“港航工程综合实验”线上线下混合式教学模式改革探索

王瑞彩，张蔚，严士常，吴腾

(河海大学 a.海岸灾害及防护教育部重点实验室 b.港口海岸与近海工程学院，南京 210098)

一、引言

“港航工程综合实验”是河海大学港口航道与海岸工程专业的主要实践课程。由于课程知识点多、学时少及学生基础差异比较大，在传统线下教学模式的实验教学过程中，存在因教师、实验仪器、实验室等课程资源利用不充分、不合理导致教学效果不理想、教学目标难以完全实现的问题。近年来，项目式、驱动式、混合式、翻转课堂、慕课、虚拟仿真技术等新颖的教学方法和教学形式逐渐被研究和在教学实践中采用，互联网技术、在线课程平台、数字化教育资源等现代教育技术使得在线网络资源应用于线下实践教学活动、解决当前实践教学中的一些问题成为可能。但依靠线上学习平台完成课程教学，不完全适合实践类教学环节[1]。针对这一问题，教育工作者们从不同视角对混合式教学进行了研究[2-6]。混合式教学是指以学习者为中心，将网络在线学习与传统的师生面对面教学有机结合，实现学习目标最优化的教学模式[7]。本文提出创建“港航工程综合实验”在线课程，将线上教学和线下实验操作教学相结合，以提高学生的学习能动性、动手操作能力和创新意识为目标，构建教师为主导、学生为主体的“线上+线下”的混合式教学模式，以现代信息技术推动“港航工程综合实验”课程教学质量的提升。

二、“港航工程综合实验”课程教学中存在的问题

以往“港航工程综合实验”课程基本上采用传统的线下教学模式，即学生课前预习、教师课上讲解、学生课上动手操作的模式。该种教学模式下学生处于被动获取知识状态，存在以下问题：

(1)课前预习不充分，难以保证教学质量。部分学生课前预习不够充分或流于形式，导致实验课上必须由教师详细讲解后才能顺利开展实验，占用了大量的实验课时。

(2)学生水平参差不齐，影响实验教学效果。不同基础的学生听课效果存在较大差异，在学生没有完全消化吸收课上教师讲解内容的情况下，综合实验课的实验方案设计往往效果不佳。

(3)实验课时不足，难以开展探究性实验。受实验课时的限制，无法开展探究性的实验，难以有效培养学生的创新思维，达不到培养学生的创新能力和锻炼学生解决工程复杂问题能力的培养目标。

三、线上线下混合式课程教学模式设计

针对“港航工程综合实验”课程传统线下实验教学中存在的问题，结合线上教学不受时空限制的灵活性和可以回放的优势，改革单一的线下教学模式，开展“线上+线下”相结合的混合式实验教学研究，探索适应实践教学的新模式。

(一)教学目标

港航工程综合实验由弯道水流试验、丁坝水流条件试验、高桩码头上部结构受力特性试验和板桩码头受力特性试验四个子实验项目组成。实验课的教学目标如下：

(1)掌握实验原理和实验方法，掌握主要仪器的原理、性能和使用；

(2)能够根据实验要求独立进行实验方案的设计；

(3)掌握实验数据处理方法，能够根据实验数据进行成果分析，并能够根据模型理论知识反算到原型中，尝试解决实际工程问题。

通过课程的学习，学生能够基于科学原理并采用物理模型试验的方法，对包括水流特性、泥沙启动规律、高桩码头及板桩码头的位移和受力特性等复杂工程问题进行研究，加深学生对所学专业基础理论和专业知识的理解，更好地用所学理论知识解决生产实际中的问题，使得学生初步具备开展科学研究的能力。通过以小组为单位开展探究性实验，培养学生的实践能力、创新能力和团队合作能力。

(二)教学模块设计

“港航工程综合实验”课程教学主要包括课前环节、课中环节和课后环节三部分。在三个实验教学环节的内容设置上，根据实验课的特点和实验教学内容是否具有可转移性，将相应的内容合理归入线上或者线下教学模式中。线上教学模式能够让学生有充分的学习时间完成相应的学习任务，为线下实验的操作、问题讨论和探究性实验节约课时。

1.线上教学模块设计

(1)课前预习与考核

鉴于传统教学模式下部分同学预习不充分或者不重视预习环节而影响实验教学效果，对该教学环节进行优化和改进。将该部分内容转入线上教学模块，学生只有完成了预习任务和相应任务点，才有资格选择线下实验时间段，进入下一环节的学习。通过线上预习痕迹的跟踪和任务点的完成度考核，确保后续实验的质量。

