學習金字塔理論的工程結構設計原理教學實踐

秦衛紅，陸金鈺，吳 京，呂清芳，涂永明，馮 健，范圣剛，曹雙寅

(東南大學 土木工程學院，江蘇 南京 211189)

工程結構設計原理是一門以三大力學為基礎，主要講述鋼結構、混凝土，以及砌體結構基本構件設計的土木工程專業課，具有基本概念多、公式復雜、理論聯系實際、實踐性強等顯著特點[1]，對于土木工程專業本科生而言非常重要，其教學效果直接影響學生知識體系的牢固程度。為了實現良好的教學目標，滿足教學需求，筆者在教學過程中運用學習金字塔理論不斷探索有效的教學方法和教學手段。

一、學習金字塔理論及其應用

學習金字塔(如圖1所示)是美國緬因州國家訓練實驗室的研究成果。它形象顯示了采用不同的學習方式，學習者在兩周以后還能記住內容(平均學習保持率)的多少。學習金字塔是由美國學者、著名的學習專家愛德加·戴爾于1946年首先發現并提出[2]。

由圖1可知，學習金字塔理論圖形形象地將學習方式分為被動學習和主動學習兩大類。采用處于金字塔上部的被動學習方法，兩周以后的學習保持率較低；反之采用金字塔底部的主動學習方法，學習保持率非常高。該理論認為，通過學習者自己觀察、實踐、設計，將上述所得歸納總結并提高，從而教授給他人，這些屬于“主動”學習方法。實踐顯示，主動學習方法構建的知識體系學習效果最佳、最為牢固。聽講、閱讀、演示均為效率不高的“被動”學習。

文獻[3]針對物理化學實驗類課程，初步建立了一種“以學生為中心”的教學模式，即“網絡在線觀看實驗視頻預習 + 做過實驗的學生為未做實驗的學生講解演示 + 操作前學生小組討論 + 學生操作 + 操作后學生小組討論 + 教師檢查簽字”的教學模式。實踐表明，該教學模式激發了學生的實驗興趣，提高了學生學習的自主性和積極性，取得了良好的教學效果。該教學模式在實施過程中受到了學生歡迎，也對起主導(引導)作用的實驗指導教師提出了更高要求。

澳大利亞凱恩斯詹姆斯庫克大學[4]通過學習金字塔理論,將該理論運用于法律、商業、IT專業本科教學中，形成了混合、靈活的學習系統。結果表明，從傳統的學習系統轉變為混合、靈活的學習系統，會使本科生的學習經歷和成果更加豐富。該理論的局限是沒有捕捉學習系統的反饋循環，因此，還可進一步深化學習金字塔理論研究，以捕捉學生對其價值獲取和總體滿意度。

然而，如何將該理論用于土木工程專業工程結構設計原理課程教學實踐，筆者有自己的看法。主動學習環節固然知識的保有率高，但是不一定適用于每一門課或適用于每一個人。正如文獻[5]中所述，學習金字塔頂部的教師課堂講授雖然屬于間接獲得的經驗(知識)，但它是基于經驗基礎之上的“抽象化”和“概念化”的知識體現，也是教師從業多年獲得的理論水平和專業知識的映照。

學習金字塔理論之所以受到追捧，最主要的原因是它與人類認知世界的過程相似：從具體和經驗，到抽象的理論和概念，再將理論和概念進行推廣和普適。但是，若所有知識的獲取完全遵循這樣的過程，則是低效的，也是不經濟的，或者在相同的學習時間內獲得的知識缺乏深度和廣度。“抽象”和“概念”相對于“具體”和“經驗”，對認識事物本質的效率和深度顯然更加經濟、有效，有利于普遍推廣。

鑒于此，完全按照和遵循戴爾的學習金字塔理論，過分強調實踐而忽視講授顯然有失偏頗。因此，如何合理利用學習金字塔理論，實現主動學習和被動學習之間的平衡、互為補充至關重要。筆者結合土木工程專業工程結構設計原理本科生課程[6]，在學習金字塔理論的指導下進行了探索和嘗試。

二、學習金字塔之被動學習環節

被動學習包含聽講(lecture)、閱讀(reading)、視聽(audiovisual)、演示(demonstration)等。被動學習環節之所以知識保有率不高，筆者分析主要在于：(1)學生注意力不容易長期集中；(2)學生參與度不高。為此采取以下措施加以改進。

