劉計良

(西安理工大學(xué) 陜西西安 710048)

當(dāng)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(xué)習(xí)知識的地點也不再局限在學(xué)校課堂，獲得知識的媒介也變得越來越多樣化。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)在過去人才培養(yǎng)上發(fā)揮了巨大作用，但隨著信息時代的深入發(fā)展，這種單一的教學(xué)模式已無法滿足多維度培養(yǎng)學(xué)生各種能力的要求，信息化素養(yǎng)、合作意識、實踐能力、創(chuàng)新意識等綜合素質(zhì)已成為社會各行業(yè)對人才的基本要求，從而對人才的培養(yǎng)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(xù)至今，為了避免人群聚集，教育部要求在疫情期間教師和學(xué)生要充分利用豐富網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源開展線上教學(xué)和學(xué)習(xí)，但在實施過程中，教師和學(xué)生也反映了一些有待改進(jìn)的地方，主要體現(xiàn)在教師對學(xué)情的把控和師生互動上存在一些不足。因此，結(jié)合線上教學(xué)和線下教學(xué)的各自優(yōu)點而克服各自缺點的線上線下混合式教學(xué)就成為課程教學(xué)發(fā)展的必然趨勢[2]。

線上線下混合式教學(xué)是一種全新的教學(xué)模式，是隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，是傳統(tǒng)課堂教學(xué)和信息技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，可以為學(xué)生提供多元化的學(xué)習(xí)模式和更加豐富的學(xué)習(xí)資源，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和協(xié)作精神[3-4]。隨著國家提倡的“互聯(lián)網(wǎng)+”概念在各行業(yè)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，在線下教學(xué)模式基礎(chǔ)上開展基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的線上教學(xué)模式的混合式教學(xué)成為了教育行業(yè)的發(fā)展趨勢。線上線下混合式教學(xué)模式?jīng)]有統(tǒng)一的實施標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)課程特點進(jìn)行線上線下教學(xué)模式的設(shè)計和實踐，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)反饋情況不斷進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，以便達(dá)到最優(yōu)的教學(xué)效果[5-6]。該文針對水工結(jié)構(gòu)工程學(xué)科碩士研究生的“水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”課程，介紹了該課程的特點并總結(jié)了目前教學(xué)模式中存在的問題，構(gòu)建了以學(xué)生為中心的線上線下混合式教學(xué)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(xué)中進(jìn)行實踐。

1 “水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”課程及教學(xué)模式存在的問題

1.1 課程介紹

“水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”是西安理工大學(xué)水工結(jié)構(gòu)工程學(xué)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(shù)值分析方法的基礎(chǔ)知識及在水工結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析中的應(yīng)用，包括有限元法的數(shù)學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)、計算方法和步驟及有限元軟件的具體應(yīng)用，以專題的形式進(jìn)行講述。學(xué)生通過課程的學(xué)習(xí)掌握有限元法的基本理論，能熟練應(yīng)用自主開發(fā)的有限元程序或商用有限元軟件對常見水工建筑物進(jìn)行靜、動力性能進(jìn)行數(shù)值分析并通過數(shù)值結(jié)果判別結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，保證水工建筑物在服役期內(nèi)安全可靠地運(yùn)行，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新意識。數(shù)值分析方法是水利類研究生進(jìn)行科學(xué)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(yǎng)方案中，“水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”課程的設(shè)置充分體現(xiàn)了培養(yǎng)水利行業(yè)所需要的應(yīng)用創(chuàng)新型水利人才的辦學(xué)特色，在水工結(jié)構(gòu)工程學(xué)科碩士研究生課程體系中起到了重要的支撐作用。

“水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”課程開設(shè)在春季學(xué)期，共32個學(xué)時，2 個學(xué)分，每年的選課人數(shù)為50 人左右，基本涵蓋了當(dāng)年的碩士研究生招生人數(shù)，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(xiàn)在以下幾個方面。

