基于五星教学原理的《无形边界层的丈量之法》微课设计探索

黄河峡，谭慧俊

（南京航空航天大学能源与动力学院，江苏 南京 210016）

0 引言

随着信息化技术的不断发展，社交媒体和移动通信技术日益成熟，教育资源的形式也呈现出微型化和碎片化的特点，越来越多的在线课程网站，如：国外的edX、Coursera、Udacity，以及国内的中国大学MOOC、网易云课堂、慕课、学堂在线等平台在发挥知识共享、全民在线学习等方面起到了非常重要的作用，对于提高教学质量、拓展专业能力等提供了一种全新的、信息化、便捷式的途径和方法。其中，微课作为一种短时知识讲解形式，一般视频的时间在5～12分钟左右，具有知识点单一、情景化等特征，是典型的“少而精”的知识呈现方式[1]，打破了知识学习和讲授在时间和空间上的限制，在高等教育在线教学领域得到了广泛的运用[1-4]。特别是在2020年疫情发生以来，微课作为线上教学的一种有益补充方式，在帮助学生加深知识点的理解方面起到了重要作用[5-6]，如：北京航空航天大学通过制作课程微课，搭建在线学习平台，并结合线下课程辅导，发挥线上和线下教学的优势，改善了传统机械制造基础课程实验的教学效果。南京理工大学将微课应用到《混凝土结构基本原理课程》的课程建设中，让学生更加灵活、自主地开展知识学习。上海交通大学将任务驱动法、问题引导法应用到医学类微课教学设计中。

工程流体力学课程是航空航天类、能源动力类、机械类专业一门重要的专业基础课程，教学的主要内容包括：流体静力学、流体运动学、流体动力学、边界层理论以及可压缩空气动力学相关知识。该课程相比于经典固体力学，学习难度更大，不仅要求学生有较好的物理基础、理论力学、材料力学基础，还对学生的高等数学功底，特别是微积分相关理论提出了很高的要求。中国矿业大学提出了线上线下相结合的工程流体力学教学模式。沈阳工程学院探索采用基于学习产出的教育模式OBE的工程流体力学教学模式，以期改善学生的工程应用能力。根据笔者近5年来的实践教学统计数据，每年《工程流体力学》课程卷面成绩不足60分的学生占到了20%左右，挂科率在各科专业课程中排名靠前。对于教师而言，这门课的教学资源非常陈旧，很多的教学视频素材都是20世纪拍摄的。因此，从教师的角度而言，如何把知识点清晰地、有层次性地展示给学生也是一个极大的挑战。为此，充分发挥微课的优势，并应用五星教学原理开展工程流体力学课堂教学设计，从实际的教学需求出发来设计优质的微课。

1 五星教学原理的释义及其主要流程

五星教学原理最早是由美国著名教育技术理论家和教育心理学家M.DavidMerrill教授提出的，它为教师的教学制定了详细的步骤：首先聚焦解决问题（Question），然后激活旧知（Activation）、示证新知（Demonstration）、应用新知（Application）和融会贯通（Integration）构成。该教学原理是目前一直被推崇的一种教学模式，受到教育界的高度关注，尤其是给在线教学、多媒体教学以及E-learning学习提供了一种实用的教学方法。

2 基于五星教学原理开展课程设计的主要原则

2.1 始终坚持以学生为主体的原则

基于五星教学原理的教学设计关键在于坚持以学生为主体，宏观把握教学内容，将教学重点和难点分解、细化、具象化，使得流体力学知识点的讲解更加符合学生的逻辑思维与学习兴趣。具体而言，从教学目标的制定，到教学过程的系统化设计，再到教学任务的层次化分解需着重考虑学生的现有基础、认知能力以及学习风格。建立课后学情反馈渠道，通过布置综合性的测验，全面检查学生的学习情况，并注重和学生的交流，反馈学生的问题，使得教师可以全面彻底地了解每一位学生的学习状况，并因材施教，及时解决学生的困惑。

表1 《无形边界层的丈量之法》教学设计案例

2.2 坚持以教师为教学主导的原则

信息化技术发展的微课，教师仅需一次录制好微课视频，无须再反复讲述相同的知识点，可在一定程度上减轻教师授课工作量，但这并不意味着教师可以从学生的教学活动中省略。学生的学习兴趣及学习的脉络需要有教师的引导，方能高效实现。基于五星教学原理的在线课堂和线下课程一样，需要教师做精心准备，录制优质的微课、制作精炼的教学任务清单；结合学生的学习能力，合理设计学习方式；课后依托学习通、企业微信平台等对学生延伸练习的结果进行反馈和交流。上述所有流程均是在以教师为主导的原则下进行的。

