模塊化與三維視頻教學法在道路課程中的應(yīng)用
——以“道路綜合實驗”課程為例

葉云雪，吳珺華，呂 輝

（南昌航空大學 土木建筑學院，江西 南昌 330063）

引言

當前，科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓄勢待發(fā)，世界已進入以創(chuàng)新為主導的發(fā)展時期。在新工科背景下，高校培養(yǎng)具有社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力的新時代人才已成為服務(wù)國家戰(zhàn)略發(fā)展需求、提升國際競爭優(yōu)勢和落實立德樹人根本任務(wù)的新時代發(fā)展目標［1］。

國家戰(zhàn)略發(fā)展需求是新工科教育改革的動力源泉。深入實施“互聯(lián)網(wǎng)+”“京津冀協(xié)同發(fā)展”等重大戰(zhàn)略，堅定貫徹“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”新發(fā)展理念，加強培養(yǎng)“創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型”新工程人才等，迫切需要深化高等工程教育改革，認真履行高等工程教育在人才培養(yǎng)、科學研究、社會服務(wù)、文化傳承創(chuàng)新、國際交流合作中的職責使命［2］。重視新時代人才培養(yǎng)工作，是在日益復雜的國際環(huán)境中贏得競爭優(yōu)勢的先決條件，也是落實高校立德樹人要求的重大舉措。為了推動工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，本教改項目以新工科和工程教育認證為背景，以我校交通工程專業(yè)學生為研究對象，探索模塊化教學法和3D視頻教學法在“道路檢測綜合實驗”課程中的應(yīng)用。

一、實驗課程教學存在的主要問題

（一）課程無法體現(xiàn)成果導向教育

工程教育專業(yè)認證往往從整體設(shè)計方面指導各專業(yè)的培養(yǎng)目標、畢業(yè)要求和課程體系，并側(cè)重于各門課程對畢業(yè)生要求的支撐關(guān)系，而各門課程本身如何從局部設(shè)計方面體現(xiàn)成果導向教育（Outcome-based Education,OBE）教學理念，對高校教師提出了新的挑戰(zhàn)。

（二）學生缺乏主觀能動性及創(chuàng)新性

由于課程實驗項目較多、儀器設(shè)備和實驗場地有限且耗時費力，故實驗項目以驗證性和演示性實驗為主。在實踐過程中，學生非常依賴指導教師和實驗手冊，并以完成實驗手冊為目標，缺乏主動思考的驅(qū)動力，創(chuàng)新思維的培養(yǎng)無從談起。

（三）部分學生學習積極性不高

作為一門專業(yè)課很強的實驗課，學生本身對試驗儀器不熟悉，在平時的生活及學習中也很難見到這些儀器。單純的理論講解不僅無法讓學生產(chǎn)生共鳴，還容易使其滋生枯燥或厭煩的聽課心理。

（四）學生對團隊合作不夠重視

團隊合作是企業(yè)創(chuàng)新的重要動力，也是培養(yǎng)大國工匠精神的重要基礎(chǔ)。實驗課相比于其他理論課，更加強調(diào)和注重團隊合作精神。在實踐過程中，小組成員普遍存在合作意識不強、分工不明確、參與感不強等問題。

二、“模塊化+3D視頻”教學法的應(yīng)用

（一）模塊化教學法

實驗課程的專業(yè)性、綜合性較強，導致教學效果不理想。模塊化教學法的能力本位教育（competency-based education,CBE）是解決實踐課程教學難題的有效途徑之一［3］。CBE著重使學生有針對性地學習和掌握某一特定職業(yè)或工作崗位所需的能力。該能力包括知識（與崗位或職業(yè)能力相關(guān)的知識領(lǐng)域）、態(tài)度（工作態(tài)度等情感因素）、實際經(jīng)驗（具體的操作與管理能力）、反饋（評估或評價領(lǐng)域）四個方面?；贑BE理念，本門課期望培養(yǎng)學生成為一名公路檢測工程師，且公路檢測工程師可以實現(xiàn)向項目經(jīng)理的轉(zhuǎn)變；基于OBE理念，本專業(yè)期望培養(yǎng)學生成為一名核心管理人員或項目經(jīng)理。因此，基于CBE的教學策略符合工程教育專業(yè)認證中的OBE理念。實驗課程基于CBE的教學策略如圖1所示，包括知識點（與公路檢測工程師相關(guān)）、態(tài)度（學習態(tài)度）、操作（實踐表現(xiàn)）和反饋（教學效果評價）四個方面，旨在提高教學質(zhì)量和培養(yǎng)高素質(zhì)專業(yè)人才——具有扎實的公路檢測知識、獨立的實驗操作能力和良好的團隊合作精神等。

