疫情影響下的工程流體力學(xué)在線教學(xué)探索與實(shí)踐

付小莉　操金鑫　姚麗芳

［摘 要］文章探討同濟(jì)大學(xué)課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)以新冠肺炎疫情下開展在線教學(xué)實(shí)踐為契機(jī)，融入課程思政建設(shè)，依托已有優(yōu)質(zhì)在線平臺(tái)協(xié)同開展工程流體力學(xué)課程教學(xué)，明確了該課程在線教學(xué)的目標(biāo)任務(wù)，深入開展學(xué)習(xí)過程考核，研發(fā)了在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，探索了多元化考核方式，激發(fā)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，做到了在線教學(xué)與線下教學(xué)實(shí)質(zhì)等效。

［關(guān)鍵詞］工程流體力學(xué)；在線教學(xué)；課程思政

［中圖分類號(hào)］ G642.0 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2022）09-0026-04

為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于打贏疫情防控阻擊戰(zhàn)的重要指示精神，針對(duì)新型冠狀病毒感染肺炎疫情（簡稱“疫情”）對(duì)高校的正常開學(xué)和課堂教學(xué)造成的影響，教育部于2020年2月發(fā)布了《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見》，要求各高校充分利用上線的慕課和省、校兩級(jí)優(yōu)質(zhì)在線課程教學(xué)資源，積極開展線上授課和線上學(xué)習(xí)等在線教學(xué)活動(dòng)，保證疫情防控期間的教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年，全國所有本科高校都開展了在線教學(xué)，參與授課教師108.45萬人，開出在線課程1719.68萬門次，在線學(xué)習(xí)35.37億人次[2]，實(shí)施了世界上最大規(guī)模的在線教育，為抗擊疫情作出了重要貢獻(xiàn)。

此次在線教學(xué)是在我國高等教育發(fā)生深刻變革、本科教育全面振興的背景下開展的。尤其是近年來包括線下“金課”、線上“金課”、線上線下混合式“金課”、虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)“金課”、社會(huì)實(shí)踐“金課”等在內(nèi)的五大“金課”建設(shè)，保證了此次在線教學(xué)的質(zhì)量。此次在線教學(xué)為廣大教師乘勢(shì)而上、順勢(shì)而為，開展更高水平的課程教學(xué)和教學(xué)改革提供了廣闊的平臺(tái)。

為了減少疫情對(duì)2019—2020學(xué)年春季學(xué)期教學(xué)的影響，同濟(jì)大學(xué)于2020年2月初全面啟動(dòng)本科生、研究生在線教學(xué)，學(xué)生按照既定課表正常上課，所有課程在疫情期間都采用在線教學(xué)方式，學(xué)生居家學(xué)習(xí)。學(xué)校在當(dāng)年2月底對(duì)全體教師開展了智慧樹、ZOOM、Canvas等教學(xué)平臺(tái)的在線教學(xué)培訓(xùn)。除了開放校內(nèi)課程共享資源，學(xué)校還在極短的時(shí)間內(nèi)搭建了云課堂、ZOOM以及Canvas等平臺(tái)，保障在線教學(xué)工作的順利開展。同時(shí)，學(xué)校還開展在線教學(xué)平臺(tái)摸底，引導(dǎo)教師擇優(yōu)選用合適的在線教學(xué)平臺(tái)。此外，學(xué)校通過多平臺(tái)多方式開展在線教學(xué)活動(dòng)，提前對(duì)學(xué)生進(jìn)行了各個(gè)支撐平臺(tái)操作使用方法的培訓(xùn)，并下發(fā)問卷了解學(xué)生網(wǎng)絡(luò)及電子設(shè)備使用情況。為了實(shí)現(xiàn)工程流體力學(xué)課程線上線下教學(xué)實(shí)質(zhì)等效，教學(xué)團(tuán)隊(duì)積極應(yīng)對(duì)，拓寬思路：通過利用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、將以學(xué)生為中心的理念植入教學(xué)過程、將思政元素融入教學(xué)全過程、靈活運(yùn)用多種考核手段等措施進(jìn)行在線教學(xué)改革。本文就此思路和方法進(jìn)行具體闡述、討論與總結(jié)。

