无损检测技术线上线下混合式教学初探*

龙兴灿 张玲 黄燕

摘  要  针对无损检测技术新兴课程进行课程开发，设计无损检测模型，利用在线开放课程教学平台资源，对该课程进行线上线下混合式教学：在课前发布学习任务，引导学生预习；课中讲解演示，安排学生进行检测操作并上传试验报告；课后测试巩固知识，提高教学效率，增强教学效果。

关键词  无损检测技术；混合式教学；教学资源；检测模型；在线开放课程教学平台

中图分类号：G712    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）18-0043-05

0  引言

新冠肺炎疫情防控措施中不聚集、保持社交距离的要求，对教学造成极大影响。2020年以来，各院校大力开拓并推进网络教学和线上线下混合式教学：线上教学是教师利用网络教学资源，引导学生在线自主学习；线下教学是教师在课堂上面对面指导学生学习[1-3]。

目前，混合式教学主要有三方面的研究。

1）混合式教学模式研究，例如：于歆杰[4]总结了与混合式教学相关的投入和产出等六对关系；沙景荣等[5]研究混合式教学中教师支持策略；刘东等[6]通过对慕课运行期间各影响因子的研究，确定教师和学生两个层面影响因子占比。

2）混合式教学应用研究，例如：陈晓娜等[7]、柳杰[8]、张朋艳[9]对某课程进行线上线下混合式教学研究。

3）教学效果分析研究，例如：吕凤娇等[10]、胡岗[11]对线下教学和混合式教学效果进行比较。

以上研究均在内地高校，学生汉语基础较好的教学环境中进行，而本文在少数民族学生占比较大的学院对混合式教学进行研究。

受新型冠状病毒疫情影响，笔者参与了全国交通运输职业教育教学指导委员会的援疆行动，赴新疆交通职业技术学院支教，借助在线开放课程教学平台，开展无损检测技术课程教学。设计无损检测教学模型，建立“以学生为中心、任务驱动、以立德树人为根本”的线上线下混合式教学新体系，在无损检测技术课程中进行探索和实践，取得较好的效果。

1  教学背景

混凝土结构是道路桥梁、港口等交通设施中应用最广的一种结构形式。混凝土结构在结构重力等永久作用、车辆行人等可变作用、地震等偶然作用下可能产生结构损伤，而冻融循环、干湿循环、化学腐蚀、碳化风化等外界环境因素也会对混凝土结构的耐久性产生一定影响。因此，桥梁等建筑物在营运期需要进行定期检测，对结构损伤、混凝土耐久性、劣化的范围和程度以及发展趋势进行评估，并进行养护与维修加固。

无损检测是指在不对结构造成破坏的条件下，测试与目标技术状况有直接或间接关系的光、声、电、热、磁等物理参量，通过该物理参量变化来推定结构目标缺陷位置、大小、形状等物理状况并进行评价[12]。无损检测技术是一门新兴课程，原为公路工程检测技术课程中的一部分教学内容，随着检测方法与设备的发展，许多院校将无损检测技术设置为一门独立的课程。公路工程中常用的无损检测方法见表1。

混凝土结构的无损检测方法主要是采用机械波、电磁波（雷达）等方法对混凝土结构进行间接检测[13]，具有原理相对抽象、影响因素多、检测结果分析难度大等特点，且检测仪器均为电子产品，仪器操作与参数输入也较烦琐复杂，学生学习难度较大。笔者所授课的班级，少数民族学生比例达78%，普通话水平较低，对教师讲授的理论知识理解较为困难，加上疫情防控工作的影响，教学进度滞后，有效课时紧张。基于班级学生的学情特点，为了让学生在有限的课时内能熟练掌握无损检测技术课程的学习内容，笔者利用在线开放课程教学平台，根据学院既有实训设备和实物模型等实训条件，开展混合式教学。

2  教学内容设计

无损检测技术是一门实践性和应用性较强的新兴专业课程，课程的总体设计以“项目导向，任务驱动”为教学理念，把理实一体化、校企合作教学模式作为教学改革的切入点。教学内容以交通运输部公路水运检测师（助理师）资格证考试大纲、《冲击弹性波理论与应用》和《教育部关于印发<中小学教材管理办法><职业院校教材管理办法>和<普通高等学校教材管理办法>的通知》（教材〔2019〕3号）为指导，按照以“做”为中心的教学做合一原则编制。经科学分类和适度组合，将教学内容分为混凝土缺陷检测等三大无损检测项目，见表2。

3  检测模型设计

检测模型分为混凝土缺陷模型、钢筋混凝土模型、锚杆模型三种。混凝土缺陷模型需根据检测需要进行设计施工，其他模型为实物，可向施工单位订购。无损检测的实操训练，2人/小组进行操作仪器、数据采集和记录实训。因此，分成6人/大组，每个班级学生人数按35人计，所需设备与模型数量见表3。

