以學生為中心的流體力學教學改革與實踐*

劉美麗 孔令真 陳家慶 韓嚴和

北京石油化工學院 北京 102617

0 引言

能源化工、環境保護等過程通常會涉及流體或者包含固體的兩相/多相流動問題，因此流體力學在很多工科專業人才培養課程體系中的地位非常重要[1]。尤其對于環境工程專業的學生而言，水污染控制工程、大氣污染控制工程等專業必修課程中，污染治理技術和設備的學習都涉及流體的運動規律[2]。為了培養適應國家發展需求的高水平環保人才，前期針對北京石油化工學院環境工程專業流體力學課程教學方式單一、學生課堂主動性低等問題，教學小組結合中國工程教育專業認證的最新要求進行了教學改革[3]。但隨著智能化時代物聯網、大數據等對教育模式的沖擊以及新工科建設對教學提出的新要求，結合“互聯網+”等信息技術，開展以學生為中心的教學改革勢在必行。

以學生為中心的教學范式，其關鍵是實現從以“教”為中心向以“學”為中心轉變，即從“教師將知識傳授給學生”向“讓學生自己去發現和創造知識”轉變，從“傳授模式”向“學習模式”轉變[4]。根據本校建設高水平應用型大學、打造首善之區工程師搖籃的辦學定位，結合當前大學生是新時代網絡“原住民”、個性張揚、活力無限的特點，在流體力學的教學過程中，以信息化技術為載體，以培養學生愿學習、會思考、能解決問題為重點，以鼓勵學生“做中學”為手段，構建了以學生為中心的線上線下混合式教學模式。

1 教學內容優化與設計

流體力學課程的特點是理論性強、多學科融合、內容抽象難懂，因此對學生的數學基礎要求較高[5]。此外，學情調研發現，缺少邏輯主線、無法形成完整的知識體系，是學生學習困難的另一主要因素。因此，教學小組深入挖掘課程內容特點，經過反復研討后提出了教學內容模塊化、學習活動分層次、教學評價多樣性的教學模式，如圖1所示，其中教學內容模塊化是實現新教學模式的前提，學習活動分層次是實施新教學模式的關鍵，教學評價多樣化是保障新教學模式的導向。

圖1 課程內容邏輯分析和教學模式設計

1.1 教學內容模塊化

首先要求授課教師對課程發源發展、知識體系內容、前沿動態趨勢有較為深入的把握和理解，能夠高屋建瓴地化繁為簡、削枝存干，以幫助學生理清課程脈絡，而非總處于“不識廬山真面目，只緣身在此山中”的狀態和境地。從流體力學的課程內容來看，其主要包括靜力學、運動學和動力學三大理論模塊，其余內容可視為理論模塊的拓展應用；從研究手段和方法來看，其主要有理論分析、實驗測試和計算流體力學數值模擬三種，目前的課程內容以理論分析和實驗測試為主；從流動現象認知來看，流體運動主要包括運動狀態描述、運動規律分析和運動現象應用。構建模塊清晰的內容邏輯關系，有助于學生增強對課程內容內在關聯性以及整體邏輯性的認識，獨立又相互關聯的模塊有利于學生形成個性化的認知結構。

1.2 學習活動分層次和教學評價多樣化

學習活動分層次和教學評價多樣化方面，要求授課教師對課程內容特點屬性、學生學習習慣和認知規律有較為深入的理解，能夠因地制宜、因勢利導，設計合適的教學活動。課程小組以學生為中心，強調學生能力培養而不是知識獲得，設計了自學和講授、課內和課外、共性和個性相結合的教學活動。對概念和理論等知識性內容，采用學生課前自學、線上測評、教師課上釋疑等方式進行教學；對知識和理論應用等內容，采用課上案例教學、課下學生分析設計的方式開展教學；對理論知識的再創造等內容，以視頻資料、文獻調研和自我總結為媒介，引導學生發現流體力學知識在科技自然等領域的神奇力量，促進其內在轉化。目前，課程小組已建立了基于互聯網+的兩維（教師和學生）、三實（內容的實用、實踐和實效性）、四結合（主動與被動、課內和課外、共性和個性、形成性和終結性相結合）的線上線下混合式教學模式，提高了教學效果。

2 泛在課程資源構筑

利用互聯網靈活便捷、開放共享的特點，建立了“整體概貌—自主探索—分析應用—自我修復—評價創造”五部分學習資源，構筑課內課外相結合的泛在學習環境，如圖2所示。具體而言，繪制了課程內容思維導圖，幫助學生了解課程的整體輪廓，明確學習進度和內容的關聯；以課程視頻作為課前學習資料，引導學生自主學習基礎概念和難度較小的內容，設計測試活動，評價學生自學效果，同時為教師掌握內容難點和易錯點提供參考；制作教學課件，著重分析重點和難點，并結合案例培養學生的分析應用能力；錄制課后作業解答視頻、共享優質網絡資源，培養學生自我對標、修復提升的習慣和能力；收集與流體力學相關的科技科普資料，形成雜談趣聞實例庫，激勵學生創新創造；設置課前測試、課堂討論/頭腦風暴、課后作業和項目學習等活動，保證教、學、評的一致性。

