《流体力学基础》线上教学的探索与实践

张丽芬 吕亚国 周莉 刘振侠

摘  要：文章对《流体力学基础》线上直播的教学方式进行了探索与实践。提出线上教学应围绕如何将“主动学习”融入到教学活动中的设计思想，并根据线上教学的特点设计了具体的实施组织和考核评价方式。在教学过程中采用了“理论-应用-反思”的教学设计以及分小组讨论等教学活动。实践表明，这些教学设计和教学活动在线上教学中发挥了积极作用，促进了学生主动学习。

关键词：线上教学;《流体力学基础》;教学设计;主动学习;分小组讨论

中图分类号：G640 文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）06-0128-04

Abstract： The online teaching method of "Foundation of Fluid Mechanics" is explored and practiced. It is proposed that online teaching should focus on the design of how to integrate "active learning" into teaching activities， and design a specific implementation organization and assessment method according to the characteristics of online teaching. In the teaching process， the teaching design of "theory-application-reflection" and teaching activities discussed in small groups are adopted. Practice shows that these teaching design and teaching activities have played an active role in online teaching， and promoted students' active learning.

Keywords： online teaching; "foundation of fluid mechanics"; instructional design; active learning; discussion in groups

《流体力学基础》是西北工业大学飞行器动力工程

与能源与动力工程专业本科生一门重要的专业基础课。流体力学在航空宇航推进理论与工程、流体机械与工程、工程热物理、飞行器设计、动力、能源、化工、环境等学科领域有广泛应用。学习和掌握本门课程基本概念、基础知识和基本理论，对于从事飞行器动力工程、能源与动力工程的本科生是必不可少的。

本学期初受疫情影响，《流体力学基础》教学团队第一时间启动了在线教学预案。在线教学形式多种多样，教学团队在调研了不同的教学形式后，认为网络直播的在线教学形式师生时间同步、互动性高，有利于提高在线课程的师生交互水平和学习绩效[1]，最终选择了网络直播的在线教学。

在线教学兴起于20世纪90年代末，历经20年发展，不断地在拓展人们获取知识的方式和途径。2020年初这场突如其来的疫情，使得各高校对在线教学进行了更深入、更广泛的实践，并产出了一系列的研究成果。文献[2]归纳了网络在线课堂、网络直播教学、学生自主学习、电视空中课堂等四种在线教学形式，指出师生交互水平、社会临场感两项，是影响在线教学质量的重要因素。师生交互可以反映在学生举手、提问、反馈、教师布置任务等等方面;社会临场感反映在可以建立师生群等方面。文献[3]研究了直播时教师是否出镜对教学行为和教学效果的影响，研究表明在直播过程中教师形象是否出镜，不会对教师的责任感水平和教学投入产生显著影响。但在直播过程中呈现教师形象时，学生感觉教学效果会更好。文獻[4]探索了基于教学立方和视频直播的在线教学模式，分为教学立方进行课前复习、教学立方+视频直播进行课上教学、教学立方进行课后复习，结果表明基本做到在线学习与线下课堂教学质量实质等效。文献[5]给出了在线教学模式选择的依据，并且提出了提升在线教育质量的策略。文献[6]结合西安交大“1+1”在线教学模式的组织、实施和效果分析，阐述了对我国教育现代化的思考，为在线教学以及相关研究提供了参考。文献[7]介绍了南开大学仪器分析课程按照O-AMAS理念精心设计教学环节，充分调动学生学习积极性的做法，给在线直播课程提供了参考。文献[8]以国家精品在线开放课程作为课程资源、慕课堂作为智慧教学工具、QQ群作为在线讲授和辅导答疑的平台，开展了在线教学实践，实践表明三结合的在线教学形式学生易于接受、参与积极性高，教学效果较好。文献[9]对粤港澳大湾区高等教育的现状进行了调研与基础分析，并指出应对疫情时期湾区高校的教学挑战与主要问题，同时依据在线教育教学理论，从湾区在线教学平台、湾区在线课程资源、湾区在线教学形式、湾区在线教学保障机制等方面，构建了疫情时期高校在线教学“湾区模式”，并在多所高校应急实施，促进了湾区高校新学期教学工作顺利开展和保障线上线下教学同质等效，该研究与实践为全国其他地区和高校开展应对疫情教学工作提供了理论指导和借鉴参考。文献[10]以雨课堂为平台，采用课前、课中、课后全过程追踪的教学模式来提高课堂教学效率，对学生学习过程进行痕迹化管理，在引导学生形成工程理念、树立可持续发展观方面进行了教学探索和实践。

