模块化与三维视频教学法在道路课程中的应用——以“道路综合实验”课程为例

叶云雪，吴珺华，吕 辉

（南昌航空大学 土木建筑学院，江西 南昌 330063）

引言

当前，科技革命和产业变革蓄势待发，世界已进入以创新为主导的发展时期。在新工科背景下，高校培养具有社会责任感、创新精神和实践能力的新时代人才已成为服务国家战略发展需求、提升国际竞争优势和落实立德树人根本任务的新时代发展目标［1］。

国家战略发展需求是新工科教育改革的动力源泉。深入实施“互联网+”“京津冀协同发展”等重大战略，坚定贯彻“创新、协调、绿色、开放、共享”新发展理念，加强培养“创新型、应用型、技能型”新工程人才等，迫切需要深化高等工程教育改革，认真履行高等工程教育在人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创新、国际交流合作中的职责使命［2］。重视新时代人才培养工作，是在日益复杂的国际环境中赢得竞争优势的先决条件，也是落实高校立德树人要求的重大举措。为了推动工程创新人才的培养，本教改项目以新工科和工程教育认证为背景，以我校交通工程专业学生为研究对象，探索模块化教学法和3D视频教学法在“道路检测综合实验”课程中的应用。

一、实验课程教学存在的主要问题

（一）课程无法体现成果导向教育

工程教育专业认证往往从整体设计方面指导各专业的培养目标、毕业要求和课程体系，并侧重于各门课程对毕业生要求的支撑关系，而各门课程本身如何从局部设计方面体现成果导向教育（Outcome-based Education,OBE）教学理念，对高校教师提出了新的挑战。

（二）学生缺乏主观能动性及创新性

由于课程实验项目较多、仪器设备和实验场地有限且耗时费力，故实验项目以验证性和演示性实验为主。在实践过程中，学生非常依赖指导教师和实验手册，并以完成实验手册为目标，缺乏主动思考的驱动力，创新思维的培养无从谈起。

（三）部分学生学习积极性不高

作为一门专业课很强的实验课，学生本身对试验仪器不熟悉，在平时的生活及学习中也很难见到这些仪器。单纯的理论讲解不仅无法让学生产生共鸣，还容易使其滋生枯燥或厌烦的听课心理。

（四）学生对团队合作不够重视

团队合作是企业创新的重要动力，也是培养大国工匠精神的重要基础。实验课相比于其他理论课，更加强调和注重团队合作精神。在实践过程中，小组成员普遍存在合作意识不强、分工不明确、参与感不强等问题。

二、“模块化+3D视频”教学法的应用

（一）模块化教学法

实验课程的专业性、综合性较强，导致教学效果不理想。模块化教学法的能力本位教育（competency-based education,CBE）是解决实践课程教学难题的有效途径之一［3］。CBE着重使学生有针对性地学习和掌握某一特定职业或工作岗位所需的能力。该能力包括知识（与岗位或职业能力相关的知识领域）、态度（工作态度等情感因素）、实际经验（具体的操作与管理能力）、反馈（评估或评价领域）四个方面。基于CBE理念，本门课期望培养学生成为一名公路检测工程师，且公路检测工程师可以实现向项目经理的转变；基于OBE理念，本专业期望培养学生成为一名核心管理人员或项目经理。因此，基于CBE的教学策略符合工程教育专业认证中的OBE理念。实验课程基于CBE的教学策略如图1所示，包括知识点（与公路检测工程师相关）、态度（学习态度）、操作（实践表现）和反馈（教学效果评价）四个方面，旨在提高教学质量和培养高素质专业人才——具有扎实的公路检测知识、独立的实验操作能力和良好的团队合作精神等。

