双一流军校《燃烧理论》翻转课堂模式和差异化教学的 思考与探索

于江飞 马立坤 朱家健 杨涛 黄敏超 胡小平

摘  要：以《燃烧理论》课程为例，首先通过调查分析证实了作为双一流军校的国防科技大学研究生课程与课学生层次不一背景复杂的实际情况，并详细统计分析了生源类型、知识储备和课程学习目的。以此为基础，进行了翻转课堂模式的差异化教学探索实践。最终通过教师跟听、学生评价反馈、成绩评定等验证了翻转课堂可因材施教、激发学生主动学习兴趣，促进个性化培养和差异化教学，对提高课堂教学效果具有重要意义。

关键词：燃烧理论;研究生课程;差异化教学;翻转课堂;调查问卷

Abstract： Taking the course of Combustion Theory as an example， this paper firstly confirms the actual situation of different levels and complicated backgrounds of students in the postgraduate course of National Defense University of Science and Technology， which is a double first-rate military university， through questionnaire analysis， and makes a detailed statistical analysis of the types of students' sources， knowledge reserve and the purpose of course learning. On the basis of this， the author carries out the exploration and practice of the differentiated teaching in the flipped classroom model to the students of the course. Finally， through teacher listening， student evaluation feedback and academic record evaluation， it is verified that the flipped classroom can teach students in accordance with their aptitude， stimulate students' active learning interest， promote personalized training and differentiated teaching， which is of a great significance to improve classroom teaching effect.

一、概述

燃烧是能量释放和利用的经典方式之一，一直以来也是人类获取能源的主要方式。从钻木取火开始，原始人拥有利用火的能力是人类文明进步的显著标志之一。黑火药是中国古代四大发明之一。煤炭、石油、天然气等化石燃料的燃烧释热为人们提供了绝大部分的电力和动力装置如飞机、汽车、轮船等的动力，助力了一次又一次的工业革命，极大地方便了当今社会人们出行和生产生活。所以培养具备燃烧学知识、燃烧相关问题分析解决能力和燃烧器设计本领的科技人才相当重要。同时，当代国际形势复杂多变，人工智能、互联网等高新产业发展迅猛，社会生产和人们的生活方式变化剧烈，新形势引出了许多新的问题，同时也带来了很多新的机遇。面对打赢信息化战争等的新型作战需求，作为军队唯一的双一流高等教育院校，国防科技大学在人才培养和科学研究方面面临诸多挑战和机遇。

“我国是中国共产党领导的社会主义国家，这就决定了我们的教育必须把培养社会主义建设者和接班人作为根本任务，培养一代又一代拥护中国共产党领导和我国社会主义制度、立志为中国特色社会主义奋斗终身的有用人才[1]。”这是教育事业发展的首要问题，也是教育工作开展的根本任务，这关系到我国教育现代化的方向和目标。2017年9月，习近平给南开大学新入伍大学生回信，深情勉励他们“珍惜身穿戎装的机会，把热血挥洒在实现强军梦的伟大实践之中，在军队这个大舞台上施展才华，在军营这个大熔炉里淬炼成钢，书写绚烂、无悔的青春篇章[2]”。随着军人社会地位的提高和社会大环境对军人的尊崇，投笔从戎、矢志从军、报考国防科技大学的有志青年将会越来越多，新形势下对本科和研究生系列课程进行建设和改革、培养新型指挥、技术和后勤保障军官、新型国防科技人才刻不容缓。本文以作者承担的研究生课程《燃烧理论》为例，进行改革的一些初步的思考和探索实践。

国外的燃烧类课程设计和相关人才培养均是与其特有国情相关、为国家责任和政治团体利益服务的，一般以国家和该国工业界设立的燃烧相关项目和相关就业岗位为导向，建立燃烧类课程及培养学生相关知识和能力。如北欧国家瑞典森林覆盖面积大，燃烧领域的生物质燃烧方向比较热;同时其拥有多家汽车品牌如沃尔沃、萨博、斯堪尼亚等，该国的内燃机燃烧方向也备受关注。国内高校以国家责任和学生就业为导向，突出各校特色。如北大清华注重燃烧基本理论讲授，培养研究性学术人才;北京航空航天大学的燃烧课程偏重航空发动机内燃烧现象的解释和分析;天津大学的燃烧课程注重内燃机方向的燃烧知识讲解等。

