MOOC背景下《水力学》教学体系的研究

孙楠 胡旭铧 陈栢仲 吕玲钰

摘要：针对目前网络教学模式资源共享度低、教学方法单一、互动性差等问题，开展基于MOOC教学模式的探索与研究。东北农业大学水利与土木工程学院借助现有网络平台，剖析已有网络教学模式对教学效果的制约因素，基于MOOC教学理念，以“现代水利建设人才需求”为导向，拟定复合应用型水利人才、拔尖创新型人才培养计划，加强自主科研创新以及产学研合作实践，构建基于“两实双线三阶段”多元互动教学模式的SPOC混合教学体系，实现《水力学》教学向培养学生多方位创新能力和创新意识的方向发展。实践表明，《水力学》SPOC教学成果显著，为高校《水力学》课程教学提供了可操作性范式。

关键词：《水力学》课程;MOOC;SPOC;教学模式;教学体系

1 引言

《水力学》精品资源共享课的建设使用和对相关课程网站的查阅中显示出网络教学存在以下局限性：①宣传力度不到位：课程一般在各大学的网站主页上开设专门模块，须通过链接进入相应科目学习，跨专业学生知晓度不高。②共享程度不高：众多高校为学习者获得学习资料设置了多层障碍，比如一些专业课程会设置密码，没有密码会影响视频的观看。③网络平台建设问题繁多：包括不能及时保障更新与维护，学习者连续性学习受到阻碍;平台栏目不够丰富、自主学习激励机制不够完善，不能更好地维持学习者的学习积极性。④同步交流互动功能效率低：交流与反馈机制在网络平台上的功能主要表现为单向性交流，学习者问题得不到及时解决，致使网络交流积极性不足。⑤欠缺完备测试系统：第一，课程作业及在线测试环节，会出现抄袭答题情况，建议以相同试题但打乱顺序，重组出花样试卷;第二，学生在线学习时间以及测试分数统计功能不完善，学生成绩难以分组统计，建议在线网络系统及时给出成绩与分组的结果;第三，课程作业批改系统及时性差，建议增加现客观题自动批阅、主观题利用自然语义的检索功能智能打分机制，以减少教师工作量。因此，推进现有的开放教育资源建设任重道远。

近年，在教育领域MOOC（Massive Open Online Course，大规模开放式在线课程）模式已成热点，通过MOOC学习平台，学习者可根据自身的需要进行学习、讨论、完成作业、参与考试、获取分数、拿到证书，完成学习的全过程。在MOOC学习中，首先旁人可以看到学习者正在学什么，其次可以对其学习程度、学习情况、是否准确掌握课程内容等进行评价。然而，MOOC教学主要是以知识为中心的理解类活动，个性化学习和学习体验、学习应用缺失，虚拟实验无法替代真实实验。《水力学》课程要求学习者不仅掌握基本知识点，而且要做到学以致用，单一的线上教学导致学习者学习热情低、课程完成率不高等缺点亦广为诟病。在“后MOOC时代”下，SPOC（Small Private Online Course，小规模限制式在线课程）的诞生克服了MOOC单一的线上学习的缺点，实施混合式教学，将MOOC之所长与面对面教学融为一体，在校大学生作为其主要受众，设计和利用优秀的MOOC资源，增加师生互动，激发学生的学习热情，提高课程完成率和学习成绩。因此，基于SPOC平台的混合课堂模式将更顺应《水力学》教学改革发展要求。

2 课程目标定位

基于SPOC平台的混合课堂模式，一要求引导低年级本科生快速适应本专业学习，掌握专业知识，提高学习效率;二要求统整导学者的整体知识，提高其教学技能、组织能力、团队管理能力，适应社会对创新型、高素质型人才发展的需求。

《水力学》课程的目标定位设定为：①从教学策略上证明基于SPOC平台的《水力学》混合课堂模式的逻辑性与合理性;②通过教学实践证明基于SPOC平台的《水力学》混合课堂模式的有效性与可操作性。课程最终保证学生学会自主创新，成为快乐的学习者。

3 教学模式

从本校的教学实际出发，借鉴以往和其他院校《水力学》课程实践教学的有益经验，构建了基于SPOC平台的“两实双线三阶段”多元互动教学模式。“两实双线”即“两实践”“双课堂”，“两实践”是指：一是实验教学，二是实习性教学。即进行实验项目的训练以及实习参观大型水工建筑物（三峡葛洲坝等）;“双课堂”是指：线上教学与线下课堂相结合，以讲授理论知识为主，配合实验为辅，知识传授线上完成，线下进行教学互动和课题研究。“三阶段”为：课前教学准备、课中课堂教学和课后巩固教学三个控制阶段。“多元互动”包括：多种主体之间的互动，如师生互动、生生互动、人机（网络）互动等;以及线上互动、线下互动、实践互动等多种形式的教学互动。

所以，《水力学》课“两实双线三阶段”多元互动教学模式是在坚持以人为本、素质教育、理论与实践相结合、教育与管理相结合的思想指导下，从教学实践中总结出来的，为实现“TMDB”（teaching，基础教学;motivate，激发学生学习兴趣;develop，培养学科学习能力;feedback，教学反馈及时解决问题）目标的相对稳定的教学范式。

