随着互联网$+$的发展,在线教育也随之兴起, 近两年的新冠肺炎疫情更是推动了在线教学的大发展。和传统教学相比,在线教学具有不受时间、空间限制,可以实现多次学习,根据自身需要选择学习内容学习方式等个性化的学习,同时具有丰富的交互性和协作性,并且学习成本较低等优势。

当然,在线教学受基础教学条件的影响,也会带来部分教学条件有限的偏远地区学生无法高效地开展在线学习,另外在线教学过程中一般不要求教师和学生在时间和空间上严格同步,客观造成教学交互性差、授课教师无法有效把握学生课堂学习状态等问题。

传统教学仍然是目前教学的主要模式,这种教学模式有利于对学生进行管理及师生之间展开课堂互动,但是由于学习时间和地点固定、授课面对全体学生满堂灌以及课程结束后学生答疑困难等问题会导致学生无法及时解决学习过程中的困难,也无法实现因材施教的个性化学习需求,存在集体盲从问题,同时因为课堂不能实现再现从而导致知识无法实现很好地反刍。传统课堂教学模式和在线教学模式各有其优点和不足,应该将二者结合起来,使其互相取长补短,优势互补,即形成新型的混合课堂教学模式^[1]。因此,在线教育必然是未来教育的方向之一,但是线上$+$线下的混合教学,更是未来行业的主流发展方向。表1从教学评价指标的十个方面对三种教学模式进行了对比分析。

工程流体力学是安全工程专业的一门专业基础课,大多数学校将该课程交给外学院基础课教师来承担相应教学任务,但是由于授课时间的限制、教师知识的单一性、授课的习惯性偏废等问题,使得这类课程在后续专业中的运用受到巨大的限制,学生所学无法用,严重影响了学生“终身学习”能力和学习习惯的养成。工程流体力学作为专业基础桥梁课程,如果能由熟悉专业知识的任课教师结合本专业的培养目标和毕业要求来教授,打通专业基础课程与专业课程的内容壁垒,教学效果会更好。

2020年疫情期间,对安全工程专业所开设的工程流体力学在线教学情况展开调查,图1为学生对于传统教学和在线教学效果对比结果,只有10.88%的同学认为线上教学效果更好,甚至40.82%的同学认为线上教学的效果不超过传统教学效果的一半。

图2在线教学过程中涉及问题的问卷调查结果可见70.93%的同学认为在线学习过程中平台经常卡顿,影响听课效果,23.26%的同学认为直播时间过长会影响学习效果。

对学生在线学习过程中的体会调查结果如图3所示,71.43%的同学认为,在线教学过程中学习氛围缺乏,容易分心开小差,55.44%的同学认为没有监督,难以坚持,同时49.66%的同学认为在线教学的优势体现在可以回放、能帮助同学充分理解难点和重点,36.05%的同学认为在线教学可以自主安排学习,学习效果会更好。

因此,有必要对安全工程专业的专业基础课工程流体力学展开更优教学模式的探讨。

选择合适的在线平台是开展线上线下混合教学的第一步,比如MOOC(慕课),就是一种大规模开放的在线课堂。它是一种参照大学课堂模式设计、完全开放和自主的在线学习模式^[2],可以将中国大学MOOC教学资源平台作为学生预习和知识拓展的平台。其次,建立学生课程学习群,比如QQ群、微信群、钉钉群等,这些在线平台功能差异不大,均能实现在线教学的目标,然而通过主动对学生摸底后发现,教师们选择在线平台的时候随意性较强,导致学生不同的课程在不同的平台上学习,学生疲于平台切换,也容易发生错过重要教学通知的疏漏问题,因此,课前事先摸底,确定普遍能接受的在线教学平台成为必要,同时发布公告,上传教学资料,为混合式教学做好充分的硬件准备工作。

