基于ADDIE模式的土木工程材料實驗課混合式教學探索

段海娟， 王 英

（1.上海交通大學土木工程系，上海市公共建筑和基礎設施數字化運維重點實驗室，上海200240；2.上海師范大學建筑工程學院，上海201418）

0 引 言

互聯網和信息技術的快速發展推動教育模式的創新，各種基于互聯網技術的教學模式得到廣泛應用，如大型開放式在線課程MOOC［1-2］、小規模專有在線課程SPOC［3-5］。在“互聯網＋”的背景下，混合式教學得到蓬勃的發展。混合式教學是不同學習方式和教學要素的相互結合，借助面授與網絡這兩種學習模式的優勢來重新組織教學資源、實施教學活動，以達到提高教學效率的目的［6］。它不僅是面對面教學與在線教學的混合，也并不是簡單的技術混合，而是為學生創造一種真正高度參與性的、個性化的學習體驗［7］，真正體現了以學生為主導的教學理念。目前，混合式教學模式大多應用于理論課程，應用于實驗課程相對較少［8-9］。

實驗教學是培養學生動手能力、團隊合作精神、解決問題能力、創新意識和學術綜合素質的重要途徑，是理論教學不可替代的［10］。由于實驗課程的學時和實驗室空間有限，將混合式教學理念引入實驗教學，從網絡中拓展出時間和空間，對于需要學生親自動手、實際參與的實驗教學，利用線上完成部分學習內容，可把更多的時間留給學生在線下到實驗室親自動手實踐［11］。實驗課有更大的“教”與“學”的設計空間，能充分展現混合式教學模式的優點［12］。本文以土木工程材料實驗課程為例對實驗課程混合式教學模式的設計和實踐進行研究，為實驗教學改革提供借鑒。

1 ADDIE教學模式

ADDIE是5個英文單詞（Analyze，Design，Develop，Implement，和Evaluate）的首字母縮略詞。ADDIE教學模式包含分析、設計、開發、實施和評價5個階段［13］，如圖1所示。它起源于美國弗羅里達州立大學教育技術研究中心為美國陸軍設計和開發的培訓模型［14］。ADDIE教學模式的優點在于從需求分析、教學設計到開發和實施整個過程中的每一步都可以反復地進行評審和修改，體現了以學生為中心的理念。

圖1 ADDIE模式

2 基于ADDIE教學模式的土木工程材料實驗課混合式教學

2.1 分析階段

（1）教學對象分析。土木工程材料實驗是一門包含理論與實踐的專業基礎課程，該課程在土木工程類各專業的教學體系中起著承上啟下的作用，是由基礎課向專業課過渡的橋梁［15］。其教學對象是土木工程及相關專業大學二年級的學生。當今的大學生已經是21世紀出生的00后一代，對網絡很熟悉，非常熟練和習慣從網絡上獲取知識。這些學生在大學一年級學習過大學物理、高等數學等基礎理論知識，但還沒有學習土木工程的專業知識。

（2）教學目標分析。教學目標是教學的指南，也是教學評價的依據。土木工程材料實驗課程的重點為應用型和科研型實驗，學生通過該課程的學習掌握建筑材料檢測的技術，開發新材料的科研方法。因此，土木工程材料實驗課程的教學目標包括知識技能目標、能力培養目標和情操培養目標3方面。知識技能目標是使得學生熟悉常見建筑材料國家技術標準、掌握土木工程材料試驗基本原理、操作技能和設計實驗方案的方法。能力培養目標包括處理試驗數據、分析試驗結果的能力，進而培養自主學習、獨立思考、團隊合作和創新能力。情感培養目標是激發學生對科學研究的興趣、培養嚴肅認真、實事求是的嚴謹治學態度。

（3）教學內容分析。教學內容是指為了實現教學目標，要求教學對象必須學習的知識、技能、態度和行為經驗的總和。教學內容分析就是圍繞總的教學目標，確定教學內容的深度和廣度。土木工程材料實驗課內容的選取要立足基礎性和系統性，在此基礎上強調綜合性和創新性。通過基礎性實驗掌握土木工程材料的基礎知識點、儀器操作方法和數據處理方法。綜合性和設計性實驗培養學生發現問題和解決問題及團隊合作的能力。兩者相輔相成，不可偏廢。

