“海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬”課程翻轉(zhuǎn)式教學(xué)設(shè)計(jì)*

夏靜敏 史劍 杜輝 張雪艷 郭海龍

（國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410003）

引言

隨著現(xiàn)代高等教育模式的不斷深化改革，尤其是“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)單一的課堂教學(xué)模式已經(jīng)無(wú)法滿足高素質(zhì)專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，這更推動(dòng)了國(guó)防科技大學(xué)“以學(xué)員為中心，以能力培養(yǎng)為目標(biāo)”的課堂-課程教學(xué)改革，并對(duì)高等專業(yè)課程發(fā)展注重小班化、基于翻轉(zhuǎn)課堂的線上線下混合式教學(xué)。翻轉(zhuǎn)課堂（flipped classroom）[1]是在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)環(huán)境中，學(xué)員課前下載、學(xué)習(xí)授課老師所提供的學(xué)習(xí)資源（如授課視頻、課件等），課中由師生共同完成重難點(diǎn)問題答疑、協(xié)作探究與反饋交流等教學(xué)活動(dòng)的一種師生角色轉(zhuǎn)換的新型教學(xué)模式[2，3]，近年來(lái)越來(lái)越多的課堂嘗試使用翻轉(zhuǎn)式教學(xué)模式，并取得了較好的反饋[4，5]。

“海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬”是國(guó)防科技大學(xué)海洋科學(xué)專業(yè)研究生學(xué)員選修的一門重要基礎(chǔ)理論課，也是目前海洋科學(xué)研究領(lǐng)域國(guó)際上通用的研究生課程。這對(duì)該領(lǐng)域的科學(xué)研究與工程技術(shù)工作者具有現(xiàn)實(shí)意義，其中海洋動(dòng)力學(xué)為海洋數(shù)值模擬提供理論基礎(chǔ)，海洋數(shù)值模擬作為海洋科學(xué)研究的重要手段。該課程主要講解開展海洋數(shù)值模擬所需的動(dòng)力學(xué)模型及相關(guān)數(shù)值計(jì)算方法，培養(yǎng)研究生學(xué)員對(duì)海洋現(xiàn)象數(shù)值模擬的能力，為后續(xù)進(jìn)一步開展海洋科學(xué)研究和從事海洋數(shù)值預(yù)報(bào)保障等工作提供理論和實(shí)踐支撐。

本文將針對(duì)該課程的內(nèi)容特點(diǎn)，分析傳統(tǒng)“一言堂”式教學(xué)存在的問題，并針對(duì)這些問題探究如何利用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)結(jié)合線上學(xué)習(xí)資源開展翻轉(zhuǎn)式教學(xué)，以期提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)、數(shù)值預(yù)報(bào)實(shí)踐的能力，提升學(xué)員專業(yè)素養(yǎng)，適應(yīng)當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+教育”教學(xué)模式的改革發(fā)展。

一、“一言堂”式傳統(tǒng)教學(xué)存在的問題

研究生課程教學(xué)不同于本科大學(xué)課程教學(xué)，具有更強(qiáng)的專業(yè)針對(duì)性，這對(duì)老師和學(xué)生的專業(yè)知識(shí)能力均提出了高標(biāo)準(zhǔn)、高要求，更需要授課老師在傾向傳授科研經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)避免“一言堂”式的教學(xué)模式，鼓勵(lì)、激發(fā)學(xué)員充分利用線上資源合作或自主解決問題的能力，有利于研究生學(xué)員后續(xù)更好地適應(yīng)科研環(huán)境，養(yǎng)成良好的科研習(xí)慣。由于“海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬”課程中涉及使學(xué)員學(xué)習(xí)掌握使用COAWST模擬平臺(tái)進(jìn)行海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)的實(shí)踐任務(wù)和教學(xué)目標(biāo)，因而采用傳統(tǒng)的課堂講解隨后以課后作業(yè)的形式要求學(xué)員課后熟練操作平臺(tái)的教學(xué)形式很難滿足學(xué)員的學(xué)習(xí)需求，未能充分考慮到研究生學(xué)員對(duì)提高專業(yè)能力的更高需求，傳統(tǒng)的課堂授課較難發(fā)掘出學(xué)員對(duì)模擬平臺(tái)應(yīng)用中的更深層次問題，不利于培養(yǎng)高水平研究生學(xué)員的專業(yè)能力。

