基于“互联网 ”的土木类专业实验教学体系构建.pdf

西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 20 期DOI：10.16681/ki.wcqe.202320029作者简介：陈记豪（1981），男，副教授，博士。研究方向：信息化教学。注：本文系 2021 年度河南省高等教育研究项目（编号：2021SXHLX061）；2021 年度河南省高等教育教学改革研究与实践项目（编号：2021SJGLX164，2021SJGLX412）；华北水利水电大学教育教学研究与改革项目（编号：2022-63）；2022 年郑州航空工业管理学院教育教学改革研究与实践项目（编号：zhjy22-187，zhjy22-12）。摘要：文章首先分析了土木类专业实验教学存在的一些问题，然后从教学目标、教学内容、教学资源、教学方法和教学效果评估五个方面论述了基于“互联网+”的土木类专业实验教学体系构建。关键词：土木类专业；实验教学体系；“互联网+”中图分类号：G640文献标志码：A文章编号：2095-6401(2023)20-0121-04新工科作为国家工程教学发展新动向与新理念，以传承创新、交叉融合与协同共享为主要特征，旨在为今后的工程技术领域培养多元化创造型优秀工程技术人员。新工科背景下土木类专业实验教学对应用型人才创造性的培养至关重要。为了确保教育质量，需要足够的课时作为保证，但当前实验课时并未增加，同时新的课程内容不断涌现，因此传统的实验教学难以跟上新工科人才培养的要求1。现代信息与互联网技术的发展，使线上教学与传统教学模式形成了有效的互补2。尤其是高等教育阶段，现代信息技术的发展使学习突破了地域和时间的限制，学习方式变得更加个性化，同时为学习者提供了更多机会3。然而当前在线教育还未完全融入高校教育。借助互联网技术建设大量教学资源是线上线下混合教学模式高质量实施的基础4，如土木类实验类课程可以借助虚拟仿真实验实现线上教学5。具体来说，如何确保网络教育与课程教学目的一致？如何对学生在线实验进行有效监测、管理与指导？如何定量评价学生实验结果和完成程度？如何实现线上线下的融合？这些问题都是土木类专业在线实验教学中必须突破的难点。本文从突发公共卫生事件期间的教学实践出发，以土木类专业实验课为例，探索土木类专业实验课的在线课程构建方案、线上线下融合模式、评价方法、智慧指导与质量控制模式，旨在运用互联网技术、信息技术及虚拟仿真技术构建一种能够满足人才培养要求且可操作性强的土木类专业实验教学管理体制与评价方法，以满足土木类专业实验线上教学需求，进而为后续土木类专业实验课程开展线上与线下混合模式教学提供借鉴。一般而言，实验内容分为基础知识和操作规范学习、操作步骤说明、实际操作说明和结果记录及分析 4个部分。实际操作阶段宜在线下进行，其他阶段均可通过线上平台进行线上辅助教学6，从而构成线上线下混合式教学方案7。相对理论课而言，实验课程更加强调实践，因为实验中采用素材、仪器等的直观感受和实验操作经验难以通过在线教学传递给学生，即线上视频讲解很难使学生形成直观的实验材料、仪器及操作体验。而虚拟仿真实验教学项目能够使用高度真实的图片和操作仿真来拓展传统实验教学的深度和广度。另外，虚拟仿真实验能够通过信息化手段把前沿科研技术成果变成大学生容易理解的知识，是高校专业实验教学带动经济社会发展的重要手段8。在线教学平台有助于教师对课程和学生的管理，可增强教学效果及管理效率。另外，虚拟仿真技术与远程实验技术能够实现对实验操作的远程控制与监测，让学生随时随地都能完成实验操作，增强了实验教学的灵活性与便捷性。大数据分析技术也有助于教师分析与挖掘学生的学习行为与学习成果，从而能帮助教师更好地进行教学引导与管理。一、土木类专业实验教学存在的一些问题新工科与工程教育认证对于学生创新能力及解决复杂工程问题能力都有明确的要求，而优质的实验教学则是实现上述能力培养的重要途径，因此提升大学生实验教学质量十分必要。然而，当前我国土木类专业传统的实验教学中存在学生动手操作时间不充分、实验连续性和系统性不强等问题，使实验教学效果受到了严重影响。