科研转化教学：基于翻转课堂的“水力学”课程案例式教学研究

朱博渊，张春财，李梦成

摘    要：“水力学”是水利类、交通类、土木类等专业重要的专业基础课。文章以长沙理工大学城南学院水电专业本科生为研究对象，根据课程特点和专业培养要求，采用翻转课堂模式，将工程案例和科研成果融入理论教学中，并将考核方式从以“考”为主向以“核”为主转变，强化过程性考核，突出学生在教学过程中的主体地位。此模式取得了良好的教学育人效果，实现了理论与实践的有机结合，有利于学生专业素养的形成。

关键词：“水力学”课程；
翻转课堂；
工程案例；
科教融合

中图分类号：G641      文献标识码：A      文章编号：1002-4107（2023）04-0064-03

为响应《教育部高等教育司2022年工作要点》中深化工科人才培养组织模式创新、实施“中国金课行动”和提供优质课程资源与教学案例的精神，高校应持续对工科类课程进行教学研究与改革。“水力学”是水利、交通、土木各大类专业重要的专业基础课，尽管各专业对水力学知识的要求和侧重点不尽相同，但基础内容是共通的，开展该课程的教学研究与改革惠及面广，对推动工程类专业建设意义重大。

自1870年哈佛大学开展情景案例教学和2000年迈阿密大学采用翻转课堂教学模式以来，两种教学方式得到迅速推广和融合，特别是在移动互联网、大数据技术的同步发展和支撑下，颠覆了传统课堂教学结构与流程，使得课堂表现形式多样化，并取得了显著成效[1-3]。但在教学过程中，以上两种教学方式也存在以下问题。（1）案例的选取存在随意性，与实际联系不紧密，对知识点的囊括度不够，且趣味性不强；
（2）翻转课堂教学模式虽是将教学资料提前发给学生预习，但学生自主学习的效果如何，需要教师通过提问、答疑和让学生分组讨论、完成项目等方式来检查，这对教师职业素养有更高的要求；
（3）鉴于紧张的课时数，目前已实施的案例式教学与翻转课堂教学模式的结合多流于形式，即教师在课前发布一些未经考究的低质量案例、课堂上对这些案例一带而过、继续按照传统方式授课，这样不仅浪费学生课前的自学时间，还可能造成案例与教材知识点的脱节，存在应付的嫌疑。

“水力学”课程以水为主要研究对象，探讨液流静力学和动力学基本规律及在工程中的实际应用问题，是一门既有系统理论，又有较强实践性的课程，但当前国内“水力学”课程尚未实现案例式教学和翻转课堂教学模式的有效结合[4-5]。文章以长沙理工大学城南学院水电专业的“水力学”课程为依托，采用“以学为主”的翻转课堂教学模式，从实际完成的科研项目中选取典型案例进行融入，将改变传统“以考为主”的考核方式转变为“以核为主”，在教学任务的导引下突出学生的主体地位，提升教学质量，力争将该课程打造成具有高阶性、创新性和挑战度的“金课”，为工程类专业课程教学模式的创新提供参考。

一、学情分析与实施原则

根据授课专业的课程安排，学习“水力学”课程内容前，学生已先学习了“高等数学”“大学物理”等课程，为课程内容中微积分的运算、过程和结果的理解及流体的受力分析打下了良好的基础。该课程面向的是大学本科三年级学生，其已具备一定的自学能力和知识转化为实践的能力，符合“水力学”课程与工程实际问题紧密结合的特点，同时该课程的教学多为小班授课，课堂人数在30人以内，在科学的教学方法引导下，可取得理想的教学效果。

本次教学改革坚持“一个转化、两个转变”的基本原则，即科研成果向教学实践的转化、原有以“教”为主向以“学”为主的教学方式的转变和原有以“考”为主向以“核”为主的考核方式的转变，彻底改变以教师讲授知识点为主的教学模式，突出学生在课程学习过程中的主体地位。

二、创新性解决关键问题

（一）拟解决的关键问题

课前阶段，学生围绕教师归纳的知识点和工程案例自学，案例数量和内容对学生的自学效果尤为重要，如何选取合适的工程案例和采取何种方式考评学生课前自学效果是首先要解决的关键问题。

