科研轉(zhuǎn)化教學：基于翻轉(zhuǎn)課堂的“水力學”課程案例式教學研究

朱博淵，張春財，李夢成

摘? ? 要：“水力學”是水利類、交通類、土木類等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。文章以長沙理工大學城南學院水電專業(yè)本科生為研究對象，根據(jù)課程特點和專業(yè)培養(yǎng)要求，采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，將工程案例和科研成果融入理論教學中，并將考核方式從以“考”為主向以“核”為主轉(zhuǎn)變，強化過程性考核，突出學生在教學過程中的主體地位。此模式取得了良好的教學育人效果，實現(xiàn)了理論與實踐的有機結(jié)合，有利于學生專業(yè)素養(yǎng)的形成。

關(guān)鍵詞：“水力學”課程；翻轉(zhuǎn)課堂；工程案例；科教融合

中圖分類號：G641? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? 文章編號：1002-4107（2023）04-0064-03

為響應《教育部高等教育司2022年工作要點》中深化工科人才培養(yǎng)組織模式創(chuàng)新、實施“中國金課行動”和提供優(yōu)質(zhì)課程資源與教學案例的精神，高校應持續(xù)對工科類課程進行教學研究與改革。“水力學”是水利、交通、土木各大類專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，盡管各專業(yè)對水力學知識的要求和側(cè)重點不盡相同，但基礎(chǔ)內(nèi)容是共通的，開展該課程的教學研究與改革惠及面廣，對推動工程類專業(yè)建設意義重大。

自1870年哈佛大學開展情景案例教學和2000年邁阿密大學采用翻轉(zhuǎn)課堂教學模式以來，兩種教學方式得到迅速推廣和融合，特別是在移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的同步發(fā)展和支撐下，顛覆了傳統(tǒng)課堂教學結(jié)構(gòu)與流程，使得課堂表現(xiàn)形式多樣化，并取得了顯著成效[1-3]。但在教學過程中，以上兩種教學方式也存在以下問題。（1）案例的選取存在隨意性，與實際聯(lián)系不緊密，對知識點的囊括度不夠，且趣味性不強；（2）翻轉(zhuǎn)課堂教學模式雖是將教學資料提前發(fā)給學生預習，但學生自主學習的效果如何，需要教師通過提問、答疑和讓學生分組討論、完成項目等方式來檢查，這對教師職業(yè)素養(yǎng)有更高的要求；（3）鑒于緊張的課時數(shù)，目前已實施的案例式教學與翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的結(jié)合多流于形式，即教師在課前發(fā)布一些未經(jīng)考究的低質(zhì)量案例、課堂上對這些案例一帶而過、繼續(xù)按照傳統(tǒng)方式授課，這樣不僅浪費學生課前的自學時間，還可能造成案例與教材知識點的脫節(jié)，存在應付的嫌疑。

“水力學”課程以水為主要研究對象，探討液流靜力學和動力學基本規(guī)律及在工程中的實際應用問題，是一門既有系統(tǒng)理論，又有較強實踐性的課程，但當前國內(nèi)“水力學”課程尚未實現(xiàn)案例式教學和翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的有效結(jié)合[4-5]。文章以長沙理工大學城南學院水電專業(yè)的“水力學”課程為依托，采用“以學為主”的翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，從實際完成的科研項目中選取典型案例進行融入，將改變傳統(tǒng)“以考為主”的考核方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙院藶橹鳌?，在教學任務的導引下突出學生的主體地位，提升教學質(zhì)量，力爭將該課程打造成具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“金課”，為工程類專業(yè)課程教學模式的創(chuàng)新提供參考。

一、學情分析與實施原則

根據(jù)授課專業(yè)的課程安排，學習“水力學”課程內(nèi)容前，學生已先學習了“高等數(shù)學”“大學物理”等課程，為課程內(nèi)容中微積分的運算、過程和結(jié)果的理解及流體的受力分析打下了良好的基礎(chǔ)。該課程面向的是大學本科三年級學生，其已具備一定的自學能力和知識轉(zhuǎn)化為實踐的能力，符合“水力學”課程與工程實際問題緊密結(jié)合的特點，同時該課程的教學多為小班授課，課堂人數(shù)在30人以內(nèi)，在科學的教學方法引導下，可取得理想的教學效果。

本次教學改革堅持“一個轉(zhuǎn)化、兩個轉(zhuǎn)變”的基本原則，即科研成果向教學實踐的轉(zhuǎn)化、原有以“教”為主向以“學”為主的教學方式的轉(zhuǎn)變和原有以“考”為主向以“核”為主的考核方式的轉(zhuǎn)變，徹底改變以教師講授知識點為主的教學模式，突出學生在課程學習過程中的主體地位。

二、創(chuàng)新性解決關(guān)鍵問題

（一）擬解決的關(guān)鍵問題

課前階段，學生圍繞教師歸納的知識點和工程案例自學，案例數(shù)量和內(nèi)容對學生的自學效果尤為重要，如何選取合適的工程案例和采取何種方式考評學生課前自學效果是首先要解決的關(guān)鍵問題。

