線上線下混合式教學在“水工結構數值分析”課程中的應用研究

劉計良

(西安理工大學 陜西西安 710048)

當前時代是信息和知識大爆炸的時代，人們每天 都會接收大量的信息，學習知識的地點也不再局限在學校課堂，獲得知識的媒介也變得越來越多樣化。傳統的課堂教學在過去人才培養上發揮了巨大作用，但隨著信息時代的深入發展，這種單一的教學模式已無法滿足多維度培養學生各種能力的要求，信息化素養、合作意識、實踐能力、創新意識等綜合素質已成為社會各行業對人才的基本要求，從而對人才的培養模式提出了更高的要求[1]。2020 年伊始，新冠肺炎病毒肆虐全球并延續至今，為了避免人群聚集，教育部要求在疫情期間教師和學生要充分利用豐富網絡教學資源開展線上教學和學習，但在實施過程中，教師和學生也反映了一些有待改進的地方，主要體現在教師對學情的把控和師生互動上存在一些不足。因此，結合線上教學和線下教學的各自優點而克服各自缺點的線上線下混合式教學就成為課程教學發展的必然趨勢[2]。

線上線下混合式教學是一種全新的教學模式，是隨著計算機和信息技術的發展而發展起來的，是傳統課堂教學和信息技術的有機結合，可以為學生提供多元化的學習模式和更加豐富的學習資源，激發學生的學習興趣和協作精神[3-4]。隨著國家提倡的“互聯網+”概念在各行業應用的蓬勃發展，在線下教學模式基礎上開展基于“互聯網+”的線上教學模式的混合式教學成為了教育行業的發展趨勢。線上線下混合式教學模式沒有統一的實施標準，需要根據課程特點進行線上線下教學模式的設計和實踐，并根據學生的學習反饋情況不斷進行調整優化，以便達到最優的教學效果[5-6]。該文針對水工結構工程學科碩士研究生的“水工結構數值分析”課程，介紹了該課程的特點并總結了目前教學模式中存在的問題，構建了以學生為中心的線上線下混合式教學模式、建立了多元化的課程考核評價體系并在該課程的教學中進行實踐。

1 “水工結構數值分析”課程及教學模式存在的問題

1.1 課程介紹

“水工結構數值分析”是西安理工大學水工結構工程學科碩士研究生的核心課程，重點講述以有限元法為代表的數值分析方法的基礎知識及在水工結構力學性能分析中的應用，包括有限元法的數學力學基礎、計算方法和步驟及有限元軟件的具體應用，以專題的形式進行講述。學生通過課程的學習掌握有限元法的基本理論，能熟練應用自主開發的有限元程序或商用有限元軟件對常見水工建筑物進行靜、動力性能進行數值分析并通過數值結果判別結構的強度、剛度和穩定性，保證水工建筑物在服役期內安全可靠地運行，培養學生的實踐能力和創新意識。數值分析方法是水利類研究生進行科學研究和解決實際工程問題必備的工具，因此被普遍列入研究生的培養方案中，“水工結構數值分析”課程的設置充分體現了培養水利行業所需要的應用創新型水利人才的辦學特色，在水工結構工程學科碩士研究生課程體系中起到了重要的支撐作用。

“水工結構數值分析”課程開設在春季學期，共32個學時，2 個學分，每年的選課人數為50 人左右，基本涵蓋了當年的碩士研究生招生人數，有限元法理論部分所選用的主要參考教材為王勖成的《有限單元法》。該課程特點具體體現在以下幾個方面。

（1）內容豐富，涉及面廣。隨著計算機技術的飛速發展，各種數值分析方法得到了廣泛的工程應用，目前常用的數值分析方法包括有限單元法、邊界元法、無限元法等，尤其以有限元法的應用最為廣泛，該課程內容豐富，涉及應用不同的數值分析方法進行各種水工建筑物的靜、動力數值分析和結果判別。

（2）理論性強，內容抽象。該課程所講述的數值分析方法和各種基礎力學、高等數學、線性代數，偏微分方程等多門基礎課程的知識有關，理論體系龐大，邏輯性強，概念和知識點抽象，晦澀難懂，對學生的數學及力學基礎要求較高，部分學生由于相關基礎知識較差，在初學時存在著畏難情緒。

（3）工程實用性強。傳統的解析方法可以處理幾何形狀和邊界條件均比較規則的簡單結構的力學問題，但對于具有復雜幾何形狀和邊界條件的水工建筑物，則必須應用合適的數值分析方法進行處理，因此學生在掌握了數值分析方法的基本理論后，需要將這些方法靈活應用到各種水工結構的力學性能分析中。