3.1  混凝土厚度与缺陷设计

假定板状混凝土结构物为理想弹性体，冲击锤在其表面敲击，将在混凝土结构物内部产生P波、S波和R波三种不同形式的弹性波，其中P波波速与混凝土强度之间有较好的相关关系。弹性波在混凝土内传播时，在边界（或缺陷）界面处发生反射（见图1），其反射取决于界面处的两种不同材料的声阻抗率Zi。结构混凝土厚度（或缺陷位置）可按以下方法计算。

3.1.1  时域法

较厚的混凝土构件，其底部信号与激发信号分离（见图2），可直接读取波的反射时间，根据式（1）或式（2）计算出混凝土厚度或缺陷顶面位置。

式中，H1为结构混凝土厚度（m），H2为缺陷（顶面）深度（m），v为混凝土波速（m/s），t1为波抵达结构底部并返回的时间（s），t2为波抵达缺陷顶部并返回的时间（s）。

3.1.2  频域法（IE法）

由于弹性波波长较长（米波），当混凝土结构厚度（或缺陷位置）小于波长的结构物，在时域上，激发信号与反射信号往往交织在一起，因此需利用傅立叶转换（FFT）、频谱分析（MEM）等手段对接收信号进行分离。弹性波在结构底面反射产生峰值，而缺陷处产生的反射将出现新的频谱峰值（见图3），其峰值处的时长即为时间t1（或t2）。

用IE多点扫描则可分析缺陷在某扫描轴线上的位置（图4）。在厚度较薄的结构中，缺陷使底部的反射时间延长。

3.2  裂缝深度设计

裂缝深度检测可采用相位反转法，将激振点与接收点沿裂缝两侧等间距布置（见图5），击振产生的弹性波在混凝土结构中传播，弹性波在裂缝末端端点处将产生衍射。当传感器到裂缝距离L小于裂缝深度H时，衍射角向下，此时接收信号的初始相位为同相（见图6a）；当传感器到裂缝距离L大于裂缝深度H时，衍射角向上，此时接收信号的初始相位为反相（见图6b）。因此，当首波相位反转临界点为L=H时，则可以确定混凝土的裂缝深度。与超声波等裂缝深度测试方法相比，无须通过试算，简单直观，且精度较高。

最终，将大小和位置不同的混凝土缺陷、裂缝深度、结构厚度结合在同一混凝土结构模型中，见图7。

4  线上教学资源建设

建设线上资源的基本原则是降低学生认知负荷、激发学生自主学习兴趣，其表现形式应多样化。教学平台利用学习通，主要线上资源如下。

4.1  教学文档与教学视频

编制相应的讲义和PPT，尽量图文并茂，多采用彩图、动图，生动活泼，增强趣味性与可视性。针对每个教学任务，教师录制10 min左右的精华版教学视频，根据少数民族学生汉语水平低的特点，视频语速要慢，最好配字幕。将以上资源发布到在线开放课程教学平台上。

4.2  实训任务书

无损检测主要是弹性波、超声波、雷达波、磁法、电法等参数的检测，检测仪器均为电子产品，厂家、检测任务、仪器操作方法各不相同。每个实操任务都编制实训指导书，包含试验检测规范、检测步骤、仪器操作方法、试验报告格式等内容。资源中还有实操微视频，便于学生在实操过程中自行查阅。

4.3  考核评价

考核评价由签到、讨论、观看视频等活跃程度，实训报告小组互评成绩，在线测试三个部分组成。在线测试分为预习自测、单元测验、期末考试三种，题目根据公路水运工程试验检测人员考试的题型和分值比例进行编制，分为单选题、判断题、多选题和综合题四种类型。其中，自测题一般五题左右，为学习内容提纲，在预习后测试该任务主要内容，不计分；测验题为该任务中的重点与难点知识，根据该任务在课程中的重要性（权重），一般为10～20题；期末考试可利用考试题库中的题目单独组卷。

4.4  其他拓展知识

案例库中，每个任务收集多个工程中的实测案例，根据工程概况和实测数据，对检测结果进行分析。阅读资源库为检测网站、微信公众号关联的检测资讯、工程时事等，提高学生学习兴趣。

5  教学单元设计与实施

科学合理的教学设计能最大限度地克服在线学习的局限性[14]。无损检测技术教学单元设计遵循职业教育的基本原则，见表4。根据疫情防控期间新疆交通职业学院的教学安排和少数民族学生学习特点，教学单元设计方法见图8。

5.1  课前布置任务、引导自主学习

课前主要是线上教学环节，一般学生能在30 min内完成。教师及时发布学习任务通知，通知中包括应观看的教学视频和实操视频、需要学习的教材重点内容和PPT以及需要完成的自测题，还包括本次课的实训室名称、需携带的计算器等工具、试验准备内容和需要领取的仪器名称等，有效地增强见面课的课堂呈现效果，体现任务驱动式教学。