第一，在实验教学中，学生实践机会较少，且主要基于“互联网”的土木类专业实验教学体系构建陈记豪1，朱倩2，汪志昊1，吕铭艳1，张建华1（1 华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州，450045；2 郑州航空工业管理学院土木建筑学院，河南 郑州，450046）是基本必修实验，自主创造、扩展实验等综合性实验所占比例较低。受课堂时空的限制，学生难以完全独立地对整个实验流程进行操作，并且学生实际操作水平及实验技巧训练力度与新工科教育思想不适应，学生仅看到一小部分内容，导致教学实验流于形式、不够深入，难以使学生走进自己的角色，在实践中系统地感受、应用所学知识，也难以满足其个体化实验需求。第二，实验内容较为传统，与工程实际相差较大。教师采用的实验方法和设备较为传统，即虽然工程实际中，相关实验方法和设备早已更新换代，但受限于经费等原因，教学实验设备更新缓慢，导致实验方法与工程实际有一定差距。另外，理论教学中对超高性能混凝土、高延性混凝土、再生混凝土等内容均有涉及，而实验教学中主要采用传统的普通低强混凝土组织相关材性和力学性能实验。即实验方法与工程材料的选择与实际不同，不利于学生创新能力的形成。第三，对实验原理与操作及实验结果处理的解释花费课时较多。一般实验项目需 2 个学时，实验前的实验原理讲解、操作及结果处理共需 0.5 课时左右，实验演示用 0.2 课时左右，有效的实验操作时间仅有 1.3课时左右，实操时间较短。对教师而言，在实验之前反复地解释实验原理，极易产生职业倦怠感。对学生而言，只听教师讲一遍不一定能把这些知识全部弄懂，且课前预习以实验指导书为依据较为枯燥，同时学生对实验操作较为生疏。这样容易造成学生实验操作环节低效、易返工、有限时间勉强完成指定操作等问题，且完成质量较差。第四，传统的实验教学流于形式，项目单一，难以适应新工科人才能力发展的需要。传统的实验教学项目比较单一，主要是验证性和演示性的实验。上课的模式也比较传统，通常包括实验原理讲解、操作及数据处理的说明，以及亲自动手操作并提交报告三个环节。这种模式下学生只能被动地学习，即只是按指导书指定的程序进行机械的操作，较少主动思考问题，很难举一反三地形成实验设计和执行的能力，也很难自主地解决现实问题并形成创新能力，不符合新工科教育对实验教学的要求。第五，实验成绩的考核手段比较单一，难以落实全过程考核。实验报告是学生实验成绩考核的主要依据，但这样很难充分考核学生的操作能力、协作能力及创新能力，没有做到对整个实验过程的全面考核。二、基于“互联网”的土木类专业实验教学体系构建以能力目标为导向的“互联网+”土木类专业实验教学体系主要由以下部分组成：教学目标、教学内容、教学方法、教学资源和教学效果评估。土木工程实验是土木类专业实验课程中开设最为广泛的一门专业实验课，因而本文以该课程为例，阐述线上线下混合教学实践案例。（一）教学目标要根据教学大纲确定教学目标，其中包括知识、技能、能力等培养目标，以及学生应取得的学习成果等。土木工程实验的教学目标是让学生获得结构实验设计和实施的知识，并形成实验设计能力、工程测试能力和数据分析及应用能力。（二）教学内容基于“互联网+”的土木类专业实验教学体系构建中，教学内容的整合和优化是非常重要的一环。以往的土木类专业实验课程教学内容主要以教学目标为依据，涵盖理论与实验两大模块，且实验模块占816 课时，包括施工技能训练与结构实验两部分。其中，施工技能训练内容主要有钢筋下料、钢筋绑扎、模板支设、混凝土浇筑等实训；结构实验的主要内容有桁架静载试验、结构的动力特性试验、回弹法测试混凝土强度试验、混凝土密实性试验、混凝土裂缝试验和钢筋试验等。考虑到“互联网+”教学的需要，教师有必要对这些教学内容进行改革。具体而言，一是借助微课、录像等，对土木类专业实验课程的理论教学内容与施工技能训练和结构实验内容进行补充和拓展，并对这些教学内容进行模块化处理。改革后的教学内容重点更突出、更完善，增加了对施工技能训练细节和结构实验原理，以及实验操作要求及数据采集与处理的简单说明，且模块化呈现形式更有利于学生根据自己的条件，进行个性化的自主学习，打牢基础，把更多时间花在动手操作与思考上，继而增强学生的获得感。二是依托虚拟仿真技术，在原有施工技能训练与结构实验内容的基础上增加各类虚拟仿真实验项目。虚拟仿真技术是以结构三维实体模型为基础进行浸入式实验操作的一种技术，它可以克服线上教学中学生实操能力培养困难的问题9。