模塊化與三維視頻教學法在道路課程中的應用
——以“道路綜合實驗”課程為例

葉云雪，吳珺華，呂 輝

（南昌航空大學 土木建筑學院，江西 南昌 330063）

引言

當前，科技革命和產業變革蓄勢待發，世界已進入以創新為主導的發展時期。在新工科背景下，高校培養具有社會責任感、創新精神和實踐能力的新時代人才已成為服務國家戰略發展需求、提升國際競爭優勢和落實立德樹人根本任務的新時代發展目標［1］。

國家戰略發展需求是新工科教育改革的動力源泉。深入實施“互聯網+”“京津冀協同發展”等重大戰略，堅定貫徹“創新、協調、綠色、開放、共享”新發展理念，加強培養“創新型、應用型、技能型”新工程人才等，迫切需要深化高等工程教育改革，認真履行高等工程教育在人才培養、科學研究、社會服務、文化傳承創新、國際交流合作中的職責使命［2］。重視新時代人才培養工作，是在日益復雜的國際環境中贏得競爭優勢的先決條件，也是落實高校立德樹人要求的重大舉措。為了推動工程創新人才的培養，本教改項目以新工科和工程教育認證為背景，以我校交通工程專業學生為研究對象，探索模塊化教學法和3D視頻教學法在“道路檢測綜合實驗”課程中的應用。

一、實驗課程教學存在的主要問題

（一）課程無法體現成果導向教育

工程教育專業認證往往從整體設計方面指導各專業的培養目標、畢業要求和課程體系，并側重于各門課程對畢業生要求的支撐關系，而各門課程本身如何從局部設計方面體現成果導向教育（Outcome-based Education,OBE）教學理念，對高校教師提出了新的挑戰。

（二）學生缺乏主觀能動性及創新性

由于課程實驗項目較多、儀器設備和實驗場地有限且耗時費力，故實驗項目以驗證性和演示性實驗為主。在實踐過程中，學生非常依賴指導教師和實驗手冊，并以完成實驗手冊為目標，缺乏主動思考的驅動力，創新思維的培養無從談起。

（三）部分學生學習積極性不高

作為一門專業課很強的實驗課，學生本身對試驗儀器不熟悉，在平時的生活及學習中也很難見到這些儀器。單純的理論講解不僅無法讓學生產生共鳴，還容易使其滋生枯燥或厭煩的聽課心理。

（四）學生對團隊合作不夠重視

團隊合作是企業創新的重要動力，也是培養大國工匠精神的重要基礎。實驗課相比于其他理論課，更加強調和注重團隊合作精神。在實踐過程中，小組成員普遍存在合作意識不強、分工不明確、參與感不強等問題。

二、“模塊化+3D視頻”教學法的應用

（一）模塊化教學法

實驗課程的專業性、綜合性較強，導致教學效果不理想。模塊化教學法的能力本位教育（competency-based education,CBE）是解決實踐課程教學難題的有效途徑之一［3］。CBE著重使學生有針對性地學習和掌握某一特定職業或工作崗位所需的能力。該能力包括知識（與崗位或職業能力相關的知識領域）、態度（工作態度等情感因素）、實際經驗（具體的操作與管理能力）、反饋（評估或評價領域）四個方面。基于CBE理念，本門課期望培養學生成為一名公路檢測工程師，且公路檢測工程師可以實現向項目經理的轉變；基于OBE理念，本專業期望培養學生成為一名核心管理人員或項目經理。因此，基于CBE的教學策略符合工程教育專業認證中的OBE理念。實驗課程基于CBE的教學策略如圖1所示，包括知識點（與公路檢測工程師相關）、態度（學習態度）、操作（實踐表現）和反饋（教學效果評價）四個方面，旨在提高教學質量和培養高素質專業人才——具有扎實的公路檢測知識、獨立的實驗操作能力和良好的團隊合作精神等。

