流體力學實驗課程項目式教學模式與高階思維能力培養

李 峰，陸新曉，朱紅青，譚 波

（中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院，北京 100083）

0 引 言

現階段，以新技術、新業態、新產業、新模式為特點的新經濟引發了高校人才觀、思維方法、教學模式的改革，如何培養當今和未來社會所需要的，具有高階思維的人才成為了高等教育亟待解決的關鍵問題，學生高階思維的培養是現代教育亟待的關鍵任務，是國家教育改革的不懈努力與追求［1-3］。高階思維源自于布魯姆等的認知目標分類學，2001 年安德森等對此進行了修訂，將教育目標分為記憶、理解、應用、分析、評價和創造［4-5］，其中所提到的“分析、綜合應用、評價、創造”屬于高階思維，體現了學習者對問題的求解能力、決策能力、批判性思維和創造性思維能力等方面［6］。

流體力學課程是眾多工程專業的基礎課程，主要研究流體（液體與氣體）平衡和運動的基本規律，包含如下內容；①流體本身的靜止狀態和運動狀態；②流體和固體界壁間有相對運動時的相互作用和流動規律。此門課程的學習需要具備較堅實的理論基礎，先修課程包括高等數學、大學物理、理論力學等；與先修課程相比，流體力學更加注重對學生自主學習能力、理論聯系實際能力、創新實踐能力等與之相關的高階思維能力的培養；實驗課程的高效教學是引導學生將專業理論知識與工程實踐緊密結合的有效途徑［9］。本文針對發展“大學生高階思維”培養的問題，設計流體力學實驗課程項目式教學模式，探討當今大學生高階思維的培養方式與途徑。

1 流體力學實驗課程內容

流體力學實驗內容如圖1 所示，主要包括：①伯努利實驗；②雷諾實驗；③管路串、并聯實驗；④沿程與局部阻力實驗；⑤泵的性能測定實驗。實驗課程的核心內容即是伯努利方程的驗證與應用，②～⑤的實驗均有應用伯努利方程計算的內容，也是整個流體力學課程的核心。

圖1 流體力學實驗課程的主要內容

（1）伯努利實驗。伯努利實驗的主要內容：①觀察不可壓縮流體在導管內流動時，位能、動能、壓能等各種形式機械能的相互轉化現象；②驗證機械能衡算方程（伯努利方程）；③通過實驗測試壓頭、流量和流速等水力學參數，理解當流體在導管內作定常流動時，在導管的各截面之間的各種形式機械能的變化規律。加深對流體流動過程基本原理的理解，驗證流體總流的能量方程。

（2）雷諾實驗。液體在運動時，存在著兩種根本不同的流動狀態，即層流與紊流。雷諾實驗內容如下：①觀測液體流動時的層流和紊流現象，區分兩種不同流態的特征，加深對雷諾數的理解；②測定顏色水在管中的不同狀態下的雷諾數及沿程水頭損失，驗證不同流態下沿程與水頭損失規律；③了解無量綱參數的實驗方法。

（3）管路串／并聯實驗。管路串／并聯實驗主要內容是驗證串聯、并聯管路的流量分配與能量（水頭）損失規律，加強學生相關理論（伯努利方程、能量損失計算等）聯系實際（簡單與復雜管路的水頭損失與流量計算）的能力。

（4）沿程與局部阻力實驗。沿程與局部阻力實驗主要內容：①測試流體在等直管道中流動與流經閥門時的能量損失；②測定直管流動的沿程阻力系數與流經閥門時的局部阻力系數。加深對量綱分析法、阻力損失的影響因素（流體屬性、管路尺寸、流速等）與總阻力的理解。

（5）泵的性能測定實驗。泵的性能測定實驗主要內容：①測定離心泵在恒定轉速下的性能；②繪制出該泵在恒定轉速下的揚程-流量（H－Q）曲線；③繪制軸功率-流量（N－Q）曲線和泵效率-流量（η－Q）曲線。加深理解水泵工作時，揚程、軸功率、效率和流量之間的內在聯系。

由于江北新區的成立，經濟發展速度快，城鎮化進程迅速，部分監測地塊雖然設置在較偏僻地區，但依然受到了被征用的威脅。目前，浦口區已有1個省級點，3個市級點因土地征用而被迫遷址，對監測數據的連續性造成了一定的影響。

