工程流体力学“微课-参与式”教学模式探索及实践1)

罗春欢 任 玲 郭美荣 周文宁 高 婷

(北京科技大学能源与环境工程学院，北京100083)

工程流体力学是一门研究流体平衡、运动、流体与流体及流体与固体相互作用力学规律以及这些规律在工程实际中应用的专业基础课，是能源、水利、石油、土木、环境、机械等众多工科专业的一门必修课程。学生通过对该课程的学习，掌握扎实的流体力学知识能够为后续其他专业课程的学习打好基础。工程流体力学在整个课程体系中的地位十分重要，但该课程概念比较抽象，知识点多，理论性强，不容易被学生理解，是大学公认的教师难讲、学生难学的一门专业基础课。因此，教师为了顺利完成教学任务，大多数课堂仍采用传统既定教学模式，通过预设与控制，严格执行教案，完成教学大纲规定的所有教学内容。而学生由于畏难情绪，习惯以应试为目的，消极接收。所以，传统教学模式下，教师往往注重知识灌输，被动式教学，又无意中切合了学生应试的心理，忽略了学生应用能力、思辨能力、创新能力的培养，偏离了教学的真实目的。

在“新工科”的背景下，基于国家战略发展新需求、国际竞争新形式、立德树人新要求，教育部对我国工程教育教学改革提出了新的方向。传统的工程流体力学教学模式已经不能满足新形式下综合型人才培养的要求[1-2]。因此，探索工程流体力学新的教学模式，培养符合国家战略的新工科人才至关重要。近年来，国内众多高校已经开始对工程流体力学教育教学改革展开研究。研究的主要内容包括教学内容、教学理念、教学技巧和教学方式等方面的改革与创新，探索了多媒体、互联网＋、课堂翻转、分层次等教学对工程流体力学课程效果和人才培养的积极影响和促进作用[3-6]。相比于传统教学模式，这些创新性的改革成果提高了教学质量，增强了学生的积极性，培养了学生独立思考的能力，一定程度上改变了传统应试教学的错误理念。但现有的工程流体力学课程教学改革仍然比较单一，多媒体，网络互动等虽然充实了教学内容，扩展了学生视野，但对学生创新能力的培养有限，而课堂翻转与分层次教学有助于培养学生发现问题、提出问题和解决问题的能力，但学生参与度不够、参与面不广，从而影响了整体教学的效果。

因此，有必要进一步探索研究工程流体力学课程教学模式的改革与创新。本文对机械类专业工程流体力学“微课-参与式”教学模式进行了探索研究。拟在现代媒体技术的辅助下，以学生为本，通过“微课”的形式让学生积极、全面、深度参与课堂教学，以达到理想的教学效果，培养学生的综合能力。

1 “微课-参与式”教学课堂设计与实践

1.1 “微课-参与式”教学内容设计

机械类专业工程流体力学课程为32 学时，其中2 学时为实验课，课程知识点多，课时比较紧张。如果引入“微课-参与式”教学模式将会占用更多的正常教学课时，课程进度将会更加紧张，现有教学内容安排已经不能满足这一教学模式。“微课-参与式”教学模式以激发所有同学的兴趣为出发点，使他们在课外积极、主动查阅资料，思考并解决问题，并将其制作“微课”在课堂进行展示、讲解和讨论，在这个过程中，已经成功将部分教学任务从课堂内转移到课堂外。相比于传统被动式教学，这一主动吸取知识的过程效率更高。因此，结合“微课-参与式”这一教学模式，对现有教学内容进行精炼至关重要。根据教学大纲的要求，对整个课程的教学内容和知识点进行了梳理，对适合学生进行“微课-参与式”教学的相关内容进行了优化，见表1。

