關于土木工程材料課程混合式教學的幾點思考與實踐

摘 要：以土木工程材料課程為例，分析線上線下教學特點，針對土木工程材料課程線下教學存在的問題，提出利用線上資源，增加課程訓練頻次和訓練方式，輔助學生對課堂知識的掌握；通過線下實操與虛擬試驗的對比，促進學生對試驗技能的精細化掌握，鞏固試驗效果；實現課堂線下授課與APP自學的結合，培養學生在龐雜的知識系統中建立邏輯的技能，拓展課程容量。所提出措施的有效性在實際課堂中進行驗證。設計手段的實施能夠有效解決線下教學痛點，有效活化教學資源，豐富教學手段，助力符合OBE工程教育理念應用型人才的培養。

關鍵詞：混合式教學；土木工程材料；試驗教學；無紙化辦公；OBE工程教育

中圖分類號：G640 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）34-0041-04

Abstract： This paper analyzes the characteristics of online and offline teaching， and in view of the problems existing in the offline teaching of the Civil Engineering Materials course， proposes to utilize online resources， increase the frequency and methods of course training， and assist students in mastering classroom knowledge; through the compa1ge3g0Qf/BWVn0VSS2drDg==rison between offline practical operation and virtual experiments， promote students' refined mastery of experimental skills and consolidate the experimental effect; realize the combination of offline classroom teaching and self-study through the APP， cultivate students' skills in establishing logic in the complex knowledge system， and expand the course capacity. The effectiveness of the proposed measures has been verified in actual classrooms. The implementation of the design means can effectively solve the pain points of offline teaching， effectively activate teaching resources， enrich teaching methods， and contribute to the cultivation of application-oriented talents in line with the OBE engineering education concept.

Keywords： hybrid teaching; Civil Engineering Materials; experimental teaching; paperless working; OBE engineering education

隨著科技的迅猛進步，互聯網技術的日新月異，我們見證了眾多在線教學平臺的崛起與成熟。如果能利用這些平臺服務于教學實踐，發展混合式教學模式，能夠為學生提供更加靈活多樣的學習體驗，使他們能夠根據自己的節奏和興趣進行學習，同時也使得教師能夠更好地管理課堂并適應不同學習者的需求。此外，其還有助于提高教學資源的利用效率，促進教學內容的更新和優化，從而為師生帶來更多的教與學機會，激發創新思維，提升教學質量。實際上，線下和線上教學各有優勢，具體來說，表現在以下方面。

線下教學學習氛圍濃厚，師生溝通及時。線上教學時，由于學生分散，聽課時容易做與學習無關的事情，分散注意力。另外，線上教學雖然突破了空間的障礙，但是學生與教師溝通不如線下及時，深度互動困難，再加上部分學生不習慣課后向老師請教，從而導致學生在學習中不懂的地方逐漸積累，顯著降低學習興趣，使學習效果大打折扣。這也是絕大部分課堂使用線下方式的原因所在。

數字化學習方式對學生學習產生了越來越深刻的影響。電腦、手機和網絡的普及為網絡學習提供了硬件保證；網絡教學平臺打破了地域的限制，方便學生在任何地點學習，甚至自主安排學習計劃[1]。同時網絡環境的開放性、資源的豐富性和易獲取性等特征也為學生提供了更加靈活多樣的知識獲取渠道，且可反復觀看學習直至完全掌握，能夠克服課堂教學中由于課時緊張無法充分思考的缺陷。

由以上分析可見，線上教學各有優勢也各有缺陷，因此可以通過發展線上線下混合式教學，實現資源互補，提升課程的教學質量。接下來結合土木工程材料這門課程，來具體分析實行混合式教學模式的必要性。

一 土木工程材料課程現狀分析

（一） 土木工程材料的課程特點

土木工程材料課程為土木類專業中專業基礎必修課程，其課程內容是構成整個土木工程項目的基石，能夠提供學科基礎理論知識、解決基礎學科困惑[2-3]。此門課程的特點是課程課時少、教學內容繁雜且各類材料之間聯系少。比如每一種土木工程材料的內容都包含原材料的生產、組成結構、性質、應用、檢驗及儲運等方面內容，較為抽象的公式推導少，經驗表格及標準多，理論與實踐緊密結合等[4-6]。課程的傳統教學方式為線下課堂講授理論知識，實驗課強化動手能力，布置作業進行內容訓練和考察為主。開設該課程的時間較早，比如深圳大學在大二第一學期開課，所以大部分學生還未建立專業知識概念，缺少工程實踐經驗，而且參觀建筑工地機會有限。由于課程的這些特點，學生常常反映該課程需要記憶的內容多，內容繁雜沒有系統，學習內容難以掌握。

