流体力学实验课程项目式教学模式与高阶思维能力培养

李 峰，陆新晓，朱红青，谭 波

（中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083）

0 引 言

现阶段，以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济引发了高校人才观、思维方法、教学模式的改革，如何培养当今和未来社会所需要的，具有高阶思维的人才成为了高等教育亟待解决的关键问题，学生高阶思维的培养是现代教育亟待的关键任务，是国家教育改革的不懈努力与追求［1-3］。高阶思维源自于布鲁姆等的认知目标分类学，2001 年安德森等对此进行了修订，将教育目标分为记忆、理解、应用、分析、评价和创造［4-5］，其中所提到的“分析、综合应用、评价、创造”属于高阶思维，体现了学习者对问题的求解能力、决策能力、批判性思维和创造性思维能力等方面［6］。

流体力学课程是众多工程专业的基础课程，主要研究流体（液体与气体）平衡和运动的基本规律，包含如下内容；①流体本身的静止状态和运动状态；②流体和固体界壁间有相对运动时的相互作用和流动规律。此门课程的学习需要具备较坚实的理论基础，先修课程包括高等数学、大学物理、理论力学等；与先修课程相比，流体力学更加注重对学生自主学习能力、理论联系实际能力、创新实践能力等与之相关的高阶思维能力的培养；实验课程的高效教学是引导学生将专业理论知识与工程实践紧密结合的有效途径［9］。本文针对发展“大学生高阶思维”培养的问题，设计流体力学实验课程项目式教学模式，探讨当今大学生高阶思维的培养方式与途径。

1 流体力学实验课程内容

流体力学实验内容如图1 所示，主要包括：①伯努利实验；②雷诺实验；③管路串、并联实验；④沿程与局部阻力实验；⑤泵的性能测定实验。实验课程的核心内容即是伯努利方程的验证与应用，②～⑤的实验均有应用伯努利方程计算的内容，也是整个流体力学课程的核心。

图1 流体力学实验课程的主要内容

（1）伯努利实验。伯努利实验的主要内容：①观察不可压缩流体在导管内流动时，位能、动能、压能等各种形式机械能的相互转化现象；②验证机械能衡算方程（伯努利方程）；③通过实验测试压头、流量和流速等水力学参数，理解当流体在导管内作定常流动时，在导管的各截面之间的各种形式机械能的变化规律。加深对流体流动过程基本原理的理解，验证流体总流的能量方程。

（2）雷诺实验。液体在运动时，存在着两种根本不同的流动状态，即层流与紊流。雷诺实验内容如下：①观测液体流动时的层流和紊流现象，区分两种不同流态的特征，加深对雷诺数的理解；②测定颜色水在管中的不同状态下的雷诺数及沿程水头损失，验证不同流态下沿程与水头损失规律；③了解无量纲参数的实验方法。

（3）管路串／并联实验。管路串／并联实验主要内容是验证串联、并联管路的流量分配与能量（水头）损失规律，加强学生相关理论（伯努利方程、能量损失计算等）联系实际（简单与复杂管路的水头损失与流量计算）的能力。

（4）沿程与局部阻力实验。沿程与局部阻力实验主要内容：①测试流体在等直管道中流动与流经阀门时的能量损失；②测定直管流动的沿程阻力系数与流经阀门时的局部阻力系数。加深对量纲分析法、阻力损失的影响因素（流体属性、管路尺寸、流速等）与总阻力的理解。

（5）泵的性能测定实验。泵的性能测定实验主要内容：①测定离心泵在恒定转速下的性能；②绘制出该泵在恒定转速下的扬程-流量（H－Q）曲线；③绘制轴功率-流量（N－Q）曲线和泵效率-流量（η－Q）曲线。加深理解水泵工作时，扬程、轴功率、效率和流量之间的内在联系。

由于江北新区的成立，经济发展速度快，城镇化进程迅速，部分监测地块虽然设置在较偏僻地区，但依然受到了被征用的威胁。目前，浦口区已有1个省级点，3个市级点因土地征用而被迫迁址，对监测数据的连续性造成了一定的影响。

2 项目式教学模式设计

在项目式教学中，①教师根据国家战略，行业发展趋势，针对前沿热点难点问题，调研学生感兴趣的课程项目，确定项目名称；②根据项目实施流程，明确项目期限，细化各阶段的要求（包括阶段性和总结性评估要求），提供项目管理的基本辅导；③根据实验室软件与硬件配备状态，列出可提供的软、硬件及数据支持，可适当提升项目分数占比，优化课程考核结构构成；④教师在整个过程中应密切关注学生的研究活动，及时指导，纠正严重问题，提供必要的工具与支持；但必须以学生为主体，不可过度干预，教师-学生双方加强交流，及时纠偏，在时间与资源基础上形成最优的解决方案，实现技术上的及时引导与优化，同时加强线上／线下监督；⑤项目研究任务完成后，教师组织项目汇报与评价，统计分析整个过程中的学生表现数据，根据学生项目研究成果从学术角度给予专业评价，并结合行业发展方向与趋势，对学生给予未来研究内容与建议的引导。流体力学实验课程的项目式教学模式框架设计见表1。