课堂阶段是核心，关键问题体现在教师如何把控案例和知识点配合讲解的时间、对哪些问题进行答疑、采取何种形式与学生研讨，以及随堂测试的实施方式。

课后阶段的关键问题是如何跟踪和检验学生对课堂知识的掌握情況，以及能否解决类似的工程问题。

（二）主要创新点

解决以上关键问题的两个创新点如下。

1.提出“水力学”课程案例式+翻转课堂教学的新模式和实现该种教学模式的系统方案，既实现科研向教学的有效转化，又能够促成对学生专业知识和素质的综合培养。

2.建设“水力学”课程典型工程案例素材库，并以案例分析为线索，配套建立网络平台相关模块和相应知识点的主、客观题库，并制作完整的授课视频，是对现有“水力学”课程建设内容的有效补充。

三、具体实施方法

（一）课程资源建设

1.工程案例素材制作

为保证可行性，即具备合理的工作量和较高的质量，学校采取了“少而精”的方式开展案例式+翻转课堂教学模式，选定的主要改革内容为“水力学”课程中《明渠恒定非均匀渐变流水面曲线分析与计算》一节。基于前期承担的湖南怀化锦江水电站回水复核和海南琼中抽水蓄能电站下游河道行洪能力分析项目，挖掘和整理原始素材，作为本次水库上、下游水面曲线分析计算和对比的典型案例。案例具有以下特点：（1）对明渠水面曲线的相关知识点具有高度归纳性；
（2）是水利枢纽工程中的典型问题，解决本案例对学生启发效果好，促使其举一反三；
（3）难度适中、具备趣味性，计算过程中会采用小程序或小型水动力计算软件进行快速迭代或试算并动态展示，易激发学生的学习热情。案例素材的内容包括视频、动画、图片和工程基础资料，教师将其放在教学课件的最前面，案例之后总结几个经典问题向学生提问，课件后面的内容调整为由该案例衍生出的知识点归纳，并将上述包含案例和知识点归纳的教学课件上传至网络教学平台。

2.题库建设

针对改革试点内容，单独进行题库建设，包括客观题和主观题两部分。客观题库有判断题、单选题，教师可从其中抽取部分录入问卷星平台，作为随堂测试的题目。主观题库有简答题、辨析题、作图题和计算题，教师可从中抽取部分作为课后作业。同时还设置综合题，题目内容在课堂教学案例的基础上进行修改，课程结束后以大作业的形式让学生分组完成，以检验学生对所讲案例的理解和掌握情况，重点在于判断其能否解决相似的工程问题。

（二）教学实施

案例教学部分充分利用翻转课堂模式进行。前期素材制作完毕后，以城南学院2020级水电1班和2班（合班）为对象开展教学，开课前一周将客观题库和含工程案例、知识点归纳的课件上传到网络教学平台，方便学生随时登录查看、学习和做练习。在平台上设置问题收集箱，只收集针对工程案例的问题，学生将在做练习题过程中遇到的问题直接带到课堂上。这一阶段，教师仅在网络平台上选取少量问题进行初步解答和点拨，为课堂研讨做铺垫。

课堂上，首先，学生提问，教师回答关于工程案例的问题，与学生热烈讨论和交流，在该过程中，学生的问题也得到相应解答。其次，教师基于工程案例提出更深层次、更具启发性的问题，请学生分组讨论，并选择一到两组学生到讲台前给大家讲解和演示。最后，教师对该案例进行系统性总结，特别要强调恒定总流的能量方程是如何在案例的水面曲线分析与计算中得到应用的，并结合案例对前期归纳好的知识点进行“画龙点睛”。讲课完毕后，教师利用剩余10分钟时间在问卷星平台上发布随堂测试题进行测试。

课后，教师对学生的学习行为进行追踪，主要统计学生登录网络平台的次数、学习时长及课后在平台上的提问情况，同时从主观题库中选取部分习题作为学生的课后作业，在本部分课程内容结束后再发布到网络教学平台上。然后，教师对教学所用的工程案例进行修改，作为学生需分组完成的大作业，大作业成果在期末前半个月收回。

（三）教学考核

“考”的部分占40%，其形式是期末考试；
“核”的部分占60%，其内容包括课前学习活跃度、课后学习活跃度、课堂互动表现、小组讨论、随堂测试、课后作业和大作业成果。课前和课后学习活跃度的考核主要是评估学生反馈到问题收集箱中的具体问题和在线学习时长。课题组教师根据所提问题的质量和在线学习时长进行评分，最后对分数进行加权平均；
课堂互动和小组讨论环节可把研究生助教带到现场，记录全过程，课后由任课教师和研究生助教共同进行评分并加权平均；
随堂测试、课后作业和大作业均有较为明确的评分标准，由任课教师单独评分。通过以上评分过程保证“核”环节的合理性和公平性。

