基于五星教學原理的《無形邊界層的丈量之法》微課設計探索

黃河峽，譚慧俊

（南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇 南京 210016）

0 引言

隨著信息化技術的不斷發(fā)展，社交媒體和移動通信技術日益成熟，教育資源的形式也呈現(xiàn)出微型化和碎片化的特點，越來越多的在線課程網站，如：國外的edX、Coursera、Udacity，以及國內的中國大學MOOC、網易云課堂、慕課、學堂在線等平臺在發(fā)揮知識共享、全民在線學習等方面起到了非常重要的作用，對于提高教學質量、拓展專業(yè)能力等提供了一種全新的、信息化、便捷式的途徑和方法。其中，微課作為一種短時知識講解形式，一般視頻的時間在5～12分鐘左右，具有知識點單一、情景化等特征，是典型的“少而精”的知識呈現(xiàn)方式[1]，打破了知識學習和講授在時間和空間上的限制，在高等教育在線教學領域得到了廣泛的運用[1-4]。特別是在2020年疫情發(fā)生以來，微課作為線上教學的一種有益補充方式，在幫助學生加深知識點的理解方面起到了重要作用[5-6]，如：北京航空航天大學通過制作課程微課，搭建在線學習平臺，并結合線下課程輔導，發(fā)揮線上和線下教學的優(yōu)勢，改善了傳統(tǒng)機械制造基礎課程實驗的教學效果。南京理工大學將微課應用到《混凝土結構基本原理課程》的課程建設中，讓學生更加靈活、自主地開展知識學習。上海交通大學將任務驅動法、問題引導法應用到醫(yī)學類微課教學設計中。

工程流體力學課程是航空航天類、能源動力類、機械類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課程，教學的主要內容包括：流體靜力學、流體運動學、流體動力學、邊界層理論以及可壓縮空氣動力學相關知識。該課程相比于經典固體力學，學習難度更大，不僅要求學生有較好的物理基礎、理論力學、材料力學基礎，還對學生的高等數(shù)學功底，特別是微積分相關理論提出了很高的要求。中國礦業(yè)大學提出了線上線下相結合的工程流體力學教學模式。沈陽工程學院探索采用基于學習產出的教育模式OBE的工程流體力學教學模式，以期改善學生的工程應用能力。根據筆者近5年來的實踐教學統(tǒng)計數(shù)據，每年《工程流體力學》課程卷面成績不足60分的學生占到了20%左右，掛科率在各科專業(yè)課程中排名靠前。對于教師而言，這門課的教學資源非常陳舊，很多的教學視頻素材都是20世紀拍攝的。因此，從教師的角度而言，如何把知識點清晰地、有層次性地展示給學生也是一個極大的挑戰(zhàn)。為此，充分發(fā)揮微課的優(yōu)勢，并應用五星教學原理開展工程流體力學課堂教學設計，從實際的教學需求出發(fā)來設計優(yōu)質的微課。

1 五星教學原理的釋義及其主要流程

五星教學原理最早是由美國著名教育技術理論家和教育心理學家M.DavidMerrill教授提出的，它為教師的教學制定了詳細的步驟：首先聚焦解決問題（Question），然后激活舊知（Activation）、示證新知（Demonstration）、應用新知（Application）和融會貫通（Integration）構成。該教學原理是目前一直被推崇的一種教學模式，受到教育界的高度關注，尤其是給在線教學、多媒體教學以及E-learning學習提供了一種實用的教學方法。

2 基于五星教學原理開展課程設計的主要原則

2.1 始終堅持以學生為主體的原則

基于五星教學原理的教學設計關鍵在于堅持以學生為主體，宏觀把握教學內容，將教學重點和難點分解、細化、具象化，使得流體力學知識點的講解更加符合學生的邏輯思維與學習興趣。具體而言，從教學目標的制定，到教學過程的系統(tǒng)化設計，再到教學任務的層次化分解需著重考慮學生的現(xiàn)有基礎、認知能力以及學習風格。建立課后學情反饋渠道，通過布置綜合性的測驗，全面檢查學生的學習情況，并注重和學生的交流，反饋學生的問題，使得教師可以全面徹底地了解每一位學生的學習狀況，并因材施教，及時解決學生的困惑。

表1 《無形邊界層的丈量之法》教學設計案例

2.2 堅持以教師為教學主導的原則

信息化技術發(fā)展的微課，教師僅需一次錄制好微課視頻，無須再反復講述相同的知識點，可在一定程度上減輕教師授課工作量，但這并不意味著教師可以從學生的教學活動中省略。學生的學習興趣及學習的脈絡需要有教師的引導，方能高效實現(xiàn)。基于五星教學原理的在線課堂和線下課程一樣，需要教師做精心準備，錄制優(yōu)質的微課、制作精煉的教學任務清單；結合學生的學習能力，合理設計學習方式；課后依托學習通、企業(yè)微信平臺等對學生延伸練習的結果進行反饋和交流。上述所有流程均是在以教師為主導的原則下進行的。