（1）內(nèi)容豐富，涉及面廣。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種數(shù)值分析方法得到了廣泛的工程應(yīng)用，目前常用的數(shù)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(yīng)用最為廣泛，該課程內(nèi)容豐富，涉及應(yīng)用不同的數(shù)值分析方法進(jìn)行各種水工建筑物的靜、動力數(shù)值分析和結(jié)果判別。

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

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

1.2 教學(xué)模式存在的問題

傳統(tǒng)課堂教學(xué)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(jìn)行水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析相關(guān)知識的講解，教學(xué)內(nèi)容由靜態(tài)PPT 和板書內(nèi)容進(jìn)行反映，這種教學(xué)模式以教師為中心，學(xué)生則處于被動地接受知識的從屬地位，教師的“教”和學(xué)生的“學(xué)”主次分明，“學(xué)”從屬于“教”，導(dǎo)致教師的授課方式及學(xué)生的學(xué)習(xí)方式單一。鑒于該課程的內(nèi)容較多，并且兼具理論性和實踐性，而課程的學(xué)時較少，為了完成教學(xué)大綱規(guī)定的內(nèi)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(chǔ)知識薄弱的學(xué)生無法做到有效地跟蹤輔導(dǎo)，難以因材施教。由于教學(xué)輸出占用了大部分課堂時間，學(xué)生實踐經(jīng)歷少，缺少實操環(huán)節(jié)，部分學(xué)生無法熟練應(yīng)用相關(guān)數(shù)值分析軟件進(jìn)行常見水工建筑物力學(xué)性能分析?；谝陨显颍凇八そY(jié)構(gòu)數(shù)值分析”的傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式中，學(xué)生的學(xué)習(xí)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(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新能力，嚴(yán)重影響了教學(xué)效果。

由于新冠肺炎疫情的影響，西安理工大學(xué)的學(xué)生在2020春季學(xué)期全部居家學(xué)習(xí)，筆者在該學(xué)期對該課程采用線上授課方式，通過網(wǎng)絡(luò)授課平臺——騰訊課堂進(jìn)行直播教學(xué)，并給學(xué)生推薦了中國大學(xué)MOOC（慕課）在線學(xué)習(xí)平臺的相關(guān)網(wǎng)上課程資源進(jìn)行課后和課前學(xué)習(xí)。從教學(xué)效果上來看，在課程開設(shè)初期，學(xué)生對這種新穎的教學(xué)方式都感覺很新鮮，參與度也較高，在教學(xué)過程中，學(xué)生可以通過平臺給教師留言或者相互討論發(fā)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(xiàn)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(jù)學(xué)生的現(xiàn)場的反應(yīng)把控學(xué)情并實時調(diào)整教學(xué)狀態(tài)，而線上教學(xué)在這方面存在不足之處；其次，網(wǎng)上教學(xué)資源非常多，學(xué)生難以自主甄別，認(rèn)為學(xué)習(xí)資料浩如煙海，有種無從下手的感覺，從而導(dǎo)致學(xué)生疲于應(yīng)付各種資源的學(xué)習(xí)，影響了學(xué)習(xí)的積極性；最后，一旦所有課程都采用線上教學(xué)模式，學(xué)生整天盯著電子屏幕，易產(chǎn)生視覺疲勞，思維也難以保持長時間集中而產(chǎn)生焦慮心理，不利于學(xué)生的身心健康。

2 以學(xué)生為中心構(gòu)建線上線下混合式教學(xué)模式

為了適應(yīng)實踐及創(chuàng)新型水利人才的培養(yǎng)需求，根據(jù)“水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”課程的特點，在充分吸收傳統(tǒng)課堂教學(xué)和線上教學(xué)的優(yōu)勢而避免其劣勢的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化整合便于學(xué)生樂于接受的教學(xué)資源，并構(gòu)建以學(xué)生為中心的線上線下混合式教學(xué)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(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，提高教學(xué)質(zhì)量和提升教學(xué)效果。