一、工程流體力學(xué)課程在線教學(xué)思路

工程流體力學(xué)是土木工程、港口航道與海岸工程等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究不可壓縮流體的平衡與流動(dòng)規(guī)律。傳統(tǒng)線下課程通過講授連續(xù)介質(zhì)的假定，靜水壓強(qiáng)的基本概念和應(yīng)用計(jì)算，描述流動(dòng)的兩種方法，連續(xù)方程、動(dòng)量方程和能量方程三大方程的基本形式和應(yīng)用，流動(dòng)形態(tài)、水流阻力和水頭損失的基本概念和特征，量綱分析和相似原理等內(nèi)容，使學(xué)生掌握液體平衡和運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律以及有關(guān)的基本概念及基本理論，掌握流體力學(xué)基本方程及應(yīng)用條件，并理解其物理意義，掌握流體力學(xué)基本分析方法，習(xí)得應(yīng)用所學(xué)知識(shí)建立工程技術(shù)問題的力學(xué)模型的能力[3-4]。

教師開展工程流體力學(xué)課程在線教學(xué)，應(yīng)該掌握互聯(lián)網(wǎng)思維和在線教學(xué)基本理論，轉(zhuǎn)變?cè)诰€教學(xué)理念及認(rèn)識(shí)，以學(xué)生學(xué)習(xí)成果為導(dǎo)向，了解學(xué)生居家學(xué)習(xí)規(guī)律，以學(xué)生自主學(xué)習(xí)為主，使學(xué)生學(xué)會(huì)必要的流體力學(xué)問題分析和計(jì)算方法，初步掌握流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，學(xué)會(huì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決流體力學(xué)問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維能力、邏輯推理與運(yùn)算的能力以及綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去分析和解決流體力學(xué)問題的能力[5]。

為了保證工程流體力學(xué)課程教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)及課程教學(xué)質(zhì)量，同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院工程流體力學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)（簡稱“教學(xué)團(tuán)隊(duì)”）充分利用現(xiàn)有在線精品課程資源，通過線上直播課程，依托在線優(yōu)質(zhì)教學(xué)平臺(tái)并與課程思政建設(shè)等工作協(xié)同推進(jìn)在線教學(xué)。

（一）充分利用現(xiàn)代化信息手段

在疫情期間，教學(xué)團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)教學(xué)預(yù)案，按正常教學(xué)安排面向土木工程、智能建造以及港航工程專業(yè)學(xué)生開展工程流體力學(xué)課程在線授課。教學(xué)團(tuán)隊(duì)充分利用現(xiàn)代化信息手段，在各個(gè)教學(xué)時(shí)段采用不同的教學(xué)方式和教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行即時(shí)在線教學(xué)。比如利用播放國家精品課程（MOOC）結(jié)合ZOOM在線直播、微信交流、問卷星調(diào)查測(cè)試以及在Canvas上發(fā)布學(xué)習(xí)資料、作業(yè)及測(cè)驗(yàn)等方式開展在線教學(xué)，組織線上討論、答疑輔導(dǎo)等教學(xué)活動(dòng)。本課程還為不同專業(yè)的學(xué)生組建了不同學(xué)習(xí)平臺(tái)的微信群，一旦師生遇到網(wǎng)絡(luò)使用問題，平臺(tái)技術(shù)人員、土木工程學(xué)院信息管理中心就可在群內(nèi)為教師隨時(shí)答疑。同濟(jì)大學(xué)還開放了智慧教室和課棧，供教師直播或錄制課程。表1對(duì)工程流體力學(xué)課程在線教學(xué)的授課時(shí)段、教學(xué)安排、教學(xué)方式、教學(xué)平臺(tái)和考核方式進(jìn)行了總結(jié)。