2.3 始终坚持教学过程完整性的原则

本文基于五星教学基本原理，以《无形边界层的丈量之法》知识点为应用案例，通过分解各个阶段的不同学习内容，各个环节之间保持协调、层次性和逻辑性。在课程设计过程中通过全局把握教学任务，环绕“激活旧知”“示证新知”“应用新知”和“融会贯通”四个不同而又相互关联的教学序列，层次化、逐步递进地呈现知识点，提升课堂教学效果。

2.4 始终坚持理论联系实践的原则

工程流体力学是一门集理论性、实践性于一体的基础力学课程，除了要求学生能够理解课程中的基本物理概念之外，学生能够主动、灵活运用课程的知识点，特别在未来航空航天飞行器、发动机设计过程中，知识的运用非常重要。基于五星教学原理的教学设计突出的特色就是让学生能结合实际的航空航天工程问题，开展实践，达到知识的灵活运用和正向迁移。且涉及的任务工作量很大，需要群体一起完成，学生在实践中不仅可以提升自己对航空航天的兴趣，还可实现合作性学习，最终共同进步。

3 基于五星教学原理的微课教学设计实例详细分析

基于五星教学原理，对工程流体力学课程中《边界层理论》这一章节中边界层特性及厚度定义方法相关的知识点开展了详细的教学设计，具体的设计过程如表1所示。

4 五星教学原理对微课教学设计的启示

4.1 聚焦问题情境

基于五星教学原理，在课堂教学中需创设能够吸引学生兴趣的问题情境。因此，在本次课堂教学之前，先播放我国首部空战电影《空天猎》，讲述我军通过眼镜蛇快速机动迅速扭转战局，成功将敌机赶出国门的案例。结合案例讲述大机动飞行时，进气道-发动机匹配的困难与危害，引出边界层隔道，建立起边界层隔道和边界层厚度之间的关联关系，为后续教学埋下铺垫。

4.2 激活原有流体力学知识

根据教学目标，教师设问让学生开展头脑风暴，引导学生回顾之前已经掌握的一些流体力学基本概念，并结合边界层的基本概念自主提出定量描述边界层厚度的方法。

4.3 展示论证新知-边界层名义厚度和位移厚度

本环节是整个教学过程的关键。聚焦本次课的知识点-边界层名义厚度和位移厚度，通过大量的CFD仿真动画、图片以及实测的边界层速度剖面，讲述边界层名义厚度的定义和位移厚度的定义。通过具象的展示手法，帮助学生对边界层以及边界层厚度的度量建立起宏观的概念。

4.4 结合典型案例应用所学知识

教师讲述完知识点之后，学生是否掌握需要及时反馈。应用雨课堂等在线教学软件，现场发布“等截面等直管道不可压流动，受近壁边界层的影响，管道核心流流沿流动方向的变化”这一问题。学生在规定的时间内完成选择，通过雨课堂可立马了解学生对所学知识的掌握情况，教师针对几种错误和正确的选项做具体的分析。

4.5 知识点的融会贯通—知识迁移与综合训练

教师围绕层流和湍流这两种典型流态速度边界层，布置一个综合性的课后训练作业，要求学生一方面能判断两类边界层位移厚度的大小关系，还要求学生能结合编程语言，定量计算出两类边界层位移厚度的具体数值，形成一个通用性的计算程序/软件，该程序/软件对于指导学生未来从事相关专业都大有裨益。

5 总结

本文基于五星教学原理针对《工程流体力学》课程中无形边界层的丈量之法这一知识点开展具体的设计。即首先结合情境向学生呈现问题，学生开展头脑风暴、激活已有的流体力学知识，主动思考定量表征的方法，教师顺势结合丰富的流场动画、图片等信息化资源开展新知的示证，并开展课堂练习。对学生的掌握情况实测，最后布置综合性训练，引导学生学会融会贯通、知识迁移。基于上述流程，教学内容层层递进，加深了学生对知识点的理解，培养了学生对于从事航空航天的兴趣，拓展了学生的知识边界与知识类比迁移能力，收到了有益的教学反馈。上述教学设计方法也可以应用于其他工科基础类课程教学改革的探索中。