“部分翻轉課堂”在“流體力學”教學中的應用

唐群國+朱龍威+譚瓊

摘 要：文章鑒于翻轉課堂的實施需要學生投入較多時間的問題，結合“流體力學”課程的特點，采用部分翻轉課堂教學法，將翻轉課堂與傳統(tǒng)教學有機結合，對難度較大、推導過程繁雜的內容主要采用傳統(tǒng)教學法，而內容相對簡單、便于自學的內容采用翻轉課堂。通過建立翻轉課堂信息交流平臺，將線上教學和線下教學相結合。對比試驗發(fā)現(xiàn)，部分翻轉課堂在不過多增加學生負擔的條件下較好地提高了教學效果。

關鍵詞：翻轉課堂；流體力學；機械專業(yè)

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2017）12-0004-03

一、完全翻轉課堂存在的問題

翻轉課堂教學模式本世紀初起源于美國，它顛覆了傳統(tǒng)以教師為中心的教學方法[1-2]，強調學生在教學過程中的主體地位，注重調動學生在學習過程中的主觀能動性與積極性，教師則更多地充當學習引導者和討論組織者的角色，課堂上師生互動時間增加。翻轉課堂有利于培養(yǎng)學生的自主學習能力以及提出問題、分析和解決問題的能力。因此近年來翻轉課堂教學法在全球教育界得到很多關注和研究，我國大中小學及職業(yè)教育學校也開展了許多翻轉課堂的探索及實踐[3-6]，但總的來說在我國的大學教育中應用還較少。

按照翻轉課堂的教學理念，在課程學習的課前、課中及課后三個環(huán)節(jié)都需要學生積極地參與，包括課前預習、通過預習提出問題、課堂討論、課堂練習、課后復習鞏固及總結，完成作業(yè)等，教師則主要做好課前預習任務的布置及準備相應的教學視頻、微課、課件及思考題，策劃組織學生課堂討論、課堂練習等。這種把教與學倒置與以教師為主導的傳統(tǒng)教學根本不同的翻轉課堂教學模式在本文中定義為“完全翻轉”。

完全翻轉教學模式盡管理論上有其充分調動學習者積極性和主動性的特點，但在教學實踐中也存在一些問題，其中比較突出的問題是，完全翻轉課堂教學方法要求學生課下投入足夠的時間完成課前自主學習的任務，為了課堂環(huán)節(jié)按計劃進行，要求學生借助教師提供的導學材料通過自學基本掌握要學習的知識。學習效果在很大程度上取決于學生的自覺性，即從“要我學”變?yōu)椤拔乙獙W”。由于學生的課下時間有限，且同時要上幾門主干課程，為了配合一門課的翻轉教學，往往只能犧牲其他課程的學習時間，最終影響總體的學習效果和學生各門課程的全面協(xié)調發(fā)展。而學生在課前學習上的自覺性和自律性也常常因人而異，課前學校的效果還與要學習內容的難度有直接關系，當學習內容較難，特別是涉及復雜的推導過程時，總有一部分學生不能按照要求完成課前預習，從而影響后續(xù)教學計劃的有效執(zhí)行，影響教學進度。從學生的角度看，特別是大一、大二低年級的學生，由于接受了多年的傳統(tǒng)教育和應試教育，大多數(shù)學生尚沒有形成自主學習的習慣，對作為新生事物的翻轉課堂教學也應該有一個逐漸適應的過程。

在開展該項研究之初，通過無記名問卷的方法調查了解了華中科技大學2014級機械專業(yè)兩個班級對之前上的“機械制圖”等課程翻轉課堂的體會與看法，參與調查的學生共51人，從反饋的情況來看，大家對這種教學方法看法并不統(tǒng)一，很多學生認為翻轉課堂教學盡管有學生參與度高、在任務驅動下學習節(jié)奏快等促進學習的一面，但超過85%的學生認為翻轉課堂模式占用了他們太多的課下時間，導致其他課程學習時間不足，一定程度上影響了其他課程的學習。調查也發(fā)現(xiàn)有相當比例的學生傾向于接受傳統(tǒng)教學法，而大部分則選擇本文后面提出的部分翻轉課堂法，這也從側面說明了一個問題：任何一種教學方法在使用時都有其局限性，因為每個個體的情況都不盡相同?？梢姺D課堂雖然理念新穎，但目前受各種主客觀因素的影響在學生群體中也并非受到一致歡迎。