工程流體力學(xué)課程在線授課主要分為三個(gè)階段。第一階段為課前準(zhǔn)備。教師首先在ZOOM討論區(qū)通知學(xué)生去微信群參加測(cè)試，隨后在微信群發(fā)布測(cè)試任務(wù)，利用問卷星進(jìn)行在線測(cè)試，測(cè)試結(jié)束后回到ZOOM平臺(tái)，通過共享桌面打開問卷星測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)每道題作簡單點(diǎn)評(píng)，給出測(cè)試結(jié)果。這一階段利用“ZOOM+微信群+問卷星”的組合，讓學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)有了一定的了解。第二階段為課堂授課。學(xué)生在課前觀看MOOC教學(xué)視頻，教師開展常規(guī)教學(xué)以及專題討論，針對(duì)學(xué)生聽課的難點(diǎn)組織學(xué)生進(jìn)行討論。這一教學(xué)方式在課前和課中形成了MOOC和ZOOM的組合，充分利用好課上討論時(shí)間，有效解決了討論課耗時(shí)多的問題。在討論期間，雖然集中在ZOOM一個(gè)平臺(tái)上，但利用視頻與文字討論相互結(jié)合的模式，能更好地實(shí)現(xiàn)集體討論與個(gè)別討論的有機(jī)結(jié)合，調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生的討論積極性，促進(jìn)學(xué)生之間的相互啟發(fā)。在討論區(qū)中，參與討論的學(xué)生對(duì)前面同學(xué)的觀點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充完善，逐步形成正確答案，而通過發(fā)語音進(jìn)行個(gè)別討論的學(xué)生可以有充分的思考時(shí)間，互動(dòng)教學(xué)效果較好。第三階段為課后復(fù)習(xí)及答疑。學(xué)生通過在網(wǎng)站上回看授課內(nèi)容來鞏固課堂知識(shí)，同時(shí)在Canvas上完成作業(yè)及測(cè)驗(yàn)。答疑部分則通過微信群或個(gè)別語音通話來完成。

而在流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)這一重要環(huán)節(jié)中，為了彌補(bǔ)線下實(shí)驗(yàn)不能在實(shí)驗(yàn)室正常開展的不足，教學(xué)團(tuán)隊(duì)不僅利用國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目共享平臺(tái)以及第三方平臺(tái)豐富的教學(xué)資源進(jìn)行開放式網(wǎng)上流體力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，還自主開發(fā)了基于光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）方法的高精度虛擬仿真實(shí)驗(yàn)以及課程在線教學(xué)系統(tǒng)來幫助學(xué)生鞏固課堂知識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的積極主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生探索創(chuàng)新的熱情。

（二）將思政元素有機(jī)融入課程教學(xué)全過程

工程流體力學(xué)課程作為土木工程專業(yè)一門重要的力學(xué)基礎(chǔ)課，教師需要以傳授知識(shí)為載體，深入挖掘課程所蘊(yùn)含的思政元素和承載的思政教育功能，將思政教育與專業(yè)課程教育加以有機(jī)融合[6]。尤其針對(duì)疫情期間學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足、師生溝通不暢、學(xué)習(xí)效率不高等問題，通過對(duì)課程各章節(jié)流體力學(xué)知識(shí)點(diǎn)的講解，引入具體案例，巧妙融入思政元素，采用講述工程案例、解讀新聞報(bào)道、觀看專業(yè)紀(jì)錄片、討論前沿研究等教學(xué)方式，幫助學(xué)生樹立正確的思想政治觀念，掌握辯證唯物主義觀點(diǎn)，提升社會(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng)意識(shí)，培養(yǎng)家國情懷，樹立獻(xiàn)身祖國社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國建設(shè)事業(yè)的信念，以完成立德樹人的根本任務(wù)（見表2）。例如：通過講授中國古代和現(xiàn)代流體力學(xué)成就和研究成果，激發(fā)學(xué)生的民族自豪感和愛國主義情感；通過講授量綱分析和模型試驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的辯證思維和工程責(zé)任；通過介紹流體力學(xué)的發(fā)展歷史和科學(xué)家的創(chuàng)新歷程，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀。

