土木工程學科翻轉課堂教學質量 BP 神經網絡評價模型

【摘要】翻轉課堂教學模式因以學生為主體，提倡學生自主學習和教師引導而引起國內外學者的廣泛關注。由于土木工程學科涉及課程多且都具有應用性，現有研究主要關注部分課程的翻轉教學模式，缺乏基于翻轉課堂的教學質量評價方法和定量化評價模型。本文基于翻轉課堂教學模式，對翻轉課堂教學質量的影響程度進行分析，基于層次分析法（AHP）建立各類教學質量評價指標并計算其權重，結合評價判斷標準確定最終評價等級，最后基于評價指標的取值范圍，構建指標全數據庫，引入BP神經網絡構建土木工程學科翻轉課堂教學質量評價模型，建立的BP神經網絡預測模型能較好地描述土木工程學科翻轉課堂教學質量評價指標與教學質量等級之間的定量化關系，為快速、準確進行教學質量評價提供參考。

【關鍵詞】翻轉課堂 ?教學質量 ?評價模型 ?土木工程學科 ?BP神經網絡

【基金項目】浙江省教育科學規劃課題（2018SCG416）;浙江科技學院研究生教學改革研究項目（2019yjsjg01）。

【中圖分類號】TU02 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）05-0027-02

1.引言

近年來，以學生為主體的翻轉課堂教學模式在國內外得到廣泛關注。翻轉課堂主要強調學生自主學習，而教師則以引導和協助為主，主要實現的方式是學生在課前利用教師發布的資源、網絡平臺等主動完成前期學習，課堂期間主要是教師與學生或學生與學生之間開展答疑和討論交流[1]。由于翻轉課堂教學模式的優越性，國內學者已嘗試將其應用于土木工程學科部分專業的教學之中，如張艷美等[2]考慮土木工程學生自身差異特性，引入翻轉課堂教學模式探索了實驗教學;楊迎春[3]將翻轉課堂教學模式引入到“土木工程材料”教學過程中;袁杰等[4]探討了基于翻轉課堂的土木工程基礎類課程新模式;張海龍等[5]將翻轉課堂和項目式教學相結合，提出土木工程材料課程的手機移動教學模式;楊松森和徐菁[6]探討了翻轉課堂在土木工程建設法規課程中的操作模式;王迎超等[7]研究了翻轉課堂教學模式在隧道工程課程中的實踐效果;蔣凌云[8]運用翻轉課堂教學模式進行土力學課程的課前、課中和課后設計。現有研究主要是針對翻轉課堂教學模式在土木工程專業各課程的應用進行探討，缺乏基于翻轉課堂教學模式下土木工程學科教學質量定量評價的相關研究。因此，本文基于翻轉課堂教學模式，對翻轉課堂教學質量的影響程度進行分析，基于層次分析法（AHP）建立各類教學質量評價指標并計算其權重，結合評價判斷標準確定最終評價等級，最后基于評價指標的取值范圍，構建指標全數據庫，引入BP神經網絡構建土木工程學科翻轉課堂教學質量評價模型，為快速、準確進行教學質量評價提供參考。

2.翻轉課堂教學質量評價指標體系構建

2.1 評價指標選取

要進行土木工程學科翻轉課堂教學質量評價，必須先確定影響土木工程學科教學質量的評價指標。現有研究主要將翻轉課堂分為課前、課中和課后三個階段，故將其作為土木工程學科翻轉課堂教學質量評價體系的一級指標，可表示為W1、W2和W3。課前階段主要由主講教師針對土木工程學科各類課程的實際培養目標發布學習資料，以學生自主學習土木工程各類課程為主，然后再根據教學計劃進行測驗。對需要課中匯報的研討小組，應在主講教師或助班的指導下完成學習資料的匯總。學生課前學習以主講教師發布的核心資料為主，同時可利用圖書館購買的CNKI中國知網、Web of Science、萬方數據等查找輔助學習資料。課前測驗既能反映學生課前學習的效果，又能體現學生學習的態度和積極性，故選取發布資料（X11）和課前測驗（X12）作為土木工程學科翻轉課堂教學質量評價體系的二級指標。此外，學習小組匯報資料的好壞直接影響土木工程學科各類課堂的效果，故把匯報資料（X13）也作為課前階段土木工程學科翻轉課堂教學質量評價體系的二級指標。

課中階段主要是小組結合學習情況進行匯報，以教師與學生或學生與學生之間的知識交流與問題討論為主。學習小組的整體匯報效果是整個課堂質量的基礎，而互動交流是解決學生瓶頸問題的主要途徑，如學生的難題能得到有效解決，則會提高學生學習的積極性，反之則會降低學生學習的效率。這個過程教師對學生匯報情況的點評和建議措施事關教學質量的改進和學生對土木工程學科各課程知識點的理解，因此課中階段選取匯報情況（X21）、交流討論（X22）、課堂氛圍（X23）、及時反饋（X24）和總結提升（X25）作為土木工程學科翻轉課堂教學質量評價體系的二級指標。