教学目标中，提出本任务的重点和难点，有利于学生在学习讲义和PPT的过程中分配注意力和时间。教学视频注重检测原理、重点与难点等理论知识的讲解，而操作视频侧重试验操作流程及注意事项（难点），学生可结合自身需求控制学习进度，可反复学习某个知识点，也可跳过某个知识点。学生预习教师布置的教学任务后，还需完成在线自测，在讨论区与教师和同学一起交流和答疑。同时，教师根据学生学习情况进行指导和监督。

5.2  课中突出重点、实操互评

课中遵循以学生为中心的原则，教师讲解无损检测原理并简单演示检测过程，随后让学生进行检测实操，然后提交试验报告并互评。教师先讲解“弹性波法检测混凝土厚度”教学任务中的重点与难点、演示检测过程，给学生分组，安排检测任务；然后让学生领取仪器，对混凝土实物模型进行混凝土厚度检测。在实操过程中，学生需要去查阅试验操作规范资料并观看试验实操微视频，认真操作，才能取得更好的成绩。

学生对试验数据进行分析并填写试验报告，将报告拍照后上传到教学平台。学生分组，组与组之间进行讨论和互评，通过讨论和互评使他们发现自己对知识理解的盲区以及试验操作或数据处理中的错误，从而进行针对性复习。

5.3  课后巩固与提高

课后，学生需要对已学知识进行巩固和提高，主要是进行该检测任务的在线测试。教师针对该任务的重点与难点以及学生容易出现盲区的知识点出题，比如弹性波的检测混凝土厚度原理、检测结果分析等内容，使教学活动更加具有针对性。无损检测案例库收集工程实测数据，提供一些典型的特征波形供学生进行分析，可提高学生对工程实践试验检测数据的分析能力。

6  结束语

针对无损检测技术新兴课程，根据工程实际情况设计混凝土结构厚度、缺陷、裂缝模型以及混凝土梁、锚杆等实物模型，合理配置工位及仪器台套；在教学平台上配置讲义、PPT、微视频等教学文件，可供学生学习与讨论；布置实训任务书、随堂练习、考核等，为学生提供练习与考核。遵循职业教育的基本原则，并将课程单元设计分成课前、课中、课后三个教学阶段。无损检测技术采用项目化教学方式，先是进行任务驱动（布置实训任务），然后开展理实一体化教学（学生自学检测理论，教师答疑，然后进行试验检测实训）的线上线下混合式教学。教学中运用翻转课堂等教学理论，采用以学生自主学习为中心的课程教学方式，从而提高学习效率和教学质量。

参考文献

[1] 徐长永.后疫情时代“高等数学”混合式教学初探[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2021（1）：62-64.

[2] 陈玲玲.线上线下混合式教学中学习评价机制探讨[J].科教文汇，2020（34）：65-66.

[3] 林丽星.“停课不停学”下混合式教学模式的实践探索[J].哈尔滨职业技术学院学报，2020（3）：21-23.

[4] 于歆杰.论混合式教学的六大关系[J].中国大学教学，2019（5）：14-18.

[5] 沙景荣，看召草，李伟.混合式教学中教师支持策略对大学生学习投入水平改善的实证研究[J].中国电化教育，2020（8）：127-133.

[6] 刘东，于艳春，付强.“建筑材料课程线上线下混合式教学模式研究[J].黑龙江教育（理论与实践），2021（1）：65-69.

[7] 陈晓娜，杜娟，王敏，等.混合教学模式在高职院校专业课教学中的实践：以护理专业为例[J].辽宁高职学报，2021，23（2）：49-54，102.

[8] 柳杰.线上线下混合式教学模式实施报告：以中职进出口贸易实务课程为例[J].中国多媒体与网络教学学报，2020（12）：167-168.

[9] 张朋艳.线上线下混合式教学在医学生理学教学中的应用[J].才智，2019（1）：4.

[10] 吕凤娇，谢晓兰，高平章.基于SPOC的《药剂学》课程线上线下混合式教学模式研究[J].商丘师范学院学报，2021，37（3）：102-105.

[11] 胡岗.“国家贸易”课程线上线下混合式教学初探[J].黑龙江教育（高教研究与评估），2021（1）：56-58.

[12] 李康.混凝土预制构件内部缺陷无损检测探究[D].河北：华北理工大学，2019.

[13] 吕小彬，吴佳晔.冲击弹性波理论与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2016.

[14] 张金波，李春江，吕冬霞，等.疫情下医学遗传学在线教学的设计与实施[J].生命的化学，2020，40（12）：2307-2312.

*基金项目：全国交通运输职业教育科研项目援疆项目（2020GJ604）。

作者：龙兴灿，南京交通职业技术学院，副教授，研究方向为道路桥梁工程试验检测、评定、养护与加固；张玲，新疆交通职业技术学院（831400）；黄燕，南京交通职业技术学院（211188）。