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(guò)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(jiǎn)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(guó)所有本科高校都開展了在線教學(xué)，參與授課教師108.45萬(wàn)人，開出在線課程1719.68萬(wàn)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(guó)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(lái)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(guò)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(wèn)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(guò)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(guò)程、將思政元素融入教學(xué)全過(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(jiǎn)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(guò)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(guó)家精品課程（MOOC）結(jié)合ZOOM在線直播、微信交流、問(wèn)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(wèn)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(wèn)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(guò)共享桌面打開問(wèn)卷星測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)每道題作簡(jiǎn)單點(diǎn)評(píng)，給出測(cè)試結(jié)果。這一階段利用“ZOOM+微信群+問(wèn)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(wèn)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(guò)發(fā)語(yǔ)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(guò)在網(wǎng)站上回看授課內(nèi)容來(lái)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(guò)微信群或個(gè)別語(yǔ)音通話來(lái)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(guó)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(lái)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(guò)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(wèn)題，通過(guò)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(guó)情懷，樹立獻(xiàn)身祖國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)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(guò)講授中國(guó)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(guó)主義情感；通過(guò)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(guò)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(jī)的權(quán)重，加大過(guò)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(guò)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(kù)，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(wèn)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(jī)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(wèn)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(guò)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(guò)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(lái)。

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(wèn)題，通過(guò)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(wèn)題中找出其物理本質(zhì)，然后用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法分析解決工程實(shí)際問(wèn)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(guó)哥廷根學(xué)派的傳承人陸士嘉、錢學(xué)森、郭永懷、錢偉長(zhǎng)和周培源等科學(xué)家在國(guó)外學(xué)習(xí)和回國(guó)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(guó)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(guò)將水流作為一系列粒子來(lái)處理并求解具有不同邊界條件的偏微分方程來(lái)解決流動(dòng)問(wèn)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(guò)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(lái)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(yè)面。學(xué)生可以通過(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)卷調(diào)查。此次調(diào)查共發(fā)放問(wèn)卷67份，回收65份，回收率為97%。從反饋信息來(lái)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(yǔ)

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(guó)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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［責(zé)任編輯：龐丹丹］