基于SPOC 的流体力学课程线上线下混合式教学模式的改革与实践

1SPOC的发展MOOC（MassiveOpenOnlineCourse）由美国麻省理工学院于2008年首次提出，之后在全球范围内被广泛应用[1]。MOOC作为一种新的教学资源，改变了传统单一的课堂教学形式，对高等教育的发展起到了重要的推动作用，因而受到高校教育工作者的广泛关注。截至2014年，中国大学MOOC已成为被广泛应用的在线课程平台，其对提高在线精品课程共享率、支持线上开放课程的建设与运行发挥了重要作用。但是，使用MOOC开展教学的模式由于缺乏教师的深度参与，师生之间互动较少，难以达到预期的教学效果。为了弥补这一不足，美国加州大学伯克利分校的阿德·福克斯教授提出了SPOC（SmallPrivateOnlineCourse）混合式教学模式[2]。SPOC混合式教学具有小规模、专业性特点，其充分利用线上平台的教学资源，通过将线上与线下两个教学平台有机结合，为学生提供完整、更具有针对性的教学内容，提升教学效果。SPOC混合式教学既能够发挥教师的引导、启发和监控教学过程的主导作用，又能激发学生作为学习主体的积极性、主动性和创造性，真正体现“以学生为中心”的教育理念。在国内，SPOC课程最早开设在清华大学“学堂在线”平台。康叶钦对SPOC的概念和理论进行了详细的阐述[3]。随着各高校相继开设SPOC课程，越来越多的教师开始关注、研究并使用SPOC教学模式。2流体力学课程实施SPOC混合式教学模式的必要性流体力学（水力学）课程是宁夏大学土木与水利工程学院土木工程、水利水电工程、农业水利工程、交通工程等本科专业的一门重要的专业基础课程，在课程体系中具有承上启下的作用，是学生学习后续专业课的基础课程。对于土木类专业本科生而言，流体力学是一门重要的基础课程，其知识体系可以大致分为三个方面：一是流体的基本物理性质和力学特性，二是流体力学三大基本定律，三是流体力学基本理论在工程中的应用。流体力学课程的特点是理论性、实践性、应用性较强，教学目标是学生掌握流体平衡状态下和运动状态下的基本理论和方法，同时具备运用流体力学基本理论和方法解决实际工程问题的能力。宁夏大学土木与水利工程学院2019年制定的新教学计划将流体力学授课学时压缩为32学时，其中理论课为27学时，实验课为5学时。为了保证流体力学（水力学）课程的教学质量，宁夏大学土木与水利工程学院流体力学（水力学）课程组于2019年开始探索实行线上线下混合式教学模式。课程组5位教师于2019年年底借助超星学习通平台建成了符合学院实际需求的流体力学（水力学）课程线上教学资源。目前，课程线上资源经过流体力学、水力学两门课程两个学期的使用和建设，已经初步完善，为学生线上自主学习提供了教学资源。课程组教师在教学过程中充分利用线上资源，同时借助超星学习通平台，将综合案例融入教学，初步构建了基于案例的线上线下混合式教学模式。从学生的学习热情、在线学习数据、课堂学习效果和期末考试成绩来看，流体力学线上线下混合教学模式可以初步解决传统教学中的一些问题，提高教学质量和教学效果。3流体力学课程SPOC线上线下混合式教学模式的实施3.1基于超星学习通平台的在线课程资源建设流体力学（水力学）课程作为宁夏大学土木与水利工程学院土木工程、水利水电工程、农业水利工程、交通工程等本科专业共同开设的一门课程，选课人数较多，达到200人以上。为了进一步落实“以学生为中心”的教育理念，完善课程的在线开放教学模式，课程组5位教师于2019年年底借助超星学习通平台建设完成了线上教学资源，并拥有了自主建设的线上平台，通过开展SPOC混合式教学，构建了学生深度参与的课堂教学模式。流体力学课程SPOC线上资源内容主要包括：（1）结合流体力学的课程与内容特点，将各章节的内容通过分解、遴选和重组知识点，构建以知识点为节点的知识架构，制作完成40个教学微视频，内容包含流体的主要物理性质、流体静力学、流体动力学、流动阻力与损失、有压管道中的恒定流、明渠均匀流、明渠非均匀流七个章节，覆盖了教学大纲要求的所有教学内容；（2）设置知识点课前检测习题、习题求解过程演示、章节课后测验题、线上线下讨论、开放式学习、知识点总结回顾等实践环节，建设包含电子教案和演示文稿、课程测试题、讨论题、开放习题的资源库；（3）收集与流体力学知识相关的工程案例，形成案例库；制定每一次课前的预习任务书，形成学习任务库。