图1 基于CBE的教学策略

“道路综合实验”课程包括理论学时和实验学时，教材选用自编教材。与公路检测工程师相关的知识点主要来自《公路路基路面现场测试规程 JTG3450-2019》《公路工程沥青及沥青混合料试验规程 JTGE20-2011》《公路土工试验规程JTG 3430-2020》《公路技术状况评定标准JTG 5210-2018》等公路标准或规范。这些公路标准或规范的内容复杂、知识点多，不利于学生学习。构建以项目为核心的模块化课程体系是体现新工科课程与教学设计的重要途径［4］。若将沥青或水泥道路看作特定项目，则以该项目为核心的模块化设计可应用于实验课程的教学。基于CBE教学模式，在教材内容的设计上，应遵循由表及里、由浅入深、层层递进的原则，有利于培养学生的发散性思维。例如，以沥青或水泥路面的全生命周期为核心，运营维护阶段，需要学生明确公路路面结构病害现场检测方法和公路技术状况评定方法；施工阶段，需要学生掌握公路路基路面试验（如压实度、平整度、弯沉值和抗滑性能等）测试方法；设计阶段，需要学生了解公路工程沥青及沥青混合料试验（如马歇尔稳定度和车辙等）、公路工程集料（如粗、细集料等）试验、公路土工试验（如含水率和干密度等）等测试方法。

以项目为核心的模块化实验课程有三个好处：一是实现课程知识点模块的有效衔接，促进学生的理解与记忆；二是体现人才培养规律，促进学生从直观形象到抽象逻辑等思维能力的转变；三是贯彻以学生为中心的教育理念，强调学生组建合作学习小组，重视团队合作精神。

为了改善学生对实验课程的学习态度，在理论教学中，适当加入互动、讨论、分享等教学环节，既能促进师生的情感交流，又能提高学生的学习兴趣。在实验教学环节中，除了要求实验报告书写工整、实验数据真实、计算结果准确，每个小组还要提交实验日记。实验日记的内容包括小组成员姓名及学号、实验名称、实验分工任务及负责人、实验小结、现场照片（每次实验不少于4张，每张照片记录不同的实验步骤）等。在教学评价环节中，通过生生互评（内容涉及知识掌握、实践表现和态度等），让学生及时弥补实验课程学习的不足，让教师持续改进自己的教学方法。生生互评的具体实施方案包括三个方面：第一，组内自评。让小组成员分享自己在该实验中担当的角色及承担的任务，并评价自己的优缺点。第二，组间互评。让其他组长对该组的表现进行评价，加深各组对实验步骤的记忆和理解。第三，小组互助。由教师汇总各组在实验过程中遇到的问题，各小组分别派出小组代表提出集体讨论的解决办法。

实践表现包括实验操作能力、团队合作能力和数据处理能力，旨在培养学生严谨的科学态度和良好的团队合作意识。由于小组成员之间的默契度与熟练度不够，容易影响合作效率，故亟须教师的正确引导和关注。教师事先要做到以下三点：第一，介绍每次实验的目的及意义，需要哪些角色，并明确每个角色的任务分工；第二，实验前强调实验过程中哪些实验步骤存在危险，以及可能产生的危险后果；第二，全程参与、全程跟踪。

教学效果评价包括过程性考核和结果性考核。过程性考核主要是平时表现（课后作业完成情况、课堂纪律、与教师的互动情况等）。结果性考核主要是理论考试成绩和实验报告成绩。理论考试包括笔试和视频制作。笔试一共设置三道题，第一道为名词解释题，考查学生对基本概念的掌握程度。第二道为论述题，了解学生的团队合作意识，如“请从个人和团队的角度阐述某一项实验的操作步骤，并谈谈个人感受”。第三道为思考题，测评学生的创新能力。例如，随着信息化技术的快速发展，路面平整度检测的手段也发生了显著变化，如三米直尺法、连续式平整度仪、车载颠簸式累积仪、车载激光平整度仪等。请列举出一项道路检测手段，谈谈你对该检测手段的改进思路。视频制作的考核方式详见下节。