2 項目式教學模式設計

在項目式教學中，①教師根據國家戰略，行業發展趨勢，針對前沿熱點難點問題，調研學生感興趣的課程項目，確定項目名稱；②根據項目實施流程，明確項目期限，細化各階段的要求（包括階段性和總結性評估要求），提供項目管理的基本輔導；③根據實驗室軟件與硬件配備狀態，列出可提供的軟、硬件及數據支持，可適當提升項目分數占比，優化課程考核結構構成；④教師在整個過程中應密切關注學生的研究活動，及時指導，糾正嚴重問題，提供必要的工具與支持；但必須以學生為主體，不可過度干預，教師-學生雙方加強交流，及時糾偏，在時間與資源基礎上形成最優的解決方案，實現技術上的及時引導與優化，同時加強線上／線下監督；⑤項目研究任務完成后，教師組織項目匯報與評價，統計分析整個過程中的學生表現數據，根據學生項目研究成果從學術角度給予專業評價，并結合行業發展方向與趨勢，對學生給予未來研究內容與建議的引導。流體力學實驗課程的項目式教學模式框架設計見表1。

表1 項目式教學模式實施框架

具體實施流程如下：

（1）項目設置。根據實驗課程體系內容，調研了學生感興趣的課程項目（消防工程專業28 人，安全工程專業33 人），主要分布在礦山（16.4%）、建筑（36.1%）、機械（18.0%）、交通（5.0%）、航空（5.0%）、日常生活（6.5%）、其他（13.0%）等相關行業，調查結果見表2。調研結果顯示學生的興趣廣泛，發散思維能力較強，例如有學生提出應用流體力學原理，根據人體輪廓優化設計阻力較小的泳衣；也有學生提出汽車外形輪廓的優化設計、噴泉出水安全性設計、呼吸與閉氣對顱內壓力的影響等等。在項目式實驗教學設計中，教師應考慮應用合適的教學方式進一步去培養類似的思維能力，激發學生的學習興趣。

表2 實驗課程的教學項目調研結果

為滿足絕大部分學生的需求，并考慮學生分組、項目研究內容與實驗課程的相關性、項目資源、專業特點等方面的因素［10］，確定以下8 個課程項目供學生選擇：①礦山通風與瓦斯流動；②高層建筑火災煙流的流動；③復雜管路設計與優化（如噴淋系統、消火栓系統等）；④流體力學在人員密集場所疏散中的應用；⑤外形與輪廓的優化設計（汽車、泳衣、飛機等）；⑥水錘效應的防治；⑦基于相似原理水壩外形設計與優化；⑧高速列車隧道出口音爆的防治。上述8 個項目的研究內容可全方位覆蓋實驗課程的主要內容與行業發展的重難點問題，項目的實施可引導學生扎實掌握課程相關理論及其實際應用。同時，教師可借此引導學生與國家發展同向共進，促使學生將所學理論與現實需求緊密結合，以激勵學生自覺把個人的理想追求融入國家和民族的事業中。

（2）項目研究方案設計。①由學生自行選擇項目小組成員、組建研究團隊；②根據所列項目與團隊成員的興趣點，自主選題；③開展資料收集與實踐調研活動，確定項目研究目標及研究深度；④針對項目的科學難題與技術難點，確定項目研究內容；⑤明確技術思路，制定研究方案（包括方法模型、硬／軟件、數據資源、邏輯結構等），初步確定難點問題的解決途徑。此過程主要涉及教師-學生、學生-學生的相互溝通與合作，以及對項目相關內容的確定與決策，對提升學生溝通、合作、決策的能力具有推動作用。

（3）制定項目研究實施計劃。①學生須細化項目研究方案，制定項目實施計劃，主要涉及到人員分工、時間安排、階段展示、項目預算等；②研究內容的解決途徑普遍會涉及大量的跨學科理論、技術與方法，項目組成員需根據計劃合理分配每個成員承擔的任務、鍛煉分工協同合作的能力，學會團結以共同攻克研究難點；③根據時間安排計劃把控項目研究進度，及時進行階段性總結；④匯總項目的研究成果，撰寫研究報告。此過程主要涉及項目的任務分配、分工協同合作、攻克難點問題、方案優化、項目研究進展控制以及匯總成果等，可有效提升學生的溝通、合作、創新、決策的能力。

（4）項目研究成果匯報與評價。學生需根據研究報告以答辯形式匯報研究成果（15 min 左右）；對研究過程中遇到的難點問題及其分析、解決過程進行總結，反思評估，交流分享。此過程主要涉及項目研究成果的匯報交流，得失總結以及自評互評，以達到提升學生的高效溝通（展示）、合作、批判等方面的能力的目的。

（5）項目式教學模式的持續改進。在項目式教學模式實施完成后，教師與學生雙方均應及時總結經驗與教訓，并對項目式教學模式與教學內容的進行持續改進優化：①教師作為課程的總負責人，學生作為項目具體實施成員，雙方均須基于項目研究過程再現的方式，需及時總結項目中各個環節的問題、經驗與教訓，優化項目式教學模式與教學內容；②教師與學生均應從項目教學活動中總結學術啟發、得失與能力提升，分析項目研究中的各種類型問題，解決途徑，交流探討，以優化項目式教學模式對高階思維能力培養途徑，提升學生創新思維意識及其能力；積極探索項目活動對行業研發的助力，為下一次項目式教學奠定基礎。