因此，增加各类虚拟仿真实验项目，可以使教学内容变得更丰富。改革后的虚拟仿真实验项西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 20 期西部素质教育2023 年 10 月第 9 卷第 20 期目主要包括土建类各专业群的施工技术、钢筋混凝土框架的虚拟建造及承载力、装配整体式叠合楼盖的施工、钢框架减隔震结构振动平台等。对应施工技能实训的土建类各专业群的施工技术虚拟仿真实验主要涉及框架梁柱的支架搭设、模板安装以及钢筋绑扎、混凝土浇筑等项目。其他虚拟仿真实验项目为综合实验实训，主要包括施工技能的培养、实验设计、实验装备的布置、实验数据的观测及实验报告的撰写等。增加这些虚拟仿真实验项目，可以让土木类专业实验课程教学内容变得更加丰富有趣，对培养学生综合能力可起到促进作用。如上所述，土木类专业实验课程教学内容的改革，适应了“互联网+”教学的需要。（三）教学资源实验教学在内容繁多、学时受限的条件下难以保障教学效果，而互联网技术给高等教育行业教学改革提供了新的契机10。教师有必要在“互联网+”与现代信息技术的支持下，把非实验操作的内容移植到云平台上，让学生在课前进行反复学习，以便更好地掌握与实验有关的内容。教师在课内要把精力集中在精细化指导学生上，指导学生高质量地完成实验操作，思考和总结理论和实践之间的差异，并在云平台上及时地分享他们的实验操作经验。如此，可克服传统实验教学中操作步骤多靠学生口耳相传、缺乏系统性继承等缺点。“互联网+”教学所需要的教学资源主要有教材、实验器材、实验数据、教学视频、教学 PPT、虚拟仿真实验等，学生可以充分地利用这些资源开展学习。这些教学资源在云平台上均可以找到，便于师生随时随地学习。其主要内容包括知识点精讲微课、数字化教材、各实验项目专题资料、实验相关课题研究情况、相关培训资源、期刊报纸中最新报道和网络下载的资源等。另外，教师还可通过与企业合作拍摄实际工程问题及实验场景，形成实际工程数字化资源，使学生能够在线上了解实际工程遇到的问题及解决方案，进而增强学生的实践能力及独立思考能力。该平台是一个开放的平台，学生可以上传自己搜集的数字化资源，同时平台也具备讨论功能，师生针对特定问题展开的讨论可以逐年累积，形成在线教学资源库，如此，师生可以通过检索方便地进行学习讨论，从而在减少教师反复讲解次数的前提下，使学生的问题得到及时解决。这种云平台能够将线上与线下的教学无缝对接，让学生在互联网上随时随地学习并积累实验操作经验，还能以微课的形式使学生对课程内容有深刻了解。另外，数字图纸与工程照片这类资源能给学生带来更加直观形象的学习感受。基于此，对能力达成的评估与质量控制亦更全面、更精准。（四）教学方法“互联网+”教学中，教师需要选用合适的教学方法，以发挥线上线下融合教学的优势。而通过对教学体系的合理设计形成一种线上与线下有机结合的新型混合教学模式，并选择合适的云平台集成零星资源、打通数据孤岛、互联互通、综合利用数据是非常重要的。课题组在超星泛雅平台的基础上连接以上资源，形成了一种新型的土木工程实验线上与线下混合实验教学模式。线上环境下，学生通过微课既能理解实验基本原理与操作步骤，又能开展模拟实验，预先掌握实验难点与注意事项。在线下环境下，学生既能自己动手操作实验，锻炼实验技能，还能和同学交流协作，促进团队合作。这里以土木工程实验课程中的桁架结构静载实验为例，说明该模式的教学组织方法。学生在课前通过线上云平台相关微课完成实验目的、实验操作流程、实验数据处理及报告要求等知识的学习，再通过空间桁架虚拟仿真实验项目自主进行参数化实验，完成桁架直径、桁架杆件长度及材料强度等因素对桁架承载能力和正常使用性能影响的实验研究，并填写实验报告中的相关内容。教师则通过云平台监测学生的学习过程、实验完成度，并与学生实时交流实验相关内容，确保课前实验教学效果。学生考核合格后，通过平台预约进入线下实验室开展实体实验，期间，学生要根据虚拟仿真实验结果，选取一种关键工况进行加载实验，与线上虚拟仿真实验相配合，掌握空间桁架结构受力特征。线下上课时，教师主要引导学生积极将线上成果应用到实体实验中，并对学生进行安全教育，避免出现安全事故。与传统课程教学相比，该模式避免了实验操作演示、原理讲解和报告撰写提示等重复性劳动，教师可将精力集中到对学生的高质量指导中。