新冠疫情下建筑材料實驗課程線上線下混合教學模式實踐

彭 宇，錢匡亮，余世策

（浙江大學建筑工程學院，杭州 310058）

0 引言

2020 年初，一種新型冠狀病毒（COVID-19）在全球爆發。我國通過局部封閉與隔離，很快就基本控制住了國內疫情，而疫情在世界范圍內愈演愈烈［1］。為了做好防擴散、防輸入、防反彈的工作，教育部發文要求各大中小學在疫情未得到絕對控制之前不許開學、學生不返校。為不影響學生學業，教育部號召學校“停課不停學”，積極開展網絡、遠程教學［2-3］。近年來，得益于網絡的普及以及網速的提升，網絡直播教學發展迅猛，與MOOC［4］相比，直播時學生與教師的互動性更強［5-6］，但直播過程中易受信號、設備等因素制約，導致教學效果欠佳。我校自2020 年2 月底起全面開展網絡教學，借助于“學在浙大”“浙大釘”等教育教學支撐平臺，通過在線授課、直播課堂、錄播授課等形式為師生“送課”。

實驗教學作為高校理工科專業學生培養過程中十分重要的一環，對學生深入理解理論知識、培養實踐技能和提高創新能力有著不可替代的作用［7-8］，如何利用網絡開展實驗教學在疫情期間面臨著前所未有的挑戰。與理論課不同，實驗課對于場地特別是實驗儀器的依賴程度高。雖然近年來實驗教學模式亦日趨多樣化，一些在實驗室內不易開展的實驗已有虛擬仿真實驗［9］，我校土木水利實驗中心目前已有“超重力離心模擬”與“鋼筋混凝土結構受力破壞”兩個虛擬仿真實驗在線開放［10-11］。但實驗課不能只虛不實，只有虛實結合、理論結合實踐，才能真正發揮實驗教學的作用，驗證理論并啟發學生思維。

為了保證學生學業的連續，共克時艱，結合實驗課程教學特點，我校建筑工程學院建筑材料實驗教學組于2020 年4 月份起開展線上線下相結合的混合模式教學，通過合理地分解教學過程、實驗項目等，以線上授課、線下實驗相結合的方式順利地完成了教學任務，并取得了良好的教學效果。

1 線上教學的本質及其對實驗教學的適用性

課堂教學與網絡教學，其目的均是為達成知識和技能的傳遞。所不同的是，傳統的課堂教學需要教學活動的參與者（教師與學生）同一時間聚集在同一場所，即教室里，如圖1（a）所示，所有人在教室里發生接觸與連接。教學過程中所傳遞的信息，包括文字、圖像和聲音均局限于教室中。而網絡教學將原本匯聚于一室的幾十或上百個學生分散在各自的家里，學生［如圖1（b）］借助于網絡將所有人匯聚于一網絡平臺［如圖1（c）］。由于網絡的便捷，通過網絡空間，所有信息，包括文字、圖像和聲音均可連續傳遞，因此網絡教學是可行的。

圖1 網絡教學的本質

然而與理論課不同，實驗課的參與者還包括實驗儀器與實驗材料，網絡不能將儀器和材料的直接感受傳遞給學生，因此單純依靠網絡教學，難以取得較好的實驗教學效果。或者說，網絡教學僅可完成實驗課的理論部分可以完成“技術”的傳遞，但并不能完成“技能”的傳遞，網絡教學并不能完全滿足那些需要學生掌握技能的實驗要求，實驗教學的最終落腳點仍然是“實”，即最終還是需要回到實驗室內完成實驗［12］。