圖2 支撐泛在學習環境的課程資源

互聯網打破了傳統教學存在的學校知識空間、學習維度空間與學科結構空間的壁壘，提供了豐富的學習資源，實現了最大參與性，提高了靈活性，增強了社交能力和互動性，也拓寬了學科相融和動態反饋特征，從統計情況來看，學生的學習參與度大幅提高，完成所有學習活動的學生比例達91%。通過構筑以學生為中心的泛在學習環境，培養了學生獨立自主學習的能力，激發了學生的學習興趣，并提升了學生的創新精神。

3 多元化課程講授模式探索

“以學生為中心”的關鍵是從“教師將知識傳授給學生”向“讓學生自己去發現和創造知識”轉變。因此結合信息化手段，設計了隔堂對分和項目式學習等不同的學習活動，以實現授課教師和學生共同參與、協同共進的授課模式。

隔堂對分是復旦大學張學新教授[6]提出的對分課堂的一種形式。該授課模式將知識講授和互動討論分為兩部分，要求學生主動獲取知識，帶著問題進行討論，非常適合有實踐環節的課程。因此，圍繞流動阻力和水頭損失，結合“污水管道與泵站設計”實踐環節，課程小組設計了圖3所示的隔堂對分授課模式。學生在課前通過課程視頻自主學習該單元的知識，理解水頭損失的分類、產生位置和計算方法，并完成預習測試，同時留言學習過程中遇到的難點和問題；授課教師在上課之前根據測試和留言情況掌握學生學情，重點講授沿程阻力損失和局部阻力損失的區別和聯系，建立流態和沿程阻力損失的關聯關系，并對沿程阻力損失的計算方法進行歸納分類，幫助學生深度理解阻力損失的應用和相關計算；授課教師提出“如何減少水頭損失”和“如何計算管路水頭損失”讓學生討論和思考，并將討論結果應用于后續污水提升管道的設計中；學生課下完成污水提升管道的管徑、管長、位置和轉向等設計，確定所需閥門、變徑和彎頭等連接件，計算得到污水提升管的阻力損失；在第二課堂中學生講述自己的設計和布管理念，講解阻力損失計算的方法、過程和結果，進行教師點評（占60%）和學生互評（占30%），并評選確定最優設計方案；學生根據討論過程進行修正改進（占10%）。通過對分課堂，學生的積極性和主動性大幅提高，在交流討論的過程中逐步將知識內化為能力。

圖3 隔堂對分授課活動設計

圖4 項目式學習內容和學習環節設計[3]

項目式學習不僅可以訓練學生分析和解決問題的能力，而且可以培養學生的團隊合作精神。因此，近年來逐漸延伸至整個教學領域[7]。項目式學習要求學生完成選題、分析、實施和解決整個過程，為理論知識和工程實踐搭建橋梁，所以采用項目式授課模式講授量綱分析與相似原理部分。同樣，學生首先自學課程視頻，授課教師重點講授量綱分析和相似原理在實際過程中的應用原理和方法。按照學習計劃，學生5人一組，每組設一名組長，負責統籌分配任務、組織學習活動和聯絡授課教師；每組選擇一個工程實際問題，例如“虹吸模型實驗設計”、“沉砂池模型實驗設計”和“船模實驗設計”等，通過文獻閱讀、問題分析、師生交流等活動完成整個項目內容，即從工程實際到模型實驗的整個設計過程；在撰寫報告和答辯時，體現出如圖4所示的設計和應用過程。通過項目式學習，學生深刻理解了量綱分析和相似原理在實驗研究中的作用，并完成知識重構和轉化，為后續開展學習奠定了基礎。

4 教學評價和教學效果

信息化技術大幅提高了多環節形成性評價的可實現性。采用多樣性評價環節，充分利用信息技術發布學習資源、開展活動并及時統計學生學習數據，同時根據學生情況調整教學活動、加強學生思想引導。通過多環節形成性評價，不僅可以了解學生的學習狀態，還可以了解學生的思想動態，切實從知識傳授到能力培養轉變，并適時進行價值引導。

互聯網技術為課程教學提供了豐富的資源、多樣性的教學手段和靈活的學習方式，大幅提高了學生的學習興趣，完成所有學習活動的學生比例從63%提升至91%，說明課程改革明顯提升了學生的學習積極性。從期末測試成績來看，改革前后學生的優良率從17.86%提升至50%，說明學生的學習效果隨著積極性的提高明顯提升。從學生評教結果來看，學生對課程資料、課程的理解和掌握，以及知識面拓寬等方面的認可從79.63%提高至92.59%。從結課問卷調查來看，學生普遍認識到流體力學知識在工程實踐中的重要性，堅定了學好專業、為祖國建設貢獻力量的決心。

5 結束語

基于互聯網+構建了以學生為中心的泛在學習環境，梳理了明確的課程內容邏輯關系，根據課程內容特點設計了對分課堂和項目式學習等教學活動，并組織了多樣化的形成性評價環節。由學生學習效果和學生評教結果可知，新的教學模式有利于學生更好地理解課程學習目標，把握學習進度并掌握理論知識和工程實際之間的相互聯系，學生的積極性、參與度、學習能力和愛國情懷均得到了大幅提升。