科研轉(zhuǎn)化教學(xué)：基于翻轉(zhuǎn)課堂的“水力學(xué)”課程案例式教學(xué)研究

朱博淵，張春財(cái)，李夢(mèng)成

摘? ? 要：“水力學(xué)”是水利類(lèi)、交通類(lèi)、土木類(lèi)等專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。文章以長(zhǎng)沙理工大學(xué)城南學(xué)院水電專(zhuān)業(yè)本科生為研究對(duì)象，根據(jù)課程特點(diǎn)和專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)要求，采用翻轉(zhuǎn)課堂模式，將工程案例和科研成果融入理論教學(xué)中，并將考核方式從以“考”為主向以“核”為主轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化過(guò)程性考核，突出學(xué)生在教學(xué)過(guò)程中的主體地位。此模式取得了良好的教學(xué)育人效果，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，有利于學(xué)生專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)的形成。

關(guān)鍵詞：“水力學(xué)”課程；翻轉(zhuǎn)課堂；工程案例；科教融合

中圖分類(lèi)號(hào)：G641? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1002-4107（2023）04-0064-03

為響應(yīng)《教育部高等教育司2022年工作要點(diǎn)》中深化工科人才培養(yǎng)組織模式創(chuàng)新、實(shí)施“中國(guó)金課行動(dòng)”和提供優(yōu)質(zhì)課程資源與教學(xué)案例的精神，高校應(yīng)持續(xù)對(duì)工科類(lèi)課程進(jìn)行教學(xué)研究與改革。“水力學(xué)”是水利、交通、土木各大類(lèi)專(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，盡管各專(zhuān)業(yè)對(duì)水力學(xué)知識(shí)的要求和側(cè)重點(diǎn)不盡相同，但基礎(chǔ)內(nèi)容是共通的，開(kāi)展該課程的教學(xué)研究與改革惠及面廣，對(duì)推動(dòng)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)建設(shè)意義重大。

自1870年哈佛大學(xué)開(kāi)展情景案例教學(xué)和2000年邁阿密大學(xué)采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式以來(lái)，兩種教學(xué)方式得到迅速推廣和融合，特別是在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的同步發(fā)展和支撐下，顛覆了傳統(tǒng)課堂教學(xué)結(jié)構(gòu)與流程，使得課堂表現(xiàn)形式多樣化，并取得了顯著成效[1-3]。但在教學(xué)過(guò)程中，以上兩種教學(xué)方式也存在以下問(wèn)題。（1）案例的選取存在隨意性，與實(shí)際聯(lián)系不緊密，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的囊括度不夠，且趣味性不強(qiáng)；（2）翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式雖是將教學(xué)資料提前發(fā)給學(xué)生預(yù)習(xí)，但學(xué)生自主學(xué)習(xí)的效果如何，需要教師通過(guò)提問(wèn)、答疑和讓學(xué)生分組討論、完成項(xiàng)目等方式來(lái)檢查，這對(duì)教師職業(yè)素養(yǎng)有更高的要求；（3）鑒于緊張的課時(shí)數(shù)，目前已實(shí)施的案例式教學(xué)與翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的結(jié)合多流于形式，即教師在課前發(fā)布一些未經(jīng)考究的低質(zhì)量案例、課堂上對(duì)這些案例一帶而過(guò)、繼續(xù)按照傳統(tǒng)方式授課，這樣不僅浪費(fèi)學(xué)生課前的自學(xué)時(shí)間，還可能造成案例與教材知識(shí)點(diǎn)的脫節(jié)，存在應(yīng)付的嫌疑。

