疫情影响下的工程流体力学在线教学探索与实践

付小莉　操金鑫　姚丽芳

［摘 要］文章探讨同济大学课程教学团队以新冠肺炎疫情下开展在线教学实践为契机，融入课程思政建设，依托已有优质在线平台协同开展工程流体力学课程教学，明确了该课程在线教学的目标任务，深入开展学习过程考核，研发了在线实验教学平台，探索了多元化考核方式，激发了学生主动学习的兴趣，做到了在线教学与线下教学实质等效。

［关键词］工程流体力学；在线教学；课程思政

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2022）09-0026-04

为贯彻落实习近平总书记关于打赢疫情防控阻击战的重要指示精神，针对新型冠状病毒感染肺炎疫情（简称“疫情”）对高校的正常开学和课堂教学造成的影响，教育部于2020年2月发布了《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》，要求各高校充分利用上线的慕课和省、校两级优质在线课程教学资源，积极开展线上授课和线上学习等在线教学活动，保证疫情防控期间的教学进度和教学质量，实现“停课不停教、停课不停学”[1]。据统计，2020年，全国所有本科高校都开展了在线教学，参与授课教师108.45万人，开出在线课程1719.68万门次，在线学习35.37亿人次[2]，实施了世界上最大规模的在线教育，为抗击疫情作出了重要贡献。

此次在线教学是在我国高等教育发生深刻变革、本科教育全面振兴的背景下开展的。尤其是近年来包括线下“金课”、线上“金课”、线上线下混合式“金课”、虚拟仿真实验教学“金课”、社会实践“金课”等在内的五大“金课”建设，保证了此次在线教学的质量。此次在线教学为广大教师乘势而上、顺势而为，开展更高水平的课程教学和教学改革提供了广阔的平台。

为了减少疫情对2019—2020学年春季学期教学的影响，同济大学于2020年2月初全面启动本科生、研究生在线教学，学生按照既定课表正常上课，所有课程在疫情期间都采用在线教学方式，学生居家学习。学校在当年2月底对全体教师开展了智慧树、ZOOM、Canvas等教学平台的在线教学培训。除了开放校内课程共享资源，学校还在极短的时间内搭建了云课堂、ZOOM以及Canvas等平台，保障在线教学工作的顺利开展。同时，学校还开展在线教学平台摸底，引导教师择优选用合适的在线教学平台。此外，学校通过多平台多方式开展在线教学活动，提前对学生进行了各个支撑平台操作使用方法的培训，并下发问卷了解学生网络及电子设备使用情况。为了实现工程流体力学课程线上线下教学实质等效，教学团队积极应对，拓宽思路：通过利用先进网络技术、将以学生为中心的理念植入教学过程、将思政元素融入教学全过程、灵活运用多种考核手段等措施进行在线教学改革。本文就此思路和方法進行具体阐述、讨论与总结。

一、工程流体力学课程在线教学思路

工程流体力学是土木工程、港口航道与海岸工程等专业的一门重要的专业基础课，主要研究不可压缩流体的平衡与流动规律。传统线下课程通过讲授连续介质的假定，静水压强的基本概念和应用计算，描述流动的两种方法，连续方程、动量方程和能量方程三大方程的基本形式和应用，流动形态、水流阻力和水头损失的基本概念和特征，量纲分析和相似原理等内容，使学生掌握液体平衡和运动的一般规律以及有关的基本概念及基本理论，掌握流体力学基本方程及应用条件，并理解其物理意义，掌握流体力学基本分析方法，习得应用所学知识建立工程技术问题的力学模型的能力[3-4]。

教师开展工程流体力学课程在线教学，应该掌握互联网思维和在线教学基本理论，转变在线教学理念及认识，以学生学习成果为导向，了解学生居家学习规律，以学生自主学习为主，使学生学会必要的流体力学问题分析和计算方法，初步掌握流体力学实验技术，学会运用计算机技术解决流体力学问题，从而培养学生的自主学习能力、创新思维能力、逻辑推理与运算的能力以及综合运用所学知识去分析和解决流体力学问题的能力[5]。

为了保证工程流体力学课程教学目标的实现及课程教学质量，同济大学土木工程学院工程流体力学教学团队（简称“教学团队”）充分利用现有在线精品课程资源，通过线上直播课程，依托在线优质教学平台并与课程思政建设等工作协同推进在线教学。

（一）充分利用现代化信息手段

在疫情期间，教学团队启动教学预案，按正常教学安排面向土木工程、智能建造以及港航工程专业学生开展工程流体力学课程在线授课。教学团队充分利用现代化信息手段，在各个教学时段采用不同的教学方式和教学平台进行即时在线教学。比如利用播放国家精品课程（MOOC）结合ZOOM在线直播、微信交流、问卷星调查测试以及在Canvas上发布学习资料、作业及测验等方式开展在线教学，组织线上讨论、答疑辅导等教学活动。本课程还为不同专业的学生组建了不同学习平台的微信群，一旦师生遇到网络使用问题，平台技术人员、土木工程学院信息管理中心就可在群内为教师随时答疑。同济大学还开放了智慧教室和课栈，供教师直播或录制课程。表1对工程流体力学课程在线教学的授课时段、教学安排、教学方式、教学平台和考核方式进行了总结。

