新工科背景下“船舶与海洋工程流体力学”课程改革与创新实践

倪宝玉，赵彬彬，廖康平，李旭晖

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

引言

新工科的内涵是以立德树人为引领，以应对变化、塑造未来为建设理念，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，培养未来多元化、创新型卓越工程人才［1］。高等素质教育中人才培养的核心要素归结于课程，教学改革进行到深处关键在课程［2］。课程教学改革应以学生志趣变方法，创新工程教育方式与手段［3］。在此背景下，本文开展“船舶与海洋工程流体力学”课程教学改革与创新实践，致力于为培养可靠能用、善于创新的船海领域一流人才奠定流体力学基础，以期推进新工科建设，为我国高等教育培养创新人才提供有效支撑。

“船舶与海洋工程流体力学”是支撑哈尔滨工程大学新工科专业、A+学科船舶与海洋工程的专业基础课，旨在讲授流体力学理论知识及其在船海领域中的工程应用，具有鲜明的专业特色［4-5］。该课程面向本科二年级学生（4学分，共128学时，含线上64学时），预期学生能理解和掌握船舶与海洋工程领域流体力学基础知识、基本原理和科学方法，掌握实验与仿真模拟和预测复杂流动的应用方法；针对船海装备复杂流动问题，能够运用流体力学原理辨识，建立恰当的数学物理模型进行研究，具备学习交流和创新素养；培育学生追求流体力学真理、服务船海大国重器、担当国家行业使命的思想政治素养。

一、聚焦教学实践真实“问题”

根据多年的教学实践经验，本文聚焦课程教学中的三个真实“问题”：（1）“谈‘流体力学’色变”：以往学生普遍反映课程难度大，理论看不懂、公式不会推、原理记不住。这是因为该课程的数理知识面广、概念抽象、公式烦琐、理论性强。早期课堂教学以教师为主，“填鸭式”“灌输式”的传统教学方式会导致部分学生学习兴趣不足，对于知识的吸收理解较为表面，“等、靠、要”的被动思想严重，自主思考和质疑创新等能力欠缺。（2）“纸上得来终觉浅”：开学第一课会对学生期待的问题进行问卷调查，近年来，关注“流体力学在工程实践中怎么应用？”的热度持续上升。这与“00后”学生更关注“所学知识如何应用？”的学情特点是一致的。（3）“卷考何以定乾坤”：如何考核一直是学生较关心的热点问题之一。考评方式虽在不断改革，例如增加期中考试和随堂测试等环节，但在课程评教中很多学生仍反映考评方式过分依赖“卷面考试”，不得不依靠题海战术，死记硬背一些定理公式，无法全面反映“当代大学生”自身能力与学习成效。

二、教学实践总体方案设计

针对上述教学真实“问题”，本文基于布卢姆教育目标分类理论［6］以及前人对流体力学教学方法的探究、研讨等［7-11］，充分利用MOOC平台、智慧教室、雨课堂、微信、B站等现代信息平台，打造了教/学“六化”线上线下混合式课程体系，其中“六化”是指信息化、智能化、模块化、谱系化、个性化、终身化。该体系注重学生知识收获的效果，侧重对学生自主学习能力和知识灵活运用能力的培养，为学生营造了积极自主、团队协作和互动探究式学习环境，着力提高了教学效率和教学质量。

课前，授课教师依托船舶与海洋工程国家级虚拟教研室，博采国内外众家教材所长，统一规范授课内容中的公式、符号；统一学习智慧树、雨课堂等线上辅助授课平台的使用方法，充分发挥信息化技术对课堂教学的支撑作用。借助信息化手段，学生在慕课上提前预习主要知识点，教师统计学生的慕课预习情况，将研讨题目发布给学生，同时，依托慕课平台打造“学习智能化助手”，根据“教师问—学生答”“学生问—学生答”模块的情况记录，并实时更新热度，以便教师掌握学生的关注热点。课上，分为教师讲解和学生研讨两个环节。教师讲解环节约占课时1/2～2/3，教师根据慕课平台反映的学生学习情况，剖析本节课的重难点内容，并进行知识点模块化讲解，带领学生对模块化的知识点进行穿线，整理知识逻辑体系，完成知识全局的谱系化构建；学生研讨环节约占课时的1/3～1/2，鼓励学生上台讲解知识点，通过个性化知识学习，发散思维，分享个人对研讨题目的见解，并进行互评激励。课后，学生在慕课平台上答题，教师线上批改。线上保留学生个人学习档案，形成学习终身化，巩固提高。此外，学生可在B站反复观看笔者的教学视频。

为保障上述体系内总体方案的顺利开展，本文依托国家级虚拟教研室，在课程教材、教学团队、课程资源、课程思政等方面组建了优质教学资源，并在具体实施过程中凝练了三大创新路径，分别是“兴趣—科研—探索”启发式教学模式、“生活流体实践”探究式课程设计和“可替换、增值型-321”多维度考评方式，并凝聚了“显隐双性”课程思政内核。