2.2 設計階段

設計階段的主要工作為依據分析階段的結果，進行課程教學內容的設計和教學過程的設計。

2.2.1 教學內容設計

實驗教學內容依據知識、能力和情操培養的目標，遵循模仿、綜合、創新循序漸進的原則，設計3類實驗：驗證性、綜合性和研究性實驗。我校開設的土木工程材料實驗項目有：水泥試驗、砂漿試驗、普通混凝土試驗、鋼材物理性能試驗和瀝青混合料試驗。各實驗對應的知識、技能目標如表1所示。驗證性實驗是學生根據教材給定的標準材料和實驗步驟進行實驗。學生通過驗證性實驗，可以幫助和加深對基本概念的理解、掌握儀器的操作和數據處理的能力。綜合性實驗，就是給定實驗題目和材料，學生自行設計實驗并動手完成實驗，記錄數據并完成報告。而研究性實驗是學生自行選擇研究題目，自行準備材料并設計實驗，與指導教師討論確定實驗方案。然后到實驗室完成實驗，記錄數據、分析數據，撰寫報告或論文。

表1 教學內容及培養目標

2.2.2 教學過程設計

教學過程是指教師和學生在共同實現教學任務中的活動狀態變換及其時間流程，由相互依存的教和學兩方面構成。教學過程的設計是根據教學目標和教學內容來設計呈現教學內容的順序和方式，它決定了學生的學習效果，在教學過程設計中應充分體現教師的主導作用和學生的主體作用。土木工程材料實驗課的教學過程包括以下5步。

（1）實驗導入。引起學生注意，激發學生興趣。每個實驗前，提供一些工程案例的圖片、視頻或相關的新聞事件。比如透水混凝土，可以播放一些城市內澇的視頻，及透水混凝土的透水過程，激發學生對透水混凝土的好奇和研究的興趣。

（2）學習目標。向學生說明本實驗的學習目標。如水泥膠砂強度實驗的目的是了解水泥品質檢驗的操作方法及強度試件的制作，掌握水泥品質各技術指標的實際工程意義和測試方法。

（3）課前測試。發布一些與本次實驗相關的測試題，以了解學生已具備的知識與能力，并根據情況對后續的教學作相應調整。學生通過測試了解其在哪些方面還有薄弱環節，并注意加強學習。

（4）開展實驗。組織學生進入實驗室動手開展實驗。

（5）課后總結。教師對本次實驗作總結及后期安排。學生對照學習目標，看看是否達到目標，并整理數據撰寫實驗報告。

2.3 開發階段

開發階段的主要工作是教學素材的收集、線上教學資料的建立、制作。線上教學資料主要包括實驗微視頻、實驗教學課件、工程案例的網絡資源庫及相關土木工程材料網站鏈接。每個微視頻的時間在5～8 min左右。驗證性實驗和綜合性實驗的視頻內容包括：實驗目的、儀器介紹、實驗操作和數據處理及思考題。研究性實驗的網絡教學資源包括：研究背景和工程意義、相關實驗原理介紹、優秀案例展示。

采用屏幕錄像軟件Camtasia Studio來錄制實驗微視頻。首先制作實驗目的、實驗原理及數據處理的課件PPT。選擇安靜的環境，打開Camtasia Studio的錄屏功能，播放PPT的同時進行講解，錄制結束后保存。儀器介紹和實驗操作的實驗微視頻在實驗室完成，采用外置攝像頭來拍攝。開始先采用大全景鏡頭介紹一下整個實驗環境，然后逐個拍攝本次實驗所用的儀器設備。由研究生助教完整地做一次實驗，用長鏡頭連續拍攝整個實驗過程，一些實驗細節采用特寫鏡頭拍攝。

錄制好的實驗視頻，進行畫面剪輯，配上語音講解和字幕。畫面的剪輯要注意拍攝的清晰和連貫。沒有講解的部分畫面可以配置一些優美的背景音樂提高視頻的觀賞性，并可營造愉快和輕松的氛圍。剪輯好后轉為常用的視頻播放格式，如MP4等，以方便學生播放和觀看。

2.4 實施階段

實施階段是整個教學過程的核心階段，是教師采用不同的策略和方法向學生傳達教學內容的階段。土木工程材料實驗課的混合式教學的實施分3個環節：實驗課前、實驗課堂和實驗課后。學生自由組合實驗小組，每組3～5人，指定1名組長。