国防科技大学作为全军唯一的985和双一流大学，秉承“厚德博学、强军兴国”的校训，遵循习主席的训词，以传统的液体火箭發动机、固体火箭发动机技术以及新兴的超燃冲压发动机、旋转爆震发动机技术为基础，进行《燃烧理论》的授课，讲授燃烧科学的基础理论和方法，掌握气态、液态和固态燃料的燃烧特点和规律，系统学习和掌握各种燃烧问题的理论分析方法，加深对各类发动机燃烧过程的认识和理解，为学生学习后续《发动机过程数值模拟》、《高等燃烧学》等课程打下基础，对学生今后从事飞行器总体设计、动力工程、热能工程等的军民用科研工作起到良好的促进作用。本门课程听课学生包括军人学生、非军人学生、非军人其它单位委培生等。生源比较复杂，来自基层部队、部队科研院所、本校和其它军校、地方院校等;就业面也比较广泛，包括部队和地方科研院所、部队各基地、地方企事业单位、外企以及在国内外高校继续攻读博士或进行博士后研究工作等，见图1。这是显著不同于国内其它高校燃烧学类课程之处。由于本校研究生生源成分复杂、学生基础不一、培养目标多样，因此本门课程须因材施教，进行差异化教学，防止大锅饭式教学导致的某些学生学不懂、用不上等情况的出现。而翻转课堂是当前教育界流行且效果较为显著的一种教学模式，本文对其进行尝试，并试图达到《燃烧理论》课程差异化教学和人才培养的目的。

二、燃烧理论课程课前调查问卷的设计和开展

从孔子提出“因材施教”的教学理念后，如何让每个学生获得最适合的教育，一直是教育工作者追寻的目标。在提倡“以人为本”的主体教育思想的今天，差异化教学正以契合社会与个体发展需要而成为世界教育发展的主要趋势[3]。差异化教学的课程管理模式与传统的课程管理模式之间有很大的区别，其核心思想是“以学生为本”，主张将学习主动权完全交给学生，学生自己可以掌控自身的学习轨迹[4]。刘瑾[5]通过教学目标、教学形式和教学评价三方面对差异化教学的具体实施方案进行了研究和分析。

传统的差异化教学是一般强调结合各个学生的兴趣、特长以及个性差异而进行各有侧重的知识讲授和人才培养，对每个目标学生有的放矢、因材施教。而这些学生的来源和前期基础知识一般是相同和一致的，比如高中生均从初中毕业生录取而来，高校本科生均从高中毕业生录取而来，某专业本科生上某专业课程时根据培养方案其前期课程设置均相同;同时，学生的培养目标也一致，如软件工程专业本科生毕业后均从事软件设计、开发、维护相关技术工作或继续在本专业深造。

而作为当前军队改革时期的双一流军校，在面对地方非军人研究生的擴招和原有军人学生的继续培养，学生来源多样化，各门研究生课程包括《燃烧理论》的课程方案、大纲和内容的设定凸显困难和复杂，如何使每一位与课研究生都学到知识、合格顺利结课是个摆在教师面前的难题。

课堂调查问卷是了解与课学生情况、接受学生反馈信息的一种常用有效的手段，它被广泛用于教学的各个方面，探究课堂教学中存在的问题和不足并采取相应对策[6]。本文为得到某学期《燃烧理论》研究生课程与课学生的具体情况，特设计了一套实名调查问卷，以期了解每位学生的学科专业背景、燃烧相关知识基础、各自研究方向和兴趣点以及学生来源和就业规划，这样更好地组织差异化的课程教学实施和尝试实践翻转课堂。通过调查问卷的反馈内容，我们获得了相应信息并分析如下。

1. 学生来源分析。本学期与课学生共28人，均参与调查。其中往届生共8人，2014年毕业生4人，2015年3人，2017年1人，其余为应届生;博士研究生4人，其余为硕士研究生。各种类别生源数量及比例见表1，其中为其它兄弟单位代培养的研究生为10人，占据最大比例约36%，军人学生共有11人，非军人自培养地方生为7人。学生的本科毕业院校分布广泛，来自全国各地14所高校，其中南航最多，为6人，国防科大本校生和南京理工学生均为4人，详细信息见图2。学生专业主要为飞行器设计和动力工程。

2. 与课学生知识储备分析。学生学过哪些燃烧相关基础课程呢？图3显示了学生在本课程前学过的相关基础课程，其中大多数人学过流体力学、热力学，具备一定基础知识，值得注意的是个别学生没有一点相关基础知识的储备，完全是外门汉。另外，从问卷中设定的几个具体的流体力学、燃烧学的问题回答可以看出，学生普遍具备了流体力学知识，但多数人由于没有学过燃烧学，对燃烧学的特定名词还不了解。大多数人以前接触的燃烧现象主要是生活中的蜡烛、酒精灯、打火机和木材燃烧等，对动力装置中的燃烧了解的很少。

3. 与课学生的选课动机与研究生课题研究方向调查分析。通过问卷回答，了解到学生的课程关注点和兴趣在掌握基本的燃烧理论知识，了解火箭发动机、燃气轮机等发动机的燃烧过程，获得分析相关发动机燃烧问题的方法和能力。研究生课题研究方向主要为：固体火箭发动机、液体火箭发动机、超燃冲压发动机及其组合动力推进技术等。

