目前,慕课建设与混合式教学在高等院校中越来越受重视,不断有新建成的慕课课程出现并投入应用。2020年的COVID-19疫情进一步推动了在线授课,作为线上授课的媒介之一,专业课的慕课建设迫在眉睫。

　　 但是,目前慕课课程多是量大面广的公共基础课、工科基础课、人文社科课程与科普课程,而针对特定工科专业的专业课慕课课程较少,进行翻转课堂混合式教学实践的教学团队就更少了。2016年以来,清华大学建筑环境与能源应用工程(以下简称建环)专业教学团队陆续建设建环专业慕课课程,并开展了翻转课堂的混合式教学探索,已建成的必修课程慕课包括“暖通空调”“建筑冷热源”“建筑环境学”等,其中“暖通空调”被评为2018年国家级精品在线课程。本文将分享摸索中获得的经验与教训。

　　 建环专业具有典型的“大工科”特点,其基础课几乎涵盖了全部工科专业要求的基础课程,包括数理化、全部类型的力学(固体力学、流体力学、热力学)、机械、电工电子、计算机、自动控制、建筑学基础、建筑环境学(生理学、心理学、气象学)等,基础课程学时很多。另一方面,由于现代暖通空调领域技术日新月异,核心专业课程学时却又不断地被要求压缩。因此,保证专业课程教学质量和压缩学时就成为了一对突出的矛盾,这在全国近200所开设建环专业的高等院校中普遍存在。

　　 清华大学建环专业教学团队长期以来致力于通过推进教学改革来应对人才培养的需求,持续探索“通”“专”兼备的创新实用型人才的培养方法,建立了“以实践能力培养为核心、贯穿整个教学环节”的教改方案和“牢固基础、强化专业、胜任实战”的课程体系 ^[1]。为了解决专业课程学时压缩产生的矛盾,进行了长期的专业课程体系优化和教学方法改革的探索 ^[2]。

　　 不管是原来的暖通专业还是在目前的建环专业,认证标准中,“暖通空调”和“建筑冷热源”都是必备的核心教学内容。以往包括“空气调节”“空气调节用制冷技术”“供热工程”“锅炉及锅炉房设备”及“通风工程”等多门课程,学时达16学分以上。20世纪80年代末,清华大学仅“空气调节”一门课程就达96学时(分为64学时和32学时两部分,相当于现在的6学分)。因此这部分课程内容的改革成功与否具有决定意义。

　　 通过不断改革和调整,将上述专业课程的大部分内容凝练整合为5学分的“暖通空调与冷热源”课程,同时还增加了辐射供冷/暖、新型热源设备与空调水(冷却水和冷热水)系统等新内容;其余的理论部分与新增的能源系统规划内容则整合到新建的3学分“城市能源系统”课程中。此外,将所有课程的设计环节整合为12学分的“暖通空调课程设计”,并把所有专业课中与设计相关的内容转移到“暖通空调课程设计”课程中 ^[1]。根据清华大学2017版培养方案,2019年秋季的“暖通空调与冷热源”课程已被进一步压缩到4学分(参见图1)。

　　 上述课程的凝练整合,不仅仅是为了满足学校压缩专业课学时的需要,而且是对技术发展本质的清晰梳理和高度挖掘。随着现代科学技术的发展,原本分割到多门专业课程里的技术类型也都有了很大变化,使得原有技术类型之间的界限被打破。例如:基于制冷原理就可研发出既制冷又制热的设备,突破了制冷与供热的界限;家用空调器、单元式空气调节机和多联机等直接膨胀式空调机组打破了空调系统和制冷设备的界限……。这些内容在原有分割性的专业课程体系中就难以协调或重复讲授。因此,凝练整合课程是适应现代技术发展理念的必由之路,也为毕业生未来的技术创新打下逻辑基础。

　　 将多门专业课凝练整合为“暖通空调与冷热源”是清华大学建环专业20多年来课程体系改革中最重要的一环,其方法是突出强调基本概念、原理与宏观的技术思路分析,尤其是要重视把原来分割在几门不同课程里的技术类型的共性和差异性进行对比分析,让学生对这些技术与方法有更深层次的理解,以期实现举一反三,触类旁通。通过案例教学和大量思考题促进学生自主学习,加深理解。原有专业课程中的技术细节与具体技巧都整合到“暖通空调课程设计”和其他实践环节中,让学生在干中学,在减少学时的同时提高学习效率,具体实施方法参见文献[2]。