（三）實(shí)行考核方式多元化改革

工程流體力學(xué)課程以在線考核的方式進(jìn)行，教學(xué)團(tuán)隊(duì)在選擇考核方式、出題、監(jiān)考、改卷等環(huán)節(jié)時(shí)轉(zhuǎn)變思路，改革傳統(tǒng)模式，降低期末考試成績的權(quán)重，加大過程評(píng)價(jià)的力度，充分發(fā)揮師生主觀能動(dòng)性，以實(shí)際行動(dòng)減小疫情對(duì)教學(xué)工作造成的影響。過程評(píng)價(jià)內(nèi)容主要為課堂表現(xiàn)、課后作業(yè)、仿真實(shí)驗(yàn)、專題討論、單元考試、期中考試等。期末考試為綜合面試，即根據(jù)課程考點(diǎn)建立流體力學(xué)題庫，學(xué)生在線隨機(jī)抽取一組題目立即作答，教師從學(xué)生回答問題是否正確、思路是否清晰、表達(dá)是否流暢等角度現(xiàn)場(chǎng)評(píng)分。以學(xué)生為中心，實(shí)行在線教學(xué)考核方式多元化，有助于減少隨機(jī)性，改變以期末考試成績作為唯一評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的做法，給予學(xué)生更多機(jī)會(huì)以及思考空間，培養(yǎng)他們正確認(rèn)識(shí)、分析和解決問題的能力。

二、工程流體力學(xué)課堂教學(xué)的案例與效果反饋

（一）課程思政教學(xué)案例

“流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)”這章內(nèi)容涉及流體力學(xué)基本方程的微分和積分形式、元流和總流形式、理想和黏性流體等內(nèi)容。如果只是采用慕課在線學(xué)習(xí)的方式，學(xué)生難以從知識(shí)點(diǎn)的片段中建立對(duì)基本方程多種形式的整體理解，厘清不同形式間的差別，也就難以把握基本方程的內(nèi)在實(shí)質(zhì)和不同形式的適用條件。因此，在線上直播課過程中，為便于學(xué)生加深理解，同時(shí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)團(tuán)隊(duì)從理想和黏性流體運(yùn)動(dòng)微分方程建立的歷史過程和伯努利、歐拉、納維、斯托克斯等主要貢獻(xiàn)人物出發(fā)，樹立流體力學(xué)基本方程的整體觀和歷史觀，將方程存在的局限同適用范圍結(jié)合起來。

在“流動(dòng)阻力與水頭損失”這章內(nèi)容中，教學(xué)團(tuán)隊(duì)結(jié)合邊界層理論的提出以及紊流研究的歷程與前沿等問題，通過線上直播著重介紹了哥廷根學(xué)派代表人物普朗特 “理論與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合、科學(xué)與技術(shù)結(jié)合”的工程科學(xué)科研思想，引導(dǎo)學(xué)生從撲朔迷離的復(fù)雜流動(dòng)問題中找出其物理本質(zhì)，然后用簡單的數(shù)學(xué)方法分析解決工程實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的流體力學(xué)科研志趣。此外，還介紹學(xué)生較為熟悉的我國哥廷根學(xué)派的傳承人陸士嘉、錢學(xué)森、郭永懷、錢偉長和周培源等科學(xué)家在國外學(xué)習(xí)和回國工作取得的杰出成就，激勵(lì)學(xué)生在相關(guān)學(xué)科不斷創(chuàng)新超越，推動(dòng)學(xué)科和我國工程流體力學(xué)事業(yè)的發(fā)展進(jìn)步。