三、教学实践特色创新

（一）模式创新：“兴趣—科研—探索”启发式教学模式

结合“90后”“00后”学生的学情特点，从布鲁纳结构主义教学理论［12］出发，提出了“兴趣—科研—探索”启发式教学模式。具体以“五道菜”比拟，分为“前菜”“主菜”“甜点”“咖啡”和“水”。前四道菜分别隐含“求本溯源”“严谨求实”“知行合一”“探索创新”的思政内涵，“水”旨在结合学科前沿进展或流体力学时事，发布习题和研讨主题，让学生课下探究，自主挖掘相关思政内涵。以启发式教学模式帮助学生搭建理解知识的“梯子”，层层递进，从而有效打消学生“谈‘流体力学’色变”的顾虑，激发学习兴趣，加深对知识的理解，并引导创新思维，具体教学模式的内涵与实施参见倪宝玉等［7］的阐述。

（二）方法创新：“生活流体实践”探究式课程设计

针对学生对知识点的实际应用需求，增设了“船舶与海洋工程流体力学”课程设计——生活流体实践。旨在引导学生基于生活观察，团队协作，自主动手重构实际中的流体小问题，并探究对应的流体力学原理。

学生可1～3人组成小组，选择生活流体的实际问题，例如“喷雾器”“公道杯”等，明确小组内各成员分工内容，自主制作相应的实体小模型，或者构建数学物理模型并通过Mathematica、Python、STAR-CCM+等软件或自编程进行模拟仿真。通过在试点班开展本项课程设计，我们发现学生对此项活动充满好奇和干劲，有的小组利用伯努利方程制作了“喷雾器”，然后又利用喷雾器的水雾研究“湍流”和“附壁效应”，把流体力学多个知识点“学活了”。学生“喷雾器”演示实验和“湍流”现象见图1。

图1 学生实验

“生活流体实践”探究式课程设计使抽象的流体力学概念“看得见、摸得着”，能巧妙破解学生“纸上得来终觉浅”的困局，有效引导学生主动探究，学以致用。

（三）考评创新：“可替换、增值型-321”多维度考评方式

在综合考评环节，本文注重基于学习数据的过程性考核和多元化评价，开发了“可替换、增值型-321”多维度考评方式，见图2。所谓321即3项过程性成绩，包含线上慕课、线上作业和生活流体实践，各占10%、10%和20%；2次阶段测试评价或课堂竞优研讨，占20%；1次期末考试，占40%。所谓可替换，即在阶段测验和竞优研讨成绩各自及格的前提下，成绩可替换，以弥补常规卷面考查的单一性和片面性。所谓增值型，即第2次阶段考试成绩超过第一次的5%以上，则增加平时分的2.5%，以鼓励基础薄弱的学生努力奋进。在竞优中提出优质问题的学生，可获得额外奖励分，以鼓励学生的质疑精神和批判思维。“可替换、增值型-321”多维度考评方式加强了对学生的过程性能力考核，能显著避免“卷考定乾坤”的弊端，知识与能力并重，提升学生的收获感及满意度。

图2 多维度考评方式的划分

（四）课程思政内核：“显隐双性”课程思政内核

课程思政与课程教学相辅相成，在每章教学内容中，充分挖掘“显隐双性”思政元素。所谓“显隐双性”，具有两层内涵：第一层是在授课过程中，直接“显性”地讲述流体力学发展的人物和事迹，例如流体力学大师钱学森先生的事迹，引发学生共鸣，同时“隐性”地将流体力学蕴含的原理教授给学生，例如“公道杯”中蕴含的“满招损、谦受益”的人生哲理。第二层中“显性”元素是“五道菜”凝练的思政元素，而“隐性”元素是学生竞讲和研讨过程中自发挖掘的思政元素。例如，有学生在竞讲流体力学描述方法时，主动分享孟子“观水有术”哲学思想，也给了教师极大启发，促进了教学相长。

结语

围绕新工科培养新型工程人才的要求，聚焦教学实践中三大真实“问题”，本文对“船舶与海洋工程流体力学”课程教学探索形成了教/学“六化”课程体系，并创新性地改革了教学模式、教学方法、考评方式和课程思政建设手段，凝练了“三创新一内核”教学特色，即“兴趣—科研—探索”启发式教学模式，激发学生的学习兴趣，调动其自主学习积极性；“生活流体实践”探究式课程设计，开放思维，活学活用，锻炼学生的动手实践能力；“可替换、增值型-321”多维度考评方式，确保学生掌握船舶与海洋工程流体力学知识和技能，培养学生的表达、分析和评价能力；“显隐双性”课程思政内核，双重内涵，春风化雨、润物无声地落实立德树人根本任务。以期推进新工科建设，为我国高等教育培养创新人才提供有效支撑。