2 實驗教學的分類問題

2.1 實驗教學過程分解

與理論課程不同，實驗課程極其強調實踐性。首先根據實驗教學特點，將整個實驗過程分解為“用眼看，專心學，動手做，勤記錄，多思考”等5 個既有聯系又可分解的部分。其中，“用眼看”與“專心學”一方面體現在學生課前的預習，另一方面體現在學生聽教師講解與觀看教師演示過程中對實驗基本原理和操作要點的掌握；而“動手做”是實驗教學中最重要的環節，需要學生按照實驗步驟科學合理地完成實驗并獲得相應結果；“勤記錄”是指學生在實驗過程中要盡可能全面且及時地記錄實驗數據與現象，詳盡的記錄是完成實驗報告必須的素材，也可保證實驗過程的可追溯；而“多思考”也是不可或缺的環節，包括對實驗現象的解讀、數據的處理與分析、對異常數據特別是與理論之間的誤差進行分析等。只有完整且高效地完成這5 個環節，一個實驗才能真正地起到實踐驗證理論作用。

為進一步準確地把握實驗課的本質，可將實驗課分解為理論與實踐兩部分，其中理論部分即對實驗原理和步驟的學習和理解，即上述5 個步驟中的“用眼看，專心學，多思考”，而實踐部分包括“動手做，勤記錄”，如圖2 所示。一般實驗中，理論部分的學習對實驗室及儀器的要求較低，可通過教材、課件等進行學習，而實踐部分則必須在實驗室內利用實驗儀器、按照一定的步驟才能順利完成。基于該分類，可將實驗過程的理論部分通過線上進行教學［12］。

圖2 實驗教學各步驟的分解

2.2 建筑材料實驗的分類

了解了網絡教學的特點及其適用性之后，根據實驗課的特點，將實驗內容進行分類。作為土木工程大類學生的一門必修課程，建筑材料實驗旨在讓學生掌握常用建筑材料基本性能的測試方法與要點，以保證建筑工程中所用的材料滿足應用要求。由于建筑材料種類繁多，首先對課程實驗項目進行梳理，建立以混凝土為核心、兼顧其他材料的課程體系，如圖3（a）所示。而后，依據每個實驗點及其重要性，將所有實驗分為“講解型、演示型、操作型”3 類，如圖3（b）所示。其中講解型實驗如混凝土耐久性試驗實驗需要長時間才能完成、不適宜在教學實驗中開設但對學生理解該課程又是十分重要的實驗。

圖3 建筑材料種類及其實驗分類

由于講解型與演示型實驗只包括理論部分，這部分內容可不使用實驗室及實驗儀器，因此這部分實驗可在線上完成，包括混凝土耐久性、凝結時間、安定性等實驗。而對于操作型實驗，如混凝土成形及強度測試、鋼筋拉伸、砂石骨料的表觀密度等實驗，既包含有理論知識又需要學生動手操作，其中的理論部分也可在線上完成。

3 線上線下教學的實施

3.1 線上線下混合教學模式的提出

提出一種線上線下混合實驗教學模式如圖4 所示。其設計的實施段主要有：①課程內容制作，包括制作課件、拍攝視頻、圖片等教學資料，包括搭建課程網站等。②搭建課程學習平臺，釘釘或QQ 等能夠實現在線直播、分享視頻與文件等功能的平臺均可，釘釘群的優勢在于能夠查看群內成員的到訪足跡并記錄其學習時間，可優先采用。③線上教學階段，包括在線直播、播放錄播視頻、查看課件及其他教學資料等。④為了保證線上學習效果，在線上學習與線下實驗之間設立了發布題庫與理論問答環節，該環節的設置是為了彌補學生線上學習不專注的缺陷。因線上學習全靠學生自覺［12］，當學生的自覺性不夠時，線下實驗的效果就難以保證。多年實驗教學經驗表明，雖一再強調實驗需要預習，但真正能夠預習或達到預習效果的學生比例不大，這一方面是學生對于實驗的重視度不夠，另一方面是預習時沒有把握實驗的重點。精心編寫的題庫是關于實驗原理、儀器構造、操作要點及數據處理等，當學生帶著題庫中的問題去觀看視頻、教材及課件時，能夠從本質上掌握實驗相關的知識，并產生思考。⑤通過對題庫中問題的回答，加深了對實驗原理的理解。⑥“提問考查”環節后，學生便以組為單位進行實驗，教師不再對實驗原理與過程進行講解和演示。⑦實驗結束后，可用口頭或調查問卷形式收集學生的反饋，根據學生的反饋意見，可對課程內容與題庫進行更新，對課程平臺及交互方式等進行更新和豐富。據此，使線上線下混合教學模式運行更加順暢，提升了學生自主學習能力，增強了實驗教學效果。