2.1 優(yōu)化整合教學(xué)資源

“水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”課程內(nèi)容非常多，涵蓋了數(shù)值分析方法的基礎(chǔ)知識及其在水工結(jié)構(gòu)靜、動力學(xué)分析應(yīng)用中的方方面面，尤其涉及復(fù)雜的流固耦合和地震反應(yīng)分析，理論性和實踐性均較強(qiáng)。為了彌補(bǔ)課堂教學(xué)學(xué)時的不足并有效實施線上線下混合式教學(xué)，為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源，需要優(yōu)化整合教材內(nèi)容和網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源并進(jìn)行多樣化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，分門別類建立網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫，并以文字、公式、圖片、音視頻等多種形式展現(xiàn)，錄制并上傳課程視頻，制作隨堂在線測驗和試題庫，便于學(xué)生隨時隨地自主學(xué)習(xí)。

根據(jù)學(xué)生掌握知識的遞進(jìn)關(guān)系，“水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”課程的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源庫采用模塊化組織教學(xué)內(nèi)容，每個模塊均包含相關(guān)知識點的引入、講解、應(yīng)用、討論和擴(kuò)展等環(huán)節(jié)，從教學(xué)資源庫的類型角度來講，“水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”教學(xué)團(tuán)隊建立的教學(xué)資源庫目前已包含內(nèi)容如下。（1）基礎(chǔ)知識庫。介紹有限元法的基本原理和基本理論，為了增加學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，將部分基礎(chǔ)理論知識可視化，如利用MATLAB 軟件的PDE 工具箱呈現(xiàn)相關(guān)公式，避免枯燥的文字描述。（2）專題知識庫。介紹水工結(jié)構(gòu)動力學(xué)性能分析的專題內(nèi)容，比如地震反應(yīng)分析的反應(yīng)譜法、流固耦合理論等。（3）有限元軟件知識庫。對國內(nèi)外常用的商用有限元軟件的特點及操作步驟進(jìn)行介紹，如ANSYS、ADINA、FELAC等。（4）工程案例庫。廣泛搜集國內(nèi)外著名水利工程的數(shù)據(jù)資料，組成工程案例庫。（5）文獻(xiàn)資料庫。廣泛搜集和所講知識點相關(guān)的文獻(xiàn)，如專著和科技論文等，從中提取可培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的知識點。

以上教學(xué)資源庫從知識點角度來講是相互依存、相互補(bǔ)充的關(guān)系，便于學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的逐步提高，在后期應(yīng)用過程中教師不斷增加教學(xué)資源庫的內(nèi)容，學(xué)生通過對資源庫的學(xué)習(xí)提出反饋和改進(jìn)意見，使該課程教學(xué)資源庫的內(nèi)容越來越豐富、合理，從而擴(kuò)展課程的深度及廣度，適應(yīng)不同水平學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

2.2 設(shè)計線上線下學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

2.2.1 課前線上預(yù)習(xí)

在傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式下，學(xué)生一般直接進(jìn)課堂聽講，課前預(yù)習(xí)的學(xué)生很少，因此是一種以教師為中心的被動接受式教育，教學(xué)資料較少，學(xué)生難以提出自己對知識的理解，師生交流環(huán)節(jié)缺乏，難以培養(yǎng)獨立自主的創(chuàng)新意識，而在建立了課程資源庫后，傳統(tǒng)教學(xué)模式的這種不足可以得到改善。在課堂教學(xué)前，教師按照教學(xué)大綱的要求引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行線上教學(xué)資源的學(xué)習(xí)，自主獲取知識并完成測試，學(xué)生根據(jù)對知識的掌握情況給出反饋意見，供教師根據(jù)反饋情況組織線下教學(xué)內(nèi)容，重點講解多數(shù)同學(xué)掌握不好的內(nèi)容，做到有的放矢，如學(xué)生普遍反映水工結(jié)構(gòu)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(yù)習(xí)環(huán)節(jié)重在以學(xué)生為中心的自主學(xué)習(xí)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，強(qiáng)化學(xué)生自主學(xué)習(xí)的意識，鍛煉分析問題和解決問題的能力，教師則需要轉(zhuǎn)變教學(xué)思路，改變傳統(tǒng)“教”的模式，在其中扮演“引導(dǎo)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(xué)中，教師根據(jù)學(xué)生課前學(xué)習(xí)的反饋情況重構(gòu)教學(xué)知識點，對主要知識點進(jìn)行串講形成課程的體系，對多數(shù)學(xué)生不易掌握的知識點進(jìn)行精講，采用便于學(xué)生接受的多樣化教學(xué)手段，如案例式、啟發(fā)式、討論式及翻轉(zhuǎn)課堂等，尤其要加強(qiáng)師生互動，鼓勵學(xué)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(yǎng)創(chuàng)新能力。如對學(xué)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(xué)進(jìn)行講解，以水利工程中出現(xiàn)的流固耦合現(xiàn)象作為引入點分析引起該現(xiàn)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(xué)，然后讓學(xué)生采用分組的形式應(yīng)用流固耦合理論對具體的工程進(jìn)行分析，通過團(tuán)隊合作的方式對本組方案進(jìn)行優(yōu)化，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力及增強(qiáng)團(tuán)隊合作意識。如果某位同學(xué)對所講述的理論已有深刻的見解或通過參加導(dǎo)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(zhuǎn)課堂的方式，讓該同學(xué)按照自己的理論獨立講解這部分知識，教師再通過補(bǔ)充知識點的方式進(jìn)行理論體系的完善，其他同學(xué)則可通過提問和討論的方式參與進(jìn)來，可取得意想不到的教學(xué)效果。

