線上線下混合式教學設計研究
——以“土力學”課程為例

袁 冉，富海鷹，何 毅

（西南交通大學 a.土木工程學院；b.地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031）

引言

20世紀60年代，羅伯特·加涅（Robert Miles Gagné）創立了教學設計學科，認識到教學設計在有效學習中的重要性。以其為代表的第一代教學設計理論在20 世紀80 至90 年代逐漸成熟［1］。20 世紀90年代初開始，單一主題的教學設計向著致力于將各種單一的教學目標整合為“事業圖式”的綜合性教學設計轉變，以便使教學促進學習遷移的作用得到充分發揮。此后的教學設計越來越關注應用的重要性。理查德·E.邁耶（Richard.E.Mayer）在前人研究的基礎上，提出了“多媒體學習模型”和“生成學習模型”，對多媒體條件下如何取得最佳教學效果做了詳細的探討。近年來，隨著網絡信息技術快速發展，以及客觀外在條件的催生，新的教學設計理論與方法必將適應新時代的教學活動［2］。線上線下混合式教學模式正是在現今的時代大背景下異軍突起，成為高校專業課程傳授的重要手段。

本文基于西南交通大學土木工程學科專業基礎課“土力學”案例分析，借鑒BOPPPS教學模式，建設慕課、虛擬仿真實驗及實踐翻轉課堂，以打造線上線下混合式“金課”為目標，對教學內容進行設計，并融入課程思政，不斷引入學科最新成果，提升課程的“兩性一度”。

一、西南交通大學土力學學科簡介

西南交通大學“土力學”課程歷史悠久。1939年，時任西南交通大學校長茅以升就在校開設“土力學”課程講座，開國內講授“土力學”教學之先河。1950年，吳炳焜教授籌建了土力學實驗室、土力學地基及基礎工程教研室。作為第七代教學團隊的我們，秉承先輩精神，不斷開拓創新?！巴亮W”課程是專業基礎課，總學分為3學分，采用線上線下混合式教學模式，安排線下教學48學時，線上教學20學時，其中線下教學包含實驗教學8學時，主要面向土木工程、鐵道工程等專業學生，年均選課學生近千人。

“土力學”課程教學團隊由6人組成，團隊成員最長教齡34年，人均教齡16年，于2021年獲評四川省首批“課程思政”示范教學團隊，團隊成員在核心期刊發表多篇教改論文，指導學生參加國家級、省部級結構大賽并獲獎十余項。本團隊在2019年自主研發了“土的力學性質虛擬仿真實驗系統”并榮獲四川省虛擬仿真實踐示范平臺，同年完成在線開放課程資源建設。本課程先后榮獲四川省精品課程、四川省首批“課程思政”示范課程、學校“卓越工程師計劃”優質示范課程等諸多榮譽，課程所使用教材《土力學》為“九五”“十一五”國家級規劃教材。

“土力學”課程采用線上線下混合式的教學模式是近年來新的教學模式與教學理念，基于此，教學團隊提出并實踐了線上線下混合式教學設計。學生扎實掌握土力學基本原理，獲得土工試驗專業技能實踐訓練，具有職業操守和國際視野。為實現以上教學目標，“土力學”課程堅持“以‘學’為中心”的教學理念，按照線上線下混合式教學模式，打造了全新的課堂教學設計。下面以《土的壓縮性及地基沉降計算》為例，闡述混合式教學設計的內容及流程。

二、學生能力分析

知識特點：授課對象是大三學生，已經學習了大部分基礎課程，具備了一定數學、力學計算方法方面的知識。在此基礎上，教師合理使用教具模型、案例引導等教學手段，講解土作為碎散性材料的力學屬性、土的三相性等，易于學生接受全新的知識和概念。

思維特點：大三學生通過三年學習，已逐步從高中階段的“填鴨式”教學模式走出來，逐漸向匯集眾家之長、確立個人見解的方向轉變。教學中要擯棄“填鴨式”“灌輸式”的教學模式，引導學生閱讀國內外教材及專著，啟發學生主動思考、舉一反三。

心理特點：據觀察發現，學生主要分為兩類，一類對于全新知識有抵觸情緒，學習知識是為了得到更好的考試成績；另一類有較強的獨立意識，迫切要求表達自己的想法。由于《土力學》與其他力學有著很大的區別，且本章知識過于零散、瑣碎。因此，課前需要給學生充分的預習；課中給學生充分的話語權；課后鼓勵學生探索更多的知識。

三、明確教學重點和難點

教學重點：掌握五個一維壓縮指標。

處理方式：采用課堂講授與學生討論相結合的方式，幫助學生理解五個一維壓縮指標的推導過程、物理意義及相互間的轉換關系。

教學難點：理解土的變形特性及其主要表現特征。

處理方式：土的變形特性較為復雜，不但與土的組成及結構等基本性質有關，也與土的受力條件有關（應力水平、變形條件等）。這些概念較為抽象，學生理解上存在困難。如果學生對變形特性及其表現特征認識不清，對于后續一維壓縮指標的理解將面臨更大的困難。因此，教師在此處采用翻轉課堂的形式，讓學生課下在中國大學生慕課網站學習土的變形特性等相關知識，在線下課堂上總結、回顧線上課堂知識的重點和難點。