圖1 基于CBE的教學策略

“道路綜合實驗”課程包括理論學時和實驗學時，教材選用自編教材。與公路檢測工程師相關的知識點主要來自《公路路基路面現場測試規程 JTG3450-2019》《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程 JTGE20-2011》《公路土工試驗規程JTG 3430-2020》《公路技術狀況評定標準JTG 5210-2018》等公路標準或規范。這些公路標準或規范的內容復雜、知識點多，不利于學生學習。構建以項目為核心的模塊化課程體系是體現新工科課程與教學設計的重要途徑［4］。若將瀝青或水泥道路看作特定項目，則以該項目為核心的模塊化設計可應用于實驗課程的教學。基于CBE教學模式，在教材內容的設計上，應遵循由表及里、由淺入深、層層遞進的原則，有利于培養學生的發散性思維。例如，以瀝青或水泥路面的全生命周期為核心，運營維護階段，需要學生明確公路路面結構病害現場檢測方法和公路技術狀況評定方法；施工階段，需要學生掌握公路路基路面試驗（如壓實度、平整度、彎沉值和抗滑性能等）測試方法；設計階段，需要學生了解公路工程瀝青及瀝青混合料試驗（如馬歇爾穩定度和車轍等）、公路工程集料（如粗、細集料等）試驗、公路土工試驗（如含水率和干密度等）等測試方法。

以項目為核心的模塊化實驗課程有三個好處：一是實現課程知識點模塊的有效銜接，促進學生的理解與記憶；二是體現人才培養規律，促進學生從直觀形象到抽象邏輯等思維能力的轉變；三是貫徹以學生為中心的教育理念，強調學生組建合作學習小組，重視團隊合作精神。

為了改善學生對實驗課程的學習態度，在理論教學中，適當加入互動、討論、分享等教學環節，既能促進師生的情感交流，又能提高學生的學習興趣。在實驗教學環節中，除了要求實驗報告書寫工整、實驗數據真實、計算結果準確，每個小組還要提交實驗日記。實驗日記的內容包括小組成員姓名及學號、實驗名稱、實驗分工任務及負責人、實驗小結、現場照片（每次實驗不少于4張，每張照片記錄不同的實驗步驟）等。在教學評價環節中，通過生生互評（內容涉及知識掌握、實踐表現和態度等），讓學生及時彌補實驗課程學習的不足，讓教師持續改進自己的教學方法。生生互評的具體實施方案包括三個方面：第一，組內自評。讓小組成員分享自己在該實驗中擔當的角色及承擔的任務，并評價自己的優缺點。第二，組間互評。讓其他組長對該組的表現進行評價，加深各組對實驗步驟的記憶和理解。第三，小組互助。由教師匯總各組在實驗過程中遇到的問題，各小組分別派出小組代表提出集體討論的解決辦法。

實踐表現包括實驗操作能力、團隊合作能力和數據處理能力，旨在培養學生嚴謹的科學態度和良好的團隊合作意識。由于小組成員之間的默契度與熟練度不夠，容易影響合作效率，故亟須教師的正確引導和關注。教師事先要做到以下三點：第一，介紹每次實驗的目的及意義，需要哪些角色，并明確每個角色的任務分工；第二，實驗前強調實驗過程中哪些實驗步驟存在危險，以及可能產生的危險后果；第二，全程參與、全程跟蹤。

教學效果評價包括過程性考核和結果性考核。過程性考核主要是平時表現（課后作業完成情況、課堂紀律、與教師的互動情況等）。結果性考核主要是理論考試成績和實驗報告成績。理論考試包括筆試和視頻制作。筆試一共設置三道題，第一道為名詞解釋題，考查學生對基本概念的掌握程度。第二道為論述題，了解學生的團隊合作意識，如“請從個人和團隊的角度闡述某一項實驗的操作步驟，并談談個人感受”。第三道為思考題，測評學生的創新能力。例如，隨著信息化技術的快速發展，路面平整度檢測的手段也發生了顯著變化，如三米直尺法、連續式平整度儀、車載顛簸式累積儀、車載激光平整度儀等。請列舉出一項道路檢測手段，談談你對該檢測手段的改進思路。視頻制作的考核方式詳見下節。