2.2.3 課后線上交流

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)的課后輔導(dǎo)及師生交流較少，教師上完課后，由于另有教學(xué)或科研任務(wù)而急匆匆離開教室，難以保證和學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)生仍未掌握的問題進(jìn)行針對性的講解，也可以是學(xué)生對知識點的看法、見解及學(xué)生之間的討論，從中碰撞出思想的火花。除了課業(yè)方面的交流，教師可以對學(xué)生在研究方向、擇業(yè)等方面存在的困惑進(jìn)行探討交流，爭取做學(xué)生的良師益友，以達(dá)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(jù)學(xué)生的反饋查找教學(xué)過程中的不足，在今后的教學(xué)中加以改進(jìn)，不斷提升教學(xué)質(zhì)量。

2.3 建立多元化課程考核體系

“水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”課程傳統(tǒng)課堂教學(xué)的考核一般通過期末考試或提交課程論文的方式進(jìn)行，這種考核方式能考查學(xué)生對知識點的掌握情況，但存在重結(jié)果而輕過程的現(xiàn)象。線上線下混合式教學(xué)則對課程考核提出了新的要求，鑒于該課程的實踐性較強(qiáng)，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(xué)習(xí)過程考核、線下學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)過程考核重在考核學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，學(xué)生通過對教學(xué)資源庫的各種教學(xué)資源進(jìn)行學(xué)習(xí)，獲得學(xué)習(xí)時間值及線上測試成績，按從高到低進(jìn)行排序；線下課程學(xué)習(xí)過程考核包括考勤、課堂討論和課堂隨機(jī)測驗，尤其突出課堂討論的成績占比，鼓勵全體學(xué)生積極參與；課程論文則重在應(yīng)用所學(xué)的有限元知識自主選擇一個水工建筑物進(jìn)行有限元分析，獲得強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性等力學(xué)指標(biāo)，全面檢驗學(xué)生綜合應(yīng)用知識的能力。

3 結(jié)語

“水工結(jié)構(gòu)數(shù)值分析”具有內(nèi)容多、涉及面廣、內(nèi)容抽象、理論聯(lián)系實際強(qiáng)等特點，通過優(yōu)化整合教學(xué)資源形成5 個教學(xué)資源庫、設(shè)計線上線下學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)及建立多元化課程考核評價體系構(gòu)建了以學(xué)生為中心的線上線下混合式教學(xué)模式。目前這種教學(xué)模式已在實際教學(xué)中得到應(yīng)用，從學(xué)生的反饋情況上來看線上線下混合式教學(xué)模式提升了課程的深度及廣度，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性及團(tuán)隊合作的意識，強(qiáng)化了實踐及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，可為同類型課程線上線下混合式教學(xué)提供參考。