线上课程资源体现了如下特点：（1）在课程教学资源建设方面，教师利用动态的图像以及具有趣味性的文字介绍对理论知识进行讲解，使学生加强对流动现象的理解记忆；（2）在讨论题设置上，遴选“是否考虑黏滞性对流动问题求解的影响”“壁面压力分布和压力体之间的关系”等综合性题目，以达到在讨论过程中将多个章节的知识串联到一起的目的，并鼓励学生将讨论的内容以文本形式记录下来，从而加深理解；（3）教师轮流管理线上讨论区，通过定期查看学生的讨论过程，对疑难问题进行回复，从而达到及时掌握学生学习情况的目的。3.2线上线下混合式教学模式的构建[4-7]结合自身教学特点，宁夏大学土木与水利工程学院流体力学（水力学）课程组自主建设的线上教学平台为学生提供了丰富的学习资源，同时与传统线下教学有效结合，发挥线上教学和线下教学的优势，构建了“课前+课中+课后”相融合的SPOC混合式教学模式，有效提升了课程教学效果。根据土木工程类专业流体力学的教学内容和特点，课程组教师发现教学设计是实施SPOC线上线下混合式教学模式的关键，即如何将线上教学和线下教学有效结合起来，使两者优势互补，达到在有限的课时内提高教学效果的目的。流体力学课程内容涵盖了流体静力学、流体运动学和动力学、流动阻力和水头损失、孔口和管嘴出流、明渠流、渗流等内容，知识点较难，公式推导复杂。教师在教学设计中需要着重考虑课程内容的安排，如课前教师要做什么准备和学生要达到什么要求；课中教师需要详细讲解哪些内容，学生需要在课堂上讨论哪些内容和问题，教师如何组织课堂讨论；课后教师如何安排检测，学生如何巩固课程内容。因而，教师需要优化“课前+课中+课后”各教学环节，在有限的课时内提高教学效果。3.2.1课前SPOC线上线下混合式教学模式借助线上平台的微视频，给予学生充分的自主学习时间。学生在课前要充分开展线上资源的学习，总结在学习中遇到的问题，并带着问题在课堂上与教师、同学进行讨论，从而使学生充分理解相关理论知识，使课堂教学质量更有保障。对于课前学习环节，教师首先需要给学生设定明确的学习任务和目标，并在每节课课前一周发布。在传统的教学模式下，任课教师通常将课程作为一个完整的体系进行教学大纲、教学目标和任务的设计，但是对于学生来讲，这个体系过于庞大，其无法理解课程的教学目标，因此也很难产生学习的兴趣。所以，课程组教师通常以一节课的学习内容来设计学习任务和目标，每次提前发布视频学习任务，该任务一定是目标明确、具体、可量化的，使学生对本节课的学习目标和内容有一个明确的认识，以便指导学生进行有效的自主个性化学习。学习目标的作用是让学生明白学什么，学到什么程度。并且，在教学改革中，流体力学课程学习目标的描述通常运用可达成的动词，如指出、阐释、描述、比较、设计等。同时，教师需要提前发布本节课的线下讨论任务，让学生提前做好准备，上课时更好地参与讨论；也可以根据章节特点发布思考性作业，如绘制章节思维导图等，让学生加深认识，回顾知识点；还需要有针对性地设计课前学习检测练习，让学生对自己的预习效果进行检验。学生在课前需要自主学习线上资源，并完成相应的任务点，如思维导图的绘制、线下课堂汇报、讨论任务PPT的制作及课前测验等；学生也可以把自己学习过程中存在的疑问发布于讨论区，供教师进一步了解学生的学习情况并给予解答。学生可以在线上平台反复学习本课程的相关知识，巩固知识点，让线上资源发挥长期指导作用（见图1）。3.2.2课中在线下教学中，教师要改变传统教学方法。首先，教师应结合本节课的课程内容和特点，搜集学生感兴趣并且贴近教学内容的工程案例或生活实例，以PPT形式展示给学生，让学生认识到本节课的内容能够解决工程或生活中的具体问题，以提高学生的学习兴趣，调动学生的学习积极性。其次，教师针对课前设置的学习目标和布置的学习任务进行理论内容掌握程度的前测，检测可采用多种方法实施，如随堂通过学习通发布多种类型的测试题、开放式讨论题等，通过学生的抢答结果，能够很好地反映学生对本节课内容的掌握程度，加深学生对本节课内容的理解，同时也便于教师了解学生的学习情况和存在的问题，并调整后续课程的难易程度和教学进度。这两个环节共占用课堂时间45min。然后，教师把每个教学班的学生分成10组，每组6～7人，教师随机抽取5组，指定组长，并进行组内其他角色分配（角色不定期更换），由组长充当教师的角色，以PPT的形式演示自己准备的思维导图，进一步展示线上学习的效果，其他学生通过投票选出前两名的优秀“授课”组。