风洞实验直播教学方法研究

贾永霞, 顾 斌, 徐胜金

(1. 清华大学 航天航空学院 教育部应用力学重点实验室, 北京 100081；2. 清华大学 力学国家级实验教学示范中心, 北京 100081； 3. 河北清华发展研究院, 河北 廊坊 065000)

风洞是研制飞行器、汽车、高铁等快速移动工具的空气动力学问题的地面科研实验平台,围绕风洞可开展诸多新颖、有趣、高价值的科学研究实验和教学实验。用实验的方法演绎空气动力学理论可以使学生更加深刻地认识和理解流动物理机制。学生不仅学习了风洞实验技术,也了解了空气动力学的工程应用。因此,风洞实验教学通常是各个高校中流体力学、空气动力学、湍流、实验室探究、大学生科学研究训练计划等课程的重要实验教学与实践内容。

然而,风洞是一种大型、贵重、稀缺的实验设备,不可能像其他小型实验台一样布置多台。由于教学课时的原因,风洞实验教学现场学生人数通常较多,学生听课注意力下降、容易分心,看不清楚实验细节,教学过程走马观花只是看个新鲜。这不仅降低学生的学习兴趣,也严重地浪费了教学资源。以我校航天航空学院的1.2 m风洞为例,风洞建设在廊坊市,距离大学校园89 km,每次上课,学生需要乘坐大巴,大约1.5 h的路程到实验室听课。风洞现场空间十分有限,学生不得不挤在风洞前面听教师讲课,大多数学生很难观察到实验细节,在一定的程度上影响了教学效果,降低了风洞实验教学的质量。 按照课堂教学的5个层次:安静(silence)、回答(answer)、对话(dialogue)、批判 (critical)和争辩(debate)作为评价标准,即便任课教师再努力,风洞实验现场教学所能达到的层次也不会超过“对话”这层境界。

习近平总书记在党的十九大报告明确提出：新时代高等教育的任务是实现内涵式发展[1]。教育的内涵式发展可以具体到每一堂授课的效果。习近平总书记还指出,创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑。当前,互联网+教育、信息技术与教育教学深度融合,线上线下的深度融合将必然引发更为深刻的教与学的变革。基于上述指导思想,风洞实验教学也应该在授课方式、授课设计上积极争取创新。大型风洞实验平台现场授课方式只有通过创新,才能使风洞实验课具有新的生命力。

为了解决上述问题,本文利用网络直播方法,应用高清摄影和远程直播信息化技术,配合剧本式的教学环节设计,将远程控制的风洞实验呈现于实践教学课堂,开展了风洞实验直播的一种新型实践教学尝试。直播课堂是信息化教学模式[2](包括媒体教学模式、翻转课堂模式、远程直播模式和实景对接模式等多种模式)中远程教育模式的一种教学方法[3],是基于网络和信息技术、流媒体技术与教学模式变革的新型教学方法[4]。直播教学是将教学思想和信息技术有机结合起来,实现异地同堂的一种模式[2-5]。通过将智能化信息技术与实践教学课程有机结合,能够很大程度上优化实践教学,实现教学课堂与实践平台的远程互动,推动实践教学改革。将信息技术与实践教学整合是进行实践教学改革并改革其教学结构的突破点[6]。通过创造新型教学环境,改变以教师为中心的传统教学结构,创设新型的主导-主体相结合的教学结构,使大学创新人才培养的目标落到实处[7-9]。基于“视频+语音”实时交互平台的网络直播课堂跨越空间的限制, 扩大了教学规模[10]。对于国家级力学实验教学示范中心,承担着诸多实验教学任务,学生人数多且空间有限,设计一套实验教学直播系统尤为适合[11]。

本文针对我校1.2 m风洞实验教学实践,搭建直播教学系统,设计剧本式的直播课堂教案,通过实际授课检验这种风洞实验教学方法的效果。文章结构安排如下:第一部分介绍风洞直播教学系统的软硬件组成及工作原理；第二部分介绍直播教学教案的剧本式设计方法；第三部分对风洞直播教学效果进行了分析并对进一步提高教学质量进行了展望。