充分地备课才有更好的课堂效果,教师必须一直秉持着把每一堂课都当作第一堂课对待的上课态度,常备常新,将现代教学工具和传统教学模式相结合。根据每一堂课的授课内容,大量阅读其相关流体力学资料,并收集典型案例。主要体现在充分利用网络资源,如微信公众号,bilibili平台等资源,做好自我充电工作,不断丰富课堂内容。每次上课前在MOOC及开课前建立的在线教学群两个平台同时发布学习任务,要求学生做好预习工作,同时教师精心准备策划每次教学内容,修改课件,补充案例,考虑到工程流体力学课程有大量公式推演及例题讲解,PPT课件演示效果远不如黑板推演的效果,好记性不如烂笔头,为确保课堂思路清晰流畅,老师每次上课前须重新整理一份手写备课笔记,梳理讲课思路。充分的教学策划是强有力的混合式教学的软件准备。

MOOC视频内容短小精悍,画面制作精良,录制效果良好,然而,MOOC视频受时长的限制,导致授课内容不够系统化,尤其是对难点讲解不够深入,综合这些问题,在线教学完全依赖MOOC是行不通的。

教师自制视频课程虽然能按照教学计划来进行讲解,但是无法实现师生之间的同步互动,课堂节奏很难把握,并且受制作环境及剪辑技术等专业性影响,一般教师自制的视频相对比较粗糙,学生学习效果一般。

在传统教学过程中,大多采用“满堂灌”的教学方式,知识的输出基本上是单向性的从教师到学生,教师往往注重知识灌输,被动式教学,又无意中切合了学生应试的心理,忽略了学生应用能力、思辨能力、创新能力的培养,偏离了教学的真实目的^[3]。

PBL翻转课堂,强调以学生为主体,以教师为导向的启发式教育,将“以教师的教为主”转变为“以学生的学为主”,把学习设置到复杂的、有意义的情境问题中。运用学科的基本概念和原理,借用多种资源、工具和技术,通过调查、观察、探究、交流、展示、分享等方式开展实践探究活动,让学生化“被动”为“主动”学习,调动学生的积极主动性,通过学习者的自主探究与合作来解决问题,从而学习隐含在问题背后的科学知识,培养学生创新应用技能和岗位需求能力^[4-6]。

尽管MOOC视频、教师自制视频、传统教学以及翻转课堂各有优势,也有各自的短板,然而利用MOOC平台的拓展功能,完全可以实现有效的融合,大力提升课堂质量,比如,在MOOC平台上导入学生名单,增加教师自制的音频、视频、电子资料、习题、动画、甚至虚拟仿真等资源,实现学生自主学习,完成基础理论知识的学习,基于MOOC平台移动端的课堂活动也大大提升了老师点名、小组活动、评价、随堂测验的效率,从而解决了教师传统的纸笔计算分数、现场分组混乱、作品展示不方便、一卷定胜负等难题,使师生互动更便捷,数据统计更迅速,极大提高了课堂效率。

因此大学MOOC+在线课堂+PBL翻转课堂可以很大程度上提高教学质量,学生在线学习过程中主要问题是网络卡顿,而在线课堂可以生成回放,MOOC平台学习资料也是长期有效,学生可以根据实际情况随时复习巩固,同时,教师可以借助平台了解每个学生的学习轨迹,平台统计的学习数据能够科学指导教师调整教学策略。

混合教学过程中,教师可以按课表时间地点将在线教学安排在固定的教室进行,没有良好的上网条件的学生及不适应在线教学的学生可以选择到教室上课,其他学生可以根据自身需要选择合适的上课地点参加在线学习,不能同步学习的学生必须履行严格的请假程序,并在48小时之内通过课程回放完成学习内容,教师可以通过在线点名以及查看学生在线学习的轨迹来确保到课率和完课率,同时教师利用MOOC平台完善习题库,定期展开在线测试,测试成绩按比例计入总评成绩,依据定期测试结果实时把握学生掌握知识情况。教学过程中教师根据需要随时可以将部分在线教学难以保证效果的教学内容回归到线下教学中,比如需要互动、翻转、实践、团队合作等相关内容,最大程度实现教学的灵活性和高效性。