1.2 教學模式存在的問題

傳統課堂教學是目前該課程的主要授課方式，教師主要通過多媒體和板書作為授課手段進行水工結構數值分析相關知識的講解，教學內容由靜態PPT 和板書內容進行反映，這種教學模式以教師為中心，學生則處于被動地接受知識的從屬地位，教師的“教”和學生的“學”主次分明，“學”從屬于“教”，導致教師的授課方式及學生的學習方式單一。鑒于該課程的內容較多，并且兼具理論性和實踐性，而課程的學時較少，為了完成教學大綱規定的內容，教師不得不采用滿堂灌的填鴨式單向輸出模式，對于基礎知識薄弱的學生無法做到有效地跟蹤輔導，難以因材施教。由于教學輸出占用了大部分課堂時間，學生實踐經歷少，缺少實操環節，部分學生無法熟練應用相關數值分析軟件進行常見水工建筑物力學性能分析?；谝陨显?，在“水工結構數值分析”的傳統課堂教學模式中，學生的學習氛圍較為沉悶，缺乏主動探索的動力，積極性不高，無法充分培養實踐能力和創新能力，嚴重影響了教學效果。

由于新冠肺炎疫情的影響，西安理工大學的學生在2020春季學期全部居家學習，筆者在該學期對該課程采用線上授課方式，通過網絡授課平臺——騰訊課堂進行直播教學，并給學生推薦了中國大學MOOC（慕課）在線學習平臺的相關網上課程資源進行課后和課前學習。從教學效果上來看，在課程開設初期，學生對這種新穎的教學方式都感覺很新鮮，參與度也較高，在教學過程中，學生可以通過平臺給教師留言或者相互討論發表對知識點的理解，但后期逐漸暴露出一些亟待解決的新問題。首先，課堂上的現場交流尤其是師生之間的眼神交流是非常重要的，教師可以根據學生的現場的反應把控學情并實時調整教學狀態，而線上教學在這方面存在不足之處；其次，網上教學資源非常多，學生難以自主甄別，認為學習資料浩如煙海，有種無從下手的感覺，從而導致學生疲于應付各種資源的學習，影響了學習的積極性；最后，一旦所有課程都采用線上教學模式，學生整天盯著電子屏幕，易產生視覺疲勞，思維也難以保持長時間集中而產生焦慮心理，不利于學生的身心健康。

2 以學生為中心構建線上線下混合式教學模式

為了適應實踐及創新型水利人才的培養需求，根據“水工結構數值分析”課程的特點，在充分吸收傳統課堂教學和線上教學的優勢而避免其劣勢的基礎上，通過優化整合便于學生樂于接受的教學資源，并構建以學生為中心的線上線下混合式教學模式，擯棄單一的課程考核方式而采用多元化的課程考核體系，充分調動學生學習的積極性，提高教學質量和提升教學效果。

2.1 優化整合教學資源

“水工結構數值分析”課程內容非常多，涵蓋了數值分析方法的基礎知識及其在水工結構靜、動力學分析應用中的方方面面，尤其涉及復雜的流固耦合和地震反應分析，理論性和實踐性均較強。為了彌補課堂教學學時的不足并有效實施線上線下混合式教學，為學生提供優質的學習資源，需要優化整合教材內容和網絡學習資源并進行多樣化教學內容設計，分門別類建立網絡教學資源庫，并以文字、公式、圖片、音視頻等多種形式展現，錄制并上傳課程視頻，制作隨堂在線測驗和試題庫，便于學生隨時隨地自主學習。

根據學生掌握知識的遞進關系，“水工結構數值分析”課程的網絡教學資源庫采用模塊化組織教學內容，每個模塊均包含相關知識點的引入、講解、應用、討論和擴展等環節，從教學資源庫的類型角度來講，“水工結構數值分析”教學團隊建立的教學資源庫目前已包含內容如下。（1）基礎知識庫。介紹有限元法的基本原理和基本理論，為了增加學生學習的趣味性，將部分基礎理論知識可視化，如利用MATLAB 軟件的PDE 工具箱呈現相關公式，避免枯燥的文字描述。（2）專題知識庫。介紹水工結構動力學性能分析的專題內容，比如地震反應分析的反應譜法、流固耦合理論等。（3）有限元軟件知識庫。對國內外常用的商用有限元軟件的特點及操作步驟進行介紹，如ANSYS、ADINA、FELAC等。（4）工程案例庫。廣泛搜集國內外著名水利工程的數據資料，組成工程案例庫。（5）文獻資料庫。廣泛搜集和所講知識點相關的文獻，如專著和科技論文等，從中提取可培養學生創新能力的知識點。

以上教學資源庫從知識點角度來講是相互依存、相互補充的關系，便于學生實踐能力和創新能力的逐步提高，在后期應用過程中教師不斷增加教學資源庫的內容，學生通過對資源庫的學習提出反饋和改進意見，使該課程教學資源庫的內容越來越豐富、合理，從而擴展課程的深度及廣度，適應不同水平學生的學習需求。