(2)教师讲授

教师讲授环节内容包括讲授实验原理、实验仪器设备和实验操作步骤以及实验操作注意事项等。在传统教学模式下，该环节需要教师在实验课时内详细讲解，约占用1/3的实验课时，使得学生动手操作的时间更加有限。在混合式教学模式下，将该部分内容转移到线上教学，不仅可以解决线下实验课时不足的问题，学生还可以充分利用空余时间学习相关知识点。尤其是对于基础知识薄弱的学生，可以通过反复观看视频的办法，把需要掌握的内容消化吸收，解决传统教学模式下因学生基础参差不齐而影响实验教学效果的问题。

(3)学生实验与讨论

在该环节下，学生根据实验原理进行的实验方案设计、实验方案的分组讨论。在传统教学模式下，学生只有在对教师讲解的内容消化吸收后才能进行实验方案的设计。将该部分内容转移到线上教学，不仅可以节约实验课时，还能够让学生有足够的时间进行实验方案的设计和小组讨论，进一步还可以进行探究性实验内容的讨论。

(4)学生自主选择实验时间段

在传统教学模式下，学生实验时间段是教师根据教务系统的排课时间和实验课时进行安排。在混合式教学模式下，在可供选择的实验时间段内，学生根据自己对线上实验内容的学习和掌握程度，灵活选择实验时间，能够有效地提高实验教学质量。

(5)课后答疑和答辩

课后答疑环节一般情况下在课程QQ群进行。答辩考核环节可根据需要灵活采用线上、线下或线上线下混合的模式。

2.线下教学模块设计

实验课的核心环节是在实验室内的动手操作部分，该部分内容采用线下教学模式。在线下实验课堂内，教师主要讲解实验的重点和难点部分，强调实验操作的注意事项以及实验安全问题，学生根据设计的实验方案分组合作完成实验内容。实验过程中遇到问题能够及时在小组内讨论，遇到不能解决的问题则与教师在课堂上即时讨论解决。在这个过程中，对实验过程进行同步评价，作为课程多环节考核的一个重要组成部分。

线下教学模块的另外一部分是课后环节的相关内容，主要包括课后答疑、实验报告的撰写和评阅、实验课程答辩及课程考核等部分。

“港航工程综合实验”线上线下混合式教学模块如图1所示。

图1 实验课线上线下混合式教学模式设计

(三)依托课堂在线平台，创建在线课程

“港航工程综合实验”在线课程可以分为实验教学模块、教学互动模块和线上学习考核模块三个部分。

(1)实验教学模块。实验教学模块主要为学生课前预习和相关教学内容学习提供网络资源。“港航工程综合实验”一共包含四个必做的实验项目，分别是高桩码头上部结构受力特性实验、板桩码头受力特性实验、水流流速场实验以及丁坝回流区实验。实验教学模块主要包括这四个实验项目的介绍、实验目的和要求、实验原理、实验仪器设备、实验操作步骤、实验操作注意事项，实验数据处理方法、实验报告编写格式、结构实验模型制作录像和实验操作录像视频等内容。其中实验模型制作录像旨在让学生熟悉两个结构实验模型的各部分构件组成、制作过程以及各构件之间的连接方式；对于实验原理、实验仪器设备介绍、实验操作步骤和流程除了以文本资源发布于在线课程外，主讲教师还以视频讲解的方式完成相应知识点的讲授，引导学生深化理解实验原理，熟悉实验仪器设备的操作流程、操作要点和注意事项，以便腾出更多的实验课时给实验操作，解决实验过程中遇到的问题。

(2)教学互动模块。教学互动模块主要为师生互动交流提供网络平台。教师在这个平台上发布学习任务、布置分析思考题、创建实验方案设计的讨论组，并对学生提出的问题进行辅导答疑；学生在这个平台上可以提出实验问题、完成分析思考题，进行实验方案设计以及方案讨论等。

(3)线上学习考核模块。该模块主要针对学生课前线上学习和实验方案设计进行考核。学生完成实验教学模块的学习任务，并根据掌握的知识进行实验方案的设计和方案讨论。只有通过线上学习考核的学生方可预约线下实验操作。

四、线上线下混合式教学模式实施

1.课前线上教学环节

课前线上教学环节主要包括学生对教学内容的预习、对教学视频的学习、根据实验要求对实验方案进行设计以及对设计的实验方案进行讨论等内容。在实验课程开课前，教师通过实验教学资源录制和创建在线课程，搭建实验课的教学平台，发布学习任务和分析思考题，并创建实验方案讨论；课程学习任务发布后，学生根据自己的时间安排随时自主学习，完成相应实验项目的学习任务点和分析思考题，并根据要求进行实验方案设计，并在实验方案讨论组内进行讨论。在线学习的过程中，遇到不懂或者不理解问题，通过师生互动模块进行在线答疑解决问题。

