以学生为中心的流体力学教学改革与实践*

刘美丽 孔令真 陈家庆 韩严和

北京石油化工学院 北京 102617

0 引言

能源化工、环境保护等过程通常会涉及流体或者包含固体的两相/多相流动问题，因此流体力学在很多工科专业人才培养课程体系中的地位非常重要[1]。尤其对于环境工程专业的学生而言，水污染控制工程、大气污染控制工程等专业必修课程中，污染治理技术和设备的学习都涉及流体的运动规律[2]。为了培养适应国家发展需求的高水平环保人才，前期针对北京石油化工学院环境工程专业流体力学课程教学方式单一、学生课堂主动性低等问题，教学小组结合中国工程教育专业认证的最新要求进行了教学改革[3]。但随着智能化时代物联网、大数据等对教育模式的冲击以及新工科建设对教学提出的新要求，结合“互联网+”等信息技术，开展以学生为中心的教学改革势在必行。

以学生为中心的教学范式，其关键是实现从以“教”为中心向以“学”为中心转变，即从“教师将知识传授给学生”向“让学生自己去发现和创造知识”转变，从“传授模式”向“学习模式”转变[4]。根据本校建设高水平应用型大学、打造首善之区工程师摇篮的办学定位，结合当前大学生是新时代网络“原住民”、个性张扬、活力无限的特点，在流体力学的教学过程中，以信息化技术为载体，以培养学生愿学习、会思考、能解决问题为重点，以鼓励学生“做中学”为手段，构建了以学生为中心的线上线下混合式教学模式。

1 教学内容优化与设计

流体力学课程的特点是理论性强、多学科融合、内容抽象难懂，因此对学生的数学基础要求较高[5]。此外，学情调研发现，缺少逻辑主线、无法形成完整的知识体系，是学生学习困难的另一主要因素。因此，教学小组深入挖掘课程内容特点，经过反复研讨后提出了教学内容模块化、学习活动分层次、教学评价多样性的教学模式，如图1所示，其中教学内容模块化是实现新教学模式的前提，学习活动分层次是实施新教学模式的关键，教学评价多样化是保障新教学模式的导向。

图1 课程内容逻辑分析和教学模式设计

1.1 教学内容模块化

首先要求授课教师对课程发源发展、知识体系内容、前沿动态趋势有较为深入的把握和理解，能够高屋建瓴地化繁为简、削枝存干，以帮助学生理清课程脉络，而非总处于“不识庐山真面目，只缘身在此山中”的状态和境地。从流体力学的课程内容来看，其主要包括静力学、运动学和动力学三大理论模块，其余内容可视为理论模块的拓展应用；从研究手段和方法来看，其主要有理论分析、实验测试和计算流体力学数值模拟三种，目前的课程内容以理论分析和实验测试为主；从流动现象认知来看，流体运动主要包括运动状态描述、运动规律分析和运动现象应用。构建模块清晰的内容逻辑关系，有助于学生增强对课程内容内在关联性以及整体逻辑性的认识，独立又相互关联的模块有利于学生形成个性化的认知结构。

1.2 学习活动分层次和教学评价多样化

学习活动分层次和教学评价多样化方面，要求授课教师对课程内容特点属性、学生学习习惯和认知规律有较为深入的理解，能够因地制宜、因势利导，设计合适的教学活动。课程小组以学生为中心，强调学生能力培养而不是知识获得，设计了自学和讲授、课内和课外、共性和个性相结合的教学活动。对概念和理论等知识性内容，采用学生课前自学、线上测评、教师课上释疑等方式进行教学；对知识和理论应用等内容，采用课上案例教学、课下学生分析设计的方式开展教学；对理论知识的再创造等内容，以视频资料、文献调研和自我总结为媒介，引导学生发现流体力学知识在科技自然等领域的神奇力量，促进其内在转化。目前，课程小组已建立了基于互联网+的两维（教师和学生）、三实（内容的实用、实践和实效性）、四结合（主动与被动、课内和课外、共性和个性、形成性和终结性相结合）的线上线下混合式教学模式，提高了教学效果。

2 泛在课程资源构筑

利用互联网灵活便捷、开放共享的特点，建立了“整体概貌—自主探索—分析应用—自我修复—评价创造”五部分学习资源，构筑课内课外相结合的泛在学习环境，如图2所示。具体而言，绘制了课程内容思维导图，帮助学生了解课程的整体轮廓，明确学习进度和内容的关联；以课程视频作为课前学习资料，引导学生自主学习基础概念和难度较小的内容，设计测试活动，评价学生自学效果，同时为教师掌握内容难点和易错点提供参考；制作教学课件，着重分析重点和难点，并结合案例培养学生的分析应用能力；录制课后作业解答视频、共享优质网络资源，培养学生自我对标、修复提升的习惯和能力；收集与流体力学相关的科技科普资料，形成杂谈趣闻实例库，激励学生创新创造；设置课前测试、课堂讨论/头脑风暴、课后作业和项目学习等活动，保证教、学、评的一致性。

