新工科背景下“船舶與海洋工程流體力學(xué)”課程改革與創(chuàng)新實踐

倪寶玉，趙彬彬，廖康平，李旭暉

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

引言

新工科的內(nèi)涵是以立德樹人為引領(lǐng)，以應(yīng)對變化、塑造未來為建設(shè)理念，以繼承與創(chuàng)新、交叉與融合、協(xié)調(diào)與共享為主要途徑，培養(yǎng)未來多元化、創(chuàng)新型卓越工程人才［1］。高等素質(zhì)教育中人才培養(yǎng)的核心要素歸結(jié)于課程，教學(xué)改革進行到深處關(guān)鍵在課程［2］。課程教學(xué)改革應(yīng)以學(xué)生志趣變方法，創(chuàng)新工程教育方式與手段［3］。在此背景下，本文開展“船舶與海洋工程流體力學(xué)”課程教學(xué)改革與創(chuàng)新實踐，致力于為培養(yǎng)可靠能用、善于創(chuàng)新的船海領(lǐng)域一流人才奠定流體力學(xué)基礎(chǔ)，以期推進新工科建設(shè)，為我國高等教育培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供有效支撐。

“船舶與海洋工程流體力學(xué)”是支撐哈爾濱工程大學(xué)新工科專業(yè)、A+學(xué)科船舶與海洋工程的專業(yè)基礎(chǔ)課，旨在講授流體力學(xué)理論知識及其在船海領(lǐng)域中的工程應(yīng)用，具有鮮明的專業(yè)特色［4-5］。該課程面向本科二年級學(xué)生（4學(xué)分，共128學(xué)時，含線上64學(xué)時），預(yù)期學(xué)生能理解和掌握船舶與海洋工程領(lǐng)域流體力學(xué)基礎(chǔ)知識、基本原理和科學(xué)方法，掌握實驗與仿真模擬和預(yù)測復(fù)雜流動的應(yīng)用方法；針對船海裝備復(fù)雜流動問題，能夠運用流體力學(xué)原理辨識，建立恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)物理模型進行研究，具備學(xué)習(xí)交流和創(chuàng)新素養(yǎng)；培育學(xué)生追求流體力學(xué)真理、服務(wù)船海大國重器、擔(dān)當(dāng)國家行業(yè)使命的思想政治素養(yǎng)。

一、聚焦教學(xué)實踐真實“問題”

根據(jù)多年的教學(xué)實踐經(jīng)驗，本文聚焦課程教學(xué)中的三個真實“問題”：（1）“談‘流體力學(xué)’色變”：以往學(xué)生普遍反映課程難度大，理論看不懂、公式不會推、原理記不住。這是因為該課程的數(shù)理知識面廣、概念抽象、公式煩瑣、理論性強。早期課堂教學(xué)以教師為主，“填鴨式”“灌輸式”的傳統(tǒng)教學(xué)方式會導(dǎo)致部分學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足，對于知識的吸收理解較為表面，“等、靠、要”的被動思想嚴(yán)重，自主思考和質(zhì)疑創(chuàng)新等能力欠缺。（2）“紙上得來終覺淺”：開學(xué)第一課會對學(xué)生期待的問題進行問卷調(diào)查，近年來，關(guān)注“流體力學(xué)在工程實踐中怎么應(yīng)用？”的熱度持續(xù)上升。這與“00后”學(xué)生更關(guān)注“所學(xué)知識如何應(yīng)用？”的學(xué)情特點是一致的。（3）“卷考何以定乾坤”：如何考核一直是學(xué)生較關(guān)心的熱點問題之一?？荚u方式雖在不斷改革，例如增加期中考試和隨堂測試等環(huán)節(jié)，但在課程評教中很多學(xué)生仍反映考評方式過分依賴“卷面考試”，不得不依靠題海戰(zhàn)術(shù)，死記硬背一些定理公式，無法全面反映“當(dāng)代大學(xué)生”自身能力與學(xué)習(xí)成效。

二、教學(xué)實踐總體方案設(shè)計

針對上述教學(xué)真實“問題”，本文基于布盧姆教育目標(biāo)分類理論［6］以及前人對流體力學(xué)教學(xué)方法的探究、研討等［7-11］，充分利用MOOC平臺、智慧教室、雨課堂、微信、B站等現(xiàn)代信息平臺，打造了教/學(xué)“六化”線上線下混合式課程體系，其中“六化”是指信息化、智能化、模塊化、譜系化、個性化、終身化。該體系注重學(xué)生知識收獲的效果，側(cè)重對學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和知識靈活運用能力的培養(yǎng)，為學(xué)生營造了積極自主、團隊協(xié)作和互動探究式學(xué)習(xí)環(huán)境，著力提高了教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