（四）实施效果评估

为评估本次教学改革的效果，教师设置对照组，即除被选为教改对象的班级，其余班级仍按传统模式进行教学。教改班和对照班的期末考试试卷、随堂测试和课后作业（不包括教改班的期末大作业）均采用同一套题目。期末总评时，从对知识点理解和掌握、学习兴趣提升、学习主观能动性、学习记忆效果、学生思维能力、团队协作能力、课后作业成绩、随堂测试成绩、期末考试成绩等方面对比教学效果，并对教改班的学生采用了问卷调查的形式调查其满意度。

（五）实施步骤

前期准备阶段：教师研究现有“水力学”课程教学大纲、教案、课程达成度和题库等教学资料，阅读和分析案例式教学方法和翻转课堂教学模式的相关文献，向专家征求对本次案例选择、题库建设和教学改革思路的建议。

改革实施阶段：基于前期科研项目成果， 教师搜集和完善所选案例的视频、 照片和工程基础资料，制作动画和PPT课件，整理并上传至网络教学平台；
建设主、客观题库，上传至网络教学平台，并从客观题库中抽取部分题目，利用问卷星制作随堂测试题；
开展案例式+翻转课堂教学模式，分析教学改革效果，完善教学过程。

总结提升阶段：教师总结本次教改成功经验，完善存在的不足，推广特色教学方法，汇编研究成果，撰写研究报告。

围绕以上各板块的总体技术路线如图1所示。

四、实施效果及应注意的问题

本次教改实施结果表明，教改班不仅在“核”环节有较好的表现，在“考”环节的平均分也比对照班高，且问卷调查显示95%以上的教改班学生均为“满意”或“十分满意”。本次教学改革不仅让教改班学生得到了理论与实践结合的全方位培养，也增强了其团队协作意识，调动了学生学习的主观能动性。特别是在分析与计算水面曲线随关键参数（如糙率）变化的过程中，学生认识到关键参数取值的微小误差即可引起水面曲线的显著调整，可能造成淹没风险增加或水库移民成本投入加大等不利后果，有助于强化其工程责任意识和精益求精的大国工匠精神。

目前，长沙理工大学水利类专业学生学习“水力学A（一）”和“水力学A（二）”；
船舶与海洋工程专业学生学习“流体力学（一）”和“流体力学（二）”；
交通类、土木类专业和给排水科学与工程专业学生学习“水力学C”。根据2021—2022年度教學安排，两学期所有学习“水力学”课程的学生人数达到1 900余人。随着后期推广和线上资源开放，课题组成员所教授班级，以及长沙理工大学城南校区和本部近2 000名学生均可通过教学资源共享受益。

但在后期推广“水力学”课程案例式+翻转课堂教学模式的过程中，应注意根据不同专业培养目标和学生实际能力水平合理确定案例讲解的深度，并科学分配课前、课中、课后时长和对应内容的体量。

专业基础课程服务于工程实践是当前高校教育追求的重要目标，本次教学改革是率先将案例式教学和翻转课堂教学模式融合于“水力学”课程的一次尝试。即基于前期科研项目，在重要章节引入典型工程案例，围绕案例，以翻转课堂模式代替传统授课模式进行教学，符合“金课”“两性一度”的建设标准。该教学模式有助于学生在掌握理论知识的同时，提前接触工程实际、熟悉工程问题的解决方法和培养大国工匠精神，成果可为国内高校同类课程提供有益的参考。

参考文献：

[1]  宫月.案例教学在MPA课程教学中的应用研究[J].黑龙江教育（理论与实践），2021，75（3）：79.

[2]  刘振怡.从“理论描述”到“问题导向”：“哲学导论”翻转课堂教学应用分析[J].黑龙江教育（理论与实践），2022，76（2）：78.

[3]  袁鹏，贾敏，张文静，等.翻转课堂结合案例式教学模式在心血管基础医学实验中的实践应用[J].心脏杂志，2021，33（2）：223.

[4]  吴慧芳，杨曼婷，陈薇，等.情境式案例在“水力学”课程中的应用[J].科教导刊（中旬刊），2019（5）：106.

[5]  刘雪梅，何逢标.多平台联合应用构建线上翻转课堂的实践探索[J].创新创业理论研究与实践，2022，3（22）：42.

编辑∕丁俊玲

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