秦衛(wèi)紅，陸金鈺，吳 京，呂清芳，涂永明，馮 健，范圣剛，曹雙寅

(東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是一門以三大力學(xué)為基礎(chǔ)，主要講述鋼結(jié)構(gòu)、混凝土，以及砌體結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件設(shè)計的土木工程專業(yè)課，具有基本概念多、公式復(fù)雜、理論聯(lián)系實際、實踐性強等顯著特點[1]，對于土木工程專業(yè)本科生而言非常重要，其教學(xué)效果直接影響學(xué)生知識體系的牢固程度。為了實現(xiàn)良好的教學(xué)目標(biāo)，滿足教學(xué)需求，筆者在教學(xué)過程中運用學(xué)習(xí)金字塔理論不斷探索有效的教學(xué)方法和教學(xué)手段。

一、學(xué)習(xí)金字塔理論及其應(yīng)用

學(xué)習(xí)金字塔(如圖1所示)是美國緬因州國家訓(xùn)練實驗室的研究成果。它形象顯示了采用不同的學(xué)習(xí)方式，學(xué)習(xí)者在兩周以后還能記住內(nèi)容(平均學(xué)習(xí)保持率)的多少。學(xué)習(xí)金字塔是由美國學(xué)者、著名的學(xué)習(xí)專家愛德加·戴爾于1946年首先發(fā)現(xiàn)并提出[2]。

由圖1可知，學(xué)習(xí)金字塔理論圖形形象地將學(xué)習(xí)方式分為被動學(xué)習(xí)和主動學(xué)習(xí)兩大類。采用處于金字塔上部的被動學(xué)習(xí)方法，兩周以后的學(xué)習(xí)保持率較低；反之采用金字塔底部的主動學(xué)習(xí)方法，學(xué)習(xí)保持率非常高。該理論認為，通過學(xué)習(xí)者自己觀察、實踐、設(shè)計，將上述所得歸納總結(jié)并提高，從而教授給他人，這些屬于“主動”學(xué)習(xí)方法。實踐顯示，主動學(xué)習(xí)方法構(gòu)建的知識體系學(xué)習(xí)效果最佳、最為牢固。聽講、閱讀、演示均為效率不高的“被動”學(xué)習(xí)。

文獻[3]針對物理化學(xué)實驗類課程，初步建立了一種“以學(xué)生為中心”的教學(xué)模式，即“網(wǎng)絡(luò)在線觀看實驗視頻預(yù)習(xí) + 做過實驗的學(xué)生為未做實驗的學(xué)生講解演示 + 操作前學(xué)生小組討論 + 學(xué)生操作 + 操作后學(xué)生小組討論 + 教師檢查簽字”的教學(xué)模式。實踐表明，該教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的實驗興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性和積極性，取得了良好的教學(xué)效果。該教學(xué)模式在實施過程中受到了學(xué)生歡迎，也對起主導(dǎo)(引導(dǎo))作用的實驗指導(dǎo)教師提出了更高要求。

澳大利亞凱恩斯詹姆斯庫克大學(xué)[4]通過學(xué)習(xí)金字塔理論,將該理論運用于法律、商業(yè)、IT專業(yè)本科教學(xué)中，形成了混合、靈活的學(xué)習(xí)系統(tǒng)。結(jié)果表明，從傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌稀㈧`活的學(xué)習(xí)系統(tǒng)，會使本科生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷和成果更加豐富。該理論的局限是沒有捕捉學(xué)習(xí)系統(tǒng)的反饋循環(huán)，因此，還可進一步深化學(xué)習(xí)金字塔理論研究，以捕捉學(xué)生對其價值獲取和總體滿意度。