目前查阅到的文献，有的是对在线教学的宏观概览，有的是一门课程具体的实践过程，这对开展线上教学具有借鉴意义，但是线上教学的课程设计及教学模式仍需要深入地探索、研究、实践。在线教学不是简单地将线下课堂搬至线上，在线教学中如何保证与课堂教学的实质等效是本次在线教学中遇到的一大挑战。作者对在线教学进行了探索和实践，并在教学过程中采用了一些新的教学设计和教学方法，取得了较好的效果，为线上教学的深入开展提供了一些借鉴和参考。以下将从在线教学的整体设计和线上教学的特色做法两大方面进行论述。

一、在线教学整体设计

（一）整体设计思想

首先进行学情分析：本次授课学生为飞行器动力工程专业、能源与动力工程专业本科二年级学生。根据教学大纲学生已经完成了《高等数学》《大学物理》《工程热力学》等前期课程。开课前确认全体学生都具备在线学习的硬件和网络条件。

之后重新审视制定了教学目标：《流体力学基础》是动力与能源学院本科生一门重要的专业基础课程，是学生进行后续专业课学习如《传热学》《叶片机原理》等不可或缺的一门课程，也是本领域学生继续深造或参加工作后应用范围最广、使用频率最高的课程之一。通过该门课程的学习，学生能深刻地理解流体的基本性质和基础知识，掌握简单静止流体基本力学性质，静力学平衡方程和流体内部压强计算方法并能够加以运用;深刻理解多维流动的基本概念、基本方程、基础理论知识，理解掌握流体运动所遵守的基本定律：质量守恒、动量守恒、能量守恒;熟练掌握连续方程、动量方程、能量方程的各种形式的推导过程及其所代表的物理意义并能灵活运用三大方程解决简单的流动问题;理解边界层流动的特点及各种厚度的定义和物理意义，掌握边界层流动微分方程和积分方程;熟练掌握一维管道流动特点及其流动损失规律和计算方法并能够加以运用。

最后提出本次在线教学的设计思想：在以往的教学过程中，主要通过教师课堂讲解使学生掌握所学知识。以往的课堂教学中教师能够根据学生的临场反应（表情、眼神等）判断学生对知识的掌握程度，可以实时地调整讲解的速度和进度，并且面对面授课便于交流。而在线教学的一大困难就是师生无法见面，教师无法及时获取学生的临场反应，无法准确把握学生对知识的掌握情况，同时也很难参与到学生的学习过程中去。因此在线上教学中，如何能让学生积极主动学习成为在线教学中的一个关键问题。学生获取知识，不仅仅是通过教师的讲解，学生需要积极主动地去思考、去查阅资料，以达到对知识更好地理解和掌握。本次线上教学围绕如何将“主动学习”融入到教学活动中，使学生能够积极主动地参与到学习活动中来。通过自我思考、小组讨论、大作业等学习活动，深入理解所学知识。

（二）组织实施过程

开课之前，教师调研了网上的慕课资源和各类在线平台，考虑直播的互动性和同步性明显优于慕课，最终选定采用腾讯会议进行直播形式的线上教学+QQ群进行课后答疑。

上课时间按教务处安排的课表进行，严格按照线下课堂教学的时间进行，45分钟一节课，中间休息十分钟。考虑到线上教学中，学生面对屏幕，注意力集中时间比较短的问题，在课堂上，教师会将流体力学史上一些有趣的名人轶事穿插在讲解内容中，一方面增加趣味性，另一方面也可以缓解学生长时间面对屏幕造成的不适感。课后，学生若有疑问可在QQ群内提出，教师进行解答。每章的课后作业会发布在西北工业大学课程平台上，学生登录平台，可以查看、提交作业。

在教学中，制定明确的教学规则以便更好地管理课堂以及整个教学过程。教学规则包括课上规则和课后规则。课上规则要求学生按时上课、认真听讲、积极发言;课后规则要求学生认真完成作业，按时提交作业。学生在课程平台查看作业的同时，可以看到作业的提交时间，一般情况会留给学生3-5天的时间完成作业，超时未提交作业，则提交通道关闭，按未完成作业处理。教学规则与考核进行关联，所有的课上表现和课后作业都将记录在案并反映在平时成绩中。

