基于ADDIE模式的土木工程材料實驗課混合式教學探索

段海娟， 王 英

（1.上海交通大學土木工程系，上海市公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運維重點實驗室，上海200240；2.上海師范大學建筑工程學院，上海201418）

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的快速發(fā)展推動教育模式的創(chuàng)新，各種基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的教學模式得到廣泛應(yīng)用，如大型開放式在線課程MOOC［1-2］、小規(guī)模專有在線課程SPOC［3-5］。在“互聯(lián)網(wǎng)＋”的背景下，混合式教學得到蓬勃的發(fā)展?；旌鲜浇虒W是不同學習方式和教學要素的相互結(jié)合，借助面授與網(wǎng)絡(luò)這兩種學習模式的優(yōu)勢來重新組織教學資源、實施教學活動，以達到提高教學效率的目的［6］。它不僅是面對面教學與在線教學的混合，也并不是簡單的技術(shù)混合，而是為學生創(chuàng)造一種真正高度參與性的、個性化的學習體驗［7］，真正體現(xiàn)了以學生為主導的教學理念。目前，混合式教學模式大多應(yīng)用于理論課程，應(yīng)用于實驗課程相對較少［8-9］。

實驗教學是培養(yǎng)學生動手能力、團隊合作精神、解決問題能力、創(chuàng)新意識和學術(shù)綜合素質(zhì)的重要途徑，是理論教學不可替代的［10］。由于實驗課程的學時和實驗室空間有限，將混合式教學理念引入實驗教學，從網(wǎng)絡(luò)中拓展出時間和空間，對于需要學生親自動手、實際參與的實驗教學，利用線上完成部分學習內(nèi)容，可把更多的時間留給學生在線下到實驗室親自動手實踐［11］。實驗課有更大的“教”與“學”的設(shè)計空間，能充分展現(xiàn)混合式教學模式的優(yōu)點［12］。本文以土木工程材料實驗課程為例對實驗課程混合式教學模式的設(shè)計和實踐進行研究，為實驗教學改革提供借鑒。

1 ADDIE教學模式

ADDIE是5個英文單詞（Analyze，Design，Develop，Implement，和Evaluate）的首字母縮略詞。ADDIE教學模式包含分析、設(shè)計、開發(fā)、實施和評價5個階段［13］，如圖1所示。它起源于美國弗羅里達州立大學教育技術(shù)研究中心為美國陸軍設(shè)計和開發(fā)的培訓模型［14］。ADDIE教學模式的優(yōu)點在于從需求分析、教學設(shè)計到開發(fā)和實施整個過程中的每一步都可以反復地進行評審和修改，體現(xiàn)了以學生為中心的理念。

圖1 ADDIE模式

2 基于ADDIE教學模式的土木工程材料實驗課混合式教學

2.1 分析階段

（1）教學對象分析。土木工程材料實驗是一門包含理論與實踐的專業(yè)基礎(chǔ)課程，該課程在土木工程類各專業(yè)的教學體系中起著承上啟下的作用，是由基礎(chǔ)課向?qū)I(yè)課過渡的橋梁［15］。其教學對象是土木工程及相關(guān)專業(yè)大學二年級的學生。當今的大學生已經(jīng)是21世紀出生的00后一代，對網(wǎng)絡(luò)很熟悉，非常熟練和習慣從網(wǎng)絡(luò)上獲取知識。這些學生在大學一年級學習過大學物理、高等數(shù)學等基礎(chǔ)理論知識，但還沒有學習土木工程的專業(yè)知識。