然而，如何將該理論用于土木工程專業(yè)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)實踐，筆者有自己的看法。主動學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)固然知識的保有率高，但是不一定適用于每一門課或適用于每一個人。正如文獻[5]中所述，學(xué)習(xí)金字塔頂部的教師課堂講授雖然屬于間接獲得的經(jīng)驗(知識)，但它是基于經(jīng)驗基礎(chǔ)之上的“抽象化”和“概念化”的知識體現(xiàn)，也是教師從業(yè)多年獲得的理論水平和專業(yè)知識的映照。

學(xué)習(xí)金字塔理論之所以受到追捧，最主要的原因是它與人類認知世界的過程相似：從具體和經(jīng)驗，到抽象的理論和概念，再將理論和概念進行推廣和普適。但是，若所有知識的獲取完全遵循這樣的過程，則是低效的，也是不經(jīng)濟的，或者在相同的學(xué)習(xí)時間內(nèi)獲得的知識缺乏深度和廣度。“抽象”和“概念”相對于“具體”和“經(jīng)驗”，對認識事物本質(zhì)的效率和深度顯然更加經(jīng)濟、有效，有利于普遍推廣。

鑒于此，完全按照和遵循戴爾的學(xué)習(xí)金字塔理論，過分強調(diào)實踐而忽視講授顯然有失偏頗。因此，如何合理利用學(xué)習(xí)金字塔理論，實現(xiàn)主動學(xué)習(xí)和被動學(xué)習(xí)之間的平衡、互為補充至關(guān)重要。筆者結(jié)合土木工程專業(yè)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理本科生課程[6]，在學(xué)習(xí)金字塔理論的指導(dǎo)下進行了探索和嘗試。

二、學(xué)習(xí)金字塔之被動學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

被動學(xué)習(xí)包含聽講(lecture)、閱讀(reading)、視聽(audiovisual)、演示(demonstration)等。被動學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)之所以知識保有率不高，筆者分析主要在于：(1)學(xué)生注意力不容易長期集中；(2)學(xué)生參與度不高。為此采取以下措施加以改進。

(一)小節(jié)即時彈幕——注意力曲線的運用

注意力是人大腦的某種喚醒水平，隨時間的變化直接影響人的學(xué)習(xí)狀態(tài)與工作狀態(tài)[7]。一般而言，上課開始時學(xué)生最有新鮮感，前10分鐘注意力高度集中。10～15分鐘后，注意力分散，并且持續(xù)較長。快下課時，學(xué)生精神狀態(tài)回升。一節(jié)課中，學(xué)生的注意力—課堂教學(xué)時間曲線如圖2所示[8]。當(dāng)出現(xiàn)教師興致勃勃，而學(xué)生無精打采，教學(xué)效果不佳時，則需要根據(jù)學(xué)生注意力變化曲線，重新設(shè)計教學(xué)模式。

根據(jù)上述注意力曲線的分布，在一節(jié)課剛開始、學(xué)生注意力集中時，講重要內(nèi)容；當(dāng)學(xué)生注意力分散時，通過讓學(xué)生動腦筋回答問題來提高注意力，即在學(xué)生注意力三階段采用不同的教學(xué)方式，以此提高學(xué)習(xí)效率，具體如下。

剛上課時，學(xué)生興奮點還沒有完全集中在課堂上，教師在簡單回顧上節(jié)課知識點的同時，要快速對新課進行一個大概描述，讓學(xué)生了解即將學(xué)習(xí)的知識內(nèi)容和該部分知識內(nèi)容與先修知識點之間的關(guān)系，甚至在課程中的地位。這樣，在學(xué)生注意力集中時，使得學(xué)生對本節(jié)課形成總體認識，以提高學(xué)習(xí)動機，同時起到將學(xué)生的注意力快速聚攏到課堂上來的效果。

這部分內(nèi)容結(jié)束之后，學(xué)生注意力高度集中的時間只剩余5～10分鐘。此時要趁學(xué)生還沒有進入疲勞期講解重點內(nèi)容，帶入新的知識。這一階段持續(xù)10～15分鐘。上課15～20分鐘后，學(xué)生注意力開始降低，此時，教師若按照一成不變的節(jié)奏講下去，效率極低，因此，需要互動，讓學(xué)生動起來，引導(dǎo)學(xué)生主動地參與到學(xué)習(xí)中來。