3 項目式實驗教學模式設計

基于以往的教學總結與經驗可知：在實際的流體力學實驗課程教學活動中存在的主要問題有：①學習積極性／興趣；②疑難知識的學習；③個性化教與學；④知識的系統梳理及效果評價等方面［11-13］。采用項目式教學可在導學方式、知識導圖、教學途徑、數據動態分析等方面高效地解決上述問題；通過建設資源庫、提供教學工具、打造名師課堂／云課、微信公眾號推文、課后／線上答疑等技術支撐，可實現實驗教學中學生高階思維的培養，如圖2 所示。

圖2 項目式教學＋高階思維培養教學模式構建

流體力學實驗課程教學前期需及時梳理教學可能存在的問題，并在課前做好課程邏輯設計，通過學習邏輯設計給出能夠真正激發學生學習動機和興趣，驅動學生學習與研究的全過程的分類分層次的學習任務［14］，確定切實可行的教與學路徑，由此提出課前、課中與課后項目式教學的設計模式，如圖3 所示。

圖3 流體力學實驗課程教學模式設計

（1）實驗教學前準備。按照項目式教學模式與高階思維培養的實際需要，基于存在的教學問題課前進行教學邏輯設計，確定教學任務、設計教學路徑；繪制課堂教學圖譜，梳理知識結構、重難點與關鍵問題；確定融合項目研究、案例與問題分析的導學模式。

（2）實驗教學。基于教學資源（教學套件、資源數據庫、路網資源、虛擬仿真動畫等），結合課前制定的項目式教學過程的導學模式，引入融合問題探討、案例分析與項目的關鍵點，引導教學內容向項目研究內容跨越。以伯努利實驗為例，教學過程見表3。

表3 伯努利實驗教學過程示例

（3）實驗教學效果評價。采集教與學過程和結果數據，動態分析學生學習情況和教師教學情況，如：導學效果、學生參與度、學生興趣點等，及時反饋教學效果（項目關鍵問題的解決、高階思維培養等），形成教與學分析報告，及時調控教與學活動，支持教師智慧教和學生個性學與教學模式的持續改進。

以高層建筑噴淋系統的復雜管路設計與優化為例，涉及伯努利實驗、管路串／并聯實驗、沿程與局部阻力實驗、泵的性能測定實驗中的主要內容，是流體力學相關知識與原理的重要實踐。以此設計項目式實驗課程的教學模式具有典型性與代表性，見表4。主要包括三大部分：

表4 高層建筑噴淋系統的復雜管路設計與優化實驗教學方案設計

（1）教學前準備。基于項目式教學模式與高階思維培養的要求，收集高層建筑的設計圖紙，了解建筑工程的基本概況，掌握建筑中各個區域的功能；收集相關國家和行業標準（建筑設計防火規范、消防給水及消火栓系統技術規范、自動噴水滅火系統設計規范、消防專用水泵選型及安裝等），掌握設計要領。應用實際案例引出項目研究對早期建筑火災控制的重要作用，探討其前沿技術與發展趨勢，教學引導設計如圖4所示。

圖4 項目式教學引導示意圖

（2）項目式教學實施。課中教學內容主要包括6個部分：管網布置、流量與水壓、沿程阻力、局部阻力、高位水箱、泵的選型。首先對教學內容分解、制定應用相應教學方法與手段切入各個新教學內容的節點；再結合教學資源（事故虛擬仿真視頻、事故統計分析資料、事故案例、項目資源、熱點問題等），基于國家政策制定背景、趨勢分析、問題探討、案例分析、知識點邏輯梳理、項目關鍵點引入教學內容。

（3）項目式教學效果評價。采集課前、課中、課后學生學習與項目研究的行為數據，動態分析每一個學生學習情況和教師教學情況［14-15］；基于各研究團隊，在項目前期準備、技術方案制定、問題解決途徑、結論的科學性、成果的實用性方面給予合理評估；結合團隊的自身評價與其他團隊的相互評價，分析問題分析與求解、知識綜合應用與決策、結果評價與趨勢預測以及創新等高階思維的培養效果；并基于學習能力、實操能力、理論知識掌握能力、獨立思考能力、獨立解決問題能力的形成，客觀評估項目式教學效果。

4 項目式教學效果評估

4.1 建立教學效果評估模型

基于學校教學信息平臺來完成教與學數據采集，如圖5 所示，主要由三部分基礎特征數據組成：①教學前特征：課前討論次數、課前任務完成情況；課前訪問學習網站次數、提出課前疑難問題數量、課前疑難問題解決數量等。②課中特征：課堂探討參與度、課堂疑難問題分析參與度等。③課后特征：課后任務完成情況、課后討論次數、課后疑難問題提出數量、課后疑難問題解決數量等。