这样，由本次详细的课前问卷调查及信息收集与分析可以发现，该课程参与学生的生源复杂性和学习目标多样性凸显，掌握各个学生的具体情况并进行因材施教的差异化教学模式势在必行。

三、翻转课堂模式在燃烧理论课程中的应用

与本课程的研究生生源类似，近年来高职生源也呈现出多样化特点，既有普通高中毕业生，也有中职毕业生，而且同一类型生源内部，入学时的基础和素质也相差很大。基于此，邓效昆[7]把翻转课堂模式应用到了高职在校学生的差异化教学中。

翻转课堂起源于美国，2007年美国科罗拉多州落基山林地公园高中教师为了给学生补课，逐渐形成了“课前观看视频学习、课上进行互动和知识内化”的授课形式，这是翻转课堂的雏形和起源，区别于传统课堂的“学生上课听讲、课后完成作业”的授课形式[8]。随后在网络在线教育资源和MOOC等的推动下，翻转课堂模式逐渐影响到全球各国。传统的课堂教学模式一般说来有三个中心：教师中心、教材中心、课堂中心[9]。而翻转课堂则颠覆了传统模式，之前是老师课前备课、课上从头讲到尾，现在则是学生课前进行初步学习、课上学生之间研讨、老师进行答疑和指导;以前学习资料主要依照教材并辅以参考书，现在则更加多样化，视频、演示文稿以及网络教育资源可以更加激发学生的学习兴趣和内在动力;以前传授知识一般在学校和教室进行，现在随着慕课和微课等的发展，课堂可以直接搬到家里。

由此可以看出，翻转课堂教学模式是因材施教、进行课堂差异化教学的有效手段。该模式可以采用多种具体的形式来实践。本门课程有两种授课形式：课堂多媒体讲授和课程实践。多媒体讲授课程大纲范围内的主要内容，再辅以文献阅读作为课程实践来对课堂知识进行进一步巩固和深入探究。翻转课堂模式应用于本门课堂讲授时可以采取以下两种具体形式：（1）基于目前流行的MOOC和微课模式，在课前观看MOOC视频，并参阅教科书及参考书，预习本节课要学习的知识和内容，在课上进行研讨;（2）课前借助教学视频和PPT讲义以及教材进行预习，在课堂上首先由自荐的1-2名学生讲解要授课的知识点，然后学生分组讨论，提出问题并在讨论中解决，最后总结共有疑问，由老师解答。

本文采用了第2种形式，用一个学时的时间来进行翻转课堂模式的探索。从积极自荐的学生中选取一名学生准备后在本节课上讲授20分钟，剩余时间进行讨论。内容选取“层流非预混火焰的小火焰理论”，这是湍流燃烧数值计算中常用的小火焰燃烧模型的基础，对于多数学生是第一次接触小火焰理论，对于一些概念如“混合分数”、“标量耗散率”等需要理解和体会其含义，混合分数方程的推导、如何从物理坐标经过坐标变换至混合分数空间从而推导出小火焰方程需要学生进行步骤理解和公式推演。在20分钟的内容讲授之后，学生分为3-4人一组进行讨论，大家讨论非常热烈，对小火焰模型的思想很感兴趣，并对其假设条件和适用范围提出了疑问。还有些学生基础较差对物理空间变换到较为抽象的混合分数空间理解较为困难，组内人员进行了解释。在最后几分钟，老师针对大家的共性疑虑进行了解释说明。总体来看，此次翻转课堂效果较好。

翻转课堂模式应用于文献调研课程实践时，论文选择国际一流燃烧学期刊近期发表的英文文献，范围设为国际燃烧会议的专题范围之内，包括气态反应动力学、碳烟纳米材料与大分子、燃烧诊断、层流火焰、湍流火焰、喷雾液滴和超临界燃烧、爆震爆炸和超声速燃烧、固体燃料燃烧、火灾研究、稳态燃烧系统和低碳燃烧技术、内燃机、燃气轮机和火箭发动机、新概念燃烧等。文献调研也可采用两种具体方式：（1）分组或单人对选定研究方向的文献进行综述，然后在课堂上进行汇报，老师和其他学生对该小组成员进行提问;（2）选取一篇文献精读，讲解自己的理解和感悟，指出文章的优点和不足，并提交报告。

本文采用第2种形式，学生从燃烧、推进和能源领域的顶级期刊如Combustion and Flame、AIAA  Journal、Journal of Propulsion and Power、Fuel等选取了自己感兴趣的英文科技论文进行了仔细阅读和分析，并于课程结束后提交，选取的内容基本与每个人的研究方向相对应。在文献调研中，学生学习了燃烧专业相关英文词汇，并基于各自的兴趣点对相应课程学习内容进行了深化理解，达到了差异化教学的目的。