（2）教學目標分析。教學目標是教學的指南，也是教學評價的依據(jù)。土木工程材料實驗課程的重點為應(yīng)用型和科研型實驗，學生通過該課程的學習掌握建筑材料檢測的技術(shù)，開發(fā)新材料的科研方法。因此，土木工程材料實驗課程的教學目標包括知識技能目標、能力培養(yǎng)目標和情操培養(yǎng)目標3方面。知識技能目標是使得學生熟悉常見建筑材料國家技術(shù)標準、掌握土木工程材料試驗基本原理、操作技能和設(shè)計實驗方案的方法。能力培養(yǎng)目標包括處理試驗數(shù)據(jù)、分析試驗結(jié)果的能力，進而培養(yǎng)自主學習、獨立思考、團隊合作和創(chuàng)新能力。情感培養(yǎng)目標是激發(fā)學生對科學研究的興趣、培養(yǎng)嚴肅認真、實事求是的嚴謹治學態(tài)度。

（3）教學內(nèi)容分析。教學內(nèi)容是指為了實現(xiàn)教學目標，要求教學對象必須學習的知識、技能、態(tài)度和行為經(jīng)驗的總和。教學內(nèi)容分析就是圍繞總的教學目標，確定教學內(nèi)容的深度和廣度。土木工程材料實驗課內(nèi)容的選取要立足基礎(chǔ)性和系統(tǒng)性，在此基礎(chǔ)上強調(diào)綜合性和創(chuàng)新性。通過基礎(chǔ)性實驗掌握土木工程材料的基礎(chǔ)知識點、儀器操作方法和數(shù)據(jù)處理方法。綜合性和設(shè)計性實驗培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題及團隊合作的能力。兩者相輔相成，不可偏廢。

2.2 設(shè)計階段

設(shè)計階段的主要工作為依據(jù)分析階段的結(jié)果，進行課程教學內(nèi)容的設(shè)計和教學過程的設(shè)計。

2.2.1 教學內(nèi)容設(shè)計

實驗教學內(nèi)容依據(jù)知識、能力和情操培養(yǎng)的目標，遵循模仿、綜合、創(chuàng)新循序漸進的原則，設(shè)計3類實驗：驗證性、綜合性和研究性實驗。我校開設(shè)的土木工程材料實驗項目有：水泥試驗、砂漿試驗、普通混凝土試驗、鋼材物理性能試驗和瀝青混合料試驗。各實驗對應(yīng)的知識、技能目標如表1所示。驗證性實驗是學生根據(jù)教材給定的標準材料和實驗步驟進行實驗。學生通過驗證性實驗，可以幫助和加深對基本概念的理解、掌握儀器的操作和數(shù)據(jù)處理的能力。綜合性實驗，就是給定實驗題目和材料，學生自行設(shè)計實驗并動手完成實驗，記錄數(shù)據(jù)并完成報告。而研究性實驗是學生自行選擇研究題目，自行準備材料并設(shè)計實驗，與指導教師討論確定實驗方案。然后到實驗室完成實驗，記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，撰寫報告或論文。

表1 教學內(nèi)容及培養(yǎng)目標

2.2.2 教學過程設(shè)計

教學過程是指教師和學生在共同實現(xiàn)教學任務(wù)中的活動狀態(tài)變換及其時間流程，由相互依存的教和學兩方面構(gòu)成。教學過程的設(shè)計是根據(jù)教學目標和教學內(nèi)容來設(shè)計呈現(xiàn)教學內(nèi)容的順序和方式，它決定了學生的學習效果，在教學過程設(shè)計中應(yīng)充分體現(xiàn)教師的主導作用和學生的主體作用。土木工程材料實驗課的教學過程包括以下5步。

（1）實驗導入。引起學生注意，激發(fā)學生興趣。每個實驗前，提供一些工程案例的圖片、視頻或相關(guān)的新聞事件。比如透水混凝土，可以播放一些城市內(nèi)澇的視頻，及透水混凝土的透水過程，激發(fā)學生對透水混凝土的好奇和研究的興趣。

（2）學習目標。向?qū)W生說明本實驗的學習目標。如水泥膠砂強度實驗的目的是了解水泥品質(zhì)檢驗的操作方法及強度試件的制作，掌握水泥品質(zhì)各技術(shù)指標的實際工程意義和測試方法。