按照美國著名心理學家、教育家布魯姆（Benjamin Bloom）關于教學活動目標層次理論，教學活動要實現(xiàn)的總體目標分為認知、情感和心理運動三大領域，翻轉課堂課前學習環(huán)節(jié)中學生對相關知識的學習主要處于認知領域的識記、領會和簡單應用的最低層次，學習內容的難度、復雜程度必然會影響自主學習的時間和效果，內容越抽象，難度越大，需要投入的時間就會越多。我們的調查發(fā)現(xiàn)，學生大多認為用于課前自主學習的時間控制在1小時內為宜。因此在翻轉課堂教學方法的使用上，我們認為不同的課程因為課程內容、課程特點及學習的難易程度等不同而應有所區(qū)別，不宜一刀切。一般來說，對于人文類的或易于理解的內容比較適合自學，但對于理論性強，內容抽象，難理解的課程，特別是涉及復雜推導的內容，如果采用傳統(tǒng)教學為主的方法，從學生的角度來看時間效益可能會更好，也有利于學生統(tǒng)籌安排自己的課下時間，協(xié)調其他課程的學習進度。即使同一門課程，在不同的章節(jié)部分，難易程度通常也會有較大差別，所以在翻轉課堂教學中應根據課程及內容特點，同時綜合考慮學生的基礎、學習能力及總體的課業(yè)負擔情況，進行適當調整和綜合考慮，以求獲得最好的教學效果，提高學習效率。

基于上述考慮，我們提出“部分翻轉課堂”的教學方法。部分翻轉課堂就是在一門課程的教學中，將傳統(tǒng)教學模式與翻轉課堂模式有機結合，根據內容難易程度采用相應的教學方法，即使在采用傳統(tǒng)教學方法時，也適當借鑒翻轉課堂的一些好的思想和措施，以充分調動學生學習的主動性和積極性。

二、在“流體力學”教學中采用部分翻轉課堂的教學設計

“流體力學”是大中專院校機械、土木、能源、船舶、材料、環(huán)境、航空航天等很多專業(yè)的專業(yè)基礎課，學生通過該課程的學習可為后續(xù)相關專業(yè)課學習打下必要的力學基礎。

目前華中科技大學“流體力學”已列為機械大類專業(yè)平臺課，但所用的教學方法基本上沿用多年來的以教師為中心的傳統(tǒng)方法，近年來由于培養(yǎng)計劃調整等，課程學時數(shù)壓縮，由原來的32學時改為28學時，而內容并未減少。為了完成教學計劃，授課基本上是教師講學生聽的模式，課堂上學生與教師之間很難開展有效的互動，而填鴨式和灌輸式教學模式的弊端多年來為人所詬病。因為課前對內容缺乏必要的了解預習，課堂上學生也很難提出好的問題，課堂氣氛不活躍。由于課堂上要講解的內容比較多，也不能安排較多的課堂練習和討論，導致學生對知識的學習很難在深度和廣度上加深與拓展，總的教學效果欠佳，也不利于培養(yǎng)學生獨立分析解決問題的能力。我們的調查發(fā)現(xiàn)，大部分學生希望在“流體力學”學習中，能結合工程實際中的有關問題，鍛煉利用理論知識解決實際問題的能力，如問卷中關于“如果在‘流體力學學習中引入目前在工程問題設計分析中廣泛使用的ANSYS流場數(shù)字仿真方法的學習與應用，你是否感興趣”的問題，100%的回答是肯定的，這也反映了當代大學生與時俱進，渴望學習新知識、新理論、新方法的愿望。endprint

“流體力學”的特點是理論性較強，同時與工程實踐結合緊密，主要研究流體流動的普遍規(guī)律，包括質量連續(xù)性方程、能量守恒定理、動量及動量矩守恒定理、流動損失及管路計算方法等。其中有些定理涉及復雜的推導過程，如伯努利方程（Bernoullis Equation）、動量定理等，也有一些概念如流線、控制體等較難理解，而有些內容如流體的性質、流體靜力學、量綱分析及相似原理則相對容易理解和學習。

針對該課程的特點，我們在2014級一個班級中進行了部分翻轉課堂的教學嘗試。為此我們主要做了以下工作。

（1）基于部分翻轉課堂模式的“流體力學”教學體系構建。在既有的教學大綱和教學目標的基礎上，建立一套與之適應的課程教學體系，包括教學的總體規(guī)劃、教學資源的編寫制作、教學的組織實施計劃與具體方法、教學效果的對比分析及評價方法等。梳理課程內容，把內容分為適合完全翻轉課堂教學的內容和部分翻轉的內容。