图2 支撑泛在学习环境的课程资源

互联网打破了传统教学存在的学校知识空间、学习维度空间与学科结构空间的壁垒，提供了丰富的学习资源，实现了最大参与性，提高了灵活性，增强了社交能力和互动性，也拓宽了学科相融和动态反馈特征，从统计情况来看，学生的学习参与度大幅提高，完成所有学习活动的学生比例达91%。通过构筑以学生为中心的泛在学习环境，培养了学生独立自主学习的能力，激发了学生的学习兴趣，并提升了学生的创新精神。

3 多元化课程讲授模式探索

“以学生为中心”的关键是从“教师将知识传授给学生”向“让学生自己去发现和创造知识”转变。因此结合信息化手段，设计了隔堂对分和项目式学习等不同的学习活动，以实现授课教师和学生共同参与、协同共进的授课模式。

隔堂对分是复旦大学张学新教授[6]提出的对分课堂的一种形式。该授课模式将知识讲授和互动讨论分为两部分，要求学生主动获取知识，带着问题进行讨论，非常适合有实践环节的课程。因此，围绕流动阻力和水头损失，结合“污水管道与泵站设计”实践环节，课程小组设计了图3所示的隔堂对分授课模式。学生在课前通过课程视频自主学习该单元的知识，理解水头损失的分类、产生位置和计算方法，并完成预习测试，同时留言学习过程中遇到的难点和问题；授课教师在上课之前根据测试和留言情况掌握学生学情，重点讲授沿程阻力损失和局部阻力损失的区别和联系，建立流态和沿程阻力损失的关联关系，并对沿程阻力损失的计算方法进行归纳分类，帮助学生深度理解阻力损失的应用和相关计算；授课教师提出“如何减少水头损失”和“如何计算管路水头损失”让学生讨论和思考，并将讨论结果应用于后续污水提升管道的设计中；学生课下完成污水提升管道的管径、管长、位置和转向等设计，确定所需阀门、变径和弯头等连接件，计算得到污水提升管的阻力损失；在第二课堂中学生讲述自己的设计和布管理念，讲解阻力损失计算的方法、过程和结果，进行教师点评（占60%）和学生互评（占30%），并评选确定最优设计方案；学生根据讨论过程进行修正改进（占10%）。通过对分课堂，学生的积极性和主动性大幅提高，在交流讨论的过程中逐步将知识内化为能力。

图3 隔堂对分授课活动设计

图4 项目式学习内容和学习环节设计[3]

项目式学习不仅可以训练学生分析和解决问题的能力，而且可以培养学生的团队合作精神。因此，近年来逐渐延伸至整个教学领域[7]。项目式学习要求学生完成选题、分析、实施和解决整个过程，为理论知识和工程实践搭建桥梁，所以采用项目式授课模式讲授量纲分析与相似原理部分。同样，学生首先自学课程视频，授课教师重点讲授量纲分析和相似原理在实际过程中的应用原理和方法。按照学习计划，学生5人一组，每组设一名组长，负责统筹分配任务、组织学习活动和联络授课教师；每组选择一个工程实际问题，例如“虹吸模型实验设计”、“沉砂池模型实验设计”和“船模实验设计”等，通过文献阅读、问题分析、师生交流等活动完成整个项目内容，即从工程实际到模型实验的整个设计过程；在撰写报告和答辩时，体现出如图4所示的设计和应用过程。通过项目式学习，学生深刻理解了量纲分析和相似原理在实验研究中的作用，并完成知识重构和转化，为后续开展学习奠定了基础。

4 教学评价和教学效果

信息化技术大幅提高了多环节形成性评价的可实现性。采用多样性评价环节，充分利用信息技术发布学习资源、开展活动并及时统计学生学习数据，同时根据学生情况调整教学活动、加强学生思想引导。通过多环节形成性评价，不仅可以了解学生的学习状态，还可以了解学生的思想动态，切实从知识传授到能力培养转变，并适时进行价值引导。

互联网技术为课程教学提供了丰富的资源、多样性的教学手段和灵活的学习方式，大幅提高了学生的学习兴趣，完成所有学习活动的学生比例从63%提升至91%，说明课程改革明显提升了学生的学习积极性。从期末测试成绩来看，改革前后学生的优良率从17.86%提升至50%，说明学生的学习效果随着积极性的提高明显提升。从学生评教结果来看，学生对课程资料、课程的理解和掌握，以及知识面拓宽等方面的认可从79.63%提高至92.59%。从结课问卷调查来看，学生普遍认识到流体力学知识在工程实践中的重要性，坚定了学好专业、为祖国建设贡献力量的决心。

5 结束语

基于互联网+构建了以学生为中心的泛在学习环境，梳理了明确的课程内容逻辑关系，根据课程内容特点设计了对分课堂和项目式学习等教学活动，并组织了多样化的形成性评价环节。由学生学习效果和学生评教结果可知，新的教学模式有利于学生更好地理解课程学习目标，把握学习进度并掌握理论知识和工程实际之间的相互联系，学生的积极性、参与度、学习能力和爱国情怀均得到了大幅提升。