“水力學(xué)”課程以水為主要研究對(duì)象，探討液流靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基本規(guī)律及在工程中的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，是一門(mén)既有系統(tǒng)理論，又有較強(qiáng)實(shí)踐性的課程，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)“水力學(xué)”課程尚未實(shí)現(xiàn)案例式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的有效結(jié)合[4-5]。文章以長(zhǎng)沙理工大學(xué)城南學(xué)院水電專(zhuān)業(yè)的“水力學(xué)”課程為依托，采用“以學(xué)為主”的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，從實(shí)際完成的科研項(xiàng)目中選取典型案例進(jìn)行融入，將改變傳統(tǒng)“以考為主”的考核方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙院藶橹鳌?，在教學(xué)任務(wù)的導(dǎo)引下突出學(xué)生的主體地位，提升教學(xué)質(zhì)量，力爭(zhēng)將該課程打造成具有高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的“金課”，為工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程教學(xué)模式的創(chuàng)新提供參考。

一、學(xué)情分析與實(shí)施原則

根據(jù)授課專(zhuān)業(yè)的課程安排，學(xué)習(xí)“水力學(xué)”課程內(nèi)容前，學(xué)生已先學(xué)習(xí)了“高等數(shù)學(xué)”“大學(xué)物理”等課程，為課程內(nèi)容中微積分的運(yùn)算、過(guò)程和結(jié)果的理解及流體的受力分析打下了良好的基礎(chǔ)。該課程面向的是大學(xué)本科三年級(jí)學(xué)生，其已具備一定的自學(xué)能力和知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐的能力，符合“水力學(xué)”課程與工程實(shí)際問(wèn)題緊密結(jié)合的特點(diǎn)，同時(shí)該課程的教學(xué)多為小班授課，課堂人數(shù)在30人以?xún)?nèi)，在科學(xué)的教學(xué)方法引導(dǎo)下，可取得理想的教學(xué)效果。

本次教學(xué)改革堅(jiān)持“一個(gè)轉(zhuǎn)化、兩個(gè)轉(zhuǎn)變”的基本原則，即科研成果向教學(xué)實(shí)踐的轉(zhuǎn)化、原有以“教”為主向以“學(xué)”為主的教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變和原有以“考”為主向以“核”為主的考核方式的轉(zhuǎn)變，徹底改變以教師講授知識(shí)點(diǎn)為主的教學(xué)模式，突出學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的主體地位。

二、創(chuàng)新性解決關(guān)鍵問(wèn)題

（一）擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題

課前階段，學(xué)生圍繞教師歸納的知識(shí)點(diǎn)和工程案例自學(xué)，案例數(shù)量和內(nèi)容對(duì)學(xué)生的自學(xué)效果尤為重要，如何選取合適的工程案例和采取何種方式考評(píng)學(xué)生課前自學(xué)效果是首先要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

課堂階段是核心，關(guān)鍵問(wèn)題體現(xiàn)在教師如何把控案例和知識(shí)點(diǎn)配合講解的時(shí)間、對(duì)哪些問(wèn)題進(jìn)行答疑、采取何種形式與學(xué)生研討，以及隨堂測(cè)試的實(shí)施方式。

課后階段的關(guān)鍵問(wèn)題是如何跟蹤和檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的掌握情況，以及能否解決類(lèi)似的工程問(wèn)題。

（二）主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

解決以上關(guān)鍵問(wèn)題的兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)如下。

1.提出“水力學(xué)”課程案例式+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的新模式和實(shí)現(xiàn)該種教學(xué)模式的系統(tǒng)方案，既實(shí)現(xiàn)科研向教學(xué)的有效轉(zhuǎn)化，又能夠促成對(duì)學(xué)生專(zhuān)業(yè)知識(shí)和素質(zhì)的綜合培養(yǎng)。

2.建設(shè)“水力學(xué)”課程典型工程案例素材庫(kù)，并以案例分析為線索，配套建立網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)相關(guān)模塊和相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的主、客觀題庫(kù)，并制作完整的授課視頻，是對(duì)現(xiàn)有“水力學(xué)”課程建設(shè)內(nèi)容的有效補(bǔ)充。

三、具體實(shí)施方法

（一）課程資源建設(shè)