（2）編寫自學向導及輔助學習資料。翻轉課堂教學模式的第一個關鍵環(huán)節(jié)就是學生的課前自主學習，課前學習不同于傳統(tǒng)教學方法的課前預習，因為傳統(tǒng)教學方法主要依靠教師在課堂上的講授，預習與否、預習得好壞不會直接影響課堂教學的正常進行，而翻轉課堂則把學的任務直接交給學生，要求學生在上課之前就在教師的引導下通過自主學習相關內容初步掌握基本概念及基本原理。為了保證自主學習的效果，增加學生學習的興趣，輔助學習材料的設計編寫就顯得非常重要。我們在自學向導中對每次課的內容做簡要的介紹，指出重點和難點，在盡可能短的篇幅內將主要知識點講清楚，而且形式上盡可能生動，激發(fā)學生的學習欲望，將教學內容以微課的形式呈獻給學生可以幫助達到上述目的?；ヂ?lián)網技術的發(fā)展和在線學習資源的日益豐富，為我們準備導學材料提供了許多生動形象的視頻資源。這部分內容工作量大，耗費時間較多。

（3）課堂教學的組織與實施方案編寫。在翻轉課堂教學過程中教師不再是僅僅充當“傳道、授業(yè)”的知識傳播者，而是作為課堂學習討論的組織者和引導者，重點完成“解惑”的作用，幫助學生把知識內化并學習用來解決具體問題，因此對教師提出了更高的要求。教師通過整理學生課前學習過程中反饋的問題，在課堂上集中討論講解。因此需要針對每節(jié)課的內容特點，精心編寫思考題及習題例題，制定具體的組織實施方案。

對于完全翻轉的內容，課堂上重點圍繞典型問題及習題開展分組討論，重在知識的內化及應用。對于部分反轉的內容，課堂上仍以講解為主，特別是對復雜重要定理的推導，通過板書形式給出完整的推導過程。

在典型例題的準備中，盡可能地讓題目“接地氣”，即聯(lián)系工程實際。如在靜力學中分析大壩的設計原理，如美國著名的胡佛大壩（Hoover Dam）的設計，在管路計算部分以機床液壓系統(tǒng)的管路設計計算為例。

（4）翻轉課堂信息交流平臺的建設。在教學過程中及時了解學生的課前學習情況、實時與學生交流、了解回答學生學習中的疑問、上傳下載教學資料、觀看微課視頻的學習等都需要建立在快捷方便的網絡信息平臺的基礎上。為此我們設計建立了專門的”流體力學”翻轉課堂學習網站，如圖1所示，網站是在Apache+PHP+

MySQL的環(huán)境下搭建完成的，包括網頁前端和網頁后端。瀏覽網頁時看到的全部內容就屬于網頁前端的范疇，通過html+css+JavaScript編寫前端代碼，頁面顯示的內容都在html代碼中。JavaScript用于顯示動態(tài)網頁，本網站中主要完成網頁文件中聊天框的動態(tài)刷新。網頁后端指的是通過PHP代碼完成的功能，包括文件的上傳、下載和MySQL數(shù)據庫文件的存取和調用等等。網站運行時可以記錄每個學生線上學習的時間，包括看教學視頻，閱讀站內學習資料的時間，這在一定程度上能夠督促部分自覺性稍差的學生做好課前學習。網站中還安排適量思考題供學生在線回答和討論，學生也可以在線留言，提出自己的問題，學生之間也可以在線討論。

三、部分翻轉課堂的實施效果

為了比較，我們在同年級同專業(yè)選擇2個班級，由同一教師授課，分別采用傳統(tǒng)法和部分翻轉法。2個班級學生學習基礎及學習能力相似，學習課時一樣，同時學習的其他課程一樣。課程結束后采用統(tǒng)一試卷考試，傳統(tǒng)教學班參加考試人數(shù)25人，部分翻轉課堂班26人，2個班級各成績段的百分比分布如圖2所示，傳統(tǒng)班平均成績77.0，部分翻轉班平均成績85.2。部分翻轉班的優(yōu)良率66.6%，不及格率3.7%，而傳統(tǒng)班兩項指標分別為52%和12%。由此可見，部分翻轉法較大地提高了教學效果。

差別不僅表現(xiàn)在成績上，比較發(fā)現(xiàn)，在部分翻轉課堂教學中由于學生有較多的時間參與討論，提出問題，課堂表現(xiàn)更為踴躍，氣氛更為活躍。

部分翻轉課堂法將翻轉課堂法與傳統(tǒng)教學法實現(xiàn)有機結合，按照課程內容特點和難易程度采用不同的方法，即在學習相對簡單的內容時采用翻轉課堂教學，在難度較大的內容上以傳統(tǒng)法為主，提高效率，同時也為學生提供課前自學向導及有助于理解的助學資料。通過翻轉課堂信息平臺的建設，實現(xiàn)線上教學與線下教學互為補充，保障了各個教學環(huán)節(jié)的有序進行。通過比較試驗，證實該方法在“流體力學”教學中獲得了較好的教學效果。

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