縮，由原來的32學(xué)時(shí)改為28學(xué)時(shí)，而內(nèi)容并未減少。為了完成教學(xué)計(jì)劃，授課基本上是教師講學(xué)生聽的模式，課堂上學(xué)生與教師之間很難開展有效的互動，而填鴨式和灌輸式教學(xué)模式的弊端多年來為人所詬病。因?yàn)檎n前對內(nèi)容缺乏必要的了解預(yù)習(xí)，課堂上學(xué)生也很難提出好的問題，課堂氣氛不活躍。由于課堂上要講解的內(nèi)容比較多，也不能安排較多的課堂練習(xí)和討論，導(dǎo)致學(xué)生對知識的學(xué)習(xí)很難在深度和廣度上加深與拓展，總的教學(xué)效果欠佳，也不利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析解決問題的能力。我們的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生希望在“流體力學(xué)”學(xué)習(xí)中，能結(jié)合工程實(shí)際中的有關(guān)問題，鍛煉利用理論知識解決實(shí)際問題的能力，如問卷中關(guān)于“如果在‘流體力學(xué)學(xué)習(xí)中引入目前在工程問題設(shè)計(jì)分析中廣泛使用的ANSYS流場數(shù)字仿真方法的學(xué)習(xí)與應(yīng)用，你是否感興趣”的問題，100%的回答是肯定的，這也反映了當(dāng)代大學(xué)生與時(shí)俱進(jìn)，渴望學(xué)習(xí)新知識、新理論、新方法的愿望。endprint

“流體力學(xué)”的特點(diǎn)是理論性較強(qiáng)，同時(shí)與工程實(shí)踐結(jié)合緊密，主要研究流體流動的普遍規(guī)律，包括質(zhì)量連續(xù)性方程、能量守恒定理、動量及動量矩守恒定理、流動損失及管路計(jì)算方法等。其中有些定理涉及復(fù)雜的推導(dǎo)過程，如伯努利方程（Bernoullis Equation）、動量定理等，也有一些概念如流線、控制體等較難理解，而有些內(nèi)容如流體的性質(zhì)、流體靜力學(xué)、量綱分析及相似原理則相對容易理解和學(xué)習(xí)。

針對該課程的特點(diǎn)，我們在2014級一個(gè)班級中進(jìn)行了部分翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)嘗試。為此我們主要做了以下工作。

（1）基于部分翻轉(zhuǎn)課堂模式的“流體力學(xué)”教學(xué)體系構(gòu)建。在既有的教學(xué)大綱和教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立一套與之適應(yīng)的課程教學(xué)體系，包括教學(xué)的總體規(guī)劃、教學(xué)資源的編寫制作、教學(xué)的組織實(shí)施計(jì)劃與具體方法、教學(xué)效果的對比分析及評價(jià)方法等。梳理課程內(nèi)容，把內(nèi)容分為適合完全翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的內(nèi)容和部分翻轉(zhuǎn)的內(nèi)容。

（2）編寫自學(xué)向?qū)Ъ拜o助學(xué)習(xí)資料。翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的第一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是學(xué)生的課前自主學(xué)習(xí)，課前學(xué)習(xí)不同于傳統(tǒng)教學(xué)方法的課前預(yù)習(xí)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)教學(xué)方法主要依靠教師在課堂上的講授，預(yù)習(xí)與否、預(yù)習(xí)得好壞不會直接影響課堂教學(xué)的正常進(jìn)行，而翻轉(zhuǎn)課堂則把學(xué)的任務(wù)直接交給學(xué)生，要求學(xué)生在上課之前就在教師的引導(dǎo)下通過自主學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容初步掌握基本概念及基本原理。為了保證自主學(xué)習(xí)的效果，增加學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，輔助學(xué)習(xí)材料的設(shè)計(jì)編寫就顯得非常重要。我們在自學(xué)向?qū)е袑γ看握n的內(nèi)容做簡要的介紹，指出重點(diǎn)和難點(diǎn)，在盡可能短的篇幅內(nèi)將主要知識點(diǎn)講清楚，而且形式上盡可能生動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)欲望，將教學(xué)內(nèi)容以微課的形式呈獻(xiàn)給學(xué)生可以幫助達(dá)到上述目的?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和在線學(xué)習(xí)資源的日益豐富，為我們準(zhǔn)備導(dǎo)學(xué)材料提供了許多生動形象的視頻資源。這部分內(nèi)容工作量大，耗費(fèi)時(shí)間較多。

（3）課堂教學(xué)的組織與實(shí)施方案編寫。在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)過程中教師不再是僅僅充當(dāng)“傳道、授業(yè)”的知識傳播者，而是作為課堂學(xué)習(xí)討論的組織者和引導(dǎo)者，重點(diǎn)完成“解惑”的作用，幫助學(xué)生把知識內(nèi)化并學(xué)習(xí)用來解決具體問題，因此對教師提出了更高的要求。教師通過整理學(xué)生課前學(xué)習(xí)過程中反饋的問題，在課堂上集中討論講解。因此需要針對每節(jié)課的內(nèi)容特點(diǎn)，精心編寫思考題及習(xí)題例題，制定具體的組織實(shí)施方案。