(一)小節即時彈幕——注意力曲線的運用

注意力是人大腦的某種喚醒水平，隨時間的變化直接影響人的學習狀態與工作狀態[7]。一般而言，上課開始時學生最有新鮮感，前10分鐘注意力高度集中。10～15分鐘后，注意力分散，并且持續較長。快下課時，學生精神狀態回升。一節課中，學生的注意力—課堂教學時間曲線如圖2所示[8]。當出現教師興致勃勃，而學生無精打采，教學效果不佳時，則需要根據學生注意力變化曲線，重新設計教學模式。

根據上述注意力曲線的分布，在一節課剛開始、學生注意力集中時，講重要內容；當學生注意力分散時，通過讓學生動腦筋回答問題來提高注意力，即在學生注意力三階段采用不同的教學方式，以此提高學習效率，具體如下。

剛上課時，學生興奮點還沒有完全集中在課堂上，教師在簡單回顧上節課知識點的同時，要快速對新課進行一個大概描述，讓學生了解即將學習的知識內容和該部分知識內容與先修知識點之間的關系，甚至在課程中的地位。這樣，在學生注意力集中時，使得學生對本節課形成總體認識，以提高學習動機，同時起到將學生的注意力快速聚攏到課堂上來的效果。

這部分內容結束之后，學生注意力高度集中的時間只剩余5～10分鐘。此時要趁學生還沒有進入疲勞期講解重點內容，帶入新的知識。這一階段持續10～15分鐘。上課15～20分鐘后，學生注意力開始降低，此時，教師若按照一成不變的節奏講下去，效率極低，因此，需要互動，讓學生動起來，引導學生主動地參與到學習中來。

筆者在這個階段的教學中，嘗試小節即時彈幕的方法開展教學。一般會在講完一個相對完整的知識點(一個小節)時，幻燈片屏幕彈出一個問題，內容可以設計為專門針對剛講述的知識點，也可以是剛剛講的知識點與以前知識點的綜合運用。題目的形式一般為選擇題、填空題和判斷題，因為這類題答題速度快，不會占用過長的講課時間。屏幕彈出題目的時間間隔一般為10～15分鐘。

例如，在講到鋼梁的整體穩定時，屏幕適時彈出如下題目。

該題不僅能夠將影響鋼梁整體穩定承載力的荷載形式形象及時展示給學生，而且能利用即時回答問題的方式，激起學生的學習熱情。當學生答對問題時，能增加成就感；若答錯，也能引起反思。利用小節即時彈幕的方式不僅可以調整課堂教學節奏，而且更重要的是在每節課學生注意力渙散期，起到制造興奮點的作用，變被動為主動學習。

這樣的教學實踐，受到了學生的歡迎。學期末時，針對小節即時彈幕的教學方式，在彈出次數、彈出時機等方面進行了無記名詢問，結果如圖4所示。從圖4中可以看出，所有學生均認可這種教學方式，并且認為次數太少的學生占所有樣本總數的67.7%，只有22.6%的學生認為次數太多。此外，9.7%的學生認為盡管彈出的時機不合適，但對學習有幫助。無人選擇D、E兩個選項。

可以看出，參與調查的學生普遍認為小節即時彈幕對學習有幫助，并且學生的注意力以及學習的動力普遍被調動了起來。在學生課堂注意力渙散時，課堂教學與小節即時彈幕相結合的學習方式能夠使知識得到及時鞏固，亦能做到及時的查漏補缺。

最后，臨近下課時，如圖2所示，學生注意力又呈現回升趨勢。可以利用此階段，與學生一起總結所學，一并提出新的問題，銜接下一節課，讓學生課下自行思考，待下節課一起解答。這部分內容也可以利用小題目或者總結順口溜等方式，使所學知識點在學生的腦海中留下深刻印象。

(二)角色代入——提高學生的參與度

除了采取措施提高學生注意力之外，筆者嘗試“角色代入”等教學方法以提高學生的參與度。這種方法可以設計多個或者一系列故事或者角色，并將這些角色賦予學生，讓其扮演某種角色以提高參與度。

例如，筆者在教學中曾設計了一個系列故事，貫穿混凝土構件的很多章節。該故事首先假定“中國土木工程學會”有一個“混凝土構件承載力計算公式協會”，然后安排“理事長”的角色給學生，行使“審批”會員的權力。在此背景下，將混凝土正截面受彎的“適筋梁”的承載力公式、“剪壓破壞”的受剪承載力公式、“大偏心受壓”和“小偏心受壓”的承載力公式等編入故事中。