线上教学中，积极采用各种信息技术手段，更好地保证教学效果。《流体力学基础》课上需要大量的公式推导，线上教学中采用手写板+PPT白板功能，很好地实现了板书讲解的效果。采用西北工业大学学习平台进行资料、作业的上传下载，教师将课堂的PPT、相关的学习视频、资料等上传至学习平台，学生根据需要下载;学生将作业上传至学习平台，教师可以下载后批阅。学习平台给师生间资料的共享和传递提供了便利。利用雨课堂进行每章的小测验，雨课堂可以清晰地显示出每道题的正确率，哪些学生答对，哪些学生答错，答题较好前三位学生是谁，答题不好的后三位学生是谁，这便于教师统计结果，发现薄弱知识点以及问题学生。

（三）评价及考核

课堂教学中，最终成绩往往占到70%以上，而平时成绩不足30%。线上教学不同于课堂教学，在考核方面应更注重教学过程的把控，因此，加强了对学生平时表现的考核。《流体力学基础》课程的最终成绩由50%平时成绩和50%考试成绩两部分组成。平时成绩由过程考核确定;考试成绩由期末的闭卷考试结果确定。

过程考核贯穿于整个的教学过程中，包括：1. 课堂及时提问，检查学生的掌握情况，在每节课的前三分钟，教师会提问上节课中的重要知识点，帮助学生回忆所学内容，检查学生对知识的掌握情况，并记录学生的回答情况作为考核的一部分;2. 每章结束后，利用雨课堂安排一次小測试，小测试的内容一般为填空题和选择题，题目涵盖本章所有重要知识点，根据学生的答题情况，对错误率比较高的题目重点进行讲解，及时查漏补缺，同时记录学生的作答情况;3. 每章布置作业，每次作业教师全部批改，并给出评价等级，针对作业中存在的共性问题进行重点讲解;4. 每节课安排助教统计出勤率以及迟到、早退的学生人数并及时报给授课教师。

二、线上教学的特色做法

（一）“理论-应用-反思”的教学设计

“理论-应用-反思”的教学设计是指在课堂上教师讲解理论知识，课下学生自主将理论知识进行拓展，考虑其可能应用的场景和范围，课上教师和其他学生质疑，课下学生再反思整理形成大作业。从理论到应用再到反思最后形成大作业这样一个过程，让学生主动去思考，促进学生主动学习。

“理论-应用-反思”的教学设计具体操作如下。在授课中，教师根据教学内容的需要，会采用图片、视频或其他方式进行导入，先建立学生对现象的感性认识，进而讲解背后的理论知识，通过课前预习与课堂讲解，使学生首先获取关于理论知识的足够信息。之后设计分组讨论环节，让学生主动思考所学的理论知识在生活生产中都有哪些应用，这一点在线上教学中尤为重要，引导学生主动思考才能让学生真正参与到学习活动中。线上教学实践表明，通过引导学生深入思考，大部分学生能够很好地将所学理论知识应用到日常生活中，提出非常有特色的创意和想法。在思考过后，鼓励学生动手设计实物，通过实物设计，将理论与应用紧密结合，让学生既能体会到理论与应用的关系，同时也体会到理论与应用的差别。比如，学习了粘性知识以后，教师引导学生思考如何制作一个粘性测量仪。这要求学生首先对理论知识的理解要深入，并且需要在课堂理论知识的基础上通过查找资料等方式自主地将理论知识进行拓展，在理论的基础上提出设计方案，这一过程学生可以体会到理论与应用之间的关系;其次要考虑到具体应用的困难，可以通过和同学讨论的方式提出具体解决的措施，这一过程学生可以体会出理论与应用的差别，认识到有些设计和想法理论上能讲得通，应用中却不一定能够实现或实现起来很困难。将理论和应用相互结合，学生对知识点的理解会有一个新的提升。学生课下思考后，可在课堂展示，同时教师和其他学生提出质疑，教师提出质疑的同时，引导学生对问题进行更加深入细致的思考。在接下来的开放式大作业环节中，学生整理思路，将对知识的理解、应用写下来，整理成一个大报告，这是对学习知识的一个反思过程，反思在知识获取过程中具有非常重要的作用。