1.工程案例素材制作

為保證可行性，即具備合理的工作量和較高的質(zhì)量，學(xué)校采取了“少而精”的方式開(kāi)展案例式+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，選定的主要改革內(nèi)容為“水力學(xué)”課程中《明渠恒定非均勻漸變流水面曲線分析與計(jì)算》一節(jié)?；谇捌诔袚?dān)的湖南懷化錦江水電站回水復(fù)核和海南瓊中抽水蓄能電站下游河道行洪能力分析項(xiàng)目，挖掘和整理原始素材，作為本次水庫(kù)上、下游水面曲線分析計(jì)算和對(duì)比的典型案例。案例具有以下特點(diǎn)：（1）對(duì)明渠水面曲線的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)具有高度歸納性；（2）是水利樞紐工程中的典型問(wèn)題，解決本案例對(duì)學(xué)生啟發(fā)效果好，促使其舉一反三；（3）難度適中、具備趣味性，計(jì)算過(guò)程中會(huì)采用小程序或小型水動(dòng)力計(jì)算軟件進(jìn)行快速迭代或試算并動(dòng)態(tài)展示，易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。案例素材的內(nèi)容包括視頻、動(dòng)畫(huà)、圖片和工程基礎(chǔ)資料，教師將其放在教學(xué)課件的最前面，案例之后總結(jié)幾個(gè)經(jīng)典問(wèn)題向?qū)W生提問(wèn)，課件后面的內(nèi)容調(diào)整為由該案例衍生出的知識(shí)點(diǎn)歸納，并將上述包含案例和知識(shí)點(diǎn)歸納的教學(xué)課件上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)。

2.題庫(kù)建設(shè)

針對(duì)改革試點(diǎn)內(nèi)容，單獨(dú)進(jìn)行題庫(kù)建設(shè)，包括客觀題和主觀題兩部分?？陀^題庫(kù)有判斷題、單選題，教師可從其中抽取部分錄入問(wèn)卷星平臺(tái)，作為隨堂測(cè)試的題目。主觀題庫(kù)有簡(jiǎn)答題、辨析題、作圖題和計(jì)算題，教師可從中抽取部分作為課后作業(yè)。同時(shí)還設(shè)置綜合題，題目?jī)?nèi)容在課堂教學(xué)案例的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，課程結(jié)束后以大作業(yè)的形式讓學(xué)生分組完成，以檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)所講案例的理解和掌握情況，重點(diǎn)在于判斷其能否解決相似的工程問(wèn)題。

（二）教學(xué)實(shí)施

案例教學(xué)部分充分利用翻轉(zhuǎn)課堂模式進(jìn)行。前期素材制作完畢后，以城南學(xué)院2020級(jí)水電1班和2班（合班）為對(duì)象開(kāi)展教學(xué)，開(kāi)課前一周將客觀題庫(kù)和含工程案例、知識(shí)點(diǎn)歸納的課件上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，方便學(xué)生隨時(shí)登錄查看、學(xué)習(xí)和做練習(xí)。在平臺(tái)上設(shè)置問(wèn)題收集箱，只收集針對(duì)工程案例的問(wèn)題，學(xué)生將在做練習(xí)題過(guò)程中遇到的問(wèn)題直接帶到課堂上。這一階段，教師僅在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上選取少量問(wèn)題進(jìn)行初步解答和點(diǎn)撥，為課堂研討做鋪墊。

課堂上，首先，學(xué)生提問(wèn)，教師回答關(guān)于工程案例的問(wèn)題，與學(xué)生熱烈討論和交流，在該過(guò)程中，學(xué)生的問(wèn)題也得到相應(yīng)解答。其次，教師基于工程案例提出更深層次、更具啟發(fā)性的問(wèn)題，請(qǐng)學(xué)生分組討論，并選擇一到兩組學(xué)生到講臺(tái)前給大家講解和演示。最后，教師對(duì)該案例進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)，特別要強(qiáng)調(diào)恒定總流的能量方程是如何在案例的水面曲線分析與計(jì)算中得到應(yīng)用的，并結(jié)合案例對(duì)前期歸納好的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行“畫(huà)龍點(diǎn)睛”。講課完畢后，教師利用剩余10分鐘時(shí)間在問(wèn)卷星平臺(tái)上發(fā)布隨堂測(cè)試題進(jìn)行測(cè)試。