2.2 設計線上線下學習環節

2.2.1 課前線上預習

在傳統課堂教學模式下，學生一般直接進課堂聽講，課前預習的學生很少，因此是一種以教師為中心的被動接受式教育，教學資料較少，學生難以提出自己對知識的理解，師生交流環節缺乏，難以培養獨立自主的創新意識，而在建立了課程資源庫后，傳統教學模式的這種不足可以得到改善。在課堂教學前，教師按照教學大綱的要求引導學生進行線上教學資源的學習，自主獲取知識并完成測試，學生根據對知識的掌握情況給出反饋意見，供教師根據反饋情況組織線下教學內容，重點講解多數同學掌握不好的內容，做到有的放矢，如學生普遍反映水工結構的靜力有限元分析較簡單，而動力有限元分析由于在動力微分方程中加入了慣性力項而大大增加了分析的難度，存在理解上的困難。線上預習環節重在以學生為中心的自主學習，充分發揮學生的主觀能動性，強化學生自主學習的意識，鍛煉分析問題和解決問題的能力，教師則需要轉變教學思路，改變傳統“教”的模式，在其中扮演“引導人”的角色，看似減少了教師的工作量，實則對教師提出了更高的要求。

2.2.2 課中線下講授

在線下課堂教學中，教師根據學生課前學習的反饋情況重構教學知識點，對主要知識點進行串講形成課程的體系，對多數學生不易掌握的知識點進行精講，采用便于學生接受的多樣化教學手段，如案例式、啟發式、討論式及翻轉課堂等，尤其要加強師生互動，鼓勵學生突破固定思維，提出自己對知識的理解，并爭取做到舉一反三，培養創新能力。如對學生普遍反映的流固耦合理論不易理解的問題通過案例式教學進行講解，以水利工程中出現的流固耦合現象作為引入點分析引起該現象的具體原因，將抽象的知識點形象化，避免了枯燥的灌輸式教學，然后讓學生采用分組的形式應用流固耦合理論對具體的工程進行分析，通過團隊合作的方式對本組方案進行優化，培養學生的實踐能力及增強團隊合作意識。如果某位同學對所講述的理論已有深刻的見解或通過參加導師的科研項目提前接觸了這一類問題，則在課堂中可采用翻轉課堂的方式，讓該同學按照自己的理論獨立講解這部分知識，教師再通過補充知識點的方式進行理論體系的完善，其他同學則可通過提問和討論的方式參與進來，可取得意想不到的教學效果。

2.2.3 課后線上交流

傳統的課堂教學的課后輔導及師生交流較少，教師上完課后，由于另有教學或科研任務而急匆匆離開教室，難以保證和學生的充分交流，不利于知識點的鞏固，而課后的線上交流則使師生的交流不受時空的限制，是線下課堂的延伸，教師和每一位學生都可以參與其中。交流的工具既可以是智慧樹等在線教學平臺，也可以是微信、QQ 等即時交流工具，交流的形式具有多樣化，可以是教師對學生仍未掌握的問題進行針對性的講解，也可以是學生對知識點的看法、見解及學生之間的討論，從中碰撞出思想的火花。除了課業方面的交流，教師可以對學生在研究方向、擇業等方面存在的困惑進行探討交流，爭取做學生的良師益友，以達到全方位育人的效果。通過課后師生之間的線上交流，教師則可以根據學生的反饋查找教學過程中的不足，在今后的教學中加以改進，不斷提升教學質量。

2.3 建立多元化課程考核體系

“水工結構數值分析”課程傳統課堂教學的考核一般通過期末考試或提交課程論文的方式進行，這種考核方式能考查學生對知識點的掌握情況，但存在重結果而輕過程的現象。線上線下混合式教學則對課程考核提出了新的要求，鑒于該課程的實踐性較強，采用考試的方式不符合實踐性的要求，故將課程考核分為線上學習過程考核、線下學習過程考核和對提交的課程論文考核，按照3∶2∶5 的比例確定課程的總成績。線上學習過程考核重在考核學生的學習自主性，學生通過對教學資源庫的各種教學資源進行學習，獲得學習時間值及線上測試成績，按從高到低進行排序；線下課程學習過程考核包括考勤、課堂討論和課堂隨機測驗，尤其突出課堂討論的成績占比，鼓勵全體學生積極參與；課程論文則重在應用所學的有限元知識自主選擇一個水工建筑物進行有限元分析，獲得強度、剛度或穩定性等力學指標，全面檢驗學生綜合應用知識的能力。

3 結語

“水工結構數值分析”具有內容多、涉及面廣、內容抽象、理論聯系實際強等特點，通過優化整合教學資源形成5 個教學資源庫、設計線上線下學習環節及建立多元化課程考核評價體系構建了以學生為中心的線上線下混合式教學模式。目前這種教學模式已在實際教學中得到應用，從學生的反饋情況上來看線上線下混合式教學模式提升了課程的深度及廣度，增強了學生學習的自主性及團隊合作的意識，強化了實踐及創新能力的培養，可為同類型課程線上線下混合式教學提供參考。