圖1 基于CBE的教學策略

“道路綜合實驗”課程包括理論學時和實驗學時，教材選用自編教材。與公路檢測工程師相關(guān)的知識點主要來自《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程 JTG3450-2019》《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程 JTGE20-2011》《公路土工試驗規(guī)程JTG 3430-2020》《公路技術(shù)狀況評定標準JTG 5210-2018》等公路標準或規(guī)范。這些公路標準或規(guī)范的內(nèi)容復雜、知識點多，不利于學生學習。構(gòu)建以項目為核心的模塊化課程體系是體現(xiàn)新工科課程與教學設(shè)計的重要途徑［4］。若將瀝青或水泥道路看作特定項目，則以該項目為核心的模塊化設(shè)計可應(yīng)用于實驗課程的教學?；贑BE教學模式，在教材內(nèi)容的設(shè)計上，應(yīng)遵循由表及里、由淺入深、層層遞進的原則，有利于培養(yǎng)學生的發(fā)散性思維。例如，以瀝青或水泥路面的全生命周期為核心，運營維護階段，需要學生明確公路路面結(jié)構(gòu)病害現(xiàn)場檢測方法和公路技術(shù)狀況評定方法；施工階段，需要學生掌握公路路基路面試驗（如壓實度、平整度、彎沉值和抗滑性能等）測試方法；設(shè)計階段，需要學生了解公路工程瀝青及瀝青混合料試驗（如馬歇爾穩(wěn)定度和車轍等）、公路工程集料（如粗、細集料等）試驗、公路土工試驗（如含水率和干密度等）等測試方法。

以項目為核心的模塊化實驗課程有三個好處：一是實現(xiàn)課程知識點模塊的有效銜接，促進學生的理解與記憶；二是體現(xiàn)人才培養(yǎng)規(guī)律，促進學生從直觀形象到抽象邏輯等思維能力的轉(zhuǎn)變；三是貫徹以學生為中心的教育理念，強調(diào)學生組建合作學習小組，重視團隊合作精神。

為了改善學生對實驗課程的學習態(tài)度，在理論教學中，適當加入互動、討論、分享等教學環(huán)節(jié)，既能促進師生的情感交流，又能提高學生的學習興趣。在實驗教學環(huán)節(jié)中，除了要求實驗報告書寫工整、實驗數(shù)據(jù)真實、計算結(jié)果準確，每個小組還要提交實驗日記。實驗日記的內(nèi)容包括小組成員姓名及學號、實驗名稱、實驗分工任務(wù)及負責人、實驗小結(jié)、現(xiàn)場照片（每次實驗不少于4張，每張照片記錄不同的實驗步驟）等。在教學評價環(huán)節(jié)中，通過生生互評（內(nèi)容涉及知識掌握、實踐表現(xiàn)和態(tài)度等），讓學生及時彌補實驗課程學習的不足，讓教師持續(xù)改進自己的教學方法。生生互評的具體實施方案包括三個方面：第一，組內(nèi)自評。讓小組成員分享自己在該實驗中擔當?shù)慕巧俺袚娜蝿?wù)，并評價自己的優(yōu)缺點。第二，組間互評。讓其他組長對該組的表現(xiàn)進行評價，加深各組對實驗步驟的記憶和理解。第三，小組互助。由教師匯總各組在實驗過程中遇到的問題，各小組分別派出小組代表提出集體討論的解決辦法。

實踐表現(xiàn)包括實驗操作能力、團隊合作能力和數(shù)據(jù)處理能力，旨在培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和良好的團隊合作意識。由于小組成員之間的默契度與熟練度不夠，容易影響合作效率，故亟須教師的正確引導和關(guān)注。教師事先要做到以下三點：第一，介紹每次實驗的目的及意義，需要哪些角色，并明確每個角色的任務(wù)分工；第二，實驗前強調(diào)實驗過程中哪些實驗步驟存在危險，以及可能產(chǎn)生的危險后果；第二，全程參與、全程跟蹤。

教學效果評價包括過程性考核和結(jié)果性考核。過程性考核主要是平時表現(xiàn)（課后作業(yè)完成情況、課堂紀律、與教師的互動情況等）。結(jié)果性考核主要是理論考試成績和實驗報告成績。理論考試包括筆試和視頻制作。筆試一共設(shè)置三道題，第一道為名詞解釋題，考查學生對基本概念的掌握程度。第二道為論述題，了解學生的團隊合作意識，如“請從個人和團隊的角度闡述某一項實驗的操作步驟，并談?wù)剛€人感受”。第三道為思考題，測評學生的創(chuàng)新能力。例如，隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展，路面平整度檢測的手段也發(fā)生了顯著變化，如三米直尺法、連續(xù)式平整度儀、車載顛簸式累積儀、車載激光平整度儀等。請列舉出一項道路檢測手段，談?wù)勀銓υ摍z測手段的改進思路。視頻制作的考核方式詳見下節(jié)。