通过“理论-应用-反思”的教学设计让学生由被动地获取知识变为主动地学习知识，激发学生的学习兴趣，提升教学的效果。

（二）分小组讨论

在课堂教学中，学生有些疑问可以直接和同学讨论即可解决，同学之间是相互学习、共同提高的。而线上教学与课堂教学的最大区别在于学生无法相互讨论，每个人都是孤立的。而同伴之间的相互学习是学生获取知识的一个重要方面。为了弥补线上教学学生无法见面不能相互学习的不足，在课程中设置分组讨论环节，每组建立小群，在群内展开讨论，可以文字、可以语音。讨论结束后，一名同学代表进行发言，教师和其他学生对该小组的发言进行质询、探讨。小组讨论可以有课上的小讨论，也可以在课下小组内开展大讨论。通过讨论，小组成员间可以汲取彼此优点，相互学习。这在很大程度上弥补了线上教学同学之间不能相互交流的一大劣势，也使学生的学习过程变得有伴、有趣。

（三）课前录制视频

线上教学能够顺利进行的一个前提是网络通畅，一般情况下网络都是通畅的，但是一旦遇到特殊情况网络出现故障时，教学过程就不得不被迫中断。为了应对线上教学的突发情况，每次课程前，教师录制本节内容视频作为预案，以防网络突然断掉或者出现无法及时恢复的故障时，学生可以看提前录好的视频继续学习。在线上教学的过程中，努力做到“一旦网断课不能断”，保证教学过程的连贯。

（四）PPT与手写板巧妙结合实现板书功能提升讲解的清晰度

《流体力学基础》的课程特点是公式推导很多，有欧拉静平衡方程、连续方程、欧拉运动微分方程、N-S方程、伯努利方程等等。在传统的课堂教学中，上述方程的推导过程可以用板书完成。但是，在线上教学中，若采用纯粹的PPT讲解，一方面速度较快，学生不容易跟上节奏，另一方面推导方程的过程学生不易理解。一个推导脱节，后面就容易听不懂进而分神，导致失去学习的兴趣。为了解决这一问题，在线上教学中，教师使用PPT加外置手写板，这样很好地实现板书的功能，在讲到复杂的方程推导时，一步一步地手写推导加教师讲解几乎与教室板书讲授的效果相当，能够让学生对方程的导出过程清晰明了。

（五）课上不定时互动与提问保证学生的听课有效性

在课堂教学中，教师能够根据学生的反应实时掌握学生的听课情况，可以根据学生掌握情况及时对教学进度和内容作出调整以保证教学的效果。而线上教学的困难一方面是教师与学生没有眼神的交流，无法及时获知学生对新知识的理解程度;另一方面教师无法了解学生的听课情况，无法及时评估教学效果。为了克服这两点困难，教师一方面在课上不定时进行随机提问，吸引学生的注意力，最大限度地防止学生走神;另一方面教师会较为频繁地与学生互动，为了提高互动效率，限定性的问题直接让学生敲“1”或“2”来回答。以此保证学生的听课效果，最大限度地做到线上线下课堂教学质量的实质等效。

三、学生反馈

本次线上教学结束后，采用问卷调查的方式收集了学生的反馈。其中，94.2%的学生认为可以接受线上教学这种方式;82.3%的学生认为能够做到积极主动地学习;97%的學生认为课程的难易程度是可接受的;100%的学生认为教师的PPT是简洁有效的;100%的学生认为课下小组内能积极开展讨论、和组员讨论有助于对问题理解的更深入;100%的学生认为大作业在一定程度上延伸拓展了知识面并且让学生对《流体力学基础》更有兴趣、通过大作业促进了学生对问题积极思考;82.35%的学生喜欢老师用PPT与现场一步步推导的方法相结合来讲解。

四、结束语

本学期受疫情影响，《流体力学基础》采用了线上直播的教学方式。根据线上教学的特点，重新进行了教学设计，让学生从理论到应用，之后经过认真反思形成大报告的方式加深对所学知识的认识和理解。在教学过程中加入了线上分小组讨论、提前录制讲课视频、PPT与板书结合、及时互动与提问等一系列特色做法。

实践表明，“理论-应用-反思”的教学设计以及线上分小组讨论、提前录制讲课视频、PPT与板书结合、及时互动与提问等特色做法，在线上教学中发挥了积极的作用、促进了学生们的主动学习。从学生的反馈来看，本次线上教学得到了绝大多数学生的认可，采用的教学设计、教学活动以及授课方式保证了线上线下课堂教学质量的实质等效。

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