　　 5学分的“暖通空调与冷热源”慕课分为“暖通空调”与“建筑冷热源”两部分,作为先后衔接的课程。“暖通空调”于2016年秋上线,“建筑冷热源”于2019年秋上线,并分别从2017年秋季学期和2019年秋季学期开始,在线下翻转课堂课程中使用了两门慕课。

　　 “暖通空调”慕课的制作还有一个重要目的,就是建环专业教育指导委员会一直倡导专业课程体系的浓缩和整合,但是最为核心的专业课“暖通空调”在各院校的整合过程中普遍存在把原有几门课程简单堆砌在一起的现象,未能理顺各项技术之间的内在逻辑关联,难以达到整合凝练提高的目的,因此又有不少院校退回到原有的几门课的教学中。《暖通空调》教材也存在类似情况,导致很多院校的教师讲课时遇到困难。所以希望做一个“暖通空调”课程整合的模板,通过清华大学慕课平台把多年的教学改革成果对外进行宣传和示范,供各院校的专业课程体系优化时参考。

　　 目前,大量热门的慕课课程都是文科课程或者科普课程,而科技内容偏深奥的理工科课程则看起来比较枯燥。除了量大面广的工科基础课程受众相对较多外,专业性很强、受众面偏窄的工科专业课很难像线下课程那么受欢迎。因为在线下授课中,最具特色的师生互动、案例分析等已经都做得很好了,大量的作业题和期末开卷考试都是以开放性的题目为主导的。以视频为主的慕课课程如何才能做到尽可能发挥其优势,而不会像传统的国家精品资源共享课那样只是把课堂教学复制成教师+PPT的视频呢?

　　 通过对比课堂教学和慕课发现,慕课视频在专业课传授方面独具优势。专业课涉及系统工作流程、大型设备、案例现场等内容。由于暖通空调系统设备、管道多,而且布置隐蔽,即使在现场参观也很难看到全貌。学生在课堂上听课时很难想象真实对象是怎么运行的,会感到课程内容很抽象,难以理解。但是慕课可以利用影视手段把上述对象可视化,达到类似科教片的效果。尤其是对涉及工作原理的部分内容,通过视觉和听觉学生会理解得更加深刻。

　　 为了取得更好的视觉效果,“暖通空调”慕课尝试了大量的视频表现手法。例如:动画效果是最广泛采用的手段,尤其是在介绍空气处理过程在焓湿图上的表达与过程分析中效果很好;采用三维模型显示暖通空调设备系统与建筑之间的关系具有显著优势;另外,还采用了三维虚拟现实的手段,使主讲人和助教置身于不同的案例建筑中,为学生讲解哪些送风末端和气流组织方案会造成不良效果,哪些改造方案会更合理。说到换某种设备,这个设备马上就可以出现在画面上适合的位置;讲到屋顶内的构造时,吊顶也可以瞬间消失……。在“建筑冷热源”慕课中也是如此。例如:采用透明的机体结构和步进的慢放动画,配合针对性的讲解,就可以让学生更为清晰地理解各类压缩机、电子膨胀阀、制冷设备的工作原理和容量调节方法;为了让学生了解压缩机的制造流程,与压缩机厂家合作制作了《一块钢板的旅程》视频,使学生不仅了解到压缩机的生产工序、制造工艺,还能体会到我国压缩机工厂的自动化程度、质量控制水平。这种身临其境的仿现场讲解方法使学生更容易理解教学案例涉及的内容,还能增加对专业的自豪感。

　　 在课程的很多章节,采用主讲人与助教聊天的形式,就所讲内容引入很多思考题。助教有意说出学生容易出错的说法,主讲人再与助教采用讨论的形式引导到正确的答案上,这样学生就能跟着这个思路澄清很多容易混淆的基本概念。