由于傳統(tǒng)的“海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬”課程教師授課受到線下教學(xué)課時(shí)的限制，在課堂上僅能在有限的時(shí)間內(nèi)講授課程內(nèi)容，課中不僅需要考慮學(xué)員理解能力的層次水平，也需要結(jié)合課堂實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整授課速度，從而無(wú)法統(tǒng)一學(xué)員的課堂初始認(rèn)知水平，更可能造成對(duì)專業(yè)重難點(diǎn)問題的不充分講解及演示。例如COAWST模擬平臺(tái)的操作需基于部分Linux系統(tǒng)命令但課堂的重點(diǎn)目標(biāo)應(yīng)放在使用該系統(tǒng)工具分析海氣耦合數(shù)值模擬結(jié)果上，因而教員應(yīng)明確對(duì)相關(guān)命令語(yǔ)句的掌握程度，并合理調(diào)整課堂授課內(nèi)容，規(guī)劃課前自主學(xué)習(xí)、熟練命令語(yǔ)句的課前任務(wù)，避免花費(fèi)大量時(shí)間在課中。

研究生課程內(nèi)容深、目標(biāo)遠(yuǎn)、要求高、綜合強(qiáng)，這對(duì)授課教員的科研能力以及專業(yè)水平提出了嚴(yán)格要求，因?qū)I(yè)課程涉獵面廣且深，教員在授課過程中會(huì)遇到來(lái)自學(xué)員的多種不具備標(biāo)準(zhǔn)答案的問題，而對(duì)問題的探討正需要教員開誠(chéng)布公、引導(dǎo)式地提供可能思考方向，通過學(xué)生之間、師生之間的交流與反饋，共同促進(jìn)師生科研能力的提升。顯然，“一言堂”式教學(xué)模式很難在專業(yè)研究生課程教學(xué)中得到師生互益的效果。

二、實(shí)施翻轉(zhuǎn)式教學(xué)的可行性分析

翻轉(zhuǎn)課堂的應(yīng)用能與其他傳統(tǒng)的教學(xué)手段有機(jī)結(jié)合，可以幫助學(xué)生轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)模式，即由“被動(dòng)灌輸式”向“自主協(xié)作式”轉(zhuǎn)變，有效解決面對(duì)專業(yè)實(shí)踐課程學(xué)生課后“時(shí)間少”“作業(yè)難”“幫助少”的問題[6]。這種新型的教學(xué)模式，通過翻轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)傳統(tǒng)課堂上老師負(fù)責(zé)講、學(xué)生認(rèn)真聽的角色，促使學(xué)生占據(jù)課堂主導(dǎo)地位，而老師則起到輔助引導(dǎo)的作用，從而重構(gòu)課堂中的師生定位。同時(shí)針對(duì)課前學(xué)生的自主學(xué)習(xí)情況，對(duì)其中暴露出來(lái)的難點(diǎn)疑惑展開啟發(fā)式、引導(dǎo)式、討論式解答，促使師生共同探討能力的提高。

結(jié)合本課程對(duì)研究生學(xué)員實(shí)踐應(yīng)用能力以及專業(yè)數(shù)值預(yù)報(bào)素養(yǎng)的高標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)施翻轉(zhuǎn)式教學(xué)模式將重點(diǎn)解決基于海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)平臺(tái)COAWST的實(shí)踐難題，充分利用課堂內(nèi)的有限時(shí)間，有針對(duì)性地解決學(xué)員的實(shí)操技術(shù)問題，引導(dǎo)學(xué)員以小組的形式進(jìn)行協(xié)作討論，培養(yǎng)其團(tuán)體合作的能力。同時(shí)由于在互聯(lián)網(wǎng)上具有豐富的科研教育資源，可以滿足大多數(shù)學(xué)員學(xué)習(xí)個(gè)性化的需要，也有利于培養(yǎng)其獨(dú)立思考、自主探索的科研能力，符合對(duì)研究生學(xué)員專業(yè)能力的培養(yǎng)目標(biāo)。