（二）3D視頻教學法

道路檢測綜合實驗的載體主要是道路，尤其是瀝青路面，往往分布在校外，因此有必要使用視頻教學法。視頻教學法能夠增進師生互動，加深學生對理論知識的理解，提高學生的學習興趣和熱情［5］。然而，普通的視頻教學法對于激發學生的創新性和發散性思維是遠遠不夠的。建筑信息技術（building information modeling,BIM）是一項引領數字技術走向高層次的新技術，2021年被國家列入數字經濟及其核心產業統計分類。BIM技術具有可視性、可模擬性和可交互性等特點，已逐漸應用于工程實踐課程教學中［6］。

在新工科背景下，積極開展以學生為中心、以BIM技術能力培養為導向的項目教學活動，將有助于培養學生的創新思維，提高分析和解決實際工程問題的能力。教學團隊構建了基于BIM技術的3D視頻制作能力培養路徑模型（如圖2所示）。

以公路路面結構病害之一坑槽為例，詳細的培養路徑如下：（1）教師發布任務，要求制作基于BIM技術模擬坑槽修補全過程的3D視頻。（2）各小組對項目進行初步分解：確定坑槽類型、熟悉坑槽修補規范、查閱原瀝青路面結構設計詳圖、初步擬定基于BIM技術的3D視頻制作步驟。（3）經小組討論后，由小組組長進行任務分工，每周計劃進行一次組會。（4）明確BIM技術的使用軟件，并確定BIM視頻的制作步驟：制作模型，模型渲染，制作局部動畫，動畫剪輯整合。（5）各組商討視頻效果的邏輯呈現方式。例如，視頻首先展現小型汽車在坑槽上行駛的狀態；其次展現工人對坑槽進行施工修補的全過程；最后展現小型汽車在完好的瀝青路面上行駛的狀態。（6）在整個過程中，教師可以利用學習通、微信或騰訊會議等工具，與學生保持密切聯系和溝通。

區別于傳統的視頻，基于BIM技術是由師生共創的3D視頻，充分展現了學生的個人能力、創新能力以及團隊合作能力，使學生具有更大的思維想象空間和主觀能動性。優秀的3D視頻不僅可以補充和增加視頻教學素材，還將被詳細介紹給下一屆學生進行學習和觀摩，使本屆學生能夠獲得極大的成就感，有效促進大學生創新思維和創新能力的培養。

（三）模塊化與三維視頻教學實施效果

為了評價模塊化與三維視頻教學法實施的效果，教學團隊通過問卷調查的方式對未開展這兩種教學方法的南昌某大學交通工程專業2018級和已開展這兩種教學法的2019級學生進行調查。調查數據顯示，學生對課程的滿意度由95.0%上升至98.3%，平均成績由75.6分上升到88.1分。顯然，開展這兩種教學方法的年級，其滿意度及平均成績均有明顯提升。其中，2019級中有87%的學生希望更多的實驗能夠采用3D視頻教學，93%的學生希望制作更多類型的視頻，并積極申報與BIM相關的各項比賽。

基于BIM技術的3D視頻教學法不僅可以引導學生之間主動合作交流，還能促進學生的個性化發展。在視頻制作內容、BIM技術軟件選擇以及視頻效果展現方式等方面，盡量讓學生有更多的自主權，促進學生創新思維的培養。研究生教育作為教育體系的塔尖，區別于其他教育階段的特征，主要體現在知識和技術層面的創新性、思想理念和精神文化層面的引領性以及個體和團隊層面的主動性［7］。而基于BIM技術的3D視頻教學具備創新性、高階性和挑戰度的“兩性一度”特點，可以使本科生教育與研究生教育得到良好的銜接。因此，CBE和BIM技術有望成為交通工程專業金課打造的新途徑之一。

結語

將模塊化與三維視頻教學法運用于交通工程專業實驗課程教學，彌補了目前實踐教學的不足。模塊化教學法有利于培養學生的邏輯思維和發散思維，3D視頻教學法不僅提高了學生的學習積極性和主觀能動性，還提升了學生分析和解決實際問題的能力。基于BIM技術的3D視頻制作及應用，確保了人才培養朝新工科和工程教育認證的方向發展，值得在工程實踐教學中推廣。