2.3 始終堅持教學過程完整性的原則

本文基于五星教學基本原理，以《無形邊界層的丈量之法》知識點為應用案例，通過分解各個階段的不同學習內容，各個環(huán)節(jié)之間保持協(xié)調、層次性和邏輯性。在課程設計過程中通過全局把握教學任務，環(huán)繞“激活舊知”“示證新知”“應用新知”和“融會貫通”四個不同而又相互關聯(lián)的教學序列，層次化、逐步遞進地呈現(xiàn)知識點，提升課堂教學效果。

2.4 始終堅持理論聯(lián)系實踐的原則

工程流體力學是一門集理論性、實踐性于一體的基礎力學課程，除了要求學生能夠理解課程中的基本物理概念之外，學生能夠主動、靈活運用課程的知識點，特別在未來航空航天飛行器、發(fā)動機設計過程中，知識的運用非常重要。基于五星教學原理的教學設計突出的特色就是讓學生能結合實際的航空航天工程問題，開展實踐，達到知識的靈活運用和正向遷移。且涉及的任務工作量很大，需要群體一起完成，學生在實踐中不僅可以提升自己對航空航天的興趣，還可實現(xiàn)合作性學習，最終共同進步。

3 基于五星教學原理的微課教學設計實例詳細分析

基于五星教學原理，對工程流體力學課程中《邊界層理論》這一章節(jié)中邊界層特性及厚度定義方法相關的知識點開展了詳細的教學設計，具體的設計過程如表1所示。

4 五星教學原理對微課教學設計的啟示

4.1 聚焦問題情境

基于五星教學原理，在課堂教學中需創(chuàng)設能夠吸引學生興趣的問題情境。因此，在本次課堂教學之前，先播放我國首部空戰(zhàn)電影《空天獵》，講述我軍通過眼鏡蛇快速機動迅速扭轉戰(zhàn)局，成功將敵機趕出國門的案例。結合案例講述大機動飛行時，進氣道-發(fā)動機匹配的困難與危害，引出邊界層隔道，建立起邊界層隔道和邊界層厚度之間的關聯(lián)關系，為后續(xù)教學埋下鋪墊。

4.2 激活原有流體力學知識

根據教學目標，教師設問讓學生開展頭腦風暴，引導學生回顧之前已經掌握的一些流體力學基本概念，并結合邊界層的基本概念自主提出定量描述邊界層厚度的方法。

4.3 展示論證新知-邊界層名義厚度和位移厚度

本環(huán)節(jié)是整個教學過程的關鍵。聚焦本次課的知識點-邊界層名義厚度和位移厚度，通過大量的CFD仿真動畫、圖片以及實測的邊界層速度剖面，講述邊界層名義厚度的定義和位移厚度的定義。通過具象的展示手法，幫助學生對邊界層以及邊界層厚度的度量建立起宏觀的概念。

4.4 結合典型案例應用所學知識

教師講述完知識點之后，學生是否掌握需要及時反饋。應用雨課堂等在線教學軟件，現(xiàn)場發(fā)布“等截面等直管道不可壓流動，受近壁邊界層的影響，管道核心流流沿流動方向的變化”這一問題。學生在規(guī)定的時間內完成選擇，通過雨課堂可立馬了解學生對所學知識的掌握情況，教師針對幾種錯誤和正確的選項做具體的分析。

4.5 知識點的融會貫通—知識遷移與綜合訓練

教師圍繞層流和湍流這兩種典型流態(tài)速度邊界層，布置一個綜合性的課后訓練作業(yè)，要求學生一方面能判斷兩類邊界層位移厚度的大小關系，還要求學生能結合編程語言，定量計算出兩類邊界層位移厚度的具體數(shù)值，形成一個通用性的計算程序/軟件，該程序/軟件對于指導學生未來從事相關專業(yè)都大有裨益。

5 總結

本文基于五星教學原理針對《工程流體力學》課程中無形邊界層的丈量之法這一知識點開展具體的設計。即首先結合情境向學生呈現(xiàn)問題，學生開展頭腦風暴、激活已有的流體力學知識，主動思考定量表征的方法，教師順勢結合豐富的流場動畫、圖片等信息化資源開展新知的示證，并開展課堂練習。對學生的掌握情況實測，最后布置綜合性訓練，引導學生學會融會貫通、知識遷移。基于上述流程，教學內容層層遞進，加深了學生對知識點的理解，培養(yǎng)了學生對于從事航空航天的興趣，拓展了學生的知識邊界與知識類比遷移能力，收到了有益的教學反饋。上述教學設計方法也可以應用于其他工科基礎類課程教學改革的探索中。