（二） 土木工程材料的教學現狀

1 傳統教學模式下，教學內容訓練較少，過程考核方式較為單一

土木工程材料這門課程在深圳大學共2.5學時，每學期的課程除了緒論之外，用于講授的章節共13～16個。每個章節對于學生來說都是新內容，有大量知識點需要學習，因此學生對于教學內容需要及時復習與消化才能充分掌握。傳統教學模式下，采用布置線下作業的方式進行教學內容訓練和衡量掌握情況是常用手段。如果采用紙質作業布置方式，對每個章節的內容都進行考核，一方面會用到大量的紙張（每學期約200個學生，每次作業平均3頁，按13次作業計約8 000張，10年8萬張），紙張消耗大，不利于環保，同時也給檔案儲存造成壓力。另外也存在批改后的作業學生希望分發下去，學校又要求存檔以備教學檢查的矛盾，這時可能需要額外的復印作業進一步加大紙張消耗。此外，作業的收集與分發也需要額外耗時耗力。

在這種情況下，如果能夠借助數字化線上平臺進行作業布置，一方面能夠增加教學內容訓練的頻率，節省紙張的消耗，學生能及時看到作業批改反饋，數字化檔案的保存也更節省空間；另一方面也可以拓展訓練和考核的方式，增加課前預習測驗模塊，從而實現對學生學習效果的全面衡量，指導課堂講授內容動態調整，從而有利于教學內容和教學目標的準確設定。

2 由于空間和時間限制，實驗課更像走過場，無法與科研或工程實踐對接

實驗課是土木工程材料課程的重要組成部分，其中常見土木工程材料的基本性能及測試方法等都是課程大綱中重要的組成部分。課程中實驗課涉及水泥試驗、骨料試驗、普通混凝土試驗等，以驗證性試驗為主，試驗過程以教師講述試驗方法、演示、分組試驗的模式進行。土木工程材料實驗與工程實際聯系緊密，能夠幫助學生理論聯系實際，所培養的實驗技能無論學生以后從事科研或者走上工程相關崗位，都是重要的知識儲備。然而，在實際的實驗課開展過程中，由于實驗課場地有限，通常學生需要分批來進行實驗，比如深圳大學每批學生用于操作的時間除去講解可能只剩半個小時左右，在這個時間段內，需要完成3～4個教學試驗，因此學生為了在規定的時間內完成試驗內容，試驗操作倉促，用于觀察體會消化的時間減少，如果沒有預習甚至還需要時間回憶查閱相關知識點，大大影響了試驗效果。導致的后果是，雖然看似完成了試驗操作與實驗報告，但實際走上科研或者工程崗位時，操作不規范，需要注意的關鍵點沒有注意，從而導致測試結果不合理或者沒有規律，實驗結果無法使用。

實際上，材料實驗是一門異常嚴謹的學科，每個實驗通常包括十幾甚至數十個步驟。任何一個步驟的失誤，可能會導致實驗結果的巨大偏差。因此，在有限的時間和場地下，如果能夠借助數字化平臺開發試驗示范視頻模塊，通過課前預習提高試驗效率，課后將實操過程與示范視頻做對比，通過查找異同以及分析原因，充分明確各步驟的作用，達到使學生能夠學以致用，精細化掌握實驗技能，培養良好的試驗習慣，走上工程或者科研崗位后立即學以致用的效果。

3 較少的學時數與相對較多的講授內容有矛盾

為適應素質教育的需要，土木工程專業的課程學時一再壓縮。深圳大學土木工程專業該課程的理論教學學時目前只有36學時，試驗教學9學時。但該課程內容復雜，各類材料自成體系，各章之間聯系弱。讓學生在有限的學時里掌握繁多的土木工程材料，這對于慣用邏輯思維分析和解決問題的理工科學生來說有一定難度。這也導致學生常常反映該課程需要掌握的內容繁多，關聯性弱，難以有效掌握。如果能夠借助數字化教學平臺的輔助，課內主要帶領學生梳理最核心的邏輯關系，并結合案例進行示范在實際工程中的應用，而將零星的知識拓展放在平臺上交由學生自學，培養學生自主學習能力，則有望解決這一矛盾。