工程流体力学课程在线授课主要分为三个阶段。第一阶段为课前准备。教师首先在ZOOM讨论区通知学生去微信群参加测试，随后在微信群发布测试任务，利用问卷星进行在线测试，测试结束后回到ZOOM平台，通过共享桌面打开问卷星测试统计结果，对每道题作简单点评，给出测试结果。这一阶段利用“ZOOM+微信群+问卷星”的组合，让学生对基础知识有了一定的了解。第二阶段为课堂授课。学生在课前观看MOOC教学视频，教师开展常规教学以及专题讨论，针对学生听课的难点组织学生进行讨论。这一教学方式在课前和课中形成了MOOC和ZOOM的组合，充分利用好课上讨论时间，有效解决了讨论课耗时多的问题。在讨论期间，虽然集中在ZOOM一个平台上，但利用视频与文字讨论相互结合的模式，能更好地实现集体讨论与个别讨论的有机结合，调动每个学生的讨论积极性，促进学生之间的相互启发。在讨论区中，参与讨论的学生对前面同学的观点进行补充完善，逐步形成正确答案，而通过发语音进行个别讨论的学生可以有充分的思考时间，互动教学效果较好。第三阶段为课后复习及答疑。学生通过在网站上回看授课内容来巩固课堂知识，同时在Canvas上完成作业及测验。答疑部分则通过微信群或个别语音通话来完成。

而在流体力学实验这一重要环节中，为了弥补线下实验不能在实验室正常开展的不足，教学团队不仅利用国家虚拟仿真实验教学项目共享平台以及第三方平台丰富的教学资源进行开放式网上流体力学虚拟实验，还自主开发了基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法的高精度虚拟仿真实验以及课程在线教学系统来帮助学生巩固课堂知识，调动学生参与实验教学的积极主动性，激发学生探索创新的热情。

（二）将思政元素有机融入课程教学全过程

工程流体力学课程作为土木工程专业一门重要的力学基础课，教师需要以传授知识为载体，深入挖掘课程所蕴含的思政元素和承载的思政教育功能，将思政教育与专业课程教育加以有机融合[6]。尤其针对疫情期间学生学习动力不足、师生沟通不畅、学习效率不高等问题，通过对课程各章节流体力学知识点的讲解，引入具体案例，巧妙融入思政元素，采用讲述工程案例、解读新闻报道、观看专业纪录片、讨论前沿研究等教学方式，帮助学生树立正确的思想政治观念，掌握辩证唯物主义观点，提升社会责任担当意识，培养家国情怀，树立献身祖国社会主义现代化强国建设事业的信念，以完成立德树人的根本任务（见表2）。例如：通过讲授中国古代和现代流体力学成就和研究成果，激发学生的民族自豪感和爱国主义情感；通过讲授量纲分析和模型试验，培养学生的辩证思维和工程责任；通过介绍流体力学的发展历史和科学家的创新历程，培养学生的科学精神，引导学生树立正确的世界观、人生观和价值观。

（三）实行考核方式多元化改革

工程流体力学课程以在线考核的方式进行，教学团队在选择考核方式、出题、监考、改卷等环节时转变思路，改革传统模式，降低期末考试成绩的权重，加大过程评价的力度，充分发挥师生主观能动性，以实际行动减小疫情对教学工作造成的影响。过程评价内容主要为课堂表现、课后作业、仿真实验、专题讨论、单元考试、期中考试等。期末考试为综合面试，即根据课程考点建立流体力学题库，学生在线随机抽取一组题目立即作答，教师从学生回答问题是否正确、思路是否清晰、表达是否流畅等角度现场评分。以学生为中心，实行在线教学考核方式多元化，有助于减少随机性，改变以期末考试成绩作为唯一评判标准的做法，给予学生更多机会以及思考空间，培养他们正确认识、分析和解决问题的能力。

二、工程流体力学课堂教学的案例与效果反馈

（一）课程思政教学案例

“流体动力学基础”这章内容涉及流体力学基本方程的微分和积分形式、元流和总流形式、理想和黏性流体等内容。如果只是采用慕课在线学习的方式，学生难以从知识点的片段中建立对基本方程多种形式的整体理解，厘清不同形式间的差别，也就难以把握基本方程的内在实质和不同形式的适用条件。因此，在线上直播课过程中，为便于学生加深理解，同时激发学生的学习兴趣，教学团队从理想和黏性流体运动微分方程建立的历史过程和伯努利、欧拉、纳维、斯托克斯等主要贡献人物出发，树立流体力学基本方程的整体观和历史观，将方程存在的局限同适用范围结合起来。