課后階段主要是結合前期的學習效果進行測驗，其目的是檢查學生對土木工程各課程知識的掌握情況，在此基礎上總結存在的問題并針對性進行課后拓展，最后對土木工程學科各類課程的全教學過程進行總結，提出需要改進的措施和方法，針對性改進課堂教學的方法和內容，故選取課后測驗（X31）、課后拓展（X32）和總結反思（X33）作為土木工程學科翻轉課堂教學質量評價體系課后階段的二級指標。建立的土木工程學科翻轉課堂教學質量評價指標體系如表1所示。

2.2 指標權重確定

基于AHP方法中1～9比率標度法進行土木工程學科翻轉課堂教學質量評價各級指標的權重判斷，其中M指土木工程學科翻轉課堂教學質量評價等級，W1～W3代表土木工程學科翻轉課堂教學質量評價一級指標層中課前、課中和課后3個指標;X11～X13代表一級指標層中課前的3個二級指標;X21～X25代表一級指標層中課中的5個二級指標;X31～X33代表一級指標層中課后的3個二級指標，構建的權重判斷矩陣如表2～表5所示。

3.教學質量評價BP神經網絡模型

3.1 輸入輸出參數

神經網絡輸入參數為土木工程學科翻轉課堂教學質量評價指標體系中二級指標層的各個指標值，共11個（X11、X12、X13、X21、X22、X23、X24、X25、X31、X32、X33）作為輸入節點。二級指標層各指標取值均采用百分制，由評價者在0～100之間打分，再基于AHP計算土木工程學科翻轉課堂教學質量評價等級綜合值，綜合值在0～100分內均勻劃分為5個等級，即0≤X< 60分為V級（不合格）、60≤X<70分為Ⅳ級（合格）、70≤X< 80分為Ⅲ級（中等）、80≤X<90分為Ⅱ級（良好）、90≤X< 100分為I級（優秀），即可得到每組指標的最終評價等級，將評價等級作為神經網絡的輸出節點。隱含層節點數量hp按下式計算得到：

式中，hp為隱含層節點數;ip為輸入層節點數;op為輸出層節點數。

據式（1）可計算隱含層節點數為9個，即構建含11個節點的輸入層、9個節點的隱含層和1個節點的輸出層共三層的土木工程學科翻轉課堂教學質量神經網絡評價模型。

3.2 網絡模型訓練

采用提出的土木工程學科翻轉課堂教學質量BP神經網絡評價模型進行評價時，對二級指標層的11個指標均采用百分制對土木工程學科翻轉課堂實施效果進行打分，根據各指標權重計算出評價等級。據此以一級指標進行分組，共分3組，其對應的二級指標以10分為一個梯度，共10個梯度，生成不重復的所有可能的排列組合，共生成1000組輸入參數，并采用AHP計算對應的評價等級M作為輸出節點，計算出的輸入和輸出數據作為土木工程學科翻轉課堂教學質量評價模型中神經網絡訓練和測試的基礎數據庫。

3.3 網絡模型的驗證

將計算出的1000組數據輸入土木工程學科翻轉課堂教學質量神經網絡評價模型，設計誤差精度為0.001，設計最大迭代次數為1000，進行迭代32次時已達到目標精度，計算等級與預測等級結果如圖1所示。

由圖1可以看出，計算等級與預測等級基本吻合，相關系數R2達到0.97，均方誤差為0.046，說明訓練的土木工程學科翻轉課堂教學質量神經網絡評價模型能準確反映輸入參數與輸出之間的關系，且具有較強的泛化能力，能根據土木工程學科翻轉課堂教學質量評價指標值快速、準確地計算出各類翻轉課堂教學質量對應的等級，對土木工程學科翻轉課堂教學質量進行定量化評價。

4.結論

本文通過分析影響翻轉課堂教學模式的因素，基于AHP構建土木工程學科翻轉課堂教學質量的評價指標體系，并通過各層級判斷矩陣計算了土木工程學科翻轉課堂教學質量評價指標的權重，最后采用建立的11個二級指標作為輸入層，教學質量評價等級作為輸出層，建立了包括11個輸入節點，6個隱含階段和1個輸出節點的土木工程學科翻轉課堂教學質量BP神經網絡模型，模型訓練和驗證結果表明，建立的BP神經網絡預測模型能較好地描述土木工程學科翻轉課堂教學質量評價指標與教學質量等級之間的定量化關系，具有快速、高效和準確的優點。

參考文獻：

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[3]楊迎春.“翻轉課堂”在土木工程材料課程中的應用[J]. 山東農業工程學院學報，2016，33（11）：26-29.

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[8]蔣凌云.“翻轉課堂”模式在土力學課程教學改革中的應用[J].學周刊，2019（13）：6-7.

作者簡介：

鄒寶平（1982年1月-），男，博士后，副教授，主要從事巖石隧道、地鐵盾構和巖石聚能爆破等教學與研究工作。