網絡媒介和翻轉課堂技術耦合下的地下結構設計課程教學模式新探索

張治國 毛敏東 陳有亮 邵 俐 李 寧

（上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093）

0 引言

隨著我國高校高等教學工程新工科課程建設的不斷發展，進一步探索高等學校教學模式，將是國家推進教育改革和增進高校畢業生高質量就業的重大措施[1-2]。一方面，我國開展的工程教育認證提出以學生為中心、成果導向和持續改進的三大理念，旨在迫切需要各高校向社會輸送大量高質量高素質土木類工程技術人才[1-2]。另一方面，新媒體時代的各種網絡媒介工具為培養學生的專業學習和工程實踐能力方面提供了軟件支持，其中網絡媒介與翻轉課堂技術的耦合顯得尤為重要[3-5]。上海理工大學建筑與環境學院在近幾年合理使用新時代網絡工具，教師由“教”轉化為“引導”，學生由“被動學習”轉化為“主動探究”，為土木行業人才培養與課程模式探索優化貢獻出一份力量。

上海理工大學建筑與環境學院針對當前地下結構設計課程教學中存在的問題，進行了網絡媒介與翻轉課堂耦合的地下結構設計課程教學模式的新探索。地下結構設計課程作為當代土木工程專業人才必須掌握的一門課程，同時也作為土木工程類專業高校教育中最為重要的一環。對于學術研究而言，該課程為部分土木工程相關專業后續深入研究提供基礎；對于日后工作而言，地下結構設計和實際工程中結合就顯得極其重要。但在傳統教學方法中存在諸多不足，如人才培養方案定位模糊、課程設置不夠科學、教材部分內容不夠前沿等缺陷，不利于學生對知識的融會貫通和綜合利用，以致人才培養計劃不能體現現代城市地下結構工程的特點，人才培養質量也不能完全滿足時代發展和企業的需求[6-8]。因此，結合我校的土木工程專業的培養目標，充分利用優質的網絡媒介資源，合理通過翻轉課堂教學，積極進行教學模式的新探索，進一步提升了地下結構設計課程的教學質量。

1 地下結構設計課程在傳統教學中的主要缺陷

地下結構設計課程的主要目的是為了了解地下結構設計的規范與設計的基本理論，掌握地下結構設計與計算的基礎理論和技能[9-10]。目前，針對上海理工大學環境與建筑學院地下結構設計課程傳統的教學方式，主要為教師對照教材，通過板書與PPT講授理論課程，學生輔以課后練習加深對理論設計知識的理解。但翻轉課堂作為新時代課程教學模式的一種探索，是指在課前學生自主觀看網絡平臺視頻，教師在課中和學生一起互助探究，解決難題的一種教學模式，較好的滿足了學生個性化學習的要求。筆者在教學實踐中發現，傳統教師講而學生聽的被動教學模式的弊端在引入學生積極參加而老師輔助引導的翻轉課堂新模式后得到了較好的解決。同時，筆者總結了傳統教學中三個方面的主要缺陷：

1.1 課程晦澀難懂，學生興趣不高

地下結構設計課程具有理論性和綜合性較強的特點，一方面表現為多學科交叉，例如，在地下結構荷載計算時涉及土力學與結構力學專業知識，在地下結構截面計算時又涉及混凝土專業知識；另一方面表現為涉及面廣，課程主要講解了基坑、隧道、管道、支護等多種地下結構類型的設計方法，對學生數學和力學的能力要求較高。由于地下結構設計課程授課時間有限，學生通過課堂中老師展示的圖片和視頻，無法得到最直觀的認識，導致其缺乏主動參與學習的機會，且學生在課下消化知識過程中無法及時與教師溝通，在接觸如此復雜且枯燥的理論知識時難免失去耐心，興趣不高，學生主觀能動性缺乏。

1.2 理論與實際結合不夠緊密，工程應用較少

地下結構設計課程具有很強的實踐性和應用性，其理論體系需要與實踐經驗相結合。例如，在基坑支護、盾構隧道、沉井結構、箱涵結構和頂管結構等地下結構設計過程中，許多學生由于不清楚基本概念與結構設計原理，只是一味地照搬設計模板，甚至抄襲其他同學的設計，導致設計書中出現許多原則性錯誤，畢業生進入工作單位后仍然看不懂地下結構施工圖紙。