（3）課前測試。發(fā)布一些與本次實驗相關(guān)的測試題，以了解學生已具備的知識與能力，并根據(jù)情況對后續(xù)的教學作相應(yīng)調(diào)整。學生通過測試了解其在哪些方面還有薄弱環(huán)節(jié)，并注意加強學習。

（4）開展實驗。組織學生進入實驗室動手開展實驗。

（5）課后總結(jié)。教師對本次實驗作總結(jié)及后期安排。學生對照學習目標，看看是否達到目標，并整理數(shù)據(jù)撰寫實驗報告。

2.3 開發(fā)階段

開發(fā)階段的主要工作是教學素材的收集、線上教學資料的建立、制作。線上教學資料主要包括實驗微視頻、實驗教學課件、工程案例的網(wǎng)絡(luò)資源庫及相關(guān)土木工程材料網(wǎng)站鏈接。每個微視頻的時間在5～8 min左右。驗證性實驗和綜合性實驗的視頻內(nèi)容包括：實驗?zāi)康?、儀器介紹、實驗操作和數(shù)據(jù)處理及思考題。研究性實驗的網(wǎng)絡(luò)教學資源包括：研究背景和工程意義、相關(guān)實驗原理介紹、優(yōu)秀案例展示。

采用屏幕錄像軟件Camtasia Studio來錄制實驗微視頻。首先制作實驗?zāi)康?、實驗原理及?shù)據(jù)處理的課件PPT。選擇安靜的環(huán)境，打開Camtasia Studio的錄屏功能，播放PPT的同時進行講解，錄制結(jié)束后保存。儀器介紹和實驗操作的實驗微視頻在實驗室完成，采用外置攝像頭來拍攝。開始先采用大全景鏡頭介紹一下整個實驗環(huán)境，然后逐個拍攝本次實驗所用的儀器設(shè)備。由研究生助教完整地做一次實驗，用長鏡頭連續(xù)拍攝整個實驗過程，一些實驗細節(jié)采用特寫鏡頭拍攝。

錄制好的實驗視頻，進行畫面剪輯，配上語音講解和字幕。畫面的剪輯要注意拍攝的清晰和連貫。沒有講解的部分畫面可以配置一些優(yōu)美的背景音樂提高視頻的觀賞性，并可營造愉快和輕松的氛圍。剪輯好后轉(zhuǎn)為常用的視頻播放格式，如MP4等，以方便學生播放和觀看。

2.4 實施階段

實施階段是整個教學過程的核心階段，是教師采用不同的策略和方法向?qū)W生傳達教學內(nèi)容的階段。土木工程材料實驗課的混合式教學的實施分3個環(huán)節(jié)：實驗課前、實驗課堂和實驗課后。學生自由組合實驗小組，每組3～5人，指定1名組長。

（1）實驗課前。每次實驗課前1周，在網(wǎng)絡(luò)教學平臺CANVAS上布置實驗題目，上傳實驗教學視頻和輔助資料。驗證性實驗的資料包括實驗課件、實驗微視頻和實驗自測題。學生自由選擇時間學習和收看實驗課件、實驗微視頻，完成實驗自測題。在學習過程若有疑問，可以通過網(wǎng)絡(luò)教學平臺反饋，也分布在平臺討論區(qū)，同學們一起討論。設(shè)計性實驗和研究性實驗資料包括實驗原理、研究背景和實驗設(shè)計方法。學生自行學習網(wǎng)絡(luò)教學平臺的資料后，查閱圖書資料、在實驗室現(xiàn)有實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計實驗方案。然后將實驗方案上傳給指導教師審閱，指導教師審閱后，給出指導意見。學生根據(jù)指導意見再次修改和完善實驗方案，同時做好一些特殊材料的準備。

