“海洋动力学与数值模拟”课程翻转式教学设计*

夏静敏 史剑 杜辉 张雪艳 郭海龙

（国防科技大学气象海洋学院 湖南长沙 410003）

引言

随着现代高等教育模式的不断深化改革，尤其是“互联网+”技术的快速发展，传统单一的课堂教学模式已经无法满足高素质专业人才的培养要求，这更推动了国防科技大学“以学员为中心，以能力培养为目标”的课堂-课程教学改革，并对高等专业课程发展注重小班化、基于翻转课堂的线上线下混合式教学。翻转课堂（flipped classroom）[1]是在当前互联网信息技术环境中，学员课前下载、学习授课老师所提供的学习资源（如授课视频、课件等），课中由师生共同完成重难点问题答疑、协作探究与反馈交流等教学活动的一种师生角色转换的新型教学模式[2，3]，近年来越来越多的课堂尝试使用翻转式教学模式，并取得了较好的反馈[4，5]。

“海洋动力学与数值模拟”是国防科技大学海洋科学专业研究生学员选修的一门重要基础理论课，也是目前海洋科学研究领域国际上通用的研究生课程。这对该领域的科学研究与工程技术工作者具有现实意义，其中海洋动力学为海洋数值模拟提供理论基础，海洋数值模拟作为海洋科学研究的重要手段。该课程主要讲解开展海洋数值模拟所需的动力学模型及相关数值计算方法，培养研究生学员对海洋现象数值模拟的能力，为后续进一步开展海洋科学研究和从事海洋数值预报保障等工作提供理论和实践支撑。

本文将针对该课程的内容特点，分析传统“一言堂”式教学存在的问题，并针对这些问题探究如何利用互联网平台结合线上学习资源开展翻转式教学，以期提高学生自主学习、数值预报实践的能力，提升学员专业素养，适应当前“互联网+教育”教学模式的改革发展。

一、“一言堂”式传统教学存在的问题

研究生课程教学不同于本科大学课程教学，具有更强的专业针对性，这对老师和学生的专业知识能力均提出了高标准、高要求，更需要授课老师在倾向传授科研经验的同时避免“一言堂”式的教学模式，鼓励、激发学员充分利用线上资源合作或自主解决问题的能力，有利于研究生学员后续更好地适应科研环境，养成良好的科研习惯。由于“海洋动力学与数值模拟”课程中涉及使学员学习掌握使用COAWST模拟平台进行海洋环境数值预报的实践任务和教学目标，因而采用传统的课堂讲解随后以课后作业的形式要求学员课后熟练操作平台的教学形式很难满足学员的学习需求，未能充分考虑到研究生学员对提高专业能力的更高需求，传统的课堂授课较难发掘出学员对模拟平台应用中的更深层次问题，不利于培养高水平研究生学员的专业能力。

由于传统的“海洋动力学与数值模拟”课程教师授课受到线下教学课时的限制，在课堂上仅能在有限的时间内讲授课程内容，课中不仅需要考虑学员理解能力的层次水平，也需要结合课堂实际情况实时调整授课速度，从而无法统一学员的课堂初始认知水平，更可能造成对专业重难点问题的不充分讲解及演示。例如COAWST模拟平台的操作需基于部分Linux系统命令但课堂的重点目标应放在使用该系统工具分析海气耦合数值模拟结果上，因而教员应明确对相关命令语句的掌握程度，并合理调整课堂授课内容，规划课前自主学习、熟练命令语句的课前任务，避免花费大量时间在课中。

研究生课程内容深、目标远、要求高、综合强，这对授课教员的科研能力以及专业水平提出了严格要求，因专业课程涉猎面广且深，教员在授课过程中会遇到来自学员的多种不具备标准答案的问题，而对问题的探讨正需要教员开诚布公、引导式地提供可能思考方向，通过学生之间、师生之间的交流与反馈，共同促进师生科研能力的提升。显然，“一言堂”式教学模式很难在专业研究生课程教学中得到师生互益的效果。

二、实施翻转式教学的可行性分析

翻转课堂的应用能与其他传统的教学手段有机结合，可以帮助学生转换学习模式，即由“被动灌输式”向“自主协作式”转变，有效解决面对专业实践课程学生课后“时间少”“作业难”“帮助少”的问题[6]。这种新型的教学模式，通过翻转或反转传统课堂上老师负责讲、学生认真听的角色，促使学生占据课堂主导地位，而老师则起到辅助引导的作用，从而重构课堂中的师生定位。同时针对课前学生的自主学习情况，对其中暴露出来的难点疑惑展开启发式、引导式、讨论式解答，促使师生共同探讨能力的提高。