1.3 研究性和前沿性內容偏少，部分授課內容偏舊

對于畢業后主要從事地下結構設計與施工的學生來說，有必要了解當前地下結構工程界的正在使用的先進設計方法。但目前地下結構設計課程教學仍然以傳統的結構形式和經典的解析公式為主體，而對于現代地下設計工程領域廣泛使用的數值分析軟件，如基坑設計使用的啟明星軟件，課上的講解寥寥無幾。同時，當代工程上前沿的設計方法也沒有及時進入教學課堂中，例如，國內外在大型基坑中廣泛采用的大直徑多層環形支撐等新型支護形式，在課堂教學中的基坑支護結構設計還局限于傳統的懸臂擋土墻，顯然教學內容已不能適應日益復雜的實際工程實際和施工要求。

綜上所述，傳統教學模式已不能滿足現代化地下結構設計課程的教學目標，但網絡媒介和翻轉課堂技術耦合下的課堂教學新模式可以較好地解決上述缺陷，兩者間主要對比如圖1所示。2020年，教育部高等學校土木工程專業教學指導分委員會特別推薦了中國大學MOOC、智慧樹、學堂在線和學銀在線四個網絡媒介平臺[11]，為翻轉課堂的實現提供了重要的保障，課前學生通過以上網絡媒介平臺自主學習；課中更多的采用分組討論、合作及展示，引導學生逐漸形成“發現問題、思考分析、繼續發現新問題—小組討論—解決問題”的思路；課后通過具體練習、校企合作模式等檢驗學生掌握程度。最終形成網絡媒介和翻轉課堂技術耦合下地下結構課程新教學模式，具體思路如下節所示。

圖1：網絡媒介和翻轉課堂技術耦合下的課程教學模式與傳統教學模式的對比圖

2 網絡媒介和翻轉課堂技術耦合下的地下結構設計課程教學模式思路

如何改變地下結構設計課程傳統課堂教學模式？如何探索并建立網絡媒介和翻轉課堂技術耦合下教學模式新思路？筆者以上海理工大學環境與建筑學院20人小班《地下結構設計》教學為實踐主體，就其中“盾構法隧道結構設計”章節，從整體上將教學模式思路劃分為三個板塊，即課前自主學習、課中合作探究和課后鞏固拓展，如圖2所示。

圖2：網絡媒介和翻轉課堂技術耦合下的課程教學模式思路

2.1 課前自主學習

課前教學環節具體通過上海理工建立的超星網絡教學平臺或微信平臺發布本周學習任務，學生提前預習“盾構法隧道結構設計”章節的內容，主要由觀看視頻、線上測試、討論與反饋三個部分組成。

地下結構設計課前觀看的視頻主要是以網絡媒介的課前學習的資源和場所為主。筆者選定慕課上崔振東教授主講的《地下結構設計》，作為課前學習的優質網絡媒介資源。教師根據學校的教學大綱和教學計劃，將慕課教學視頻的內容與學時進行合理分配發布給學生。其中，“盾構法隧道結構設計”章節內容主要包括盾構隧道襯砌結構設計流程、襯砌結構設計、隧道防水及處理、盾構法隧道結構設計算例四大部分，而學校安排3個學時不足以細講盾構隧道設計這一章節的課程知識，學生在課前一周的時間內通過慕課資源平臺進行學習，觀看視頻的時間控制在90分鐘到120分鐘之間，將視頻分為10-15段進行觀看，使得學生可以在課下充分采用碎片學習的方式，完成一部分內容的自主學習。針對“盾構法隧道結構設計”章節筆者一共分為12個知識點，共110分鐘，如表1所示。

表1：課前線上知識點自主學習內容

學生在通過自學，觀看微視頻、查閱相關文獻后，接著完成線上的啟發性思維的線上測試。針對難度較低的盾構隧道襯砌結構設計流程，采用課前測試來評估學生的學習情況；對于實踐性更強的隧道防水及處理，則采用發布導學案及圖片鏈接等方式，來引導學生完成慕課視頻學習。此外，由于“盾構法隧道結構設計”章節部分涉及很多受力性能分析與力學推導，對學生的數學、力學基礎及抽象邏輯思維能力要求較高，課前慕課學習的進度控制和效果監測主要采用學校超星網絡教學平臺或微信平臺。

2.2 課中合作探究

課中教學環節和傳統教學課堂完全不同，這一環節主要為教師和學生之間討論互動，分小組討論及匯報，最終教師進行講解，協作分析重點難點，建立“以學生為中心”合作探索思路。需要指出的是，學生課前自主學習是課中合作探索的必要條件，課中合作探索同時作為課前自主學習的有機組成部分和延伸。