采取這樣的賦予學生“角色”和“權力”的方法，極大地調動了學生的興趣和參與度。經過無記名調查，認為角色代入等教學方法“幽默”、并喜歡故事接龍的學生占全部樣本的84.6%。圖5為采用角色代入之前進行的課程興趣度調查。由圖5可知，選擇“興趣很大”選項的僅占5%，即使加上選擇“興趣一般”選項的，兩項之和達66%。可見，采用角色代入的教學方法可以達到激發學生興趣，提高參與度的教學目的。

(三)案例(圖紙)和作品展示

由于現代教學手段的廣泛普及和運用，授課方法由過去的只靠語言和板書變得越來越豐富多樣。大部分高校教師都能較好地利用學習金字塔“中層”的多媒體視聽、展示和網絡教學，且均取得了較好的效果。除了在主動利用上述多媒體教學手段的同時，筆者還采取了如下措施，意圖在被動學習環節以較小的“成本”增加實踐性，實現一定程度上的“所學即所得”。

適量增加設計圖紙案例。多年的教學經驗發現，盡管目前的課程體系中已經強調了實踐教學，但是學生對所學知識的綜合利用還比較欠缺，而且該問題經常會遺留到畢業設計階段。

展示設計圖紙的過程需要提前精心設計。有些課時可以介紹整套圖紙的組成，包含基礎和樓梯。學生既了解了結構的整體構成，也可以為相關后續課程 “預熱”。有條件的，還可以向學生介紹裝配式建筑和建筑信息化設計作品。

(四)介紹國內外的各類競賽和國外相關規范

除了上述措施，上課時還要不失時機地向學生介紹并鼓勵學有余力的學生參加國內外舉辦的各類競賽。在教師的鼓勵下，學生們積極參加了各級結構大賽，取得了良好的成績。這些參賽經歷也鍛煉和提高了學生的專業素養和綜合能力。此外，還可簡單介紹國外相關規范，從不同角度培養學生解決問題的能力，開闊學生視野。

綜上，在學習金字塔頂部，如圖1所示被動學習環節，教研組從提高學生的注意力和興趣，增強學生的參與度、培養綜合運用知識的能力和開闊視野等方面進行了教學嘗試，取得了良好的教學效果。

三、學習金字塔之主動學習環節

(一)主動學習之全民參與

在學習金字塔的底部，即參與度高的主動學習環節，可讓學生制作框圖、流程圖，以及編寫配筋小程序，給每個學生分配任務，鼓勵互相分享。

1.配筋小軟件

這部分主要集中在鋼筋混凝土單筋梁、雙筋梁以及T型梁的正截面配筋等較簡單、明確的內容。例如，圖6、7分別為學生對T型梁配筋和對梁的裂縫寬度進行計算的小程序界面，含有輸入、選擇、截面類型判斷和給出結論等環節。若實現上述所有功能，需要學生對每一個細節做到心中有數，故編制程序的過程即學習、總結、再學習、再總結的過程。

2.流程圖和框圖

對影響因素較多的鋼筋混凝土偏心受壓構件等內容，編寫軟件將花費大量時間，則鼓勵學生采用框圖或者流程圖的形式。如圖8所示的框圖為大偏心受壓構件的設計過程。該框圖思路清晰，互相分享之后，有助于學生梳理知識點。

3.學生自主命題作品

通過上述各種激勵手段，學生在學習課程、寫作業、故事接龍和做作品等方面表現出了極高的積極性和參與度。思路被打開之后，部分學生還自主命題，自行選擇軟件，制作思維導圖、自主編寫配筋程序。綜上，基于金字塔底部的“主動學習”，通過合理的安排，教師的適當引導，學生的積極性被激發，后期學生的自主學習意識和積極探索的后勁也表現得更為強勁。

(二)主動學習之翻轉課堂

翻轉課堂(Flipped Classroom)[9]是當前教育界追捧的熱點教學形式之一。由于翻轉課堂對課件和視頻制作、編班、考核形式、教師指導等依賴較大，施行有一定的難度。隨著中國大學慕課建設的完善和推廣，以及網絡資源的豐富，嘗試和實施翻轉課堂必將越來越便利。