（二）3D视频教学法

道路检测综合实验的载体主要是道路，尤其是沥青路面，往往分布在校外，因此有必要使用视频教学法。视频教学法能够增进师生互动，加深学生对理论知识的理解，提高学生的学习兴趣和热情［5］。然而，普通的视频教学法对于激发学生的创新性和发散性思维是远远不够的。建筑信息技术（building information modeling,BIM）是一项引领数字技术走向高层次的新技术，2021年被国家列入数字经济及其核心产业统计分类。BIM技术具有可视性、可模拟性和可交互性等特点，已逐渐应用于工程实践课程教学中［6］。

在新工科背景下，积极开展以学生为中心、以BIM技术能力培养为导向的项目教学活动，将有助于培养学生的创新思维，提高分析和解决实际工程问题的能力。教学团队构建了基于BIM技术的3D视频制作能力培养路径模型（如图2所示）。

以公路路面结构病害之一坑槽为例，详细的培养路径如下：（1）教师发布任务，要求制作基于BIM技术模拟坑槽修补全过程的3D视频。（2）各小组对项目进行初步分解：确定坑槽类型、熟悉坑槽修补规范、查阅原沥青路面结构设计详图、初步拟定基于BIM技术的3D视频制作步骤。（3）经小组讨论后，由小组组长进行任务分工，每周计划进行一次组会。（4）明确BIM技术的使用软件，并确定BIM视频的制作步骤：制作模型，模型渲染，制作局部动画，动画剪辑整合。（5）各组商讨视频效果的逻辑呈现方式。例如，视频首先展现小型汽车在坑槽上行驶的状态；其次展现工人对坑槽进行施工修补的全过程；最后展现小型汽车在完好的沥青路面上行驶的状态。（6）在整个过程中，教师可以利用学习通、微信或腾讯会议等工具，与学生保持密切联系和沟通。

区别于传统的视频，基于BIM技术是由师生共创的3D视频，充分展现了学生的个人能力、创新能力以及团队合作能力，使学生具有更大的思维想象空间和主观能动性。优秀的3D视频不仅可以补充和增加视频教学素材，还将被详细介绍给下一届学生进行学习和观摩，使本届学生能够获得极大的成就感，有效促进大学生创新思维和创新能力的培养。

（三）模块化与三维视频教学实施效果

为了评价模块化与三维视频教学法实施的效果，教学团队通过问卷调查的方式对未开展这两种教学方法的南昌某大学交通工程专业2018级和已开展这两种教学法的2019级学生进行调查。调查数据显示，学生对课程的满意度由95.0%上升至98.3%，平均成绩由75.6分上升到88.1分。显然，开展这两种教学方法的年级，其满意度及平均成绩均有明显提升。其中，2019级中有87%的学生希望更多的实验能够采用3D视频教学，93%的学生希望制作更多类型的视频，并积极申报与BIM相关的各项比赛。

基于BIM技术的3D视频教学法不仅可以引导学生之间主动合作交流，还能促进学生的个性化发展。在视频制作内容、BIM技术软件选择以及视频效果展现方式等方面，尽量让学生有更多的自主权，促进学生创新思维的培养。研究生教育作为教育体系的塔尖，区别于其他教育阶段的特征，主要体现在知识和技术层面的创新性、思想理念和精神文化层面的引领性以及个体和团队层面的主动性［7］。而基于BIM技术的3D视频教学具备创新性、高阶性和挑战度的“两性一度”特点，可以使本科生教育与研究生教育得到良好的衔接。因此，CBE和BIM技术有望成为交通工程专业金课打造的新途径之一。

结语

将模块化与三维视频教学法运用于交通工程专业实验课程教学，弥补了目前实践教学的不足。模块化教学法有利于培养学生的逻辑思维和发散思维，3D视频教学法不仅提高了学生的学习积极性和主观能动性，还提升了学生分析和解决实际问题的能力。基于BIM技术的3D视频制作及应用，确保了人才培养朝新工科和工程教育认证的方向发展，值得在工程实践教学中推广。