1 直播系统构成及工作原理

风洞实验教学直播系统由直播硬件、传输软件和课程流程设计方案组成。直播硬件包括5个方位布置的、可移动及转动的高清摄像机,服务器和网络连接设备组成。摄像机安装在可控制的移动支架上,可自动或手动实现摄像机的平面运动。摄像机自身可进行±360°的转动,这样,摄像机能实现不同空间位置、不同角度的拍摄。在课程直播中,安装在实验室的5台高清摄像头从各个角度对实验现场进行拍摄,通过开放网络会议软件(Team Viewer)将实时画面传回教室或者学生的笔记本计算机。根据教学的需求,任课教师可以通过语音对话或者文字通知地处廊坊的风洞实验室的操作人员切换不同的镜头,也可以远程操控摄像头,对工作人员进行指挥,完成不同的实验操作,结合实物教学和实验的实际效果,教师从不同角度讲授实验测量。

在课程直播中,教师和学生利用校园网络并通过网络会议平台(本套系统采用开放软件Team Viewer)与实验室建立远程链接,教师以网络会议主持者身份,控制远程端服务器并指引实验人员进行实验操作,进而实现实时通信与互动。教师也可以授予学生部分控制权,以便让学生能在自己的计算机上查看实验细节。教学课堂中的师生互动的音频与视频、远程实验室的音频与视频以及电子白板等均可以通过网络会议平台进行在线直播与分享。直播系统工作原理如图1所示。利用网络会议软件Team Viewer与实验人员互动并实时指挥控制实验,同时可以实时传递音频、视频及数据文件。在科学研究实验室中,全角度拍摄科学实验的摄像系统软件与进行科学实验的硬件设备系统软件由同一服务器控制,其中5台1920×1080高清分辨率摄像头由IVMS-4200软件控制,实现拍摄位置变化、拍摄细节放大等功能。教师客户端与实验设备之间通过Team Viewer、实验室服务器、实验设备主机形成三层远程控制链接,教师可通过远程课程会议平台接收拍摄信息,并向学生展示实时实验,并通过此三层远程直接对实验设备发布指令,在一定程度上实现了智能操作。

2 风洞实验教学直播教案设计与教学过程

2017年4月7日上午,在我校第6教室6A313,通过本科生“飞行器基础实验”课对这套系统进行了实际授课实验,实验结果表明,授课取得了良好的教学效果[12]。

图1 风洞实验直播教学系统

在本次实验课上,风洞实验教学直播课程以“后掠翼翼型三维边界层的实验测量”为例对直播系统进行了实际测试,现场执行了直播授课教案,并对学生进行了教学效果的调查,综合教学过程的相关环节进行了效果评估。首先,授课教师向教学课堂上的学生介绍关于后掠翼边界层流动的基本理论知识,并展示后掠翼边界层内的速度分布规律及横流涡结构特点；然后,向学生介绍测量边界层速度的智能化热线风速仪系统,此测量系统由Dantect热线风速仪、180 mm长焦镜头微距镜头及高精度位移坐标架组成,可以高效、智能、精确地采集边界层内的速度分布。学生通过直播平台能仔细查看这些系统的实物。随后,教师向学生开启远程课程会议平台,并通过远程控制摄像系统向学生实时展示风洞实验室的高清画面。课堂学生通过远程会议平台在个人计算机上参与风洞实践课程,可以实时控制摄像系统和数据采集测量系统,进行远程风洞实验。图2给出风洞实验直播系统传输的风洞实验画面。

图2 风洞实验直播系统传输的实验画面

实验测量结束后,学生可以通过远程课堂会议平台下载实验数据及基于Matlab开发的实验数据后处理可视化软件(见图3),根据课堂要求,学生随堂或课下自行处理实验数据,并进行机理分析。课堂上,教师还授权学生可以在个人笔记本计算机终端查看风洞实验的各个细节(见图4)。以上的授课过程是事先进行剧本式设计的结果。

图3 可视化数据处理软件

图4 学生在个人终端进行风洞实验的直播画面

本次风洞实验教学直播,在有限的时间内向学生全方位地展示了风洞中后掠翼翼型三维边界层精细测量的整个实验过程,比平时风洞实验现场授课时间节省了3学时的时间。避免了由于路程遥远学生往返实验室和学校所花的大量时间,在节省人力物力的同时还规避了诸如交通意外等风险。通过控制摄像机找到自己感兴趣的位置,学生可以观察到平时很难在授课现场看到的细节,大大提高了大型稀缺的风洞实验设备的使用效果。通过直播,学生能够观察到实验的每个细节。在本次课堂上,学生的表现比平时活跃、讨论热烈,并对观察到的实验细节进行质疑,使课堂效果提升了很多。