表1 项目式教学模式实施框架

具体实施流程如下：

（1）项目设置。根据实验课程体系内容，调研了学生感兴趣的课程项目（消防工程专业28 人，安全工程专业33 人），主要分布在矿山（16.4%）、建筑（36.1%）、机械（18.0%）、交通（5.0%）、航空（5.0%）、日常生活（6.5%）、其他（13.0%）等相关行业，调查结果见表2。调研结果显示学生的兴趣广泛，发散思维能力较强，例如有学生提出应用流体力学原理，根据人体轮廓优化设计阻力较小的泳衣；也有学生提出汽车外形轮廓的优化设计、喷泉出水安全性设计、呼吸与闭气对颅内压力的影响等等。在项目式实验教学设计中，教师应考虑应用合适的教学方式进一步去培养类似的思维能力，激发学生的学习兴趣。

表2 实验课程的教学项目调研结果

为满足绝大部分学生的需求，并考虑学生分组、项目研究内容与实验课程的相关性、项目资源、专业特点等方面的因素［10］，确定以下8 个课程项目供学生选择：①矿山通风与瓦斯流动；②高层建筑火灾烟流的流动；③复杂管路设计与优化（如喷淋系统、消火栓系统等）；④流体力学在人员密集场所疏散中的应用；⑤外形与轮廓的优化设计（汽车、泳衣、飞机等）；⑥水锤效应的防治；⑦基于相似原理水坝外形设计与优化；⑧高速列车隧道出口音爆的防治。上述8 个项目的研究内容可全方位覆盖实验课程的主要内容与行业发展的重难点问题，项目的实施可引导学生扎实掌握课程相关理论及其实际应用。同时，教师可借此引导学生与国家发展同向共进，促使学生将所学理论与现实需求紧密结合，以激励学生自觉把个人的理想追求融入国家和民族的事业中。

（2）项目研究方案设计。①由学生自行选择项目小组成员、组建研究团队；②根据所列项目与团队成员的兴趣点，自主选题；③开展资料收集与实践调研活动，确定项目研究目标及研究深度；④针对项目的科学难题与技术难点，确定项目研究内容；⑤明确技术思路，制定研究方案（包括方法模型、硬／软件、数据资源、逻辑结构等），初步确定难点问题的解决途径。此过程主要涉及教师-学生、学生-学生的相互沟通与合作，以及对项目相关内容的确定与决策，对提升学生沟通、合作、决策的能力具有推动作用。

（3）制定项目研究实施计划。①学生须细化项目研究方案，制定项目实施计划，主要涉及到人员分工、时间安排、阶段展示、项目预算等；②研究内容的解决途径普遍会涉及大量的跨学科理论、技术与方法，项目组成员需根据计划合理分配每个成员承担的任务、锻炼分工协同合作的能力，学会团结以共同攻克研究难点；③根据时间安排计划把控项目研究进度，及时进行阶段性总结；④汇总项目的研究成果，撰写研究报告。此过程主要涉及项目的任务分配、分工协同合作、攻克难点问题、方案优化、项目研究进展控制以及汇总成果等，可有效提升学生的沟通、合作、创新、决策的能力。

（4）项目研究成果汇报与评价。学生需根据研究报告以答辩形式汇报研究成果（15 min 左右）；对研究过程中遇到的难点问题及其分析、解决过程进行总结，反思评估，交流分享。此过程主要涉及项目研究成果的汇报交流，得失总结以及自评互评，以达到提升学生的高效沟通（展示）、合作、批判等方面的能力的目的。

（5）项目式教学模式的持续改进。在项目式教学模式实施完成后，教师与学生双方均应及时总结经验与教训，并对项目式教学模式与教学内容的进行持续改进优化：①教师作为课程的总负责人，学生作为项目具体实施成员，双方均须基于项目研究过程再现的方式，需及时总结项目中各个环节的问题、经验与教训，优化项目式教学模式与教学内容；②教师与学生均应从项目教学活动中总结学术启发、得失与能力提升，分析项目研究中的各种类型问题，解决途径，交流探讨，以优化项目式教学模式对高阶思维能力培养途径，提升学生创新思维意识及其能力；积极探索项目活动对行业研发的助力，为下一次项目式教学奠定基础。

