网络媒介和翻转课堂技术耦合下的地下结构设计课程教学模式新探索

张治国 毛敏东 陈有亮 邵 俐 李 宁

（上海理工大学环境与建筑学院 上海 200093）

0 引言

随着我国高校高等教学工程新工科课程建设的不断发展，进一步探索高等学校教学模式，将是国家推进教育改革和增进高校毕业生高质量就业的重大措施[1-2]。一方面，我国开展的工程教育认证提出以学生为中心、成果导向和持续改进的三大理念，旨在迫切需要各高校向社会输送大量高质量高素质土木类工程技术人才[1-2]。另一方面，新媒体时代的各种网络媒介工具为培养学生的专业学习和工程实践能力方面提供了软件支持，其中网络媒介与翻转课堂技术的耦合显得尤为重要[3-5]。上海理工大学建筑与环境学院在近几年合理使用新时代网络工具，教师由“教”转化为“引导”，学生由“被动学习”转化为“主动探究”，为土木行业人才培养与课程模式探索优化贡献出一份力量。

上海理工大学建筑与环境学院针对当前地下结构设计课程教学中存在的问题，进行了网络媒介与翻转课堂耦合的地下结构设计课程教学模式的新探索。地下结构设计课程作为当代土木工程专业人才必须掌握的一门课程，同时也作为土木工程类专业高校教育中最为重要的一环。对于学术研究而言，该课程为部分土木工程相关专业后续深入研究提供基础；对于日后工作而言，地下结构设计和实际工程中结合就显得极其重要。但在传统教学方法中存在诸多不足，如人才培养方案定位模糊、课程设置不够科学、教材部分内容不够前沿等缺陷，不利于学生对知识的融会贯通和综合利用，以致人才培养计划不能体现现代城市地下结构工程的特点，人才培养质量也不能完全满足时代发展和企业的需求[6-8]。因此，结合我校的土木工程专业的培养目标，充分利用优质的网络媒介资源，合理通过翻转课堂教学，积极进行教学模式的新探索，进一步提升了地下结构设计课程的教学质量。

1 地下结构设计课程在传统教学中的主要缺陷

地下结构设计课程的主要目的是为了了解地下结构设计的规范与设计的基本理论，掌握地下结构设计与计算的基础理论和技能[9-10]。目前，针对上海理工大学环境与建筑学院地下结构设计课程传统的教学方式，主要为教师对照教材，通过板书与PPT讲授理论课程，学生辅以课后练习加深对理论设计知识的理解。但翻转课堂作为新时代课程教学模式的一种探索，是指在课前学生自主观看网络平台视频，教师在课中和学生一起互助探究，解决难题的一种教学模式，较好的满足了学生个性化学习的要求。笔者在教学实践中发现，传统教师讲而学生听的被动教学模式的弊端在引入学生积极参加而老师辅助引导的翻转课堂新模式后得到了较好的解决。同时，笔者总结了传统教学中三个方面的主要缺陷：

1.1 课程晦涩难懂，学生兴趣不高

地下结构设计课程具有理论性和综合性较强的特点，一方面表现为多学科交叉，例如，在地下结构荷载计算时涉及土力学与结构力学专业知识，在地下结构截面计算时又涉及混凝土专业知识；另一方面表现为涉及面广，课程主要讲解了基坑、隧道、管道、支护等多种地下结构类型的设计方法，对学生数学和力学的能力要求较高。由于地下结构设计课程授课时间有限，学生通过课堂中老师展示的图片和视频，无法得到最直观的认识，导致其缺乏主动参与学习的机会，且学生在课下消化知识过程中无法及时与教师沟通，在接触如此复杂且枯燥的理论知识时难免失去耐心，兴趣不高，学生主观能动性缺乏。

1.2 理论与实际结合不够紧密，工程应用较少

地下结构设计课程具有很强的实践性和应用性，其理论体系需要与实践经验相结合。例如，在基坑支护、盾构隧道、沉井结构、箱涵结构和顶管结构等地下结构设计过程中，许多学生由于不清楚基本概念与结构设计原理，只是一味地照搬设计模板，甚至抄袭其他同学的设计，导致设计书中出现许多原则性错误，毕业生进入工作单位后仍然看不懂地下结构施工图纸。