四、明確教學設計重點

設計重點一：通過翻轉課堂的形式，確保學生對土的變形特性及其表現特征等概念有充分的理解。

設計依據：學生首次接觸土的變形特性及其主要特征，而這一部分內容是《土的壓縮性及地基沉降計算》的基礎，這一物理概念的把握對于后續的學習至關重要。因此，教師在此處采用翻轉課堂的形式，能充分調動學生學習的主觀能動性，幫助學生加深對概念的認知和印象。

設計重點二：課堂小組討論與教師講解交叉進行。

設計依據：本節將要學習的五個一維壓縮指標是本節課的重點。首先，由教師提出相應壓縮指標的基本定義，給予學生推導和討論時間，學生提出問題教師作答；其次，教師引導學生再次鞏固推導。期間，教師采用“類比法”幫助學生理解壓縮指標含義。最后，教師對五個一維壓縮指標的區別和聯系、相互間的轉化做總結，加深學生印象，避免混淆概念。

五、教學設計流程：以《土的壓縮性及地基沉降計算》為例

本小節共計45分鐘，其中線上活動設計共計38分2秒，線下活動設計共計45分鐘。

（一）線上教學設計

本節課是《土的壓縮性及地基沉降計算》中的第一節課。本節課在最新版的教學日歷中安排的是2020年10月29日線上學習，2020年11月3日線下講解。實際情況是學生在2020年10月29日先完成講授“土的壓縮性及一維壓縮指標、土的變形模量及測定方法”相關課程的大學生慕課視頻學習，視頻學習時長為38分2秒（如圖1）。然后在2020年11月3日教師首先開展學習研討，其次進行知識點詳解，最后將課堂還予學生，讓學生針對相關知識點及案例展開小組討論，并完成線上單元測試。

圖1 向教師提問操作步驟

設計意圖：學生進行線上課程預習，熟悉淺層概念和知識點。

學生在視頻學習中或單元測試中，遇到問題可通過視頻中右上角的按鈕“向老師提問”（如圖1），任課教師會隨時維護網站后臺，回答學生的問題。

（二）線下教學設計

教師引導學生回顧上節課知識要點：地基中的附加應力主要分為集中荷載作用下的基本解和分布荷載作用下通過疊加原理得到的解。重點是理解角點法及系數查表確定。

隨后總結視頻知識要點：土的壓縮性定義，土的五個重要壓縮性指標及其含義，以及理解應力歷史對黏性土壓縮性的影響，掌握正常固結土、超固結土及欠固結土的概念。本節線下教學活動主要是幫助學生深層次理解視頻教學內容，并實現用所學理論知識分析解決實際工程問題的能力提升。

采用實驗室教學與課堂教學相互輔助的方式，加深學生對實驗原理理解的同時熟悉試驗過程。由簡圖展示側限壓縮試驗儀、三軸試驗儀的各部分組成，讓學生有個先期的印象。

介紹側限壓縮試驗與三軸試驗，通過室內試驗的對比分析，幫助學生理解土的壓縮性。采用現實與虛擬（虛擬仿真試驗）相結合的方式，加深學生對試驗的認知。

教師采用“類比法”幫助學生理解應力歷史。如：“同學們，為什么說土是記憶性的材料，比如大家從出生到現在，可能受過最大的挫折是高考失敗。假如你無法想象更大的痛苦，那么將你所有的挫折都和高考失敗做比較，如果沒有高考失敗那么嚴重，你就可以一直安然戰勝。但如果某一天你經受了更大的痛苦，遠勝于高考失敗，那么你的記憶點就出現了更大的痛苦，你的感受就會和之前高考失敗的痛苦一樣遞增。” 將抽象的應力歷史概念用學生生活中的經歷類比法講解，利于學生理解抽象概念并加深印象。

工程算例如圖2所示：上海地區某12層高層住宅（1976年），箱形基礎，埋深5.65 m，持力層為淤泥質砂質粉土，地下水位在地表以下1 m處。

圖2 工程算例分析

針對課堂提出的工程實例，將學生分為14個小組，每個小組進行課堂討論并給出解答，請每個小組代表陳述各自解答過程，推舉代表小組組長到黑板上進行講解。

結語

線上線下混合式教學模式適應時代的發展應運而生，展現了強大的生命力。本文以“土力學”課程為例，詳述了基于BOPPPS的線上線下混合式教學設計方法。以大學生慕課平臺與虛擬仿真室內試驗平臺實現線上教學，線下教學通過動畫演示、案例剖析、類比法以及小組討論展開。線上教學賦予學生淺層次認知，線下教學引導學生深層次理解與掌握，線上線下相結合、互為補充，是教學設計的重要實踐。