課前，授課教師依托船舶與海洋工程國家級虛擬教研室，博采國內(nèi)外眾家教材所長，統(tǒng)一規(guī)范授課內(nèi)容中的公式、符號；統(tǒng)一學(xué)習(xí)智慧樹、雨課堂等線上輔助授課平臺的使用方法，充分發(fā)揮信息化技術(shù)對課堂教學(xué)的支撐作用。借助信息化手段，學(xué)生在慕課上提前預(yù)習(xí)主要知識點，教師統(tǒng)計學(xué)生的慕課預(yù)習(xí)情況，將研討題目發(fā)布給學(xué)生，同時，依托慕課平臺打造“學(xué)習(xí)智能化助手”，根據(jù)“教師問—學(xué)生答”“學(xué)生問—學(xué)生答”模塊的情況記錄，并實時更新熱度，以便教師掌握學(xué)生的關(guān)注熱點。課上，分為教師講解和學(xué)生研討兩個環(huán)節(jié)。教師講解環(huán)節(jié)約占課時1/2～2/3，教師根據(jù)慕課平臺反映的學(xué)生學(xué)習(xí)情況，剖析本節(jié)課的重難點內(nèi)容，并進行知識點模塊化講解，帶領(lǐng)學(xué)生對模塊化的知識點進行穿線，整理知識邏輯體系，完成知識全局的譜系化構(gòu)建；學(xué)生研討環(huán)節(jié)約占課時的1/3～1/2，鼓勵學(xué)生上臺講解知識點，通過個性化知識學(xué)習(xí)，發(fā)散思維，分享個人對研討題目的見解，并進行互評激勵。課后，學(xué)生在慕課平臺上答題，教師線上批改。線上保留學(xué)生個人學(xué)習(xí)檔案，形成學(xué)習(xí)終身化，鞏固提高。此外，學(xué)生可在B站反復(fù)觀看筆者的教學(xué)視頻。

為保障上述體系內(nèi)總體方案的順利開展，本文依托國家級虛擬教研室，在課程教材、教學(xué)團隊、課程資源、課程思政等方面組建了優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，并在具體實施過程中凝練了三大創(chuàng)新路徑，分別是“興趣—科研—探索”啟發(fā)式教學(xué)模式、“生活流體實踐”探究式課程設(shè)計和“可替換、增值型-321”多維度考評方式，并凝聚了“顯隱雙性”課程思政內(nèi)核。

三、教學(xué)實踐特色創(chuàng)新

（一）模式創(chuàng)新：“興趣—科研—探索”啟發(fā)式教學(xué)模式

結(jié)合“90后”“00后”學(xué)生的學(xué)情特點，從布魯納結(jié)構(gòu)主義教學(xué)理論［12］出發(fā)，提出了“興趣—科研—探索”啟發(fā)式教學(xué)模式。具體以“五道菜”比擬，分為“前菜”“主菜”“甜點”“咖啡”和“水”。前四道菜分別隱含“求本溯源”“嚴(yán)謹(jǐn)求實”“知行合一”“探索創(chuàng)新”的思政內(nèi)涵，“水”旨在結(jié)合學(xué)科前沿進展或流體力學(xué)時事，發(fā)布習(xí)題和研討主題，讓學(xué)生課下探究，自主挖掘相關(guān)思政內(nèi)涵。以啟發(fā)式教學(xué)模式幫助學(xué)生搭建理解知識的“梯子”，層層遞進，從而有效打消學(xué)生“談‘流體力學(xué)’色變”的顧慮，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，加深對知識的理解，并引導(dǎo)創(chuàng)新思維，具體教學(xué)模式的內(nèi)涵與實施參見倪寶玉等［7］的闡述。

（二）方法創(chuàng)新：“生活流體實踐”探究式課程設(shè)計

針對學(xué)生對知識點的實際應(yīng)用需求，增設(shè)了“船舶與海洋工程流體力學(xué)”課程設(shè)計——生活流體實踐。旨在引導(dǎo)學(xué)生基于生活觀察，團隊協(xié)作，自主動手重構(gòu)實際中的流體小問題，并探究對應(yīng)的流體力學(xué)原理。