對于完全翻轉(zhuǎn)的內(nèi)容，課堂上重點(diǎn)圍繞典型問題及習(xí)題開展分組討論，重在知識的內(nèi)化及應(yīng)用。對于部分反轉(zhuǎn)的內(nèi)容，課堂上仍以講解為主，特別是對復(fù)雜重要定理的推導(dǎo)，通過板書形式給出完整的推導(dǎo)過程。

在典型例題的準(zhǔn)備中，盡可能地讓題目“接地氣”，即聯(lián)系工程實(shí)際。如在靜力學(xué)中分析大壩的設(shè)計(jì)原理，如美國著名的胡佛大壩（Hoover Dam）的設(shè)計(jì)，在管路計(jì)算部分以機(jī)床液壓系統(tǒng)的管路設(shè)計(jì)計(jì)算為例。

（4）翻轉(zhuǎn)課堂信息交流平臺的建設(shè)。在教學(xué)過程中及時(shí)了解學(xué)生的課前學(xué)習(xí)情況、實(shí)時(shí)與學(xué)生交流、了解回答學(xué)生學(xué)習(xí)中的疑問、上傳下載教學(xué)資料、觀看微課視頻的學(xué)習(xí)等都需要建立在快捷方便的網(wǎng)絡(luò)信息平臺的基礎(chǔ)上。為此我們設(shè)計(jì)建立了專門的”流體力學(xué)”翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)網(wǎng)站，如圖1所示，網(wǎng)站是在Apache+PHP+

MySQL的環(huán)境下搭建完成的，包括網(wǎng)頁前端和網(wǎng)頁后端。瀏覽網(wǎng)頁時(shí)看到的全部內(nèi)容就屬于網(wǎng)頁前端的范疇，通過html+css+JavaScript編寫前端代碼，頁面顯示的內(nèi)容都在html代碼中。JavaScript用于顯示動態(tài)網(wǎng)頁，本網(wǎng)站中主要完成網(wǎng)頁文件中聊天框的動態(tài)刷新。網(wǎng)頁后端指的是通過PHP代碼完成的功能，包括文件的上傳、下載和MySQL數(shù)據(jù)庫文件的存取和調(diào)用等等。網(wǎng)站運(yùn)行時(shí)可以記錄每個(gè)學(xué)生線上學(xué)習(xí)的時(shí)間，包括看教學(xué)視頻，閱讀站內(nèi)學(xué)習(xí)資料的時(shí)間，這在一定程度上能夠督促部分自覺性稍差的學(xué)生做好課前學(xué)習(xí)。網(wǎng)站中還安排適量思考題供學(xué)生在線回答和討論，學(xué)生也可以在線留言，提出自己的問題，學(xué)生之間也可以在線討論。

三、部分翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)施效果

為了比較，我們在同年級同專業(yè)選擇2個(gè)班級，由同一教師授課，分別采用傳統(tǒng)法和部分翻轉(zhuǎn)法。2個(gè)班級學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)及學(xué)習(xí)能力相似，學(xué)習(xí)課時(shí)一樣，同時(shí)學(xué)習(xí)的其他課程一樣。課程結(jié)束后采用統(tǒng)一試卷考試，傳統(tǒng)教學(xué)班參加考試人數(shù)25人，部分翻轉(zhuǎn)課堂班26人，2個(gè)班級各成績段的百分比分布如圖2所示，傳統(tǒng)班平均成績77.0，部分翻轉(zhuǎn)班平均成績85.2。部分翻轉(zhuǎn)班的優(yōu)良率66.6%，不及格率3.7%，而傳統(tǒng)班兩項(xiàng)指標(biāo)分別為52%和12%。由此可見，部分翻轉(zhuǎn)法較大地提高了教學(xué)效果。

差別不僅表現(xiàn)在成績上，比較發(fā)現(xiàn)，在部分翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中由于學(xué)生有較多的時(shí)間參與討論，提出問題，課堂表現(xiàn)更為踴躍，氣氛更為活躍。

部分翻轉(zhuǎn)課堂法將翻轉(zhuǎn)課堂法與傳統(tǒng)教學(xué)法實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合，按照課程內(nèi)容特點(diǎn)和難易程度采用不同的方法，即在學(xué)習(xí)相對簡單的內(nèi)容時(shí)采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)，在難度較大的內(nèi)容上以傳統(tǒng)法為主，提高效率，同時(shí)也為學(xué)生提供課前自學(xué)向?qū)Ъ坝兄诶斫獾闹鷮W(xué)資料。通過翻轉(zhuǎn)課堂信息平臺的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)線上教學(xué)與線下教學(xué)互為補(bǔ)充，保障了各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的有序進(jìn)行。通過比較試驗(yàn)，證實(shí)該方法在“流體力學(xué)”教學(xué)中獲得了較好的教學(xué)效果。

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