（二）虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例

教學(xué)團(tuán)隊(duì)在講授流體運(yùn)動(dòng)的方法時(shí)，引入目前流行的基于拉格朗日方法的光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)方法的例子。該方法是通過將水流作為一系列粒子來處理并求解具有不同邊界條件的偏微分方程來解決流動(dòng)問題[7]。整個(gè)模擬流程包括流體粒子初始化、流體粒子的受力分析、流體粒子與固壁交互、更新粒子速度和位置等環(huán)節(jié)[8-9]。教學(xué)團(tuán)隊(duì)通過演示自主開發(fā)的虛擬仿真軟件即波浪運(yùn)動(dòng)特性虛擬仿真軟件中水流運(yùn)動(dòng)中的流線、流速、壓力的分布圖以及水流與港口相互作用的流固耦合現(xiàn)象，來幫助學(xué)生更好地理解水動(dòng)力學(xué)知識(shí)；在講授滲流理論時(shí)，將線下開展的有壓滲流電擬法實(shí)驗(yàn)用線上的虛擬實(shí)驗(yàn)替代。下圖呈現(xiàn)的是同濟(jì)大學(xué)波浪運(yùn)動(dòng)特性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的頁面。學(xué)生可以通過在線實(shí)驗(yàn)，了解電擬法實(shí)驗(yàn)原理；掌握測(cè)定平面有壓滲流等勢(shì)線的方法，用電擬法試驗(yàn)儀直接測(cè)出流網(wǎng)；根據(jù)所繪制或測(cè)出的流網(wǎng)，求證滲流量滲流和電流現(xiàn)象之間存在著比擬關(guān)系等。

在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)不僅注重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高精度以及實(shí)驗(yàn)流程硬件的高度仿真，更以學(xué)生為中心，在實(shí)驗(yàn)操作中增加了諸多引導(dǎo)和互動(dòng)。例如，將抽象的理論制作成直觀的動(dòng)畫短片，幫助學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解和掌握；在實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)置引導(dǎo)問答，啟發(fā)學(xué)生自主思考，提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)和解決問題的能力。

（三）教學(xué)效果反饋

教學(xué)團(tuán)隊(duì)在工程流體力學(xué)課程中開展在線教學(xué)改革，為了解實(shí)際教學(xué)效果，在學(xué)期末對(duì)所教學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查。此次調(diào)查共發(fā)放問卷67份，回收65份，回收率為97%。從反饋信息來看，學(xué)生對(duì)在線教學(xué)效果是肯定的，認(rèn)為在線教學(xué)方式和教學(xué)平臺(tái)能滿足學(xué)習(xí)要求，特別是虛擬仿真實(shí)驗(yàn)形式新穎、教學(xué)案例豐富、師生互動(dòng)良好，做到了在線教學(xué)與線下教學(xué)實(shí)質(zhì)等效。

三、結(jié)語

本研究利用疫情防控期間開展工程流體力學(xué)課程在線教學(xué)的機(jī)會(huì)，深入開展了基于OBE理念的課程教學(xué)改革和課程思政建設(shè)，充分利用現(xiàn)代化信息手段實(shí)現(xiàn)了教學(xué)手段多元化，收到了較好的教學(xué)效果，為今后持續(xù)開展課程教學(xué)改革研究提供了一定的參考。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1］ 教育部. 教育部應(yīng)對(duì)新型冠狀病毒感染肺炎疫情工作領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見[EB/OL].（2020-02-04）[2020-12-26]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202002/t20200205_418138.html.

[2］ 吳巖. 走進(jìn)新時(shí)代，贏得新時(shí)代，全面提高中國高等教育發(fā)展質(zhì)量[EB/OL].（2020-09-09）[2020-12-26].http：//pinggu.zjtu.edu.cn/content/tszs/202009/3856.html.

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[9］ WEN H J，REN B， DONG P， et al. A SPH numerical wave basin for modeling wave-structure interactions[J]. Applied Ocean Research， 2016（59）：366-377.

［責(zé)任編輯：龐丹丹］