翻轉(zhuǎn)課堂在高等流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

潘麗萍，王 強(qiáng)*，譚方關(guān)，梁 雄，賀 鑄

（武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金與資源利用省部共建教育部重點實驗室 湖北 武漢 430081）

高等流體力學(xué)課程目標(biāo)是使學(xué)生掌握流體力學(xué)的基本理論、基本計算方法、基本實驗技能，能在工程實際中初步應(yīng)用相關(guān)知識。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以初步具備分析和解決實際流體力學(xué)問題的能力，掌握流體問題計算的基本方法，并具備一定的計算能力，為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程、從事專業(yè)技術(shù)工作和進(jìn)行科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)。在以往的教學(xué)中，教師多都是采用傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，“填鴨式”地給學(xué)生灌輸理論知識，這樣難以培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用流體力學(xué)理論解決工程問題的能力。如冶金企業(yè)中鋼鐵連續(xù)鑄造中間包和轉(zhuǎn)爐型鐵合金精煉過程側(cè)吹轉(zhuǎn)爐，化工連續(xù)重整用的徑向移動床反應(yīng)器等設(shè)備運(yùn)行時氣液、液液、氣固、液固兩相，甚至氣固液三相流體的傳動量、傳熱和傳質(zhì)等問題的求解，目前多采用經(jīng)驗公式進(jìn)行理論計算。但由于實際物理問題涵蓋動量傳輸、傳熱、傳質(zhì)等現(xiàn)象，求解過程煩瑣，且大量的簡化假設(shè)使得求解結(jié)果精確度不高。因此，學(xué)生很難通過理論學(xué)習(xí)獲得相應(yīng)工程問題的解析，傳統(tǒng)的課本知識及課堂模式已經(jīng)無法滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）最初是解決學(xué)困生無法完成學(xué)習(xí)目標(biāo)的問題。在教學(xué)過程中，教師試行開展同伴教學(xué)，在課堂學(xué)習(xí)中增強(qiáng)學(xué)生的互動和討論，以提高學(xué)生的思考能力和學(xué)習(xí)積極性。美國學(xué)者M(jìn)aureen等在2000年正式提出“翻轉(zhuǎn)課堂”的學(xué)術(shù)概念，2007年，美國科羅拉多州的化學(xué)教師Jonathan Bergmann和Aaron Sams開始嘗試讓學(xué)生在家看學(xué)習(xí)視頻和資料，而將課堂上的時間用來讓學(xué)生完成作業(yè)或?qū)嶒?，同時教師為學(xué)生學(xué)習(xí)提供輔導(dǎo)和幫助。這種教學(xué)方式將“課上聽課—課下完成作業(yè)/實驗”轉(zhuǎn)換為“課下聽課—課上完成作業(yè)/實驗/輔導(dǎo)”，即將傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式“顛倒”，翻轉(zhuǎn)課堂由此而來。我國的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式改革于2011年開始，雖然我國引入翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)理念的時間較短，但智慧樹、超星等學(xué)習(xí)平臺為翻轉(zhuǎn)課堂提供了豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源。翻轉(zhuǎn)課堂以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心，符合人本主義學(xué)習(xí)理念；突出問題的研討，符合人類的認(rèn)知規(guī)律；突出教師的專業(yè)化發(fā)展，符合教育工作的要求；突出學(xué)習(xí)的針對性，有利于教學(xué)質(zhì)量和效果的提高。在慕課背景下，翻轉(zhuǎn)課堂如雨后春筍般發(fā)展起來。

高等流體力學(xué)的課程也采用了翻轉(zhuǎn)教學(xué)模式。本文著手研究翻轉(zhuǎn)課堂在高等流體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，以期對進(jìn)一步深化高等流體力學(xué)教學(xué)改革提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象和研究分組

選取熱能與動力專業(yè)與冶金工程專業(yè)2019級及2020級學(xué)生共計66人，其中2019級33人，采用傳統(tǒng)教學(xué)方法教學(xué)，2020級33人為實驗組，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)。課程結(jié)束考核，按照平時成績30%與考試成績70%的比例統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)兩組間學(xué)生成績平均分相差1.9分，基本無差異。

1.2 研究方法

采用傳統(tǒng)授課方式教學(xué)的參照組，學(xué)生課前無須任何準(zhǔn)備工作。在課堂上，教師針對流體的基本性質(zhì)、流體的運(yùn)動、微分形式的控制方程、積分形式的控制方程、量綱分析與相似原理、流體的平衡、不可壓縮黏性流體內(nèi)流及外流、CFD數(shù)值模擬簡介、幾何建模與網(wǎng)格劃分、數(shù)值求解與邊界條件和CFD數(shù)字模型等知識點展開教學(xué)，學(xué)生課下完成教師布置的案例練習(xí)。