筆者在這個階段的教學(xué)中，嘗試小節(jié)即時彈幕的方法開展教學(xué)。一般會在講完一個相對完整的知識點(一個小節(jié))時，幻燈片屏幕彈出一個問題，內(nèi)容可以設(shè)計為專門針對剛講述的知識點，也可以是剛剛講的知識點與以前知識點的綜合運用。題目的形式一般為選擇題、填空題和判斷題，因為這類題答題速度快，不會占用過長的講課時間。屏幕彈出題目的時間間隔一般為10～15分鐘。

例如，在講到鋼梁的整體穩(wěn)定時，屏幕適時彈出如下題目。

該題不僅能夠?qū)⒂绊戜摿赫w穩(wěn)定承載力的荷載形式形象及時展示給學(xué)生，而且能利用即時回答問題的方式，激起學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。當(dāng)學(xué)生答對問題時，能增加成就感；若答錯，也能引起反思。利用小節(jié)即時彈幕的方式不僅可以調(diào)整課堂教學(xué)節(jié)奏，而且更重要的是在每節(jié)課學(xué)生注意力渙散期，起到制造興奮點的作用，變被動為主動學(xué)習(xí)。

這樣的教學(xué)實踐，受到了學(xué)生的歡迎。學(xué)期末時，針對小節(jié)即時彈幕的教學(xué)方式，在彈出次數(shù)、彈出時機等方面進行了無記名詢問，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，所有學(xué)生均認可這種教學(xué)方式，并且認為次數(shù)太少的學(xué)生占所有樣本總數(shù)的67.7%，只有22.6%的學(xué)生認為次數(shù)太多。此外，9.7%的學(xué)生認為盡管彈出的時機不合適，但對學(xué)習(xí)有幫助。無人選擇D、E兩個選項。

可以看出，參與調(diào)查的學(xué)生普遍認為小節(jié)即時彈幕對學(xué)習(xí)有幫助，并且學(xué)生的注意力以及學(xué)習(xí)的動力普遍被調(diào)動了起來。在學(xué)生課堂注意力渙散時，課堂教學(xué)與小節(jié)即時彈幕相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式能夠使知識得到及時鞏固，亦能做到及時的查漏補缺。

最后，臨近下課時，如圖2所示，學(xué)生注意力又呈現(xiàn)回升趨勢。可以利用此階段，與學(xué)生一起總結(jié)所學(xué)，一并提出新的問題，銜接下一節(jié)課，讓學(xué)生課下自行思考，待下節(jié)課一起解答。這部分內(nèi)容也可以利用小題目或者總結(jié)順口溜等方式，使所學(xué)知識點在學(xué)生的腦海中留下深刻印象。

(二)角色代入——提高學(xué)生的參與度

除了采取措施提高學(xué)生注意力之外，筆者嘗試“角色代入”等教學(xué)方法以提高學(xué)生的參與度。這種方法可以設(shè)計多個或者一系列故事或者角色，并將這些角色賦予學(xué)生，讓其扮演某種角色以提高參與度。

例如，筆者在教學(xué)中曾設(shè)計了一個系列故事，貫穿混凝土構(gòu)件的很多章節(jié)。該故事首先假定“中國土木工程學(xué)會”有一個“混凝土構(gòu)件承載力計算公式協(xié)會”，然后安排“理事長”的角色給學(xué)生，行使“審批”會員的權(quán)力。在此背景下，將混凝土正截面受彎的“適筋梁”的承載力公式、“剪壓破壞”的受剪承載力公式、“大偏心受壓”和“小偏心受壓”的承載力公式等編入故事中。