三、翻轉(zhuǎn)式教學(xué)設(shè)計(jì)

在本文對(duì)“海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬”課程翻轉(zhuǎn)課堂的設(shè)計(jì)中，將結(jié)合美國(guó)教育學(xué)家Bloom等人[7]提出的教學(xué)目標(biāo)分類法，將學(xué)生的認(rèn)知過程分為下列六個(gè)維度，包括記憶（Memorize）、理解（Understand）、應(yīng)用（Apply）、分析（Analyze）、評(píng)價(jià)（Evaluate）、創(chuàng)造（Create）。其中，前兩個(gè)層次屬于基礎(chǔ)認(rèn)知能力，而后四個(gè)層次則是對(duì)高階思考能力的鍛煉。該教學(xué)目標(biāo)分類理論為設(shè)計(jì)“海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬”課程翻轉(zhuǎn)式教學(xué)提供了新的視角，有利于開展基于小班的啟發(fā)式、探究式、討論式教學(xué)，將線上線下學(xué)習(xí)過程有機(jī)組織起來(lái)，可以更好地為研究生實(shí)操課程的學(xué)習(xí)提供服務(wù)。

接下來(lái)以翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式為框架，結(jié)合Bloom教學(xué)目標(biāo)分類法，進(jìn)行如下具體的教學(xué)設(shè)計(jì)，關(guān)于該課程的翻轉(zhuǎn)式教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)展示

1.課前準(zhǔn)備

（1）由授課教員于課前一周發(fā)布下周課堂的學(xué)習(xí)任務(wù)清單，將制作的課件、選取的課程案例、相關(guān)教學(xué)視頻推送到信息化教學(xué)系統(tǒng)的學(xué)生端，并以公告的形式告知學(xué)生課前預(yù)習(xí)的相關(guān)要求，明確重難點(diǎn)及教學(xué)目標(biāo)。在“海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬”的教學(xué)過程中，使用任務(wù)驅(qū)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)模式，需要教師對(duì)該課程教學(xué)內(nèi)容有較深入的理解。在此教員可按照Bloom分類法里的記憶、理解和運(yùn)用維度，梳理課堂知識(shí)點(diǎn)，構(gòu)建思維導(dǎo)圖，更好地幫助學(xué)員理清知識(shí)點(diǎn)脈絡(luò)。

（2）教員在任務(wù)清單中設(shè)置相應(yīng)的課程相關(guān)引導(dǎo)類問題以及關(guān)于COAWST模擬平臺(tái)的相關(guān)實(shí)踐操作任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地開展自主學(xué)習(xí)，并完成相應(yīng)的線上預(yù)習(xí)、學(xué)習(xí)任務(wù)，熟悉掌握接下來(lái)一周課堂的必備技能，針對(duì)教員所提問題和任務(wù)留言并分享結(jié)果。授課教員則可通過學(xué)生的課前預(yù)習(xí)反饋、討論情況，調(diào)整線下授課課堂教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到有針對(duì)性地解決共性問題的目標(biāo)。

在課前準(zhǔn)備中，教員應(yīng)注重把握多門學(xué)科概念間的系統(tǒng)聯(lián)系，便于學(xué)員對(duì)教學(xué)內(nèi)容的整體性和系統(tǒng)性掌握，注重各章節(jié)內(nèi)容的層層深入，以此為基礎(chǔ)發(fā)布任務(wù)，使學(xué)員先理解動(dòng)力學(xué)框架，后有實(shí)踐數(shù)值模擬方式的相關(guān)任務(wù)基礎(chǔ)，便于學(xué)員對(duì)難度較大的教學(xué)內(nèi)容的理解。