實驗組采取翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，根據(jù)大綱要求，教師錄制360分鐘微課視頻，分解為46個。為提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，每個視頻控制在5―10分鐘，涵蓋知識點各個方面，分別在課前1周下達(dá)自主學(xué)習(xí)任務(wù)單及課后思考題。課前1天下發(fā)課后測試題、問卷調(diào)查。這樣教師既可以檢查學(xué)生對基礎(chǔ)知識的掌握情況也，能進(jìn)一步明確學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。實驗組授課分為4個環(huán)節(jié)：①教師根據(jù)學(xué)生們提出的疑問及知識欠缺點進(jìn)行答疑解惑，串聯(lián)相關(guān)知識點，幫助學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識，完善知識儲備；②各小組討論并展示，分別描述方程及理論的應(yīng)用條件，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科研思維能力；③由教師實際操作相關(guān)案例的計算，并與學(xué)生配合完成；④教師再次總結(jié)整節(jié)課的內(nèi)容，加深學(xué)生學(xué)習(xí)印象。此外，課后學(xué)生可繼續(xù)通過學(xué)習(xí)通與教師交流。具體授課模式如圖1所示。

圖1 翻轉(zhuǎn)課堂授課模式

1.3 評價方法

兩組均采用案例測試和問卷調(diào)查進(jìn)行評價，在課程結(jié)束后兩組均統(tǒng)一試卷測試。在課程結(jié)束后填寫問卷調(diào)查表對教學(xué)方法進(jìn)行評價。

2 研究結(jié)果

2.1 教學(xué)方法評價

實驗組94%的同學(xué)認(rèn)為，相比于傳統(tǒng)教學(xué)模式，翻轉(zhuǎn)課堂能激發(fā)學(xué)生的求知欲望，調(diào)動他們的學(xué)習(xí)主動性。課堂上教師講解的知識點都是針對性的，課下練習(xí)也用得著，這樣在提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能動性的同時，也強(qiáng)化了學(xué)生解決問題的能力。相比較而言，參照組79%的同學(xué)希望能夠體驗新的教學(xué)方式。

2.2 考試成績分析

平時成績以每次反饋的課堂作業(yè)記分，考試成績按判斷題、選擇題和簡答題3種題型進(jìn)行，滿分為100分（見表1）。

表1 課程測試成績分析

2.3 分組討論分析

在課堂上，授課教師將實驗組33人分成3組，每組學(xué)生做一個與專業(yè)相關(guān)的應(yīng)用匯報。課前要求每組學(xué)生準(zhǔn)備15分鐘PPT，在課堂上選擇一位成員進(jìn)行匯報。評分標(biāo)準(zhǔn)包括口頭表述能力、邏輯性、知識點相關(guān)性及PPT制作水平四個方面。

從圖2（p64）可以看出，“實驗組”學(xué)生口頭表述能力最佳，PPT制作水平其次，邏輯性和知識點相關(guān)性還需要進(jìn)一步提高。同時，實驗組學(xué)生普遍認(rèn)為，充分準(zhǔn)備后分組匯報有利于鍛煉和提升上述能力。他們不再是簡單被動地接收知識，而是通過課前查找資料、研究討論等手段主動獲取知識，并在此過程中培養(yǎng)了科研、邏輯思維能力，其自主學(xué)習(xí)能力和綜合素質(zhì)得到提升（見圖1）。

圖2 應(yīng)用匯報分析

2.4 課程滿意度調(diào)查

教師在課程結(jié)束后對實驗組學(xué)生下發(fā)調(diào)查問卷，針對本次課程改革方式進(jìn)行評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，25.2%的學(xué)生表示非常滿意，該模式教學(xué)收獲很大。57.5%的學(xué)生認(rèn)為改變課程方式對學(xué)習(xí)有幫助，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比，可以更為高效深入地學(xué)習(xí)。其余學(xué)生則認(rèn)為沒有幫助，究其原因是他們認(rèn)為這種學(xué)習(xí)方式浪費(fèi)時間，不愿意在課上做PPT匯報，不想?yún)⑴c討論。因此，如何引導(dǎo)學(xué)生開展良性討論、建立學(xué)生的自信仍需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)語

高等流體力學(xué)是一門專業(yè)性極強(qiáng)的課程，課程內(nèi)容設(shè)置遵循“由淺入深、循序漸進(jìn)、加強(qiáng)基礎(chǔ)、理論聯(lián)系實際”的原則，力求結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、重點突出、簡明易學(xué)。各個教學(xué)環(huán)節(jié)著重應(yīng)用流體力學(xué)理論知識解析工程中的流動現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決實際工程問題的能力。如今，知識更新速度快，實踐應(yīng)用性要求更高，這就要求高等流體力學(xué)授課進(jìn)行全新嘗試。翻轉(zhuǎn)課堂打破了時間空間限制，學(xué)習(xí)地點和學(xué)習(xí)資源具有可移動性，有利于學(xué)生隨時隨地學(xué)習(xí)，并且學(xué)習(xí)資料可以反復(fù)利用。高等流體力學(xué)教學(xué)需要大量的操作案例作為參考，視頻資料可以使學(xué)生們更為直觀地學(xué)習(xí)知識，隨時隨地獲取圖片、視頻、文字等各種類型的學(xué)習(xí)內(nèi)容。而教師在課前教學(xué)資料的準(zhǔn)備和整個課程設(shè)計等方向都需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌才拧＿@對教師提升專業(yè)素質(zhì)也是一種考驗。翻轉(zhuǎn)課堂利用現(xiàn)代信息技術(shù)豐富教學(xué)資源，通過實踐教學(xué)豐富專業(yè)內(nèi)容，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有助于提升教學(xué)質(zhì)量。

*通訊作者：王強(qiáng)