课后学生要对实验结果进行系统总结并撰写报告。如此，师生通过云平台实时互动，教师及时解答学生的疑问，引导学生提交一份高质量的实验报告，并在学生提交报告后，将详细批改情况实时反馈给学生，可便于学生查漏补缺，彻底掌握桁架结构受力特性。概言之，以“互联网+”为核心的土木工程实验采用混合授课模式，通过线上与线下结合、虚实结合，能较好地促进学生实验综合能力的培养。虚实结合的方法能使学生对实验知识有较为全面的理解，对实验技能有较为深刻的把握，从而取得较好的实验效果。这种立体化实验训练体系，能够更好地培养学生的创新能力，符合新工科教育思想。（五）教学效果评估除了实验报告，教师还需要引入更多实验成绩考核的方法，如实验过程记录、实验过程中与同学协作能力、对仪器设备掌握的熟练程度等，这样才能更好地考核学生实验能力及综合素质。另外，教师有必要构建全过程评价体系来评价学生实验过程、实验设计和实验数据分析情况，从而更好地推动学生实验能力与科研素养的提高。制定科学的教学评估体系来评估学生的学习效果，有助于教师及时发现存在的问题并进行相应调整，从而促进教学质量的提高。传统实验教学中，教师只有在批改实验报告的过程中才能了解学生的学习效果，且批改后一般直接归档，学生难以看到自己失分的地方，也就无从改进。而采用“互联网+”技术后，在实验报告被教师批改后，学生可以实时得到反馈，进而纠正错误，从而使能力得到提升。另外，基于“互联网+”技术搭建的云平台系统可以对学生实验预习和在实验的操作过程进行全程记录，最终自动汇总形成对学生实验全过程的综合评价，这克服了传统实验教学中教师只有在批改实验报告时才能了解学生学习效果，且批改后一般直接归档，学生难以了解自己未掌握的知识，也就无从改进的问题，可进一步提升实验教学效果。土木工程实验课程一般以自然班为单位进行授课，人数在 30 左右，指导教师很难做到对每位学生进行精准评价和个性化指导。“网络+教育”时代大背景为智慧教育发展、智慧学习支持服务体系建设奠定了基础，提供了保障。教师要运用“互联网+”技术采集学生学习行为数据及学习成果，其中包括在线学习时长、学习进度及学习成绩；运用大数据分析技术对学生学习行为数据、学习成果数据等进行分析与挖掘，从而找出学生学习特点及存在问题，并有针对性地调整教学内容和进度；根据数据分析结果并运用人工智能技术智能地评估学生的学习效果，其中包括学习水平、能力和态度；基于智能评价结果对学生进行个性化学习指导与建议，主要包括学习计划、学习方法、学习资源的引导，以帮助学生进行更深入的学习，从而提升学习效果。该模式把智能评价结果及个性化指导效果及时回馈给教师，使教师能够及时发现学生学习中存在的问题及需要，有针对性地调整教学内容和进度，从而改善教学效果。概言之，通过基于“互联网+”的实验教学学生学习效果智慧评价，教师可以更好地发现学生学习中存在的问题和需求，进而加以改进，提高教学效果。三、结语以信息技术为依托，以云平台为核心，以信息手段作桥梁，建立线上与线下融合发展的土木类专业实验教学生态体系，有助于学生进行个性化的自主学习，并有助于对达成度进行智慧化评估。而实时智能检测学生学习效果，可增强学生学习体验。同时，对学生对各知识点的学习效果进行智能分析，对学生能力的提出程度进行智能评估，可为教师不断改进教学方法和数字资源的更新奠定基础。如此，学生在获得必要实验技能的同时，能把更多精力放在学以致用上，把所学知识付诸实践，从而取得较好的教学效果。参考文献：1 陈荣妃,杨华山,李维维,等.“新工科”背景下土木工程专业实验教学探索与应用J.创新创业理论研究与实践,2022,5(12):21-23.2 朱倩,陈记豪.基于云平台的土木工程专业毕业设计智能指导与质量控制研究与实践J.砖瓦,2023(2):164-166.3 COJOCARIU V,LAZAR I,NEDEFF V,et al.SWOT anlysis of e-learning educational services from the perspective of their beneficia原riesJ.Procedia-social and behavioral 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