4 教学体系的构建

4.1 教学理论体系

基于水力学教学的“两实双线三阶段”多元互动教学模式的构建，结合MOOC包含了学习者、教师、教学情境等各种交互活动伴有教学理论的支持，进行多层次《水力学》学习理论为中心下的SPOC综合理論体系的构建。

4.1.1 多模式串联学习体系

《水力学》“两实双线三阶段”多元互动教学模式首先应强调的是指导学生通过在线课堂优质资源共享与面授课上老师解决问题的及时性优势互补的“线上线下教学”模式，构建完备知识理论体系框架，并且通过“实习课程”与“实验课”掌握知识在实践中的应用。使学生对水流在不同状态下的力学分析的学习更加透彻以及对实习与实验课中的数据处理、误差分析、应用实际有良好的认知，最终对水力专业知识形成自己的知识体系，在遇到《水力学》难题时将从课堂的理论与在实验课中的实践相结合从而达到解决问题的目的。

4.1.2 “主义学习+大数据”理论体系

主义学习要求学习者在交流协作、工具运用的过程中自主学习和建构知识。《水力学》是一门专业性极强的力学学科，其主要研究液体静止或相对静止状态下的力学规律及其应用，探讨液体内部压强分布理论，液体对固体接触面的压力，液体对浮体和潜体的浮力及浮体的稳定性，水在静态与动态情况下的不同受力状态，水在管道中运动的水头损失等问题，其对于学科知识的专业性具有很高的要求，因此学生普遍认为《水力学》课程难学，学生往往不能及时解决课程难题，而MOOC作为一种信息“大数据”的产物，其学习资源十分充裕，教师可以及时将水力学难点知识汇总并上传到SPOC平台，学生在学习过程中不能联系到教师的情况下，在线的知识点数据库可以使学生及时找到自己想要找到的知识信息，并且SPOC平台上的论坛以及讨论小组可以使学生将学习中遇到的问题在线讨论，在最快的时间内找到解决的方法。

4.1.3 因材施教的理论体系

MOOC这种大规模在线开放课程在世界范围内兴起，其新型的教学模式受到广大好评，在线平台为现代水力学教育改革提供了重要机遇，为水力学结合因材施教的教育理念提供了一种现代化教学实践新平台。通过SPOC平台，由于学生个体之间存在差异，往往不能进行同步学习。因此，根据各类各层次学生的认知水平、学习能力的不同将学生分层，每类同层次学生的认知水平基础相当，制定出各类各层次的教学目标，将不同学习资料上传到SPOC网络平台，学生根据自身能力对课程进行选择，选择符合自身的学习难度，从而使能力强的学生可以更加深入的学习，而能力不强的学生可以对基本知识透彻学习。

4.2 教学活动体系

根据对高校教学改革的基本理念、SPOC教学模式的功能定位，为实现学生“理解抽象概念，能够应用各类公式，查找不同边界条件下的相关系数，掌握基本水力计算方法”的目标，加强教学团队建设，合理搭建复合应用型水利人才培养平台、拔尖创新型人才培养平台、自主科研创新平台以及产学研合作实践平台，优化教学资源，建立基于“两实双线三阶段”多元互动教学模式的SPOC混合教学体系（见图1）。

4.2.1 课前教学准备

教师在本阶段前期进行学习资料的上传以及学习任务的发布，引入章节导学，并通过网络教学平台监督学生学习进度，解答学生产生的问题。学生以东北农业大学网络教学平台为基础，进行以观看教学视频为主的自主学习，并参与问题探讨。通过改造式资源设计，教师根据课程教学需求改变SPOC的课程结构和教学资源等。

在进行教学资料整理与上传时注意适度精简整合，以教学内容与工程实际应用的一致性、适度够用性为原则，将基本理论和基本原理作为教学的立足点，适当舍弃一些不必要的内容，如落后的试算法、图解法与验证实验等，淡化公式推导和抽象难懂且比重较少的理论知识，广泛收集工程案例，充分吸收水利行业发展以及社会经济的最新成果，并将其融入视频教学中。加强应用性较强的教学内容讲授，如水工建筑物静水压力、管道水力计算、水流现象分析等，使得教学環节与学生未来工作领域紧密结合。

认知主义学习理论强调对知识认知的过程以及对认知过程的分析。据此可知，学生自学以及自我思考能力尤为重要，设计线上学习与在线问题互动环节，为学生提供良好的学习讨论环境，使其主动交流通过线上自主学习对《水力学》的理解和困惑，加强认知过程。

4.2.2 课中课堂教学

该阶段主要在线下进行知识的梳理以及对学生在课前学习过程中的疑惑进行解答，指导学生进行协作学习和课题研究等。线下学习环境除物质条件之外，还包括学习氛围、学习动机、人际关系等非物质条件。基于深度学习理论的学习环境研究，SPOC的线下学习环境要求师生采用实际问题激发学生学习动机，并通过人际的交互营造动态的学习氛围。