结合本课程对研究生学员实践应用能力以及专业数值预报素养的高标准，实施翻转式教学模式将重点解决基于海洋环境数值预报平台COAWST的实践难题，充分利用课堂内的有限时间，有针对性地解决学员的实操技术问题，引导学员以小组的形式进行协作讨论，培养其团体合作的能力。同时由于在互联网上具有丰富的科研教育资源，可以满足大多数学员学习个性化的需要，也有利于培养其独立思考、自主探索的科研能力，符合对研究生学员专业能力的培养目标。

三、翻转式教学设计

在本文对“海洋动力学与数值模拟”课程翻转课堂的设计中，将结合美国教育学家Bloom等人[7]提出的教学目标分类法，将学生的认知过程分为下列六个维度，包括记忆（Memorize）、理解（Understand）、应用（Apply）、分析（Analyze）、评价（Evaluate）、创造（Create）。其中，前两个层次属于基础认知能力，而后四个层次则是对高阶思考能力的锻炼。该教学目标分类理论为设计“海洋动力学与数值模拟”课程翻转式教学提供了新的视角，有利于开展基于小班的启发式、探究式、讨论式教学，将线上线下学习过程有机组织起来，可以更好地为研究生实操课程的学习提供服务。

接下来以翻转课堂教学模式为框架，结合Bloom教学目标分类法，进行如下具体的教学设计，关于该课程的翻转式教学设计结构如图1所示。

图1 翻转课堂教学设计结构展示

1.课前准备

（1）由授课教员于课前一周发布下周课堂的学习任务清单，将制作的课件、选取的课程案例、相关教学视频推送到信息化教学系统的学生端，并以公告的形式告知学生课前预习的相关要求，明确重难点及教学目标。在“海洋动力学与数值模拟”的教学过程中，使用任务驱动和翻转课堂的教学模式，需要教师对该课程教学内容有较深入的理解。在此教员可按照Bloom分类法里的记忆、理解和运用维度，梳理课堂知识点，构建思维导图，更好地帮助学员理清知识点脉络。

（2）教员在任务清单中设置相应的课程相关引导类问题以及关于COAWST模拟平台的相关实践操作任务，引导学生循序渐进地开展自主学习，并完成相应的线上预习、学习任务，熟悉掌握接下来一周课堂的必备技能，针对教员所提问题和任务留言并分享结果。授课教员则可通过学生的课前预习反馈、讨论情况，调整线下授课课堂教学内容，达到有针对性地解决共性问题的目标。

在课前准备中，教员应注重把握多门学科概念间的系统联系，便于学员对教学内容的整体性和系统性掌握，注重各章节内容的层层深入，以此为基础发布任务，使学员先理解动力学框架，后有实践数值模拟方式的相关任务基础，便于学员对难度较大的教学内容的理解。

2.课中教学

在线上预习、教学的基础上，线下面授教学更注重将学员自主学习的知识内化，授课教员将依据课前准备的情况反馈来调整教学内容，开展基于小班的启发式、探究式、讨论式教学，注重培养学员动手能力，将手写作业与计算机编程实践有机结合。课中授课主要采取如下进程。

（1）课程开始前需用约五分钟时间利用长江雨课堂发送给学员部分测试题目，通过此方式来检测、巩固学员对基础知识点的掌握，确保学员自主学习达到预期效果。

（2）授课教员依据总体教学目标，结合及设计合理的课堂分目标，制定联系紧密、具有逻辑性的学习任务，结合课堂重难点问题举出实际相关科研案例，引导学员分组分析。在分组学习讨论过程中，教员负责对各组情况加以引导并回答学员的思考问题，调动每位学生主动参与讨论的积极性，促进学员之间的合作交流，实现课堂教学效益的最大化。

（3）根据课堂时间，随机或有代表性地选取学习小组分享讨论结果，教员则组织学员开展提问，并听取多名学员的思考情况。教员适时引入与课堂重难点知识相关联的题目，甚至可以提出探讨式问题，激发学员深层次思考，从而达到Bloom教学目标分类法中的分析、评价、创造三层次。

（4）在课堂的最后，由教员总结内容，给出整体思维导图，方便学员查漏补缺，并请学员一起完成对整体课堂的回顾与自我总结。

3.课程考核说明

本课程考核注重结果考核和过程考核相结合。总分设计100分，其中终结性考核占50%，为课终考试，采用闭卷笔试方式，上完该课程后，统一组织学生期末考试；形成性考核占50%，含实验报告20%、课堂研讨15%、平时作业15%共三个部分，课堂研讨部分由教员每次记录课堂实际讨论情况，综合打分，实验报告则是基于对COAWST模拟系统的实践成果完成。

结语

结合海洋科学专业特征及要求，将翻转课堂引入到教学课堂中是顺应当前“互联网+教育”快速发展趋势的重要尝试。本文基于Bloom教学目标分类法，合理设计“海洋动力学与数值模拟”课程的翻转式教学模式，互换传统课堂中的师生角色，以学生为主体，激发学生自主学习的积极性及创造性，这对翻转课堂大趋势下进行专业课程教学改革具有实践借鉴意义。