通過重新設計課堂教學的流程，主要包括課前回顧、互動活動、小組匯報、課堂總結四個部分，讓相應的活動建立在課前充分自主學習的基礎之上，進一步提升課堂效果。在“盾構法隧道結構設計”章節的翻轉課堂設計中：首先可在課前回顧，對學生起到承上啟下的作用；接著進行簡單的互動問答，讓學生快速進入上課的狀態；然后，將學生分為5人一組，共4個小組，分別為盾構隧道襯砌結構設計流程、襯砌結構形式與構造、襯砌結構設計計算、隧道防水及處理四個小組，進行共同討論與學習，在學習交流之后，分組講授探究學習的成果；最后，在學生小組匯報結束后，教師進行總結講解重點知識，可以增強學生的語言表達能力，防止以后在工作和科研中出現不善于言語表達的窘境。

2.3 課后鞏固擴展

課后教學環節階段，首先為確保學生所學知識、概念及原理在課后進一步鞏固，教師把課堂中學生難點和易錯點進行概括，并上傳到學校網絡教學平臺討論區，以布置教材背后練習題為主，適當補充一些針對性和實踐性的課后思考題；其次，為使學生學習興趣和解決實際項目能力等得到進一步提升，結合國內外多起地下結構工程事故或重大工程項目，每學期布置1-2次小組擴展性項目作業，學生通過查詢文獻和調查研究，以研究報告的形式網上提交，并采用線下課堂的方式，由教師組織交流研討。上述課后任務在實踐過程中，大數據手段作為不錯的手段可對學生的學習行為和進度進行督促，對學習效果不佳的學生進行線下輔導與幫助。

此外，還可將校企合作模式融入到課后教學環節中，通過邀請企業技術人員舉辦講座，虛擬平臺模擬實訓，讓每一位學生都可以了解行業中盾構隧道設計概況，而且校企合作模式已經在我校連續幾屆學生中重復教學，大大降低了老師的教學成本。同時可利用虛擬平臺模擬盾構隧道設計的實際工況，讓學生親手操作，檢驗學習效果。

3 基于網絡媒介和翻轉課堂教學模式的思考

3.1 網絡媒介和翻轉課堂技術的適用條件

為保證網絡媒介和翻轉課堂技術耦合下地下結構設計教學的成功應用，首先，應以一部分難度適中的章節作為基礎，確保課前自學學習環節的成功完成，對于高難度內容可在課堂內重點講解；其次，將具有思考性的內容進行課堂小組討論與匯報，確保課中合作探索環節可以順利實施，提高學生創新性；最后，不是所有的章節都適合翻轉課堂新模式，例如，緒論、地下結構的數值分析方法、地下結構可靠度理論等內容不適合翻轉。教學實踐過程中，什么章節適合？具體如何實施？教師的認真設計與思考是十分有必要的。

3.2 網絡媒介和翻轉課堂技術實施的保障措施

網絡媒介和翻轉課堂技術耦合下地下結構設計課堂中的每個教學環節都需要教師精選設計。首先，教師在課前自主學習任務中，要明確學習目標，考慮到不同教師和班級的多樣性，提出的在線思考題要能在課前視頻中找到答案；其次，也應重視課前視頻的選擇，做到內容簡單有趣，保證學生學習興趣；最后，課中教學環節成功的教學作為翻轉課堂教學模式順利開展的最重要的保證也必須得到重視。同時，地下結構作為一門高等學校土木工程專業創新型人才培養規劃課程，必須要有一定的課后訓練和知識擴展，學生才能更好的掌握和應用。

此外，針對監管機制與學習交流平臺的構建，上海理工大學在2020年春季線上教學期間對原網絡課程中心進行重建，接入超星泛雅平臺，更名為上海理工超星網絡教學平臺，現已實現所有數據的整合，可以與慕課平臺結合使用，為地下結構設計課程的教學新模式提供了重要保障。

4 結語

地下結構設計課程作為土木工程專業和地下工程專業高校必修的一門專業課程，在上海理工大學環境建筑學院土木工程專業課程體系中占有較大比例。在新時代發展的浪潮中，上海理工大學環境與建筑學院的教學團隊積極探索網絡媒介和翻轉課堂技術耦合下地下結構設計的教學模式，根據學校教學大綱深入探討了教學新模式中的設計與組織。通過教學實踐獲得了學生們的一致好評，使得枯燥難懂的地下結構設計課程變得形象生動，即使得學生在快樂學習氛圍中接受書本知識，又使得學生培養了工程應用實踐能力，為今后進一步提高地下結構設計課程教學質量，培養具有知識、能力、素養的土木工程專業人才奠定基礎，為兄弟院校進行此類教學的探索提供了新思路。