學(xué)生可1～3人組成小組，選擇生活流體的實際問題，例如“噴霧器”“公道杯”等，明確小組內(nèi)各成員分工內(nèi)容，自主制作相應(yīng)的實體小模型，或者構(gòu)建數(shù)學(xué)物理模型并通過Mathematica、Python、STAR-CCM+等軟件或自編程進行模擬仿真。通過在試點班開展本項課程設(shè)計，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對此項活動充滿好奇和干勁，有的小組利用伯努利方程制作了“噴霧器”，然后又利用噴霧器的水霧研究“湍流”和“附壁效應(yīng)”，把流體力學(xué)多個知識點“學(xué)活了”。學(xué)生“噴霧器”演示實驗和“湍流”現(xiàn)象見圖1。

圖1 學(xué)生實驗

“生活流體實踐”探究式課程設(shè)計使抽象的流體力學(xué)概念“看得見、摸得著”，能巧妙破解學(xué)生“紙上得來終覺淺”的困局，有效引導(dǎo)學(xué)生主動探究，學(xué)以致用。

（三）考評創(chuàng)新：“可替換、增值型-321”多維度考評方式

在綜合考評環(huán)節(jié)，本文注重基于學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的過程性考核和多元化評價，開發(fā)了“可替換、增值型-321”多維度考評方式，見圖2。所謂321即3項過程性成績，包含線上慕課、線上作業(yè)和生活流體實踐，各占10%、10%和20%；2次階段測試評價或課堂競優(yōu)研討，占20%；1次期末考試，占40%。所謂可替換，即在階段測驗和競優(yōu)研討成績各自及格的前提下，成績可替換，以彌補常規(guī)卷面考查的單一性和片面性。所謂增值型，即第2次階段考試成績超過第一次的5%以上，則增加平時分的2.5%，以鼓勵基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生努力奮進。在競優(yōu)中提出優(yōu)質(zhì)問題的學(xué)生，可獲得額外獎勵分，以鼓勵學(xué)生的質(zhì)疑精神和批判思維?！翱商鎿Q、增值型-321”多維度考評方式加強了對學(xué)生的過程性能力考核，能顯著避免“卷考定乾坤”的弊端，知識與能力并重，提升學(xué)生的收獲感及滿意度。

圖2 多維度考評方式的劃分

（四）課程思政內(nèi)核：“顯隱雙性”課程思政內(nèi)核

課程思政與課程教學(xué)相輔相成，在每章教學(xué)內(nèi)容中，充分挖掘“顯隱雙性”思政元素。所謂“顯隱雙性”，具有兩層內(nèi)涵：第一層是在授課過程中，直接“顯性”地講述流體力學(xué)發(fā)展的人物和事跡，例如流體力學(xué)大師錢學(xué)森先生的事跡，引發(fā)學(xué)生共鳴，同時“隱性”地將流體力學(xué)蘊含的原理教授給學(xué)生，例如“公道杯”中蘊含的“滿招損、謙受益”的人生哲理。第二層中“顯性”元素是“五道菜”凝練的思政元素，而“隱性”元素是學(xué)生競講和研討過程中自發(fā)挖掘的思政元素。例如，有學(xué)生在競講流體力學(xué)描述方法時，主動分享孟子“觀水有術(shù)”哲學(xué)思想，也給了教師極大啟發(fā)，促進了教學(xué)相長。

結(jié)語

圍繞新工科培養(yǎng)新型工程人才的要求，聚焦教學(xué)實踐中三大真實“問題”，本文對“船舶與海洋工程流體力學(xué)”課程教學(xué)探索形成了教/學(xué)“六化”課程體系，并創(chuàng)新性地改革了教學(xué)模式、教學(xué)方法、考評方式和課程思政建設(shè)手段，凝練了“三創(chuàng)新一內(nèi)核”教學(xué)特色，即“興趣—科研—探索”啟發(fā)式教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動其自主學(xué)習(xí)積極性；“生活流體實踐”探究式課程設(shè)計，開放思維，活學(xué)活用，鍛煉學(xué)生的動手實踐能力；“可替換、增值型-321”多維度考評方式，確保學(xué)生掌握船舶與海洋工程流體力學(xué)知識和技能，培養(yǎng)學(xué)生的表達、分析和評價能力；“顯隱雙性”課程思政內(nèi)核，雙重內(nèi)涵，春風(fēng)化雨、潤物無聲地落實立德樹人根本任務(wù)。以期推進新工科建設(shè)，為我國高等教育培養(yǎng)創(chuàng)新人才提供有效支撐。