（三） 土木工程材料實行混合式教學的必要性和意義

混合式教學模式能夠賦予學生更加自主化探究的空間，教師的教學方式也能夠打破講授性為主的固定程式而更加靈活[5]。以往的網課建立經驗和手機、電腦等電子設備的普及為實行混合式教學提供了軟硬件支持。因此，在土木工程材料課程中能夠實行混合式教學模式，具有以下必要性和意義：①此教學模式有望有效改善該課程在教學過程中存在的普遍問題，有效提升該課程的教學效果。②此項目的研究內容符合OBE工程教育理念。OBE工程教育稱為“Outcome-based Education”，主要是以成果為導向或以學習產出為基礎的教育，重點強調以學生畢業后應該具備的能力與掌握的技能來設計教學內容、教學方法、評價標準、保障體系并不斷進行持續改革，是培養應用型人才的工程教育[7-8]。此項目中通過混合式教學，無論是加強學生對基礎課程內容掌握的訓練，還是對精細化試驗技能的培養，亦或是加強學生邏輯分析能力，培養自主學習能力，都是以學生發展為中心，培養應用型人才，符合OBE工程教育理念。③混合式教學對實現“無紙化辦公”打下了基礎。無紙化辦公的主要優點在于信息傳播迅速、流動性強，便于數據的查詢、維護、攜帶，節約辦公成本，提高辦公效率[9-10]。美國未來學家托夫勒在《在第三次浪潮》里預言：“后工業社會將必然進入無紙化辦公的時代”[10]。將數字化教學平臺引入傳統教學，能夠為學校教務將來有可能實施的“無紙化教務”提供支持和解決方案。

二 土木工程材料課程混合式教學改革探索

（一） 在課程內容訓練和教學考察環節：增加訓練頻次和訓練方式，實行無紙化

土木工程材料的所有考察內容中，占用紙質資源最多的是測試和課后作業兩項。全課程總共13～16個講授章節，每個章節都有對應的考察內容。因此這部分內容的無紙化，能夠有效節約教學成本。而且通過構建數字化考察內容，擴充題庫，能夠增加考察知識點的深度和廣度。因此可以針對每個章節設置對應的測驗模塊，通過這部分的設置，讓學生自我評價預習和自學的效果。這部分的設置主要以客觀題為主，比如選擇題、判斷題、填空題，學生通過系統線上答題，學生提交后，能夠通過系統自動進行批改，學生能實時看到答題結果，同時也能減少批改工作量。另外每個章節設置作業模塊，幫助學生鞏固課堂教學的成果。這部分的設置可以加入主觀題，包括簡答題、論述題、計算題等。對于主觀題，要求學生手寫答題，拍照上傳。由教師或者助教線上批改之后，學生可以看到成績和答題情況。另外，可以將一些和試驗相關的內容耦合進作業模塊，將學生實驗部分的分組行為轉變為單個行為，加強學生對試驗內容的掌握。比如要求學生實驗課后將教學試驗實操與試驗視頻進行比對，又如要求學生進行教學試驗之前的準備工作：例如在新拌混凝土性能檢驗試驗中，混凝土配合比需要學生在實驗開始前提前算好。通過將配合比設計耦合進作業布置，可以實現對學生配合比設計的初步檢查，避免由于結果不合理而現場重算從而占用大量實驗時間的情況，同時避免了學生忘記帶試算結果（分組手寫試算時時有發生）而導致實驗無法開展的情形。

（二） 在教學實踐環節：實行基于比對式的實驗技能培養，提升學生實驗技能

科研或者工程上的實驗，通常包括十幾甚至數十個步驟。任何一個步驟的失誤，可能會導致實驗結果的巨大偏差。為了使得學生精細化掌握教學實驗內容，明確各個步驟的作用，擬在相應章節下設置實驗模塊，上傳錄制的教學實驗視頻。實驗視頻基于最新的國家或者行業標準進行制作，包括實驗原理介紹、實驗材料準備、具體的實驗操作、實驗數據分析四個部分。而具體的實驗操作部分又分為若干實驗步驟，包括溫濕度環境記錄、實驗數據分析等平時教學實驗中容易忽略的細節。實際上，在現有學生的實驗動手環節，只實現了視頻中“實驗操作”的環節，通過對視頻的觀摩與學習，能夠補足學生對于其他部分知識和技能的缺失。