（2）實驗課堂。學生按課程安排的時間到實驗室完成實驗。實驗操作開始前，指導教師將同學們在教學平臺上提出的一些共性問題給予講解。講解結(jié)束后，學生按小組開展實驗。每個小組按照設(shè)計好的實驗方案和實驗步驟開始實驗。在實驗過程中，指導教師和助教在各小組間巡視，學生遇到問題可以得到及時指導和引導。實驗期間還利用投影儀播放相關(guān)的儀器設(shè)備使用方法、實驗注意事項和實驗小常識幫助學生順利完成實驗并拓寬知識。

（3）實驗課后。實驗結(jié)束后，根據(jù)課件的介紹方法，學生處理記錄的實驗數(shù)據(jù)并分析和討論實驗結(jié)果。綜合性實驗的實驗報告中，除了實驗數(shù)據(jù)分析和實驗結(jié)果外，還要回答一些問題。例如：在普通混凝土實驗中水膠比、養(yǎng)護條件和試件尺寸等對混凝土強度的影響。研究性實驗報告包括實驗設(shè)計的思路、實施過程結(jié)果分析，并在此基礎(chǔ)上制作成匯報的演示文稿。教師在實驗后發(fā)布一些課外相關(guān)的拓展資源，讓感興趣并學有余力的學生自主學習。并且教師在平臺上保持與學生的線上互動討論，為學生答疑解惑。

2.5 評價階段

評價階段也是整個教學活動中最重要的一環(huán)，是對教學課程及學生的學習效果進行評價。土木工程材料實驗課程的評價包括兩部分：教學效果評價和學生成績的評價。

（1）教學效果評價。教學效果的評價采用問卷調(diào)查和教學督導聽課及座談的方式進行。在整個課程進行到一半和課程結(jié)束時在教學平臺上發(fā)布問卷調(diào)查表。問卷調(diào)查的題目有問答題和選擇題。問卷內(nèi)容包括學生對實驗內(nèi)容、教學設(shè)計和線上學習課件的反饋，以及學生對實驗技術(shù)及理論的掌握情況，還有學生的自主學習、分析和解決問題的能力是否提高的情況。教學督導以聽課和座談的方式參與整個教學的全部階段，從分析、設(shè)計、開發(fā)到實施的每一個階段給出評價。

評價涉及實驗內(nèi)容設(shè)計、視頻界面布局和音效及整體效果。根據(jù)督導的評價和學生問卷調(diào)查的結(jié)果，仔細分析總結(jié)，在本次教學過程中和下一次課程中做出修改和調(diào)整。

（2）學生成績評價。學生實驗課成績的評定實行評價指標多元化和過程性。不同于以往的僅僅通過一份實驗報告去評定學生的成績，從多個指標對學生的實驗課程學習情況進行考核，評價指標包括實驗設(shè)計能力、自主學習能力、實驗操作能力、分析實驗結(jié)果及團隊合作和表達能力。

成績的過程性評價指的是評價貫穿整個學習的過程，包括線上和線下。線上考核包括自學小測驗和參與討論的情況，線上考核占總成績25%。線下考核包括實驗設(shè)計和實驗操作過程占40%，實驗后的分析和實驗報告，占比35%。

3 結(jié) 語

實驗教學是高校培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的非常重要和關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。ADDIE教學模式包括分析、設(shè)計、開發(fā)、實施、評價5個階段，這5個階段互相協(xié)同，形成閉環(huán)，促使教學不斷優(yōu)化。以土木工程材料實驗課程為例，詳細介紹了ADDIE教學模式的各個步驟。通過線上、線下混合式教學，充分利用在線教學和現(xiàn)場實驗教學的優(yōu)勢互補，拓展了實驗教學的時間和空間，學生能夠自主安排學習時間，完成實驗理論學習和實驗設(shè)計，提高了在實驗室實驗效率和實驗教學效果。基于ADDIE模式的混合式實驗教學為傳統(tǒng)工科實驗教學提供了一個新的思路，有助于提高實驗教學效果以及培養(yǎng)學生的自主學習能力、實驗操作能力、團隊合作精神，科研創(chuàng)新能力。