課后，教師對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行追蹤，主要統(tǒng)計(jì)學(xué)生登錄網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的次數(shù)、學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)及課后在平臺(tái)上的提問(wèn)情況，同時(shí)從主觀題庫(kù)中選取部分習(xí)題作為學(xué)生的課后作業(yè)，在本部分課程內(nèi)容結(jié)束后再發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)上。然后，教師對(duì)教學(xué)所用的工程案例進(jìn)行修改，作為學(xué)生需分組完成的大作業(yè)，大作業(yè)成果在期末前半個(gè)月收回。

（三）教學(xué)考核

“考”的部分占40%，其形式是期末考試；“核”的部分占60%，其內(nèi)容包括課前學(xué)習(xí)活躍度、課后學(xué)習(xí)活躍度、課堂互動(dòng)表現(xiàn)、小組討論、隨堂測(cè)試、課后作業(yè)和大作業(yè)成果。課前和課后學(xué)習(xí)活躍度的考核主要是評(píng)估學(xué)生反饋到問(wèn)題收集箱中的具體問(wèn)題和在線學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)。課題組教師根據(jù)所提問(wèn)題的質(zhì)量和在線學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行評(píng)分，最后對(duì)分?jǐn)?shù)進(jìn)行加權(quán)平均；課堂互動(dòng)和小組討論環(huán)節(jié)可把研究生助教帶到現(xiàn)場(chǎng)，記錄全過(guò)程，課后由任課教師和研究生助教共同進(jìn)行評(píng)分并加權(quán)平均；隨堂測(cè)試、課后作業(yè)和大作業(yè)均有較為明確的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，由任課教師單獨(dú)評(píng)分。通過(guò)以上評(píng)分過(guò)程保證“核”環(huán)節(jié)的合理性和公平性。

（四）實(shí)施效果評(píng)估

為評(píng)估本次教學(xué)改革的效果，教師設(shè)置對(duì)照組，即除被選為教改對(duì)象的班級(jí)，其余班級(jí)仍按傳統(tǒng)模式進(jìn)行教學(xué)。教改班和對(duì)照班的期末考試試卷、隨堂測(cè)試和課后作業(yè)（不包括教改班的期末大作業(yè)）均采用同一套題目。期末總評(píng)時(shí)，從對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解和掌握、學(xué)習(xí)興趣提升、學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性、學(xué)習(xí)記憶效果、學(xué)生思維能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、課后作業(yè)成績(jī)、隨堂測(cè)試成績(jī)、期末考試成績(jī)等方面對(duì)比教學(xué)效果，并對(duì)教改班的學(xué)生采用了問(wèn)卷調(diào)查的形式調(diào)查其滿意度。

（五）實(shí)施步驟

前期準(zhǔn)備階段：教師研究現(xiàn)有“水力學(xué)”課程教學(xué)大綱、教案、課程達(dá)成度和題庫(kù)等教學(xué)資料，閱讀和分析案例式教學(xué)方法和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的相關(guān)文獻(xiàn)，向?qū)＜艺髑髮?duì)本次案例選擇、題庫(kù)建設(shè)和教學(xué)改革思路的建議。

改革實(shí)施階段：基于前期科研項(xiàng)目成果， 教師搜集和完善所選案例的視頻、 照片和工程基礎(chǔ)資料，制作動(dòng)畫(huà)和PPT課件，整理并上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)；建設(shè)主、客觀題庫(kù)，上傳至網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，并從客觀題庫(kù)中抽取部分題目，利用問(wèn)卷星制作隨堂測(cè)試題；開(kāi)展案例式+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式，分析教學(xué)改革效果，完善教學(xué)過(guò)程。

總結(jié)提升階段：教師總結(jié)本次教改成功經(jīng)驗(yàn)，完善存在的不足，推廣特色教學(xué)方法，匯編研究成果，撰寫(xiě)研究報(bào)告。