3 项目式实验教学模式设计

基于以往的教学总结与经验可知：在实际的流体力学实验课程教学活动中存在的主要问题有：①学习积极性／兴趣；②疑难知识的学习；③个性化教与学；④知识的系统梳理及效果评价等方面［11-13］。采用项目式教学可在导学方式、知识导图、教学途径、数据动态分析等方面高效地解决上述问题；通过建设资源库、提供教学工具、打造名师课堂／云课、微信公众号推文、课后／线上答疑等技术支撑，可实现实验教学中学生高阶思维的培养，如图2 所示。

图2 项目式教学＋高阶思维培养教学模式构建

流体力学实验课程教学前期需及时梳理教学可能存在的问题，并在课前做好课程逻辑设计，通过学习逻辑设计给出能够真正激发学生学习动机和兴趣，驱动学生学习与研究的全过程的分类分层次的学习任务［14］，确定切实可行的教与学路径，由此提出课前、课中与课后项目式教学的设计模式，如图3 所示。

图3 流体力学实验课程教学模式设计

（1）实验教学前准备。按照项目式教学模式与高阶思维培养的实际需要，基于存在的教学问题课前进行教学逻辑设计，确定教学任务、设计教学路径；绘制课堂教学图谱，梳理知识结构、重难点与关键问题；确定融合项目研究、案例与问题分析的导学模式。

（2）实验教学。基于教学资源（教学套件、资源数据库、路网资源、虚拟仿真动画等），结合课前制定的项目式教学过程的导学模式，引入融合问题探讨、案例分析与项目的关键点，引导教学内容向项目研究内容跨越。以伯努利实验为例，教学过程见表3。

表3 伯努利实验教学过程示例

（3）实验教学效果评价。采集教与学过程和结果数据，动态分析学生学习情况和教师教学情况，如：导学效果、学生参与度、学生兴趣点等，及时反馈教学效果（项目关键问题的解决、高阶思维培养等），形成教与学分析报告，及时调控教与学活动，支持教师智慧教和学生个性学与教学模式的持续改进。

以高层建筑喷淋系统的复杂管路设计与优化为例，涉及伯努利实验、管路串／并联实验、沿程与局部阻力实验、泵的性能测定实验中的主要内容，是流体力学相关知识与原理的重要实践。以此设计项目式实验课程的教学模式具有典型性与代表性，见表4。主要包括三大部分：

表4 高层建筑喷淋系统的复杂管路设计与优化实验教学方案设计

（1）教学前准备。基于项目式教学模式与高阶思维培养的要求，收集高层建筑的设计图纸，了解建筑工程的基本概况，掌握建筑中各个区域的功能；收集相关国家和行业标准（建筑设计防火规范、消防给水及消火栓系统技术规范、自动喷水灭火系统设计规范、消防专用水泵选型及安装等），掌握设计要领。应用实际案例引出项目研究对早期建筑火灾控制的重要作用，探讨其前沿技术与发展趋势，教学引导设计如图4所示。

图4 项目式教学引导示意图

（2）项目式教学实施。课中教学内容主要包括6个部分：管网布置、流量与水压、沿程阻力、局部阻力、高位水箱、泵的选型。首先对教学内容分解、制定应用相应教学方法与手段切入各个新教学内容的节点；再结合教学资源（事故虚拟仿真视频、事故统计分析资料、事故案例、项目资源、热点问题等），基于国家政策制定背景、趋势分析、问题探讨、案例分析、知识点逻辑梳理、项目关键点引入教学内容。

（3）项目式教学效果评价。采集课前、课中、课后学生学习与项目研究的行为数据，动态分析每一个学生学习情况和教师教学情况［14-15］；基于各研究团队，在项目前期准备、技术方案制定、问题解决途径、结论的科学性、成果的实用性方面给予合理评估；结合团队的自身评价与其他团队的相互评价，分析问题分析与求解、知识综合应用与决策、结果评价与趋势预测以及创新等高阶思维的培养效果；并基于学习能力、实操能力、理论知识掌握能力、独立思考能力、独立解决问题能力的形成，客观评估项目式教学效果。

4 项目式教学效果评估

4.1 建立教学效果评估模型

基于学校教学信息平台来完成教与学数据采集，如图5 所示，主要由三部分基础特征数据组成：①教学前特征：课前讨论次数、课前任务完成情况；课前访问学习网站次数、提出课前疑难问题数量、课前疑难问题解决数量等。②课中特征：课堂探讨参与度、课堂疑难问题分析参与度等。③课后特征：课后任务完成情况、课后讨论次数、课后疑难问题提出数量、课后疑难问题解决数量等。