圖4 線上線下混合實驗教學模式

3.2 線上教學

以前一節的思想為指導，講解型、演示型實驗及操作型實驗的理論與操作示范部分通過線上完成，操作型實驗的操作部分在學生返校后統一開展。線上教學形式有：通過屏幕共享授課、通過攝像頭實時拍攝儀器設備演示實驗操作并將課件及實驗過程發布于實驗中心網站上。

線上教學可以有直播、錄播等形式，本課程的線上教學通過建立釘釘群并在群內發起直播的形式展開，將學校教務系統與“浙大釘”后臺鏈接，可直接生成以班級為單位的釘釘群。以釘釘群作為課程直播平臺具有以下優勢：①學習方式比較靈活，直播視頻能夠在線保存半年，因此學生可以選擇觀看直播或觀看回放；②釘釘群內所有人員是否參與課程以及參與時間均有記錄。如圖5 所示的兩個班的學生在線學習混凝土實驗的情況，其中橙色代表觀看直播時長，灰色代表觀看回放時長。首先可知大部分學生均是通過觀看直播、并全程參與的形式完成了該堂網課；少部分同學通過看回放，如A班的4 號及B 班的1、2 號學生；也有少量學生既看了直播又花了一定時間觀看回放，如A班的14、15 號及B 班的6、8、17、21、27、33 號等學生；同時兩個班均有4個學生既未觀看直播也未觀看回放。這些信息，可作為課程考核依據；③教師在觀看過程中可隨時發布在線點名。發布點名后會在觀看者的屏幕上出現點名按鈕，其出現時間為1 min，學生點擊后該按鈕會消失，沒有點擊1 min 后該按鈕也會消失，可根據學生是否點擊按鈕判斷該學生是否在線聽課。

圖5 兩個班學生觀看混凝土實驗教學直播視頻的時長情況

3.3 線下實驗

因疫情影響，學生返校時正值暑假，為不影響秋季學期的課程，學校要求所有線下實驗、實踐類課程需在半個月內集中實施，同時要確保人員不聚集。本校參加建筑材料實驗的學生有土木、交通、水利、港口與航道工程等專業學生共220 人，被安排在6 個下午完成。為了確保學生安全，同時又能高效率地完成實驗，做了以下安排：

（1）將學生分為6 批，這樣避免同一批次學生過多，造成人員聚集。

（2）在每個實驗室門口張貼由學校統一印制的具有該實驗室唯一識別號的二維碼并配備免洗消毒液，學生進出均需掃碼登記并進行消毒，學生全程佩戴口罩。

（3）設置了如圖6（b）所示實驗流程。一般來說，建筑材料實驗的全過程如圖6（a）所示，學生進入實驗室后由教師講解實驗原理和要點，并簡單演示實驗操作、強調注意事項，而后學生開始實驗。由于時間壓縮且理論部分已在線上環節進行教授，學生進入實驗室后先按照要求進行掃描登記并消毒。為了驗證學生在線學習的效果，確保實驗完成質量，設置了提問考查環節，題庫由實驗原理及操作方面的問題組成，預先已將題庫發布在釘釘群內。每位學生進入實驗室后由老師隨機抽選4 題進行提問，根據學生回答問題的正確率打分，最高為5 分，最低為0 分。問答結束后，教師不再對實驗原理及過程進行講述，而由學生直接進行實驗，實驗結束后，掃碼簽出并消毒后離開實驗室。

圖6 兩種情況下實驗實施過程

（4）控制小組人數，建筑材料實驗一般分組進行，由于實驗室內儀器臺套數等限制，當一個班人數較多時，每個小組人數4 或5 人，這不可避免要造成教室內和小組人員聚集，因此將小組人數控制在2 或3 人。