　　 另外,还制作了一个小视频——《好莱坞谍战片被暖通空调工程师怼》,放在“暖通空调”的最后一讲。视频剪辑了《碟中谍》《虎胆龙威》《生化危机》等好莱坞谍战片中特工爬风道进入防守严密的机密房间完成特殊任务的片段,加上助教扮演的暖通设计工程师的表演视频,配上大量图片,撰写了画外音台词。课堂上要求学生结合课程所学内容指出这些好莱坞谍战片中特工爬风道的桥段违背了哪些基本原理。通过生动幽默的画外音解说和视频剪辑的结合,让学生兴致冲冲地把所学知识复习了一遍,这样会给学生留下深刻的印象。

　　 慕课视频大部分的画面都是PPT加上主讲人的话外音。教师不能像课堂上那样一边讲一边指点所讲到的公式、流程或文字。如果一个复杂的画面需要讲解1 min以上,在只有画外音的情况下,学生往往不知道老师正在讲的是画面上哪一部分,需要一边听一边在画面上找相关的部分,听课的效果很不好。因此一定要把提供给制作团队的脚本写清楚,画外音讲到哪里,画面上相应的部分就突出或者有动作,而脚本的编写是慕课制作中最重要的工作,工作量也很大。因为一是要保证台词措辞严谨,二是要保证画面呈现的信息与教师的讲解相辅相成。拍摄1 h的视频,至少要花10 h准备脚本,才能保证拍出满意的效果。

　　 2017年,开始利用“暖通空调”慕课进行“翻转课堂”的混合式教学实践。当时担心的最大问题是:以前上课讲的东西,学生从慕课视频中都看到了,那么课堂上教师还做什么?仅仅是把以前的课外作业在课堂上做吗?对此,进行了如下教学实践。

　　 使用慕课视频后,可能线下授课教师会怀疑自己的角色定位。实际上,翻转课堂教学对教师提出了更高的要求,要帮助学生深入理解从慕课中学到的知识。教师无法再依赖书本和讲课PPT,而需要对工程实践和专业内涵有更深的理解,而且还要了解学生的认知思路和学习过程。所以,教师必须准备大量能引发学生加深对视频内容理解的思考题和习题,而且要引导学生们在讨论中自主讲出正确的思路和答案,帮助学生进行反思性学习、主动性学习,扩展学生“悟”的环节。

　　 具体做法是,在第一节课上首先介绍本学期这门课怎么上,然后请同学们一起看第一讲“绪论”的视频,看完后对视频留下的问题进行课堂讨论,并布置下一次课前需要观看的慕课视频内容。

　　 慕课中每一节课后都有习题,均为选择题,主要考查学生有没有看过这些视频内容,如果看过,学生基本都能答对。任课教师可以从网站上看到学生看视频的进度,并在下一次课前对还没有看视频的学生给予提醒。每一节课上课铃声响后,助教就会用“雨课堂”APP发出一批选择题请同学们回答,这些选择题的难度比慕课后面的习题高一些,需要对慕课内容有更深一些的思考。如果出错率较高,则说明部分同学还没有深入思考慕课视频中所介绍的内容。课上请答对的同学讲解正确的答案和思维过程,老师也会结合学生的讲解深入剖析选项出错的原因。

　　 雨课堂习题完成后,给出难度递进的四类题目:基本概念复习题、基本问题思考题、思考题和自由讨论题。前三类随机分配给每个小组一道题,预留一定的时间分组讨论,然后由各组推选一名同学向其他组介绍得出的答案。大家可以质疑或者补充。自由讨论题环节则由全班一起抢答问题。同学们经过相互讨论后,多数最终都能得出正确答案,教师和助教只需要在同学们跑题太多的时候纠正一下即可。

　　 此外,还会在每一节课堂上给出一些与实际生活和工程应用密切相关的题目让大家讨论。例如,有哪些办法可以防止汽车玻璃内侧起雾?开空调时一定要关窗户才节能吗?夏天打开电冰箱,用风扇往屋里吹冷风有用吗?在30 ℃,60%和25 ℃,60%两种环境下晾衣服,哪种环境下衣服干得更快?外出购物时一直开着空调更费电吗?等等。这些问题貌似简单,实际上要解释清楚必须理论基础扎实,概念非常清楚才行。这些问题的设计是非常费心思的。