在“流动阻力与水头损失”这章内容中，教学团队结合边界层理论的提出以及紊流研究的历程与前沿等问题，通过线上直播着重介绍了哥廷根学派代表人物普朗特 “理论与实际应用结合、科学与技术结合”的工程科学科研思想，引导学生从扑朔迷离的复杂流动问题中找出其物理本质，然后用简单的数学方法分析解决工程实际问题，培养学生的流体力学科研志趣。此外，还介绍学生较为熟悉的我国哥廷根学派的传承人陆士嘉、钱学森、郭永怀、钱伟长和周培源等科学家在国外学习和回国工作取得的杰出成就，激励学生在相关学科不断创新超越，推动学科和我国工程流体力学事业的发展进步。

（二）虚拟仿真实验教学案例

教学团队在讲授流体运动的方法时，引入目前流行的基于拉格朗日方法的光滑粒子流体动力学方法的例子。该方法是通过将水流作为一系列粒子来处理并求解具有不同边界条件的偏微分方程来解决流动问题[7]。整个模拟流程包括流体粒子初始化、流体粒子的受力分析、流体粒子与固壁交互、更新粒子速度和位置等环节[8-9]。教学团队通过演示自主开发的虚拟仿真软件即波浪运动特性虚拟仿真软件中水流运动中的流线、流速、压力的分布图以及水流与港口相互作用的流固耦合现象，来帮助学生更好地理解水动力学知识；在讲授渗流理论时，将线下开展的有压渗流电拟法实验用线上的虚拟实验替代。下图呈现的是同济大学波浪运动特性虚拟仿真实验平台的页面。学生可以通过在线实验，了解电拟法实验原理；掌握测定平面有压渗流等势线的方法，用电拟法试验仪直接测出流网；根据所绘制或测出的流网，求证渗流量渗流和电流现象之间存在着比拟关系等。

在线实验教学系统建设不仅注重实验数据的高精度以及实验流程硬件的高度仿真，更以学生为中心，在实验操作中增加了诸多引导和互动。例如，将抽象的理论制作成直观的动画短片，帮助学生加深对知识的理解和掌握；在实验关键环节设置引导问答，启发学生自主思考，提高學生自主学习和解决问题的能力。

（三）教学效果反馈

教学团队在工程流体力学课程中开展在线教学改革，为了解实际教学效果，在学期末对所教学生进行问卷调查。此次调查共发放问卷67份，回收65份，回收率为97%。从反馈信息来看，学生对在线教学效果是肯定的，认为在线教学方式和教学平台能满足学习要求，特别是虚拟仿真实验形式新颖、教学案例丰富、师生互动良好，做到了在线教学与线下教学实质等效。

三、结语

本研究利用疫情防控期间开展工程流体力学课程在线教学的机会，深入开展了基于OBE理念的课程教学改革和课程思政建设，充分利用现代化信息手段实现了教学手段多元化，收到了较好的教学效果，为今后持续开展课程教学改革研究提供了一定的参考。

［ 参 考 文 献 ］

[1］ 教育部. 教育部应对新型冠状病毒感染肺炎疫情工作领导小组办公室关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见[EB/OL].（2020-02-04）[2020-12-26]. http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7056/202002/t20200205_418138.html.

[2］ 吴岩. 走进新时代，赢得新时代，全面提高中国高等教育发展质量[EB/OL].（2020-09-09）[2020-12-26].http：//pinggu.zjtu.edu.cn/content/tszs/202009/3856.html.

[3］ 柯葵， 朱立明. 流体力学与流体机械[M].上海：同济大学出版社， 2009.

[4］ 赵昕，张晓元，赵明登，等. 水力学[M]. 北京：中国电力出版社， 2009.

[5］ 刘晓研.基于OBE理念在高校思政课教学改革的探索与实践：情景模拟教学的运用[J].当代教育实践与教学研究，2019（11）：134-135.

[6］ 夏绪梅.基于OBE理念的课程思政教学的思考[J].教育教学论坛，2020（34）：40-41.

[7］ OZBULUT M ， RAMEZANZADEH S ， YILDIZ M ， et al. Modelling of wave generation in a numerical tank by SPH method[J]. Journal of Ocean Engineering and Marine Energy， 2020（6）：121-136.

[8］ MANENTI S， WANG D， DOMINGUEZ J M， et al. SPH modeling of water-related natural hazards [J]. Water，2019（9）：1875.

[9］ WEN H J，REN B， DONG P， et al. A SPH numerical wave basin for modeling wave-structure interactions[J]. Applied Ocean Research， 2016（59）：366-377.

［责任编辑：庞丹丹］