图5 “高阶思维-个人能力”教学效果评估模型

在教学过程中，教学管理服务器通过路由器端口对学生访问VPN网络的权限进行控制；教学管理服务器向学生的计算机开放访问授权，学生可远程访问教学资源服务器，调用物理引擎；教学管理服务器实时记录学生课前-课中-课后整个学习过程的相关信息，并阶段性分析教学效果信息，授课教师可实时掌握每个学生的学习情况，实现对学生整个学习过程的“随评随看”。项目式教学过程中以1 个实验为一个阶段，基于每组学生对项目研究中的问题分析与求解、知识综合应用与决策、结果评价与趋势预测以及创新思维形成的过程分析，以学生的学习能力、实操能力、理论知识掌握能力、独立思考能力、独立解决问题能力5 个核心能力维度建立“高阶思维-能力”评估模型，以量化评价教学效果、准确掌握学生个体和班级整体的学习情况，从而及时调整教学安排［16-17］。如果某次课程中学生的整体学习效果较好，就可安排以学生为中心的小组研讨活动、以项目问题为导向的“学生自学＋讨论汇报”活动等。对于难度较高、评价结果较低的内容和知识点，可安排分步操作讲授为主的授课内容；对学生来说，可动态地监测学生学习，有利于学生及时掌握自己的学习情况及效果，促使学生动态调整学习方案，实现教学方案同步更新与持续优化。

4.2 项目式教学满意度调查

流体力学实验课程的项目式教学模式经过一个学年的摸索与实施，得到了学院与同学们的大力支持，在两个班级得到了全程实施；众多学生普遍反馈项目研究的实践过程中，在课程内容重要知识点与难点的理解、掌握和应用，问题的分析和求解，团队沟通交流，演绎推导与决策，总结与概括等方面取得了长足进步，体验到了项目研究过程中创新的艰辛与乐趣，满意度调查结果如图6 所示（选择1～3 项／人），但值得注意的是选择演绎推导与决策能力、总结与概括能力仅占比29.4%与38.8%，后期的教学中需针对性此两项能力对教学内容与方式进行持续优化。98.6%的学生在教学信息平台的教学效果反馈模块中给了满分，值得惊喜的是期末考试平均成绩较往年也提升了20.3%；也充分说明项目式教学模式是符合当代大学生的学习需求及其个人能力发展需要的。

图6 实验课程项目式教学满意度调查统计

4.3 高阶思维培养与个人能力形成

通过项目式教学模式的实施，在分析国家、行业政策、发展趋势与项目现存的问题基础上培养学生对关键问题分析与求解的思维；在项目技术思路、技术方案制定、问题解决途径、数据处理等基础上培养学生的知识综合应用与决策思维；在项目结论分析与成果汇报，分析项目结论的科学性以及成果的实用价值，得出研究发展趋势，以培养学生的结果评价与趋势预测思维；在项目成果基础上，结合研究发展趋势，分析将来研究存在的问题，提出关键问题解决途径，以培养学生的创新思维。同时，项目研究过程中的研究团中成员沟通、团队与团队的沟通、团队与教师的沟通，培养学生高效信息沟通的思维，最终形成并提升学生的学习、实操、理论知识掌握、独立思考、独立解决问题等方面的个人能力，如图7 所示（选择1～3 项／人），可知：选择独立思考能力与独立解决问题的能力占比40.7%与32.3%，后期教学中需针对此两项高阶思维能力的培养制定针对性的方案。

图7 实验课程项目式教学高阶思维能力形成调查结果

5 结 语

学生的问题分析与求解、知识综合应用与决策、结果评价与趋势预测以及创新等高阶思维的培养是提升学生自身个人能力的有效途径；项目式教学模式的设计以项目研究为基础，遵循问题导向性、交叉融合性、前瞻研究与动态建设的原则，强调学生的自主探索与协同合作，是一种创新的、开放式、教学相长的教学任务，是培养学生沟通、合作、创新、批判、决策等高阶思维的最佳教学模式。实施结果表明：学生在重要知识点与难点的理解、掌握和应用，问题的分析和求解，团队沟通交流，演绎推导与决策，总结与概括等方面取得了长足进步；学生的学习、实操、理论知识掌握、独立思考、独立解决问题等方面的高阶思维逐步得到培养与形成，充分说明项目式教学模式是符合当代大学生的学习需求及其个人能力发展需要的，也为教师开展教学设计与案例研讨、教学资源建设与运用、教学改革，研究并遵循教学之道提供借鉴。