采取這樣的賦予學(xué)生“角色”和“權(quán)力”的方法，極大地調(diào)動了學(xué)生的興趣和參與度。經(jīng)過無記名調(diào)查，認為角色代入等教學(xué)方法“幽默”、并喜歡故事接龍的學(xué)生占全部樣本的84.6%。圖5為采用角色代入之前進行的課程興趣度調(diào)查。由圖5可知，選擇“興趣很大”選項的僅占5%，即使加上選擇“興趣一般”選項的，兩項之和達66%?？梢?，采用角色代入的教學(xué)方法可以達到激發(fā)學(xué)生興趣，提高參與度的教學(xué)目的。

(三)案例(圖紙)和作品展示

由于現(xiàn)代教學(xué)手段的廣泛普及和運用，授課方法由過去的只靠語言和板書變得越來越豐富多樣。大部分高校教師都能較好地利用學(xué)習(xí)金字塔“中層”的多媒體視聽、展示和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，且均取得了較好的效果。除了在主動利用上述多媒體教學(xué)手段的同時，筆者還采取了如下措施，意圖在被動學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)以較小的“成本”增加實踐性，實現(xiàn)一定程度上的“所學(xué)即所得”。

適量增加設(shè)計圖紙案例。多年的教學(xué)經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，盡管目前的課程體系中已經(jīng)強調(diào)了實踐教學(xué)，但是學(xué)生對所學(xué)知識的綜合利用還比較欠缺，而且該問題經(jīng)常會遺留到畢業(yè)設(shè)計階段。

展示設(shè)計圖紙的過程需要提前精心設(shè)計。有些課時可以介紹整套圖紙的組成，包含基礎(chǔ)和樓梯。學(xué)生既了解了結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)成，也可以為相關(guān)后續(xù)課程 “預(yù)熱”。有條件的，還可以向?qū)W生介紹裝配式建筑和建筑信息化設(shè)計作品。

(四)介紹國內(nèi)外的各類競賽和國外相關(guān)規(guī)范

除了上述措施，上課時還要不失時機地向?qū)W生介紹并鼓勵學(xué)有余力的學(xué)生參加國內(nèi)外舉辦的各類競賽。在教師的鼓勵下，學(xué)生們積極參加了各級結(jié)構(gòu)大賽，取得了良好的成績。這些參賽經(jīng)歷也鍛煉和提高了學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力。此外，還可簡單介紹國外相關(guān)規(guī)范，從不同角度培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，開闊學(xué)生視野。

綜上，在學(xué)習(xí)金字塔頂部，如圖1所示被動學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，教研組從提高學(xué)生的注意力和興趣，增強學(xué)生的參與度、培養(yǎng)綜合運用知識的能力和開闊視野等方面進行了教學(xué)嘗試，取得了良好的教學(xué)效果。

三、學(xué)習(xí)金字塔之主動學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)

(一)主動學(xué)習(xí)之全民參與

在學(xué)習(xí)金字塔的底部，即參與度高的主動學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，可讓學(xué)生制作框圖、流程圖，以及編寫配筋小程序，給每個學(xué)生分配任務(wù)，鼓勵互相分享。

1.配筋小軟件

這部分主要集中在鋼筋混凝土單筋梁、雙筋梁以及T型梁的正截面配筋等較簡單、明確的內(nèi)容。例如，圖6、7分別為學(xué)生對T型梁配筋和對梁的裂縫寬度進行計算的小程序界面，含有輸入、選擇、截面類型判斷和給出結(jié)論等環(huán)節(jié)。若實現(xiàn)上述所有功能，需要學(xué)生對每一個細節(jié)做到心中有數(shù)，故編制程序的過程即學(xué)習(xí)、總結(jié)、再學(xué)習(xí)、再總結(jié)的過程。