3 风洞实验直播教学效果分析及展望

风洞实验直播教学模式是新型实践教学模式的一种成功探索,将科学研究实验引入学生的实践课堂,增强教师与学生的科学探究性互动、互信性,深度融合了“教”与“学”,更多地让学生成为课堂的中心,努力实现价值塑造、能力培养和知识传授三者结合的教学理念。学生在课堂学习中不仅获得了本次授课的知识,也了解了教育教学的创新思维,接受综合运用知识的理念,对未来人格培养、能力培养都有积极的促进作用。概括起来,本次教学尝试有几下几点收获:

(1) 风洞实验直播教学方法引入本科实践教学中,突破授课平台的时空限制,扩大教学辐射面,提高稀缺、贵重实验平台的利用率和使用效果。这种教学方法可以推广到其他大型实验教学平台,这将是各高校大型实验平台资源共享于本科实践教育的途径。

(2) 风洞实验直播教学改变了传统实践教学理念,引入信息化技术,将教学课堂与远程直播实验相结合,学生足不出户即可对校外的风洞实验室内正在进行的科研实验进行全面的了解和认识,大大节省了时间和教学成本,教学效果相比风洞实验现场教学毫不逊色。通过视频、音频和文本的实时交互,可以让学生深入到实验现场,“亲身体验”风洞实验的每一个流程；通过精心布置摄像系统,向学生展现了风洞实验的每个细节；通过远程操作实验、共享实验数据,进一步提高了学生对实验的参与感,强化了学生对实验测量技术的掌握,加深了学生对流体力学实验研究的理解,进而激发和培养了学生的科学探究兴趣。风洞实验直播课堂的整个过程可以培养和提高学生的科学探究素养,帮助学生了解和认识科学研究工作的真实状况,有利于培养学生发现问题、解决问题的能力。

(3) 风洞实验直播技术在实践教学课堂中的成功应用,为建立智能化的实验室提供了新的思路和改革方向。通过促进高校信息技术与实践课程更深层次的融合,极大程度地优化了本科生实践教学,是改革实践教学结构的突破点,将推动本科实践教学改革的进程。直播实践教学凭借丰富的数字化教学资源和各种交互工具、认知工具的有力支持,培养了学生的探究精神和创新精神。

总之,远程直播环境下的实践课程教学打破了传统实践教学模式,同时也突破了传统远程教学无法实现有效的沟通和交流的局限,是新型的实践教学模式的一次有效尝试。风洞实验直播教学课堂可以录制为完善的教学视频,转变为幕课,实现资源共享。当然,本教学方法仍有很大的提升空间,例如如何在技术上实现不同学生的个人终端同时工作；如何提升网络图像视频的传播速度,缩小课堂与实验现场的延迟；如何更合理地设计授课环节,使学生更加感兴趣；如何快速录制视频并进行后期制作等,在这些方面,仍有很长的路要走。

致谢:感谢清华大学本科教育改革项目“远程风洞实验系统”的资助，感谢研究生于沿及宋琨同学在系统搭建、课程设置中对本文的贡献。

[1] 吴岩.一流本科 一流专业 一流人才[J].中国大学教学,2017(11):4-17.

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[8] 何克抗.从Blending Learning看教育技术理论的新发展(上)[J].电化教育研究,2004(3):1-6.

[9] 何克抗.从Blending Learning看教育技术理论的新发展(下)[J].电化教育研究,2004(4):22-26.

[10] 李征.双向视频直播课堂在电大网络教学中的应用技术点滴[J].山东电大学报,2006(1):36-37.

[11] 孙丹,程鹏.实验教学课堂直播系统的设计[J].实验技术与管理,2009,26(9):53-55.

[12] 于沿,宋琨.“直播”助力清华航院风洞实验教学[EB/OL].(2017-04-12)[2017-09-15].http://news.sina.com.cn/o/2017-04-12/doc-ifyecfnu8235969.shtml.