1.3 研究性和前沿性内容偏少，部分授课内容偏旧

对于毕业后主要从事地下结构设计与施工的学生来说，有必要了解当前地下结构工程界的正在使用的先进设计方法。但目前地下结构设计课程教学仍然以传统的结构形式和经典的解析公式为主体，而对于现代地下设计工程领域广泛使用的数值分析软件，如基坑设计使用的启明星软件，课上的讲解寥寥无几。同时，当代工程上前沿的设计方法也没有及时进入教学课堂中，例如，国内外在大型基坑中广泛采用的大直径多层环形支撑等新型支护形式，在课堂教学中的基坑支护结构设计还局限于传统的悬臂挡土墙，显然教学内容已不能适应日益复杂的实际工程实际和施工要求。

综上所述，传统教学模式已不能满足现代化地下结构设计课程的教学目标，但网络媒介和翻转课堂技术耦合下的课堂教学新模式可以较好地解决上述缺陷，两者间主要对比如图1所示。2020年，教育部高等学校土木工程专业教学指导分委员会特别推荐了中国大学MOOC、智慧树、学堂在线和学银在线四个网络媒介平台[11]，为翻转课堂的实现提供了重要的保障，课前学生通过以上网络媒介平台自主学习；课中更多的采用分组讨论、合作及展示，引导学生逐渐形成“发现问题、思考分析、继续发现新问题—小组讨论—解决问题”的思路；课后通过具体练习、校企合作模式等检验学生掌握程度。最终形成网络媒介和翻转课堂技术耦合下地下结构课程新教学模式，具体思路如下节所示。

图1：网络媒介和翻转课堂技术耦合下的课程教学模式与传统教学模式的对比图

2 网络媒介和翻转课堂技术耦合下的地下结构设计课程教学模式思路

如何改变地下结构设计课程传统课堂教学模式？如何探索并建立网络媒介和翻转课堂技术耦合下教学模式新思路？笔者以上海理工大学环境与建筑学院20人小班《地下结构设计》教学为实践主体，就其中“盾构法隧道结构设计”章节，从整体上将教学模式思路划分为三个板块，即课前自主学习、课中合作探究和课后巩固拓展，如图2所示。

图2：网络媒介和翻转课堂技术耦合下的课程教学模式思路

2.1 课前自主学习

课前教学环节具体通过上海理工建立的超星网络教学平台或微信平台发布本周学习任务，学生提前预习“盾构法隧道结构设计”章节的内容，主要由观看视频、线上测试、讨论与反馈三个部分组成。

地下结构设计课前观看的视频主要是以网络媒介的课前学习的资源和场所为主。笔者选定慕课上崔振东教授主讲的《地下结构设计》，作为课前学习的优质网络媒介资源。教师根据学校的教学大纲和教学计划，将慕课教学视频的内容与学时进行合理分配发布给学生。其中，“盾构法隧道结构设计”章节内容主要包括盾构隧道衬砌结构设计流程、衬砌结构设计、隧道防水及处理、盾构法隧道结构设计算例四大部分，而学校安排3个学时不足以细讲盾构隧道设计这一章节的课程知识，学生在课前一周的时间内通过慕课资源平台进行学习，观看视频的时间控制在90分钟到120分钟之间，将视频分为10-15段进行观看，使得学生可以在课下充分采用碎片学习的方式，完成一部分内容的自主学习。针对“盾构法隧道结构设计”章节笔者一共分为12个知识点，共110分钟，如表1所示。

表1：课前线上知识点自主学习内容

学生在通过自学，观看微视频、查阅相关文献后，接着完成线上的启发性思维的线上测试。针对难度较低的盾构隧道衬砌结构设计流程，采用课前测试来评估学生的学习情况；对于实践性更强的隧道防水及处理，则采用发布导学案及图片链接等方式，来引导学生完成慕课视频学习。此外，由于“盾构法隧道结构设计”章节部分涉及很多受力性能分析与力学推导，对学生的数学、力学基础及抽象逻辑思维能力要求较高，课前慕课学习的进度控制和效果监测主要采用学校超星网络教学平台或微信平台。

2.2 课中合作探究

课中教学环节和传统教学课堂完全不同，这一环节主要为教师和学生之间讨论互动，分小组讨论及汇报，最终教师进行讲解，协作分析重点难点，建立“以学生为中心”合作探索思路。需要指出的是，学生课前自主学习是课中合作探索的必要条件，课中合作探索同时作为课前自主学习的有机组成部分和延伸。