（1）實驗課前。每次實驗課前1周，在網絡教學平臺CANVAS上布置實驗題目，上傳實驗教學視頻和輔助資料。驗證性實驗的資料包括實驗課件、實驗微視頻和實驗自測題。學生自由選擇時間學習和收看實驗課件、實驗微視頻，完成實驗自測題。在學習過程若有疑問，可以通過網絡教學平臺反饋，也分布在平臺討論區，同學們一起討論。設計性實驗和研究性實驗資料包括實驗原理、研究背景和實驗設計方法。學生自行學習網絡教學平臺的資料后，查閱圖書資料、在實驗室現有實驗設備的基礎上，設計實驗方案。然后將實驗方案上傳給指導教師審閱，指導教師審閱后，給出指導意見。學生根據指導意見再次修改和完善實驗方案，同時做好一些特殊材料的準備。

（2）實驗課堂。學生按課程安排的時間到實驗室完成實驗。實驗操作開始前，指導教師將同學們在教學平臺上提出的一些共性問題給予講解。講解結束后，學生按小組開展實驗。每個小組按照設計好的實驗方案和實驗步驟開始實驗。在實驗過程中，指導教師和助教在各小組間巡視，學生遇到問題可以得到及時指導和引導。實驗期間還利用投影儀播放相關的儀器設備使用方法、實驗注意事項和實驗小常識幫助學生順利完成實驗并拓寬知識。

（3）實驗課后。實驗結束后，根據課件的介紹方法，學生處理記錄的實驗數據并分析和討論實驗結果。綜合性實驗的實驗報告中，除了實驗數據分析和實驗結果外，還要回答一些問題。例如：在普通混凝土實驗中水膠比、養護條件和試件尺寸等對混凝土強度的影響。研究性實驗報告包括實驗設計的思路、實施過程結果分析，并在此基礎上制作成匯報的演示文稿。教師在實驗后發布一些課外相關的拓展資源，讓感興趣并學有余力的學生自主學習。并且教師在平臺上保持與學生的線上互動討論，為學生答疑解惑。

2.5 評價階段

評價階段也是整個教學活動中最重要的一環，是對教學課程及學生的學習效果進行評價。土木工程材料實驗課程的評價包括兩部分：教學效果評價和學生成績的評價。

（1）教學效果評價。教學效果的評價采用問卷調查和教學督導聽課及座談的方式進行。在整個課程進行到一半和課程結束時在教學平臺上發布問卷調查表。問卷調查的題目有問答題和選擇題。問卷內容包括學生對實驗內容、教學設計和線上學習課件的反饋，以及學生對實驗技術及理論的掌握情況，還有學生的自主學習、分析和解決問題的能力是否提高的情況。教學督導以聽課和座談的方式參與整個教學的全部階段，從分析、設計、開發到實施的每一個階段給出評價。

評價涉及實驗內容設計、視頻界面布局和音效及整體效果。根據督導的評價和學生問卷調查的結果，仔細分析總結，在本次教學過程中和下一次課程中做出修改和調整。

（2）學生成績評價。學生實驗課成績的評定實行評價指標多元化和過程性。不同于以往的僅僅通過一份實驗報告去評定學生的成績，從多個指標對學生的實驗課程學習情況進行考核，評價指標包括實驗設計能力、自主學習能力、實驗操作能力、分析實驗結果及團隊合作和表達能力。

成績的過程性評價指的是評價貫穿整個學習的過程，包括線上和線下。線上考核包括自學小測驗和參與討論的情況，線上考核占總成績25%。線下考核包括實驗設計和實驗操作過程占40%，實驗后的分析和實驗報告，占比35%。

3 結 語

實驗教學是高校培養學生創新能力的非常重要和關鍵的一個環節。ADDIE教學模式包括分析、設計、開發、實施、評價5個階段，這5個階段互相協同，形成閉環，促使教學不斷優化。以土木工程材料實驗課程為例，詳細介紹了ADDIE教學模式的各個步驟。通過線上、線下混合式教學，充分利用在線教學和現場實驗教學的優勢互補，拓展了實驗教學的時間和空間，學生能夠自主安排學習時間，完成實驗理論學習和實驗設計，提高了在實驗室實驗效率和實驗教學效果。基于ADDIE模式的混合式實驗教學為傳統工科實驗教學提供了一個新的思路，有助于提高實驗教學效果以及培養學生的自主學習能力、實驗操作能力、團隊合作精神，科研創新能力。