在教學環節，將會要求學生在實驗開展之前進行預習，做到對實驗內容心中有數。在相關章節的作業模塊，布置作業要求學生對比實際操作與視頻內容，明確實操過程中細節差異，并預估可能產生的影響；結合課堂知識和查閱相關資料，分析省略某些步驟的原因，明確各因素對試驗結果的影響程度。通過比對式的實驗技能培養，能夠使得學生學以致用，解決教學與實踐脫節的難題。

（三） 在課程講授環節：開發線下邏輯梳理與線上知識點自學相結合的教學模式，拓展課堂容量

土木工程材料課程看上去涉及的材料多樣，內容繁雜，且各類材料自成體系，各章節之間幾乎沒有聯系。實際上，對于教學經驗豐富的教師來說，此課程各個知識點之間是有關聯的，所教授內容也有底層邏輯支撐，但這些內在邏輯在課本中一言帶過，甚至沒有提及。因此考試前夕，學生反映這門課程是需要“背”的，而且背的內容比較多。但一旦建立起邏輯，學生掌握這門課程內容更加容易，當學生以后從事科研或者工程實踐時，遇到實際問題時能夠聯想到一連串可能用到的材料相關的知識，能夠極大提高解決問題的能力。但邏輯的建立，對于對這門課程一無所知，也無任何實踐經歷的學生是困難的。而作為對課程熟悉又有實踐基礎的教師，有義務帶領學生將書讀薄，提煉出最核心的內容。

但由于學時有限，所有的內容都講透是無法做到的。因此可以嘗試主講邏輯、零散知識點穿插其中，其余部分知識點交給學生自學的講課思路。具體來說，對于課堂講述部分，基于材料領域成分-結構-性能之間的依存理論，深入剖析課堂知識之間的聯系，建立知識點之間的連接，從而使得學生在實踐過程解決實際問題時能夠有思路，最終學以致用。對于學生自學部分，也通過各種方式促進學生掌握，包括將知識點耦合在APP平臺，上傳講課視頻、相關案例、最新標準、相關測驗等方式保證學生自學效果。

三 土木工程材料課程混合式教學改革實施效果

土木工程材料課程經過一個學期的完整混合式教學，對以上改革項目的教學效果進行了問卷調查，共30位同學參與了調查，調查結果如圖1所示。由圖可見，對于第一個問題“作業中關于實驗實操和視頻比較的題目，有助于對試驗全過程的全面了解和掌握嗎？”，學生100%認可了線上視頻結合作業發布這一舉措的作用，其中有60%選擇了“非常有幫助”，40%選擇了“有幫助”。對于第二個問題“作業的線上布置，有助于對教學內容的掌握嗎？”，學生也普遍反映線上作業起到該有的作用，其中約63%選擇了“非常有幫助”，約37%選擇了“有幫助”。由此可見，以上針對土木工程材料課程的混合式教學改革舉措，有效提升了學生對于教學內容的掌握，改進了教學效果。

圖1 教學周期結束后學生問卷調查結果

四 結束語

本文提出建立適用于土木工程材料課程的數字化線上系統，通過搭建相關模塊，建立多種模式相結合的多維教學系統的思路；在課程內容訓練和教學考察環節，通過數字化線上系統作業和測驗模塊的搭建，增加課程訓練頻次和訓練方式，促進學生掌握；實現無紙化教學考察，落實環保政策、提高效率、降低教學成本；在教學實踐環節，通過數字化線上系統試驗模塊的搭建，有助于學生注意到實際操作與基于行業標準的教學視頻的細節差異，促進學生對試驗技能的精細化掌握，鞏固試驗效果；在課程講授環節，通過數字化線上系統自學模塊的搭建，實現課堂線下授課與APP自學的結合，幫助學生培養在龐雜的知識系統中建立邏輯的技能，同時保證課程容量。學生的問卷結果一定程度上證明了所提出措施的有效性。論文內容對于其他課程線上資源開發，使其成為輔助課堂教學、提升教學效果的有力助手提供了參考。

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DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.34.010

基金項目：國家自然科學基金項目“氧化石墨烯/納米貝利特（GO/NC）復合改性混凝土的設計與機理研究”（51878412）；深圳大學教學改革研究項目“后疫情時代混合式教學的研究與實踐——以土木工程材料課程為例”（JG2023114）

第一作者簡介：孫紅芳（1980-），女，漢族，河北滄州人，博士，副教授，博士研究生導師。研究方向為土木工程材料耐久性。

*通信作者：王琰帥（1988-），男，漢族，河南禹州人，博士，教授，博士研究生導師。研究方向為綠色建筑材料。