課堂階段是核心，關(guān)鍵問題體現(xiàn)在教師如何把控案例和知識點配合講解的時間、對哪些問題進行答疑、采取何種形式與學生研討，以及隨堂測試的實施方式。

課后階段的關(guān)鍵問題是如何跟蹤和檢驗學生對課堂知識的掌握情況，以及能否解決類似的工程問題。

（二）主要創(chuàng)新點

解決以上關(guān)鍵問題的兩個創(chuàng)新點如下。

1.提出“水力學”課程案例式+翻轉(zhuǎn)課堂教學的新模式和實現(xiàn)該種教學模式的系統(tǒng)方案，既實現(xiàn)科研向教學的有效轉(zhuǎn)化，又能夠促成對學生專業(yè)知識和素質(zhì)的綜合培養(yǎng)。

2.建設“水力學”課程典型工程案例素材庫，并以案例分析為線索，配套建立網(wǎng)絡平臺相關(guān)模塊和相應知識點的主、客觀題庫，并制作完整的授課視頻，是對現(xiàn)有“水力學”課程建設內(nèi)容的有效補充。

三、具體實施方法

（一）課程資源建設

1.工程案例素材制作

為保證可行性，即具備合理的工作量和較高的質(zhì)量，學校采取了“少而精”的方式開展案例式+翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，選定的主要改革內(nèi)容為“水力學”課程中《明渠恒定非均勻漸變流水面曲線分析與計算》一節(jié)?；谇捌诔袚暮蠎鸦\江水電站回水復核和海南瓊中抽水蓄能電站下游河道行洪能力分析項目，挖掘和整理原始素材，作為本次水庫上、下游水面曲線分析計算和對比的典型案例。案例具有以下特點：（1）對明渠水面曲線的相關(guān)知識點具有高度歸納性；（2）是水利樞紐工程中的典型問題，解決本案例對學生啟發(fā)效果好，促使其舉一反三；（3）難度適中、具備趣味性，計算過程中會采用小程序或小型水動力計算軟件進行快速迭代或試算并動態(tài)展示，易激發(fā)學生的學習熱情。案例素材的內(nèi)容包括視頻、動畫、圖片和工程基礎(chǔ)資料，教師將其放在教學課件的最前面，案例之后總結(jié)幾個經(jīng)典問題向?qū)W生提問，課件后面的內(nèi)容調(diào)整為由該案例衍生出的知識點歸納，并將上述包含案例和知識點歸納的教學課件上傳至網(wǎng)絡教學平臺。

2.題庫建設

針對改革試點內(nèi)容，單獨進行題庫建設，包括客觀題和主觀題兩部分?？陀^題庫有判斷題、單選題，教師可從其中抽取部分錄入問卷星平臺，作為隨堂測試的題目。主觀題庫有簡答題、辨析題、作圖題和計算題，教師可從中抽取部分作為課后作業(yè)。同時還設置綜合題，題目內(nèi)容在課堂教學案例的基礎(chǔ)上進行修改，課程結(jié)束后以大作業(yè)的形式讓學生分組完成，以檢驗學生對所講案例的理解和掌握情況，重點在于判斷其能否解決相似的工程問題。

（二）教學實施

案例教學部分充分利用翻轉(zhuǎn)課堂模式進行。前期素材制作完畢后，以城南學院2020級水電1班和2班（合班）為對象開展教學，開課前一周將客觀題庫和含工程案例、知識點歸納的課件上傳到網(wǎng)絡教學平臺，方便學生隨時登錄查看、學習和做練習。在平臺上設置問題收集箱，只收集針對工程案例的問題，學生將在做練習題過程中遇到的問題直接帶到課堂上。這一階段，教師僅在網(wǎng)絡平臺上選取少量問題進行初步解答和點撥，為課堂研討做鋪墊。

課堂上，首先，學生提問，教師回答關(guān)于工程案例的問題，與學生熱烈討論和交流，在該過程中，學生的問題也得到相應解答。其次，教師基于工程案例提出更深層次、更具啟發(fā)性的問題，請學生分組討論，并選擇一到兩組學生到講臺前給大家講解和演示。最后，教師對該案例進行系統(tǒng)性總結(jié)，特別要強調(diào)恒定總流的能量方程是如何在案例的水面曲線分析與計算中得到應用的，并結(jié)合案例對前期歸納好的知識點進行“畫龍點睛”。講課完畢后，教師利用剩余10分鐘時間在問卷星平臺上發(fā)布隨堂測試題進行測試。

課后，教師對學生的學習行為進行追蹤，主要統(tǒng)計學生登錄網(wǎng)絡平臺的次數(shù)、學習時長及課后在平臺上的提問情況，同時從主觀題庫中選取部分習題作為學生的課后作業(yè)，在本部分課程內(nèi)容結(jié)束后再發(fā)布到網(wǎng)絡教學平臺上。然后，教師對教學所用的工程案例進行修改，作為學生需分組完成的大作業(yè)，大作業(yè)成果在期末前半個月收回。