（5）同時開放所有實驗室并控制實驗室內人數，由于不同建筑材料實驗的儀器設備、需要做的準備工作及材料均不相同，不同建筑材料實驗需要在不同實驗室內完成。一般來說，由于人力物力等限制，一個時間段往往只開一個實驗。而疫情期間，為了避免一個班級人同時擁擠在一個實驗室內，同時開放了多個實驗室，采用輪流轉換方式，控制了單個實驗室內的人數。當某個實驗室內人數超過一定限制時，新來的學生可先完成其他人數未超過限制的實驗，學生完成一個實驗后，再去完成下一個，直到完成所有實驗。

4 總結及評價

通過線上線下相結合，順利地完成了新冠疫情期間建筑材料實驗課程的教學任務，通過對從學生的反饋來看，這種模式取得了良好的效果。也從此次實踐當中獲益良多，一些經驗可以在以后的教學工作中繼續施行。

4.1 線上線下混合模式教學的優點

（1）線上教學的全時性。線上教學沒有時間與空間的限制，學生可以在任何網絡連線地點通過電腦或手機等參加課程學習，也可在任何時間段觀看回放學習，學習方式靈活；線上教學的另一個優點是答疑的便利性，課程群內任何學生在群里的提問及老師對其進行的回答對所有人可見，因此就避免了不同學生對于同樣問題的重復提問。

（2）提問考查的作用。因不設考試，往常學生上課前預習不足，更不會對實驗原理和過程進行深入思考，只是按照教材按部就班地完成實驗，效果欠佳。而通過設置理論知識提問考查環節，學生對實驗原理與過程理解更加深入和透徹。由于隨機提問，學生會逐一對題庫中所有問題進行預習與思考，而題庫涵蓋實驗原理、儀器結構、實驗操作、操作要點與數據處理等全過程，為了能夠回答出這些問題，學生會通過查看教材、課件、觀看回放、向老師咨詢以及網上搜索答案等途徑對實驗進行預習。這極為有效地提高課程教學質量，這也是設置該環節的目的。

圖7 所示為統計的第1 批次與第3 批次學生4 個問題的得分情況。從得分來看，一半以上學生均完全回答正確，而4 分及以上的學生約占總人數的80%，說明大部分學生均進行了預習且取得優良效果。實踐證明，良好的預習也是實驗順利完成及報告正確撰寫的保證，該環節可在后續常規實驗課程中繼續實施。

圖7 理論知識考核的得分情況

4.2 線上線下混合模式教學存在的問題

（1）課程評價體系需要修正。作為考查課，實驗課一般不設考試，通過平時（到課與實驗操作）與實驗報告相結合來定最終成績［13］。而線上考核存在一定的操作難度，學生在線觀看時長可在一定程度上作為其平時成績的考核依據，但因為直播過程中所有學生的攝像頭和聲音都為關閉狀態，因此學生是否真正全程在聽課是未知的。同時由于在線直播還受到網絡、硬件等限制，導致部分學生不能及時收看直播，因此，需要將直播與回放綜合考量。

（2）線上教學效果難以保證。線上學習的效果難以監督及保證，雖可以通過學生的觀看時間來對其進行考核，但學生是否真正在觀看難以確認。當學生沒有真正觀看或學習效果欠佳時，線下實驗運行將不順暢，實踐證明通過設置理論知識提問考查可在一定程度上提升線上學習效果。

5 結語

介紹了2020 年新冠疫情期間通過線上線相結合的教學模式完成建筑材料實驗課程的教學實踐，實驗的理論與操作演示通過線上方式進行學習，而實驗實踐在線下完成。為了確保線上學習達到其應有效果，在線下實驗開始前添加理論知識問答環節，從與實驗原理、操作等相關的題庫中隨機抽取問題進行提問，該環節的實施可以保證學生掌握實驗原理、操作及要點，并高效率地完成實驗。實踐證明該模式能夠提高學生自主學習能力并保證實驗教學的高效完成，可在不同類型的實驗教學中推廣使用。