因此利用MOOC平台课前预习、课中测试、课后习题巩固、知识拓展,利用在线平台翻转课堂实现线上线下混合教学,利用事先建立的师生群布置教学任务、批改作业、课后答疑等,三者有机结合,成为保障这门课程学习效果的三大有力武器,老师不再做简单重复劳动的教书匠,而是更加充分利用课堂时间组织课程活动,深化学生对知识的吸收内化,助力其能力的提升。

遵循“教师为主导,学生为中心”的双主体原则^[7],而OBE为成果导向教育(outcome-based education)的简称,也称能力导向教育、目标导向教育、需求导向教育,该模式以预期学习产出为中心来组织、实施和评价,教育活动以围绕实现预期学习目标来开展,核心为“学生中心”“产出导向”“持续改进”^[8],工程流体力学作为安全工程专业的桥梁课程,其课程目标如下。(1)能够应用工程流体力学的基本知识和基本原理,建立流体运动和传递过程的数学模型设计实验方案,并正确表达和求解。(2) 能够运用流体力学的质量守恒,动量守恒和能量守恒原理,为复杂安全工程中的流体流动问题,提供设计方案,并具有解决工程实际问题能力。(3) 能够运用流体重力场和非惯性坐标系中静止流体中的压力分布规律与物体受力,具备将其应用到复杂安全工程实践的能力。(4)能够运用管内流动的分析方法解决流体输送管的设计计算及分析问题。基于OBE理念的工程流体力学教学目标的实现,不仅需要先进的教学手段,同时离不开精心的教学设计,才能保证良好的教学效果。工程流体力学课程采取了以下手段来提高教学效果,打通专业基础课和专业课之间的最后一公里,让学生能够将专业基础理论融会贯通,自主运用于不同专业和工程实践,从而实现课程目标的达成。

每堂课至少提前一天发公告布置学习任务,要求课堂教学之前完成MOOC预习视频的学习,布置其他预习内容。每堂课强调课堂要求,规范学生,考虑到本课程对本科生而言学习有一定难度,提前给学生准备了多本电子教材交叉学习,并将课件提前发布给学生作为预习资料。

好的习惯从点滴做起,每堂课结束要求学生打卡,同时鼓励同学打卡的同时晒一下自己上课的笔记或上课心得,图4为学生打卡晒心得晒笔记的部分截图,不仅仅鞭笞学生提高到课率,更使同学之间互相鼓励、互相打气、互相学习。

理论知识的掌握需要不断地练习巩固,传统的课后习题练习是必不可少的,同时老师充分发挥创造性,设计探索性、开放性的问题,培养学生的观察能力、动手能力和思维能力。图5为课后思考题及作业的示例。

及时批改作业并督促有错误的同学认真改正,认真回复每一位学生的问题,每次作业教师可以挑选几份模范作业作为展示,充分发挥榜样的力量,培养学生好的解题思路和作业习惯。图6为学生模范作业的示例。

师者,传道授业解惑也。好的课堂既要严肃有序也要生动活泼,既要传输知识,更要激发学生的学习兴趣,要用最通俗易懂的方式让学生去理解所谓高深的工程流体力学理论。作为教师,需要放下身段,从学生的角度去思考问题,让学生可以从课堂中领略流体力学的美,感受工程流体力学这门课程的重要性,多领域多维度展开课堂案例教学设计。案例教学,是一种开放式、互动式的新型教学方式,工程流体力学作为专业基础课,在教学过程中融入教师事先策划和准备的案例,结合对应的工程流体力学的理论知识,通过各种信息、知识、经验、观点的碰撞来达到启示理论和启迪思维的目的,将专业课和基础课有效衔接起来,真正实现了工程流体力学作为桥梁课程的价值。

课堂中加入与流体力学典型知识点有关的安全工程案例,如液化石油气罐着火以后应该先关阀还是先关火的问题与饱和蒸汽压,重庆公交车坠江事故与科里奥利力,塔科马海峡吊桥坍塌事故与卡门涡街,奥利匹克船吸事故与伯努利原理等,帮助学生更好地理解课程知识,同时提前让学生掌握安全工程系统观及分析问题的方式方法,增强学生的专业自豪感。