“授课”完毕后，每一位学生均需在线上平台上传自己绘制的思维导图，以便教师课后评定并给出成绩。或者根据课前线上发布的讨论任务要求，课堂上两两小组交叉讨论，讨论后各组修改完善自己的方案，通过学习通平台上传最终方案；学生进行评论、点赞，投票选出前三名的优秀方案，教师将优秀方案投屏，小组代表上台分享方案设计思路，并说明组内分工以及如何解决遇到的问题等，教师给优胜小组加分，这样可以增强学生的积极性。最后是教师总结环节，教师主要以思维导图方式针对学生存在的问题及课堂内容及进行简要的启发式总结，同时进行简单的知识延伸讲解，并提示下节课内容以及相应的学习要求。3.2.3课后课堂学习结束后，学生通过对课堂授课内容的深入认识，有针对性地再次借助线上平台视频、知识点总结巩固学习，并完成教师在平台中发布的课后作业，进一步对易混点、易错点和重难点知识进行巩固，了解自己对知识点的掌握情况；同时，学生也可以在讨论区提出自己的疑问，其他学生或教师均可以给予答复。教师给学生布置不同类型的课后作业，并在批改作业后提供相应的答案，以供学生对照答案改正错误；同时，教师需要在讨论区答复学生提出的问题，评阅学生在线下课堂上传的思维导图以及课堂问题讨论方案。3.3通过线上平台融入工程案例[8-10]流体力学课程是一门工程应用性较强的课程，目前在教学中存在一些问题：学生工程观不强、学习兴趣不高，缺乏明确的工程目标和工程思维能力，分析解决实际问题能力较弱；学生工程应用、综合分析能力弱，前后知识点的衔接及融会贯通能力较弱，理论联系实际的能力不足，不能学以致用。因此，在教学改革过程中，教师需要重点进行综合案例素材的收集和整理，保证案例的内容紧贴教材，能够使授课内容的每一个知识点都在案例中有所体现。同时，将精选的综合工程案例在线上平台按照理论内容进行整合与发布，学生在学习每部分内容前后均可在线上查看教师发布的综合工程案例，并熟悉案例中涉及本章的内容以及教师所提供的一些导向性问题。教师对学生提交的设计方案进行评阅，并在线下进行相应的点评，学生也可以在线上查看自己获得的点评，从而了解自己对本章知识的掌握情况。下一章内容讲授完成以后，学生可以利用学习的知识去修改完善设计方案，并提交教师批改。当全部章节内容讲解完，学生的整体设计方案也同步完成。通过这样的过程，教师将课程中孤立的章节串联起来，为学生呈现完整的知识体系。学生能够进行水利工程的初步设计，还能够多角度分析问题，形成发散性思维。3.4多元动态考核体系的实施[11-14]在没有实行线上线下混合式教学之前，流体力学课程一直采用传统的评价方法：闭卷考试（占比60%）和平时作业（占比30%）、考勤/随机提问（占比10%）。传统考核方法主要从上课考勤、课堂随机提问和平时作业几个方面来考量平时成绩，经常会出现期末闭卷考试成绩与平时成绩不一致的情况。实行了基于SPOC的线上线下混合式教学后，改革考核模式也是提高教学效果的一项关键举措。为了充分保障学习效果，课程组教师建立了将线上学习、讨论、测验等数据和线下课堂表现、期末闭卷考试有机结合起来的多元化考核评价体系，以调动学生在线学习的积极性，提高学生自主学习的能力，增强学生自主学习的意识。具体考核的单元模块和考核成绩占比如图2所示。从图2中可以看出，混合式教学考核模式期末闭卷考试成绩占比依然较大，主要考虑的是闭卷考试模式依然是科学考查学习效果的有效途径，能够检测学生的最终学习效果。但同时也兼顾了学生线上学习以及线下课堂PPT的汇报情况以及参与课堂讨论的程度，能有效促进学生自主学习习惯的养成和学习能力的提升。图2基于SPOC的线上线下混合式教学考核体系构成3.5教学效果对比分析[15]为了分析实行线上线下混合式教学与传统教学方法对学生满意度、学习效果等方面的影响，课程组对宁夏大学土木与水利工程学院土木工程专业实行传统教学的2018级学生和实行线上线下混合式教学的2019级的学生进行网络问卷调查和成绩分析，调查结果见表1。表1混合式教学实施效果评价成绩分析采用的是卷面成绩，这是由于学生的综合成绩是由平时成绩和卷面成绩加权合成，改革前后的权重不同，因此，学习效果的衡量选取闭卷考试卷面成绩。选取2018级实行传统教学的土木工程专业78人的期末考试卷