如图2所示，在线教学平台的系统会自动记录学生的学习进度、任务点的完成情况，显示视频观看的总时长和反刍比。教师根据在线学习任务的完成情况对线上学习内容进行考核，只有完成线上学习任务的同学才能进入线下实验操作选课名单中。尚未完成线上学习任务的同学，教师将会通过教学预警提示的方式，提醒学生及时完成学习任务，如图3所示。

图2 观看总时长及反刍比

图3 教学预警栏目条件设置

教师根据学生的学习任务完成情况，创建线下实验操作选课名单，发布实验时间段和实验小组人数限制。通过线上学习考核的学生自由组合实验小组，选择实验时间段，准备进入实验室进行实验操作，进入课中的线下教学环节。

2.课中线下教学环节

课中线下教学是实验课的动手操作环节。在混合式教学模式中，要从传统的以教师为中心的接受式实验教学向以学生为中心的探究式学习转变。此时学生已经在线学习了相关的实验知识、观看了操作视频，教师仅需要讲解实验的重点和难点，强调实验操作注意事项，并在学生做实验过程中给予及时的指导和解决可能出现的仪器故障问题，辅助学生完成实验内容。学生则根据设计的实验方案，通过实验小组团队合作的形式完成整个实验过程。在实验过程中，引导学生发现问题，鼓励探讨问题，激发学生根据实验数据进一步优化实验方案的求知欲望，进行探究式学习，从而发展探索精神，培养创新能力。

3.课后教学环节

课后教学环节主要包括学生实验报告的撰写和教师对实验的考核两部分内容。在学生实验报告撰写过程中，通过课程的QQ学习交流群可以实时在线答疑，实验课答辩环节可以灵活采用线下或者线上答辩的形式。

实验课程的考核采用多元化的考核方法，即综合考核线上学习模块、实验室内的动手操作过程、实验结果的处理和分析、实验报告的完整性以及实验答辩环节等，多方面综合考虑，客观评价学生的实验成绩。

4.教学分析总结

教学分析是教学过程的重要一环。对于线上线下混合式实践教学，同样要进行教学分析。针对线上学习信息反馈和问题讨论，总结线上学习的薄弱环节，并在线下实验阶段进行重点强调。对于线下实验过程中遇到的问题、实验报告中以及实验答辩中出现的问题，鼓励学生在QQ学习交流群中进行交流讨论，通过学生的交流讨论及时分析学生知识点掌握的程度，总结教学效果。根据督导听课的反馈意见以及学生的匿名评教结果，总结经验，查漏补缺，为后续课程开展提供宝贵经验。

五、实施效果及教学反思

从目前采用“港航工程综合实验”课程线上线下混合式教学的一届近200名学生的情况来看，从实验原理和实验方法以及实验仪器的原理(占比20%)、实验方案的设计和讨论(占比20%)、实验操作(占比20%)、实验过程中的团队协作(占比10%)、实验数据的处理、分析及实验报告完整性(占比30%)等方面的掌握情况，根据设计的在线学习过程评价、实验过程评价、实验报告及实验答辩评价等方面进行综合考核，班级均分较传统式线下教学模式提高了2分左右。学生的实验报告撰写质量显著提高，数据处理的错误率明显降低，仅有约2%的错误率；在实验结果分析方面，不再是简单的数据罗列，而是能够根据图形的趋势规律，结合理论课的相关知识进行深入分析，图形的分析质量大幅提高；在探究性实验方面，在必修的四个基本实验项目基础上，开展“水平力和竖直力耦合作用下板桩码头受力特性分析”实验，学生通过分析竖直力、水平力、竖直力和水平力耦合作用下的码头受力特性，探索解决工程中遇到的复杂工程问题；从学生实验课程答辩情况来看，对实验原理、实验操作、实验数据处理和实验结果分析等方面均有很好的掌握，大部分学生能够快速正确地回答问题。

根据课程目标的达成情况分析，在“实验要求独立地进行实验方案设计及探究性实验”“掌握实验数据处理方法，能够根据实验数据进行成果分析，并能够根据模型理论知识反算到原型中，尝试解决实际工程问题”方面，新教学模式下课程目标达成度分别达到了0.82、0.86，超过了传统线下教学模式下的目标达成度0.78、0.82，远超课程目标达成度0.7的指标。

在线上线下混合式教学模式下，学生对所学过的专业理论知识融会贯通并能够结合实验模型进行实验方案优化设计方面，尚需要进一步加强。这主要是因为学生接触的实际工程少，认识实习过程也大多走马观花，不能够做到理论联系实际，灵活应用所学知识解决工程实际问题。在后续的教学工作中，需要多结合一些实际工程案例，录制视频并以专业资料的形式充实到课堂在线，扩大学生的专业知识储备，加强理论知识应用于实际工程的综合设计能力的培养。