（二）3D視頻教學法

道路檢測綜合實驗的載體主要是道路，尤其是瀝青路面，往往分布在校外，因此有必要使用視頻教學法。視頻教學法能夠增進師生互動，加深學生對理論知識的理解，提高學生的學習興趣和熱情［5］。然而，普通的視頻教學法對于激發(fā)學生的創(chuàng)新性和發(fā)散性思維是遠遠不夠的。建筑信息技術(shù)（building information modeling,BIM）是一項引領(lǐng)數(shù)字技術(shù)走向高層次的新技術(shù)，2021年被國家列入數(shù)字經(jīng)濟及其核心產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計分類。BIM技術(shù)具有可視性、可模擬性和可交互性等特點，已逐漸應(yīng)用于工程實踐課程教學中［6］。

在新工科背景下，積極開展以學生為中心、以BIM技術(shù)能力培養(yǎng)為導向的項目教學活動，將有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高分析和解決實際工程問題的能力。教學團隊構(gòu)建了基于BIM技術(shù)的3D視頻制作能力培養(yǎng)路徑模型（如圖2所示）。

以公路路面結(jié)構(gòu)病害之一坑槽為例，詳細的培養(yǎng)路徑如下：（1）教師發(fā)布任務(wù)，要求制作基于BIM技術(shù)模擬坑槽修補全過程的3D視頻。（2）各小組對項目進行初步分解：確定坑槽類型、熟悉坑槽修補規(guī)范、查閱原瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計詳圖、初步擬定基于BIM技術(shù)的3D視頻制作步驟。（3）經(jīng)小組討論后，由小組組長進行任務(wù)分工，每周計劃進行一次組會。（4）明確BIM技術(shù)的使用軟件，并確定BIM視頻的制作步驟：制作模型，模型渲染，制作局部動畫，動畫剪輯整合。（5）各組商討視頻效果的邏輯呈現(xiàn)方式。例如，視頻首先展現(xiàn)小型汽車在坑槽上行駛的狀態(tài)；其次展現(xiàn)工人對坑槽進行施工修補的全過程；最后展現(xiàn)小型汽車在完好的瀝青路面上行駛的狀態(tài)。（6）在整個過程中，教師可以利用學習通、微信或騰訊會議等工具，與學生保持密切聯(lián)系和溝通。

區(qū)別于傳統(tǒng)的視頻，基于BIM技術(shù)是由師生共創(chuàng)的3D視頻，充分展現(xiàn)了學生的個人能力、創(chuàng)新能力以及團隊合作能力，使學生具有更大的思維想象空間和主觀能動性。優(yōu)秀的3D視頻不僅可以補充和增加視頻教學素材，還將被詳細介紹給下一屆學生進行學習和觀摩，使本屆學生能夠獲得極大的成就感，有效促進大學生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（三）模塊化與三維視頻教學實施效果

為了評價模塊化與三維視頻教學法實施的效果，教學團隊通過問卷調(diào)查的方式對未開展這兩種教學方法的南昌某大學交通工程專業(yè)2018級和已開展這兩種教學法的2019級學生進行調(diào)查。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，學生對課程的滿意度由95.0%上升至98.3%，平均成績由75.6分上升到88.1分。顯然，開展這兩種教學方法的年級，其滿意度及平均成績均有明顯提升。其中，2019級中有87%的學生希望更多的實驗?zāi)軌虿捎?D視頻教學，93%的學生希望制作更多類型的視頻，并積極申報與BIM相關(guān)的各項比賽。

基于BIM技術(shù)的3D視頻教學法不僅可以引導學生之間主動合作交流，還能促進學生的個性化發(fā)展。在視頻制作內(nèi)容、BIM技術(shù)軟件選擇以及視頻效果展現(xiàn)方式等方面，盡量讓學生有更多的自主權(quán)，促進學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。研究生教育作為教育體系的塔尖，區(qū)別于其他教育階段的特征，主要體現(xiàn)在知識和技術(shù)層面的創(chuàng)新性、思想理念和精神文化層面的引領(lǐng)性以及個體和團隊層面的主動性［7］。而基于BIM技術(shù)的3D視頻教學具備創(chuàng)新性、高階性和挑戰(zhàn)度的“兩性一度”特點，可以使本科生教育與研究生教育得到良好的銜接。因此，CBE和BIM技術(shù)有望成為交通工程專業(yè)金課打造的新途徑之一。

結(jié)語

將模塊化與三維視頻教學法運用于交通工程專業(yè)實驗課程教學，彌補了目前實踐教學的不足。模塊化教學法有利于培養(yǎng)學生的邏輯思維和發(fā)散思維，3D視頻教學法不僅提高了學生的學習積極性和主觀能動性，還提升了學生分析和解決實際問題的能力?；贐IM技術(shù)的3D視頻制作及應(yīng)用，確保了人才培養(yǎng)朝新工科和工程教育認證的方向發(fā)展，值得在工程實踐教學中推廣。