2.流程圖和框圖

對影響因素較多的鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件等內(nèi)容，編寫軟件將花費大量時間，則鼓勵學(xué)生采用框圖或者流程圖的形式。如圖8所示的框圖為大偏心受壓構(gòu)件的設(shè)計過程。該框圖思路清晰，互相分享之后，有助于學(xué)生梳理知識點。

3.學(xué)生自主命題作品

通過上述各種激勵手段，學(xué)生在學(xué)習(xí)課程、寫作業(yè)、故事接龍和做作品等方面表現(xiàn)出了極高的積極性和參與度。思路被打開之后，部分學(xué)生還自主命題，自行選擇軟件，制作思維導(dǎo)圖、自主編寫配筋程序。綜上，基于金字塔底部的“主動學(xué)習(xí)”，通過合理的安排，教師的適當(dāng)引導(dǎo)，學(xué)生的積極性被激發(fā)，后期學(xué)生的自主學(xué)習(xí)意識和積極探索的后勁也表現(xiàn)得更為強勁。

(二)主動學(xué)習(xí)之翻轉(zhuǎn)課堂

翻轉(zhuǎn)課堂(Flipped Classroom)[9]是當(dāng)前教育界追捧的熱點教學(xué)形式之一。由于翻轉(zhuǎn)課堂對課件和視頻制作、編班、考核形式、教師指導(dǎo)等依賴較大，施行有一定的難度。隨著中國大學(xué)慕課建設(shè)的完善和推廣，以及網(wǎng)絡(luò)資源的豐富，嘗試和實施翻轉(zhuǎn)課堂必將越來越便利。

文獻[10]分析了翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式在中國的應(yīng)用和發(fā)展，建立了土木工程專業(yè)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的支撐體系，開展教學(xué)模式總體設(shè)計和知識模塊能力培養(yǎng)解構(gòu)，提出學(xué)習(xí)效果評價體系，為高等學(xué)校理工科相關(guān)專業(yè)教學(xué)改革提供了借鑒。

筆者在試行“翻轉(zhuǎn)”之前，針對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的學(xué)習(xí)狀況進行問卷調(diào)查(無記名樣本數(shù)共205份)。內(nèi)容分別為“是否應(yīng)該增設(shè)習(xí)題課”和“遇到問題時學(xué)生如何解決”，其中，選擇需要增設(shè)習(xí)題課的高達73.6%。遇到問題時能夠“向老師請教”的只有14%，還有4%的學(xué)生選擇“不解決”，如圖9所示。

從上述兩項調(diào)查結(jié)果看，目前普遍采取的教學(xué)方法主要存在如下問題：(1)學(xué)生聽課遠大于練習(xí)和討論，主要的教學(xué)方式仍然采用的是金字塔“塔尖”上的課堂講授；(2)學(xué)生急需習(xí)題課、討論課，以及向老師請教等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練。

鑒于此，教研組選取“鋼格構(gòu)式構(gòu)件”內(nèi)容進行“翻轉(zhuǎn)”課堂嘗試，格構(gòu)式構(gòu)件涉及的概念多、知識系統(tǒng)性較強，但是步驟繁瑣。

課前準備階段：(1)提前一節(jié)課布置自學(xué)提綱；(2)提前公布教材上的作業(yè)題；(3)學(xué)生課下自學(xué)教學(xué)視頻、學(xué)習(xí)ppt、收看例題，觀看格構(gòu)柱三維模型圖視頻(上述內(nèi)容可在愛課程網(wǎng)、國家資源共享課程，以及中國大學(xué)慕課網(wǎng)東南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)中查找)。