文獻[10]分析了翻轉課堂教學模式在中國的應用和發展，建立了土木工程專業翻轉課堂教學模式的支撐體系，開展教學模式總體設計和知識模塊能力培養解構，提出學習效果評價體系，為高等學校理工科相關專業教學改革提供了借鑒。

筆者在試行“翻轉”之前，針對工程結構設計原理課程的學習狀況進行問卷調查(無記名樣本數共205份)。內容分別為“是否應該增設習題課”和“遇到問題時學生如何解決”，其中，選擇需要增設習題課的高達73.6%。遇到問題時能夠“向老師請教”的只有14%，還有4%的學生選擇“不解決”，如圖9所示。

從上述兩項調查結果看，目前普遍采取的教學方法主要存在如下問題：(1)學生聽課遠大于練習和討論，主要的教學方式仍然采用的是金字塔“塔尖”上的課堂講授；(2)學生急需習題課、討論課，以及向老師請教等環節的訓練。

鑒于此，教研組選取“鋼格構式構件”內容進行“翻轉”課堂嘗試，格構式構件涉及的概念多、知識系統性較強，但是步驟繁瑣。

課前準備階段：(1)提前一節課布置自學提綱；(2)提前公布教材上的作業題；(3)學生課下自學教學視頻、學習ppt、收看例題，觀看格構柱三維模型圖視頻(上述內容可在愛課程網、國家資源共享課程，以及中國大學慕課網東南大學工程結構設計原理教學中查找)。

課堂教學：(1)討論自學提綱的習題答案；(2)課堂提問；(3)分組完成習題；(4)學生匯報感受和收獲。

經過上述“翻轉”實踐，總結師生的收獲和感受，筆者體會如下。(1)翻轉課堂的順利實施，對師生雙方提出了高要求。一方面，教學和實踐效果對教師提前編寫自學提綱、組織課堂答疑和討論、課堂練習的選取依賴性強；另一方面，對學生在沒有教師的組織和監督下能否自覺和有效利用網絡資源是一種考驗。經初步統計，雖然大部分學生都實施了課前學習，但是班級35人只有54%的學生完成了線上和線下自學的全部環節。(2)翻轉課堂的實踐增加了總的學習時間。與不實施翻轉相比，翻轉課堂網絡自學的環節需要較大的精力投入。有不少學生只完成教師布置的部分自學任務，導致自學提綱的課堂反饋和課堂提問效果不佳。(3)學生對翻轉持不同的態度。據不完全統計，此次嘗試受到學習能力較強的學生的歡迎，同時也受到了平時不自覺的學生的“歡迎”，其原因主要在于分組討論環節有了向同組其他學生學習的機會，并且課下自學階段，沒有老師“逼迫”其看完視頻和幻燈片。對于學習中等的學生在保證其學習的有效性方面還有待提高。

此次翻轉實踐也暴露出一些不足，還有待進一步優化和提高。(1)慕課資源雖然有所完善，但對學生利用慕課自學的考核體制有待建立和規范，需要院、系層面制定科學的、切實可行的考核計分辦法。(2)對同樣一門課程課時的需求量大幅增加,因此目前的課時安排不盡合理。

為此，提出以下建議。(1)班級容量不宜太大，建議在小班、精英班試點。(2)對實施課程選取部分學時進行實踐。(3)總結經驗和不足(含教學、考核和管理)，逐步完善和確定適宜的教學模式、考核體制、管理細則，選擇適宜推廣的教學內容和學生群體。(4)學校或學院教學管理層要協調配合，進一步建立健全考核辦法。

四、結語

基于學習金字塔理論，分別在金字塔頂部的“被動學習”環節和金字塔底部的“主動學習”環節采取相應的教學改革措施，得出如下結論和建議。

(1)根據課堂注意力曲線，通過彈幕提問的方式有助于激發學生的興奮點，提高學生上課的專注度。(2)根據教學內容設計適宜的帶入角色可以達到增加學生參與度、提高學生學習興趣的教學目的。上述兩項措施，在不占用過多時間的前提下，達到了調整教學節奏，提高教學效果的目的。(3)布置適宜的課下編寫小程序、小框圖并互相分享的全民參與小任務，不僅可以鞏固教學效果，增強學生責任感，也能激發學生的探索精神，為部分學習能力較強的學生提供了自主創新自主命題的空間。(4)根據受學生歡迎的程度和當前教學環境，在軟件、管理和師生意識都達到的前提下，采用翻轉課堂教學不僅可以提高教學效果，而且可以培養學生主動學習的習慣。