表1 “微课-参与式”教学的相关内容梳理

1.2 “微课-参与式”教学形式设计

“微课-参与式”教学对教学形式也提出了新的要求，新的教学形式要以全面激发学生兴趣，深度参与课堂为出发点。“微课”视频采用何种形式能全面调动学生积极性？如何将“微课”与“参与式”教学有机结合起来才能让每一位学生将课堂参与到底？同时“微课-参与式”教学将学生进行角色转换，成为讲授主体，如何合理安排教学内容？如何实现师生之间的衔接？能否解决好这些问题直接决定了“微课-参与式”教学模式的效果。

“微课-参与式”教学要求学生立足教学目标知识点，结合自身对新知识、新事物和新现象的兴趣，采用现代大学生热衷的智能手机、计算机、相机和摄像机制作“微课”视频，主要包括“生活中的流体力学”、“流体力学工程应用”、“流体力学与人类文明”、“流体力学创新作品”、“课后习题我解答”、“工程流体力学实验”、“流体力学前沿热点”等多种形式。“微课”与“参与式”教学有机结合可以从课堂内外进行。课堂内，教师结合教学进度和教学内容，合理分配课时，让学生结合所学知识对自己或小组制作的微课视频进行展示与讲解，教师对学生讲解情况进行肯定、补充或指正；课堂外，通过课程中心，班级视频共享平台，学院公共媒体将“微课”视频电影进行分享、讨论与学习。此外，流体力学创新作品可以参与相应大学生科技创新或媒体创意竞赛。

1.3 “微课-参与式”教学实践

2018-2019学年第2学期对2017级机械专业开展了工程流体力学“微课-参与式”实践教学。在每章内容教学前，对所有知识点进行梳理，学生根据自身兴趣，选取不同知识点，利用1～2周时间制作“微课”。学生在准备过程中，采取自愿组队的形式，每组人数控制到3 ～4 人。在“微课”制作工程中，教师经常与学生保持沟通交流，为他们提供理论和实验上的帮助，同时掌握大家进度和每位同学的参与度及工作量，保证每位同学有效参与到“微课-参与式”教学过程中来。在整个教学过程中，从一开始只有部分同学积极主动报名，最后发展到整个课堂3 个自然班的同学全面参与到“微课-参与式”教学中，总共24 组，部分“微课”见表2。

在该学期“微课-参与式”教学实践中，各组同学充分利用课外时间，结合课堂知识点，查阅文献资料，巧妙制作道具，精心设计实验，将知识点深入浅出地融入到“微课”中，通过参与式教学，精彩的展现到大家面前。图1 和图2 分别为节选自同学“九龙杯原理”和“雷诺实验”微课中的图片。这样的参与式教学，不仅仅提高了学生的兴趣，促进了大家全面深度参与课堂，更增强了学生主动思考解决问题和创新实践的能力。

表2 学生部分“微课”列表

图1 “九龙杯原理”微课截图

图2 “雷诺实验”微课截图

2 “微课-参与式”教学考核方式改革

“微课-参与式”教学对成绩评价机制也提出了新的要求。教学的核心是培养人才，“微课-参与式”教学的核心就是全面参与，培养综合性人才。人才培养的效果离不开科学的评价机制，现有工程流体力学课程的考核模式为20%平时成绩+80%学期末考试成绩，具有较强应试特征，已不能满足综合性人才的考核要求。

“微课-参与式教学”提高了平时成绩的权重，平时成绩从20%提升为40%，从以前单一的应试考核向过程考核倾斜。为了客观量化学生“微课-参与式”教学表现，真实公平评价学生综合能力，制定表3 所示考核细则。同学们在“微课-参与式”教学过程中，教师根据教学效果进行评分，体现学生对关键知识点的理解、掌握和运用情况，突出学生创新能力的培养。在教师评分的同时，引入学生自评，课堂上每个学生结合自己的切身感受进行评分，并且提出客观的意见和建议。这样有利于考核过程的公平，促进了学生之间的交流，提升了后续同学“微课”教学的水平，更能全面调动学生的兴趣和积极性。