課堂教學(xué)：(1)討論自學(xué)提綱的習(xí)題答案；(2)課堂提問；(3)分組完成習(xí)題；(4)學(xué)生匯報感受和收獲。

經(jīng)過上述“翻轉(zhuǎn)”實踐，總結(jié)師生的收獲和感受，筆者體會如下。(1)翻轉(zhuǎn)課堂的順利實施，對師生雙方提出了高要求。一方面，教學(xué)和實踐效果對教師提前編寫自學(xué)提綱、組織課堂答疑和討論、課堂練習(xí)的選取依賴性強；另一方面，對學(xué)生在沒有教師的組織和監(jiān)督下能否自覺和有效利用網(wǎng)絡(luò)資源是一種考驗。經(jīng)初步統(tǒng)計，雖然大部分學(xué)生都實施了課前學(xué)習(xí)，但是班級35人只有54%的學(xué)生完成了線上和線下自學(xué)的全部環(huán)節(jié)。(2)翻轉(zhuǎn)課堂的實踐增加了總的學(xué)習(xí)時間。與不實施翻轉(zhuǎn)相比，翻轉(zhuǎn)課堂網(wǎng)絡(luò)自學(xué)的環(huán)節(jié)需要較大的精力投入。有不少學(xué)生只完成教師布置的部分自學(xué)任務(wù)，導(dǎo)致自學(xué)提綱的課堂反饋和課堂提問效果不佳。(3)學(xué)生對翻轉(zhuǎn)持不同的態(tài)度。據(jù)不完全統(tǒng)計，此次嘗試受到學(xué)習(xí)能力較強的學(xué)生的歡迎，同時也受到了平時不自覺的學(xué)生的“歡迎”，其原因主要在于分組討論環(huán)節(jié)有了向同組其他學(xué)生學(xué)習(xí)的機會，并且課下自學(xué)階段，沒有老師“逼迫”其看完視頻和幻燈片。對于學(xué)習(xí)中等的學(xué)生在保證其學(xué)習(xí)的有效性方面還有待提高。

此次翻轉(zhuǎn)實踐也暴露出一些不足，還有待進一步優(yōu)化和提高。(1)慕課資源雖然有所完善，但對學(xué)生利用慕課自學(xué)的考核體制有待建立和規(guī)范，需要院、系層面制定科學(xué)的、切實可行的考核計分辦法。(2)對同樣一門課程課時的需求量大幅增加,因此目前的課時安排不盡合理。

為此，提出以下建議。(1)班級容量不宜太大，建議在小班、精英班試點。(2)對實施課程選取部分學(xué)時進行實踐。(3)總結(jié)經(jīng)驗和不足(含教學(xué)、考核和管理)，逐步完善和確定適宜的教學(xué)模式、考核體制、管理細則，選擇適宜推廣的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生群體。(4)學(xué)?；?qū)W院教學(xué)管理層要協(xié)調(diào)配合，進一步建立健全考核辦法。

四、結(jié)語

基于學(xué)習(xí)金字塔理論，分別在金字塔頂部的“被動學(xué)習(xí)”環(huán)節(jié)和金字塔底部的“主動學(xué)習(xí)”環(huán)節(jié)采取相應(yīng)的教學(xué)改革措施，得出如下結(jié)論和建議。

(1)根據(jù)課堂注意力曲線，通過彈幕提問的方式有助于激發(fā)學(xué)生的興奮點，提高學(xué)生上課的專注度。(2)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計適宜的帶入角色可以達到增加學(xué)生參與度、提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的教學(xué)目的。上述兩項措施，在不占用過多時間的前提下，達到了調(diào)整教學(xué)節(jié)奏，提高教學(xué)效果的目的。(3)布置適宜的課下編寫小程序、小框圖并互相分享的全民參與小任務(wù)，不僅可以鞏固教學(xué)效果，增強學(xué)生責(zé)任感，也能激發(fā)學(xué)生的探索精神，為部分學(xué)習(xí)能力較強的學(xué)生提供了自主創(chuàng)新自主命題的空間。(4)根據(jù)受學(xué)生歡迎的程度和當(dāng)前教學(xué)環(huán)境，在軟件、管理和師生意識都達到的前提下，采用翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)不僅可以提高教學(xué)效果，而且可以培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的習(xí)慣。