圍繞以上各板塊的總體技術(shù)路線如圖1所示。

四、實(shí)施效果及應(yīng)注意的問(wèn)題

本次教改實(shí)施結(jié)果表明，教改班不僅在“核”環(huán)節(jié)有較好的表現(xiàn)，在“考”環(huán)節(jié)的平均分也比對(duì)照班高，且問(wèn)卷調(diào)查顯示95%以上的教改班學(xué)生均為“滿意”或“十分滿意”。本次教學(xué)改革不僅讓教改班學(xué)生得到了理論與實(shí)踐結(jié)合的全方位培養(yǎng)，也增強(qiáng)了其團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識(shí)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性。特別是在分析與計(jì)算水面曲線隨關(guān)鍵參數(shù)（如糙率）變化的過(guò)程中，學(xué)生認(rèn)識(shí)到關(guān)鍵參數(shù)取值的微小誤差即可引起水面曲線的顯著調(diào)整，可能造成淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)增加或水庫(kù)移民成本投入加大等不利后果，有助于強(qiáng)化其工程責(zé)任意識(shí)和精益求精的大國(guó)工匠精神。

目前，長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“水力學(xué)A（一）”和“水力學(xué)A（二）”；船舶與海洋工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“流體力學(xué)（一）”和“流體力學(xué)（二）”；交通類(lèi)、土木類(lèi)專(zhuān)業(yè)和給排水科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)“水力學(xué)C”。根據(jù)2021—2022年度教學(xué)安排，兩學(xué)期所有學(xué)習(xí)“水力學(xué)”課程的學(xué)生人數(shù)達(dá)到1 900余人。隨著后期推廣和線上資源開(kāi)放，課題組成員所教授班級(jí)，以及長(zhǎng)沙理工大學(xué)城南校區(qū)和本部近2 000名學(xué)生均可通過(guò)教學(xué)資源共享受益。

但在后期推廣“水力學(xué)”課程案例式+翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的過(guò)程中，應(yīng)注意根據(jù)不同專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和學(xué)生實(shí)際能力水平合理確定案例講解的深度，并科學(xué)分配課前、課中、課后時(shí)長(zhǎng)和對(duì)應(yīng)內(nèi)容的體量。

專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程服務(wù)于工程實(shí)踐是當(dāng)前高校教育追求的重要目標(biāo)，本次教學(xué)改革是率先將案例式教學(xué)和翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式融合于“水力學(xué)”課程的一次嘗試。即基于前期科研項(xiàng)目，在重要章節(jié)引入典型工程案例，圍繞案例，以翻轉(zhuǎn)課堂模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)授課模式進(jìn)行教學(xué)，符合“金課”“兩性一度”的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。該教學(xué)模式有助于學(xué)生在掌握理論知識(shí)的同時(shí)，提前接觸工程實(shí)際、熟悉工程問(wèn)題的解決方法和培養(yǎng)大國(guó)工匠精神，成果可為國(guó)內(nèi)高校同類(lèi)課程提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]? 宮月.案例教學(xué)在MPA課程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].黑龍江教育（理論與實(shí)踐），2021，75（3）：79.

[2]? 劉振怡.從“理論描述”到“問(wèn)題導(dǎo)向”：“哲學(xué)導(dǎo)論”翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)應(yīng)用分析[J].黑龍江教育（理論與實(shí)踐），2022，76（2）：78.

[3]? 袁鵬，賈敏，張文靜，等.翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合案例式教學(xué)模式在心血管基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐應(yīng)用[J].心臟雜志，2021，33（2）：223.

[4]? 吳慧芳，楊曼婷，陳薇，等.情境式案例在“水力學(xué)”課程中的應(yīng)用[J].科教導(dǎo)刊（中旬刊），2019（5）：106.

[5]? 劉雪梅，何逢標(biāo).多平臺(tái)聯(lián)合應(yīng)用構(gòu)建線上翻轉(zhuǎn)課堂的實(shí)踐探索[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實(shí)踐，2022，3（22）：42.

編輯∕丁俊玲