四、差异化教学的效果评价

为了评估课程的翻转课堂效果，对学生提交的文献阅读和理解报告进行了审阅和评分，并再次设计了一套课程效果调查问卷，在课程结束后分发给学生作答并回收。

文献阅读报告根据对选定文献的理解分析评价到位与否，由老师分5挡进行评分。图4是文献阅读报告成绩分布图，可以看到共25人参加考试，其中90-94分11人，多数人在90分以上，处于优秀水平。该报告成绩与课程闭卷考试成绩一起构成总成绩，该报告比重占40%。效果调查问卷中，一些学生建议加大文献阅读报告占整个课程考试分数的比例，或者可以大作业与闭卷考试二选一。这个建议可以在以后的课程进行考虑。

同时在课程结束后以问卷的形式进行了课程效果调查工作。当问到哪些教学手段你更喜欢时，大多数学生可能处于惯性思维和习惯还是选择了传统课程教学、教师居于主导地位的多媒体和板书教学，同时也有相当比例的学生选择了翻转课堂模式的“课堂讨论”和“课堂实践”。

对于“层流非预混火焰的小火焰理论”的翻转课堂尝试，多数同学认为效果很好：翻转课堂拓展了知识面，可以继续下去;翻转课堂的效果很好，大家真正参与探讨，才能真正掌握知识;很新颖，有利于我们提高学习能力;明显改善了课堂气氛;对于有些问题的不足可以让同学们共同讨论加强理解。也有少数学生还不太能接受本文实施的翻转课堂模式，给了差评，如：一般，不太喜欢翻转课堂，学生授课相对较难达到老师的讲解水平;对于上去讲的同学是很好的锻炼，但对没上去讲的同学来说收获不大;课堂还不够活跃等。这说明总体上学生比较能接受翻转课堂的教学模式，但是一些具体实施措施还有待改进。

五、结束语

本文对军队改革新形势下双一流军校研究生课程《燃烧理论》进行了初步的翻转课堂和课程差异化教学的思考和实践。国防科技大学作为军队唯一的双一流高等院校，培养的人才主要面向国防和军事需求，为打赢现代信息化战争服务。因此，開设在空天科学学院的航空宇航科学与技术专业研究生专业核心课程《燃烧理论》需结合该特殊背景和需求，重点以导弹、空天飞机等飞行器的发动机中燃烧为背景进行授课。

通过课程前期调查，表明了现阶段双一流军校研究生背景复杂性和就业方向多样性，证实了本门课程因材施教、差异化教学的必要性和紧迫性。这就需要在每一个学年该课程开课前，进行充分的调查统计工作，掌握学生的背景和燃烧相关基础，在课程讲授过程中在把握整体授课进度和知识深度的同时，须对不同的学生划定不同的重点和难点内容。同时通过翻转课堂模式变以教师为中心为以学生为中心，来实施《燃烧理论》的差异化教学，通过“层流非预混火焰的小火焰理论”小节的学习和文献阅读大作业，学生充分发挥了主观能动性，理解了解或掌握了相应内容，获得了自己需要的感兴趣的知识。从教师跟听辅导、学生评价反馈、成绩评定来看，本次实践的课程的翻转课堂效果较好，可在本门课程的后续授课中进一步开展起来，同时建议在本校其它类似课程中小范围逐步进行测试和推广。

参考文献：

[1]习近平：坚持中国特色社会主义教育发展道路 培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人[EB/OL].中国共产党新闻网，http：//cpc.people.com.cn/n1/2018/0910/c64094-30284598.html.

[2]习近平回信勉励南开大学新入伍大学生，把热血挥洒在实现强军梦的伟大实践中[EB/OL].人民日报海外版，2017-09-26（第01版），http：//paper.people.com.cn/rmrbhwb/html/2017-09/26/content_1807734.htm.

[3]黄莹.英国差异化教学政策及策略研究[D].上海：华东师范大学，2010.

[4]沈俊磊.基于差异化教学的课程管理系统的设计与实现[D].上海：华东师范大学，2016.

[5]刘瑾.浅议差异化教学[J].长春教育学院学报，2013，29（18）：98-99.

[6]杨桦，张梦杰，朱云国.以学生为本优化理论课教学——遗传学课堂调查问卷分析[J].教育教学论坛，2018，（17）：95-96.

[7]邓效昆.基于“翻转课堂”的高职差异化教学研究[J].机械职业教育，2014（8）：8-9.

[8]金莹，席志武，王卫明.国内外翻转课堂研究的现状与反思[J].重庆高教研究，2017，5（5）：78-87.

[9]王鉴.论翻转课堂的本质[J].高等教育研究，2016，37（8）：53-59.