圖5 “高階思維-個人能力”教學效果評估模型

在教學過程中，教學管理服務器通過路由器端口對學生訪問VPN網絡的權限進行控制；教學管理服務器向學生的計算機開放訪問授權，學生可遠程訪問教學資源服務器，調用物理引擎；教學管理服務器實時記錄學生課前-課中-課后整個學習過程的相關信息，并階段性分析教學效果信息，授課教師可實時掌握每個學生的學習情況，實現對學生整個學習過程的“隨評隨看”。項目式教學過程中以1 個實驗為一個階段，基于每組學生對項目研究中的問題分析與求解、知識綜合應用與決策、結果評價與趨勢預測以及創新思維形成的過程分析，以學生的學習能力、實操能力、理論知識掌握能力、獨立思考能力、獨立解決問題能力5 個核心能力維度建立“高階思維-能力”評估模型，以量化評價教學效果、準確掌握學生個體和班級整體的學習情況，從而及時調整教學安排［16-17］。如果某次課程中學生的整體學習效果較好，就可安排以學生為中心的小組研討活動、以項目問題為導向的“學生自學＋討論匯報”活動等。對于難度較高、評價結果較低的內容和知識點，可安排分步操作講授為主的授課內容；對學生來說，可動態地監測學生學習，有利于學生及時掌握自己的學習情況及效果，促使學生動態調整學習方案，實現教學方案同步更新與持續優化。

4.2 項目式教學滿意度調查

流體力學實驗課程的項目式教學模式經過一個學年的摸索與實施，得到了學院與同學們的大力支持，在兩個班級得到了全程實施；眾多學生普遍反饋項目研究的實踐過程中，在課程內容重要知識點與難點的理解、掌握和應用，問題的分析和求解，團隊溝通交流，演繹推導與決策，總結與概括等方面取得了長足進步，體驗到了項目研究過程中創新的艱辛與樂趣，滿意度調查結果如圖6 所示（選擇1～3 項／人），但值得注意的是選擇演繹推導與決策能力、總結與概括能力僅占比29.4%與38.8%，后期的教學中需針對性此兩項能力對教學內容與方式進行持續優化。98.6%的學生在教學信息平臺的教學效果反饋模塊中給了滿分，值得驚喜的是期末考試平均成績較往年也提升了20.3%；也充分說明項目式教學模式是符合當代大學生的學習需求及其個人能力發展需要的。

圖6 實驗課程項目式教學滿意度調查統計

4.3 高階思維培養與個人能力形成

通過項目式教學模式的實施，在分析國家、行業政策、發展趨勢與項目現存的問題基礎上培養學生對關鍵問題分析與求解的思維；在項目技術思路、技術方案制定、問題解決途徑、數據處理等基礎上培養學生的知識綜合應用與決策思維；在項目結論分析與成果匯報，分析項目結論的科學性以及成果的實用價值，得出研究發展趨勢，以培養學生的結果評價與趨勢預測思維；在項目成果基礎上，結合研究發展趨勢，分析將來研究存在的問題，提出關鍵問題解決途徑，以培養學生的創新思維。同時，項目研究過程中的研究團中成員溝通、團隊與團隊的溝通、團隊與教師的溝通，培養學生高效信息溝通的思維，最終形成并提升學生的學習、實操、理論知識掌握、獨立思考、獨立解決問題等方面的個人能力，如圖7 所示（選擇1～3 項／人），可知：選擇獨立思考能力與獨立解決問題的能力占比40.7%與32.3%，后期教學中需針對此兩項高階思維能力的培養制定針對性的方案。

圖7 實驗課程項目式教學高階思維能力形成調查結果

5 結 語

學生的問題分析與求解、知識綜合應用與決策、結果評價與趨勢預測以及創新等高階思維的培養是提升學生自身個人能力的有效途徑；項目式教學模式的設計以項目研究為基礎，遵循問題導向性、交叉融合性、前瞻研究與動態建設的原則，強調學生的自主探索與協同合作，是一種創新的、開放式、教學相長的教學任務，是培養學生溝通、合作、創新、批判、決策等高階思維的最佳教學模式。實施結果表明：學生在重要知識點與難點的理解、掌握和應用，問題的分析和求解，團隊溝通交流，演繹推導與決策，總結與概括等方面取得了長足進步；學生的學習、實操、理論知識掌握、獨立思考、獨立解決問題等方面的高階思維逐步得到培養與形成，充分說明項目式教學模式是符合當代大學生的學習需求及其個人能力發展需要的，也為教師開展教學設計與案例研討、教學資源建設與運用、教學改革，研究并遵循教學之道提供借鑒。