2.課中教學(xué)

在線上預(yù)習(xí)、教學(xué)的基礎(chǔ)上，線下面授教學(xué)更注重將學(xué)員自主學(xué)習(xí)的知識(shí)內(nèi)化，授課教員將依據(jù)課前準(zhǔn)備的情況反饋來(lái)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容，開展基于小班的啟發(fā)式、探究式、討論式教學(xué)，注重培養(yǎng)學(xué)員動(dòng)手能力，將手寫作業(yè)與計(jì)算機(jī)編程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合。課中授課主要采取如下進(jìn)程。

（1）課程開始前需用約五分鐘時(shí)間利用長(zhǎng)江雨課堂發(fā)送給學(xué)員部分測(cè)試題目，通過此方式來(lái)檢測(cè)、鞏固學(xué)員對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的掌握，確保學(xué)員自主學(xué)習(xí)達(dá)到預(yù)期效果。

（2）授課教員依據(jù)總體教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合及設(shè)計(jì)合理的課堂分目標(biāo)，制定聯(lián)系緊密、具有邏輯性的學(xué)習(xí)任務(wù)，結(jié)合課堂重難點(diǎn)問題舉出實(shí)際相關(guān)科研案例，引導(dǎo)學(xué)員分組分析。在分組學(xué)習(xí)討論過程中，教員負(fù)責(zé)對(duì)各組情況加以引導(dǎo)并回答學(xué)員的思考問題，調(diào)動(dòng)每位學(xué)生主動(dòng)參與討論的積極性，促進(jìn)學(xué)員之間的合作交流，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)效益的最大化。

（3）根據(jù)課堂時(shí)間，隨機(jī)或有代表性地選取學(xué)習(xí)小組分享討論結(jié)果，教員則組織學(xué)員開展提問，并聽取多名學(xué)員的思考情況。教員適時(shí)引入與課堂重難點(diǎn)知識(shí)相關(guān)聯(lián)的題目，甚至可以提出探討式問題，激發(fā)學(xué)員深層次思考，從而達(dá)到Bloom教學(xué)目標(biāo)分類法中的分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造三層次。

（4）在課堂的最后，由教員總結(jié)內(nèi)容，給出整體思維導(dǎo)圖，方便學(xué)員查漏補(bǔ)缺，并請(qǐng)學(xué)員一起完成對(duì)整體課堂的回顧與自我總結(jié)。

3.課程考核說明

本課程考核注重結(jié)果考核和過程考核相結(jié)合?？偡衷O(shè)計(jì)100分，其中終結(jié)性考核占50%，為課終考試，采用閉卷筆試方式，上完該課程后，統(tǒng)一組織學(xué)生期末考試；形成性考核占50%，含實(shí)驗(yàn)報(bào)告20%、課堂研討15%、平時(shí)作業(yè)15%共三個(gè)部分，課堂研討部分由教員每次記錄課堂實(shí)際討論情況，綜合打分，實(shí)驗(yàn)報(bào)告則是基于對(duì)COAWST模擬系統(tǒng)的實(shí)踐成果完成。

結(jié)語(yǔ)

結(jié)合海洋科學(xué)專業(yè)特征及要求，將翻轉(zhuǎn)課堂引入到教學(xué)課堂中是順應(yīng)當(dāng)前“互聯(lián)網(wǎng)+教育”快速發(fā)展趨勢(shì)的重要嘗試。本文基于Bloom教學(xué)目標(biāo)分類法，合理設(shè)計(jì)“海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬”課程的翻轉(zhuǎn)式教學(xué)模式，互換傳統(tǒng)課堂中的師生角色，以學(xué)生為主體，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性及創(chuàng)造性，這對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂大趨勢(shì)下進(jìn)行專業(yè)課程教學(xué)改革具有實(shí)踐借鑒意義。