上课过程中加入一些日常生活里司空见惯的流体力学现象作为案例,如生活中的非牛顿流体、输液瓶与大气压强、带鱼出水即死与静水压力、钱塘江大潮与连续性方程、洗衣机洗衣服总是翻衣兜与伯努利方程等,帮助学生客观地理解课程理论知识,同时培养观察能力。

课程讲解重要公式时可以适当融入流体力学的发展史,如阿基米德如何发现浮力原理,帕斯卡通过桶裂实验得出帕斯卡原理,欧拉如何陪丹尼尔$\cdot$伯努利读书从而自己提出欧拉方程,伯努利提出伟大的伯努利方程等案例,引导学生向伟人学习,激发学习的热情,开拓思维,增强学生的民族自信心和爱校荣校情怀。

上课过程中通过引入古诗词案例,如用毛细原理解释“露珠将来玉盘上,不定始知圆。”,伯努利方程解释“野渡无人舟自横”^[9],流动的不稳定性解释“风乍起,吹皱一池春水”,湍流边界层中的涡旋结构解释“北风卷地白草折”^[10]等,培养学生的学习兴趣及文字表达能力,潜移默化地提升学生的职业使命感和荣誉感,培养学生的人文情怀。

鼓励学生利用生活中的器具展开实验,如利用胡椒粉和水开展表面张力实验,利用生鸡蛋和熟鸡蛋开展液体流动性实验,利用纸杯制作滑翔机深度理解马格努斯效应,同时通过视频给学生演示实验,如希罗实验、牛顿平板实验、雷诺实验、文丘里管实验等,培养学生动手能力,理论和实践相结合,更直观地帮助学生理解知识,培养学生严谨认真的学习态度和敢于创新发现的探究精神。

基于OBE培养理念,工程流体力学支撑安全工程专业三个毕业要求指标点。指标点1.3：掌握力学等工程基础知识,并能够应用于解决安全工程问题;指标点2.2：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理,正确表达复杂安全工程问题;指标点4.1：能够比较和选择研究路线并设计合理的实验方案。课程考核方式和途径如表2所示,该课程针对不同的毕业要求指标点及课程目标建立了课程题库,期末试卷组题过程中,根据该课程对应的毕业要求指标点,教师从题库中抽取试题,从而综合考察学生的毕业要求达成情况。

根据2018级、2019级工程流体力学毕业要求达成度对比(表3)可见,2018级学生,在指标点2.2和指标点4.1能力较弱,针对该问题进行了持续改进,2019级学生引入混合案例教学,利用MOOC平台资源作为预习和复习资料,课堂教学同时开展在线教学并生成课程回放,完善了MOOC平台的试题库,定期开展在线测试,及时根据学生知识掌握情况调整教学策略,教学过程中引入了学习打卡、模范作业、在线学习时长评比等激励机制,同时丰富了教学案例,增加了翻转课堂环节,2019级工程流体力学毕业要求各个指标达成度都有所提高,尤其是毕业要求指标点2.2和4.1达成度大幅度提高。

同时对比2019-2020(一)与2020-2021(一)两学期的课程考核分析图7、图8结果,即2018和2019两级学生学习该课程情况,2019-2020(一)学期安全工程专业工程流体力学均分为76.96,标准差为13.47,2020-2021(一)学期82.47,标准差为12.98,尤其是高分段的学生从7.23%提高到了24.7%,低分段的学生从19.27%降低到了8.24%,可见学生的学习主动性、兴趣以及学习的效果大幅度提高。

另外从学生对教师教学满意度调查(图9)反馈来看,学生对教师教学情况满意度100%。

由此可见,大学MOOC$+$在线课堂$+$PBL翻转课堂的线上线下混合教学模式的运用,突破了传统以班级为单位的课堂教学的单一教学形式,打破了学习的时间和空间限制,最大程度地引导学生变被动的知识接受为主动的学习,从按部就班的死板学习转变成自动目标的个性化学习,有利于培养学生学习的趣味性和主动性,提高学生的团队合作能力及解决实际问题的能力,开发学生的创新创业能力。总之,好的教学效果$=$先进的教学手段$+$精心的教学设计$+$不断地总结反思。