以学习者为中心是构建主义学习理论的核心，强调学习者对知识进行主动探索、主动发现和对所学知识框架的主动建构。学生作为主体进行知识体系的建构，教师作为引导者辅助其建构过程。为提高学习主动性可以设置任务型分组教学：对学生进行分组，将水力学中的重点、难点问题划分为具体任务，学生通过小组讨论提出解决方式并进行讲解。例如水面线的定性分析，12种水面线的判别和绘制是重点难点，让学生结合成兴趣小组，针对不同情况讨论，得出最终结论。提高学生自主分析能力，提升学生的思维境界。

4.2.3 课后巩固教学

学生完成基础知识学习后通过网络平台进行测试，针对知识欠缺或薄弱部分进行补充。教师通过SPOC平台可以随时了解学生对知识的掌握情况，从实际情况出发调节教学进度。对于学有余力的学生进行拓展教学，如对环境水力学的研究，学生登录网络教学平台可以获得丰富的拓展资源，包括专题讲座、案例研究等。该阶段方便学生弥补知识漏洞以及激发创新思维。

4.2.4 实践教学

针对《水力学》内容多、理论多、公式多、概念抽象的特点，加强实践教学环节使抽象的理论形象化，从而培养学生的思维创新能力和自主学习能力。

（1）实验项目训练

实验项目训练基于探索性、综合性和实践性的教学理念，形成包括基础性实验、综合性实验、认知实验、前沿性实验和开放创新实验在内的实验教学体系，注重培养学生运用实验手段开展科学研究的能力。

网络教学平台下的水力学教材呈多媒化趋势，通过模拟实验实训室学生可以在进行实验操作前先了解掌握基本的操作流程，后利用其进行复习巩固。例如在局部阻力系数的测定实验中，实验仪器较为复杂，数据处理涉及公式较多，教师在实验教学过程中难免出现知识点遗漏或学生对实验原理、步骤一知半解的情况，利用SPOC平台将实验操作视频进行预习和回顾将大大提升教学质量。

（2）认识实习

学生通过实地参观已投入运行的水利工程项目，了解大型水利工程运行过程。东北农业大学由学校组织带领学生前往长江三峡水利枢纽国家大学生实习基地进行参观学习，提升学生学习兴趣以及知识应用能力。

4.3 教学评价体系

SPOC混合教学体系采用符合网络学习评价特征的多元学习评价方式（形成性评价、总结性评价）综合评价学生。评价内容包括资源观看程度、课后单元测试、课时作业和期末测试等。评价形式包括基于平台的视频内嵌测试、随机提问、参与论坛讨论和基于学习过程大数据的网络评价。SPOC平台全程记录学习者学习过程，实时收集、整理、分析学习数据，通过数据分析学生知识掌握、技能体验与熟悉情况。课程测试与评价设计思路（见图2）。

4.3.1 课前部分

课前部分的评价主要由教师评价组成，目前SPOC平台可获取到学生观看视频的进度、对资源的查看和完成情况以及学生参与在线讨论的活跃度等，教师依此进行评价。

4.3.2 课中部分

课中部分的评价由教师评价和组员评价组成。此过程依据学生在课堂上的表现情况进行评价，教师根据课堂上学生讨论发言的活跃度，小组讨论结果的准确性及学生表达能力等方面进行评分。组员评价则是通过建立课堂讨论小组，进行交流辩论、问题研讨，根据各小组成员参与讨论的积极性、合作性进行客观的评价。

4.3.3 课后部分

课后部分的评价由SPOC平台评价和教师评价组成。学生在SPOC平台上提交作业后平台会根据学生的答题情况自动给出反馈结果，教师根据学生的作业情况，进行客观评价，其中单元测试的结果也作为评价的依据。

4.3.4 期末测试

最终的期末成绩由教师进行评价。学生在完成线上线下课程任务后，还需完成学校统一组织的期末测试，通过教师的评阅审核，最终给出学生该门课程的期末成绩。

总体而言，SPOC环境下混合课堂教学模式在评价方式上，形成性评价由课前、课上、课后三阶段的学生具體表现构成，总结性评价通过课程结束后最终的测试情况评判，结合两者最终给予综合评价。

5 应用效果

东北农业大学于2014年6月批准《水力学》课程作为校级精品资源共享课进行SPOC课程建设，该课程基于SPOC教学和以学习者为中心的混合高校教学理念进行翻转式课堂教学。四年中，该课程应用于东北农业大学水利与土木工程学院2013～2016级的水利水电工程系、农业水利工程系和水文与水资源工程系共1 049名学生，累计学生进入课程平台592.1万次，上交作业总数7 826份，课程论坛发表主题总数12.1万个，课程论坛发文总数36.4万个。通过课程研究性教学，项目成果显著：申请大学生科技创新43项，结题21项，在研22项，其中国家级科研课题2项、省级10项、校级31项;发表省级论文1篇;获得国家级比赛一等奖1项、二等奖2项、三等奖5项、优胜奖1项，省级比赛一等奖3项、二等奖3项、三等奖4项;授权发明专利3项，授权实用新型专利1项，软件著作1项。

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