（三）教學考核

“考”的部分占40%，其形式是期末考試；“核”的部分占60%，其內(nèi)容包括課前學習活躍度、課后學習活躍度、課堂互動表現(xiàn)、小組討論、隨堂測試、課后作業(yè)和大作業(yè)成果。課前和課后學習活躍度的考核主要是評估學生反饋到問題收集箱中的具體問題和在線學習時長。課題組教師根據(jù)所提問題的質(zhì)量和在線學習時長進行評分，最后對分數(shù)進行加權(quán)平均；課堂互動和小組討論環(huán)節(jié)可把研究生助教帶到現(xiàn)場，記錄全過程，課后由任課教師和研究生助教共同進行評分并加權(quán)平均；隨堂測試、課后作業(yè)和大作業(yè)均有較為明確的評分標準，由任課教師單獨評分。通過以上評分過程保證“核”環(huán)節(jié)的合理性和公平性。

（四）實施效果評估

為評估本次教學改革的效果，教師設置對照組，即除被選為教改對象的班級，其余班級仍按傳統(tǒng)模式進行教學。教改班和對照班的期末考試試卷、隨堂測試和課后作業(yè)（不包括教改班的期末大作業(yè)）均采用同一套題目。期末總評時，從對知識點理解和掌握、學習興趣提升、學習主觀能動性、學習記憶效果、學生思維能力、團隊協(xié)作能力、課后作業(yè)成績、隨堂測試成績、期末考試成績等方面對比教學效果，并對教改班的學生采用了問卷調(diào)查的形式調(diào)查其滿意度。

（五）實施步驟

前期準備階段：教師研究現(xiàn)有“水力學”課程教學大綱、教案、課程達成度和題庫等教學資料，閱讀和分析案例式教學方法和翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的相關(guān)文獻，向?qū)＜艺髑髮Ρ敬伟咐x擇、題庫建設和教學改革思路的建議。

改革實施階段：基于前期科研項目成果， 教師搜集和完善所選案例的視頻、 照片和工程基礎(chǔ)資料，制作動畫和PPT課件，整理并上傳至網(wǎng)絡教學平臺；建設主、客觀題庫，上傳至網(wǎng)絡教學平臺，并從客觀題庫中抽取部分題目，利用問卷星制作隨堂測試題；開展案例式+翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，分析教學改革效果，完善教學過程。

總結(jié)提升階段：教師總結(jié)本次教改成功經(jīng)驗，完善存在的不足，推廣特色教學方法，匯編研究成果，撰寫研究報告。

圍繞以上各板塊的總體技術(shù)路線如圖1所示。

四、實施效果及應注意的問題

本次教改實施結(jié)果表明，教改班不僅在“核”環(huán)節(jié)有較好的表現(xiàn)，在“考”環(huán)節(jié)的平均分也比對照班高，且問卷調(diào)查顯示95%以上的教改班學生均為“滿意”或“十分滿意”。本次教學改革不僅讓教改班學生得到了理論與實踐結(jié)合的全方位培養(yǎng)，也增強了其團隊協(xié)作意識，調(diào)動了學生學習的主觀能動性。特別是在分析與計算水面曲線隨關(guān)鍵參數(shù)（如糙率）變化的過程中，學生認識到關(guān)鍵參數(shù)取值的微小誤差即可引起水面曲線的顯著調(diào)整，可能造成淹沒風險增加或水庫移民成本投入加大等不利后果，有助于強化其工程責任意識和精益求精的大國工匠精神。

目前，長沙理工大學水利類專業(yè)學生學習“水力學A（一）”和“水力學A（二）”；船舶與海洋工程專業(yè)學生學習“流體力學（一）”和“流體力學（二）”；交通類、土木類專業(yè)和給排水科學與工程專業(yè)學生學習“水力學C”。根據(jù)2021—2022年度教學安排，兩學期所有學習“水力學”課程的學生人數(shù)達到1 900余人。隨著后期推廣和線上資源開放，課題組成員所教授班級，以及長沙理工大學城南校區(qū)和本部近2 000名學生均可通過教學資源共享受益。

但在后期推廣“水力學”課程案例式+翻轉(zhuǎn)課堂教學模式的過程中，應注意根據(jù)不同專業(yè)培養(yǎng)目標和學生實際能力水平合理確定案例講解的深度，并科學分配課前、課中、課后時長和對應內(nèi)容的體量。

專業(yè)基礎(chǔ)課程服務于工程實踐是當前高校教育追求的重要目標，本次教學改革是率先將案例式教學和翻轉(zhuǎn)課堂教學模式融合于“水力學”課程的一次嘗試。即基于前期科研項目，在重要章節(jié)引入典型工程案例，圍繞案例，以翻轉(zhuǎn)課堂模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)授課模式進行教學，符合“金課”“兩性一度”的建設標準。該教學模式有助于學生在掌握理論知識的同時，提前接觸工程實際、熟悉工程問題的解決方法和培養(yǎng)大國工匠精神，成果可為國內(nèi)高校同類課程提供有益的參考。

參考文獻：

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編輯∕丁俊玲