通过重新设计课堂教学的流程，主要包括课前回顾、互动活动、小组汇报、课堂总结四个部分，让相应的活动建立在课前充分自主学习的基础之上，进一步提升课堂效果。在“盾构法隧道结构设计”章节的翻转课堂设计中：首先可在课前回顾，对学生起到承上启下的作用；接着进行简单的互动问答，让学生快速进入上课的状态；然后，将学生分为5人一组，共4个小组，分别为盾构隧道衬砌结构设计流程、衬砌结构形式与构造、衬砌结构设计计算、隧道防水及处理四个小组，进行共同讨论与学习，在学习交流之后，分组讲授探究学习的成果；最后，在学生小组汇报结束后，教师进行总结讲解重点知识，可以增强学生的语言表达能力，防止以后在工作和科研中出现不善于言语表达的窘境。

2.3 课后巩固扩展

课后教学环节阶段，首先为确保学生所学知识、概念及原理在课后进一步巩固，教师把课堂中学生难点和易错点进行概括，并上传到学校网络教学平台讨论区，以布置教材背后练习题为主，适当补充一些针对性和实践性的课后思考题；其次，为使学生学习兴趣和解决实际项目能力等得到进一步提升，结合国内外多起地下结构工程事故或重大工程项目，每学期布置1-2次小组扩展性项目作业，学生通过查询文献和调查研究，以研究报告的形式网上提交，并采用线下课堂的方式，由教师组织交流研讨。上述课后任务在实践过程中，大数据手段作为不错的手段可对学生的学习行为和进度进行督促，对学习效果不佳的学生进行线下辅导与帮助。

此外，还可将校企合作模式融入到课后教学环节中，通过邀请企业技术人员举办讲座，虚拟平台模拟实训，让每一位学生都可以了解行业中盾构隧道设计概况，而且校企合作模式已经在我校连续几届学生中重复教学，大大降低了老师的教学成本。同时可利用虚拟平台模拟盾构隧道设计的实际工况，让学生亲手操作，检验学习效果。

3 基于网络媒介和翻转课堂教学模式的思考

3.1 网络媒介和翻转课堂技术的适用条件

为保证网络媒介和翻转课堂技术耦合下地下结构设计教学的成功应用，首先，应以一部分难度适中的章节作为基础，确保课前自学学习环节的成功完成，对于高难度内容可在课堂内重点讲解；其次，将具有思考性的内容进行课堂小组讨论与汇报，确保课中合作探索环节可以顺利实施，提高学生创新性；最后，不是所有的章节都适合翻转课堂新模式，例如，绪论、地下结构的数值分析方法、地下结构可靠度理论等内容不适合翻转。教学实践过程中，什么章节适合？具体如何实施？教师的认真设计与思考是十分有必要的。

3.2 网络媒介和翻转课堂技术实施的保障措施

网络媒介和翻转课堂技术耦合下地下结构设计课堂中的每个教学环节都需要教师精选设计。首先，教师在课前自主学习任务中，要明确学习目标，考虑到不同教师和班级的多样性，提出的在线思考题要能在课前视频中找到答案；其次，也应重视课前视频的选择，做到内容简单有趣，保证学生学习兴趣；最后，课中教学环节成功的教学作为翻转课堂教学模式顺利开展的最重要的保证也必须得到重视。同时，地下结构作为一门高等学校土木工程专业创新型人才培养规划课程，必须要有一定的课后训练和知识扩展，学生才能更好的掌握和应用。

此外，针对监管机制与学习交流平台的构建，上海理工大学在2020年春季线上教学期间对原网络课程中心进行重建，接入超星泛雅平台，更名为上海理工超星网络教学平台，现已实现所有数据的整合，可以与慕课平台结合使用，为地下结构设计课程的教学新模式提供了重要保障。

4 结语

地下结构设计课程作为土木工程专业和地下工程专业高校必修的一门专业课程，在上海理工大学环境建筑学院土木工程专业课程体系中占有较大比例。在新时代发展的浪潮中，上海理工大学环境与建筑学院的教学团队积极探索网络媒介和翻转课堂技术耦合下地下结构设计的教学模式，根据学校教学大纲深入探讨了教学新模式中的设计与组织。通过教学实践获得了学生们的一致好评，使得枯燥难懂的地下结构设计课程变得形象生动，即使得学生在快乐学习氛围中接受书本知识，又使得学生培养了工程应用实践能力，为今后进一步提高地下结构设计课程教学质量，培养具有知识、能力、素养的土木工程专业人才奠定基础，为兄弟院校进行此类教学的探索提供了新思路。