表3 “微课-参与式”教学考核方式

3 “微课-参与式”教学实践效果及不足

“微课-参与式”教学实践效果如何直接决定了一种新的教学方法是否成功，而对教学效果的评价最关键因素就是衡量该课程教学目标的达成度。“微课-参与式”教学模式改革使学生课堂参与度达到100%，这为高效优质完成教学目标提供了有力的保障。应试不是教学的目的，但课后练习和期末测验仍然是考核学生是否掌握扎实基础知识的最直接的途径。与教学模式改革之前相比，“微课-参与式”教学中学生课后练习完成质量更高，A 级评分占比约82%，同时期末考试优秀率明显提升，而不及格率从约12%降低到4.17%。“微课-参与式”教学不仅仅要让学生掌握扎实的基础知识，更要培养学生分析解决实际工程问题的基本能力。通过“水库闸门问题”，学生更加深刻地理解了压力中心和静止流体对固壁的总作用力等关键知识点，同时对水库闸门设计计算等工程问题有了基本的认识。在讲解“伯努利方程”知识点过程中，同学们通过一系列的“微课”积极主动参与教学，如“九龙杯原理”、“打水漂”、“马格努斯效应”、“皮托管”和“伯努利实验”等，不仅更加扎实地掌握了该知识点，更使大家对“伯努利方程”在生活和工程中广泛的应用有了切身的体会。“流体流态”和“边界层分离”这些知识点依托教材讲解学生难以获得深刻的认识，通过“雷诺实验”、“塔科马大桥工程分析”和“卡门涡街”等“微课-参与式”教学，学生通过实践更加直观真实地体会流体的流态和边界层分离等现象，从而更加深入地理解影响流体流态和边界层分离的关键因素。“微课-参与式”教学将课堂上流体力学的基本概念、理论和规律与生活和工程应用紧密结合起来，既让学生扎实地掌握了基本知识点，又潜移默化地使大家认识到流体力学在解决工程实际问题中的重要意义，提高了大家的实践和创新能力，切合“新工科”复合型人才培养的要求。

为了进一步完善与促进工程流体力学教学模式改革，在学期课程结束时面向全体同学开展了问卷调研。此次问卷调研内容主要包括以下六个方面：小组成员准备“微课”的过程、“微课”内容与形式、“微课-参与式”教学的考核方式、“微课-参与式”教学的作用、“微课-参与式”教学的整体感受、“微课-参与式”教学的意见和建议。调研结果表明91.1%的学生课后准备“微课”的时间为一周及以上，分别有35.7%和55.75%的同学认为不会和稍微增加课后其他课程学习负担，“微课-参与式”教学合理地保证了学生课外自主学习工作量。在“微课-参与式”教学过程中引入学生自评，72.9%的同学持肯定态度，认为提高了考核的公正性，其中34.3%的同学认为可以适当提高学生自评分比例。同学们欢迎“微课-参与式”教学，不仅提高了课堂的参与度，还加深了大家对知识点的理解，锻炼了自己的综合能力。超过85%的同学认为通过“微课-参与式”教学提高了自身的自学能力、创新实践能力、思辨能力，同时也锻炼了表达能力和团队协作能力。

“微课-参与式”教学实践在取得一定效果的同时，也存在一定的不足，同学们也提出了一些宝贵的意见和建议，主要体现在教学形式和考核方式上。在教学形式上适当增加“ 微课-参与式”教学学时，保证课堂上学生讨论时间。在“微课”准备阶段，放宽课堂知识点的限制，鼓励多学科交叉，并给学生提供更加充足的材料和资金支持。同时要根据“微课”难度和工作量，适当减少每组成员数，最好不超过3人，从而保证每组同学的参与度，在考核上更加公正。

针对这些问题，后期将对现在的“微课-参与式”教学做进一步的改革与完善，希望在今后的工程流体力学教学过程中取得更好的效果。