　　 在翻转课堂的课内时间,智能手机是非常重要的学习工具。除了做“雨课堂”的习题以外,同学们还需要用手机查找各种资料。例如:将一个班的学生分为5组,每组都分了我国5个气候区之一及世界五大洲之一,要求他们为这些地区的主要城市查出当时的室外气象参数,然后在大屏幕上的湿空气焓湿图上标出。这样同学们不仅学会了使用焓湿图,而且还对我国及世界各国的气候多样性有了定量的认识。

　　 在进行课堂讨论时,要求同学们利用手机查出各种工程数据、规范、标准,还有一些相关的扩展知识,并直接用到所讨论的问题中。例如:让同学们观看汤姆·克鲁斯爬风道的视频,让大家估算风道能为多大面积的办公建筑送风。同学们首先要判断风道的横截面积,然后用手机建标库APP查最新版GB 50736《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》,根据其给出的推荐风速和送风温差估算出送风量和供冷能力,再查出办公建筑的冷负荷指标,最后判断所服务的建筑面积范围。教师再进一步与同学们讨论这么大面积的办公空间,用一根风管不分区送风是否合理等问题。

　　 在讲授课程第三讲“暖通空调系统”时,为5个小组分别以一座公共建筑为对象作为课后作业,让同学们为这些公共建筑进行空调分区,并为各区确定暖通空调系统形式,要求在下一节课中每个组都要给全班同学讲解本组方案,接受其他同学和老师的质疑。随后,任课老师针对学生提出的方案进行分析、点评,以开阔眼界,掌握更多的解决方案,为学生解决工程问题提供科学的思维方法。

　　 教学实践表明,采用慕课加翻转课堂的教学方式的效果非常显著。学生们反映虽然课堂压力大了,但是很有趣,很喜欢这种全员参与方式。所以,课堂上学生的注意力很集中,没有人睡觉、走神或者发呆。

　　 这种上课方式,课堂上师生可以讨论难度较大甚至有争议的问题。尽管该课程是校级精品课,但是因为课时限制,很多问题在课堂上没有时间展开深入讨论,只能点到为止,就算留作课外思考题,也只有少数同学会深入思考。而翻转课堂这种人人参与的形式就会刺激所有人跟着想问题,即使是被动跟随的学生也会有所收获。

　　 这种形式的难点在于:1) 难题在课内都讨论完了,期末开卷考试还能考什么?因此,教师需要再想办法编制有意义的题目,并更新、积累题库。2) 编制雨课堂和慕课的课后习题需要花费大量时间,任课教师和助教的工作量非常大。3) 准备线下的课堂讨论题的难度比以往做讲课PPT更大。

　　 第一次翻转课堂备课是最难的,相当于开设了一门新课,需要备课,而且方法也完全不同。当有了一定的积累后,每次开课都是在逐步完善,讨论题也逐步地更新,越做越完美,工作量也就比第一次开课要少很多。

　　 需要特别注意的是:

　　 1) 如何调动部分性格内向的同学在讨论中的积极性。学生的个性差别很大,有部分同学非常活跃,几乎抢了所有人的话,而性格稍微内向的同学会感觉自己的机会都被抢了。因此,上课老师需要把控好课程的节奏,注意给性格内向的同学创造机会,给他们留足准备时间,这样他们就不惧怕发言了。

　　 2) 如何保护学生的自尊心和自信心。有一些学生在讨论问题时说错了,甚至犯了一些低级错误,被同学反驳,感觉很没面子,自尊心和自信心受到打击后就不爱说话了。此时,老师应该像一个很好的节目主持人那样,能够敏感地发现问题,给予这些同学鼓励,让他们有机会找回面子,保护学生的自尊心和自信心。

　　 还需注意的是,课堂上看起来似乎已经讨论得很清楚的问题,过一段时间后一些学生还是会感到模糊,一考试就出错。所以,要求学生把课堂讨论过的思考题也必须在课后作为作业题写出来,所有学生都必须重新组织语言写下自己对问题的理解和看法,把一些似懂非懂的细节也搞清楚,这样才能真正夯实所学的知识。由于课内没有留给大家写作业的时间,所以,老师和助教在课外批作业的环节是不可缺少的。