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【摘要】翻转课堂教学模式因以学生为主体，提倡学生自主学习和教师引导而引起国内外学者的广泛关注。由于土木工程学科涉及课程多且都具有应用性，现有研究主要关注部分课程的翻转教学模式，缺乏基于翻转课堂的教学质量评价方法和定量化评价模型。本文基于翻转课堂教学模式，对翻转课堂教学质量的影响程度进行分析，基于层次分析法（AHP）建立各类教学质量评价指标并计算其权重，结合评价判断标准确定最终评价等级，最后基于评价指标的取值范围，构建指标全数据库，引入BP神經网络构建土木工程学科翻转课堂教学质量评价模型，建立的BP神经网络预测模型能较好地描述土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标与教学质量等级之间的定量化关系，为快速、准确进行教学质量评价提供参考。
【关键词】翻转课堂 教学质量 评价模型 土木工程学科 BP神经网络
【基金项目】浙江省教育科学规划课题（2018SCG416）;浙江科技学院研究生教学改革研究项目（2019yjsjg01）。
【中图分类号】TU02 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）05-0027-02
1.引言
近年来，以学生为主体的翻转课堂教学模式在国内外得到广泛关注。翻转课堂主要强调学生自主学习，而教师则以引导和协助为主，主要实现的方式是学生在课前利用教师发布的资源、网络平台等主动完成前期学习，课堂期间主要是教师与学生或学生与学生之间开展答疑和讨论交流[1]。由于翻转课堂教学模式的优越性，国内学者已尝试将其应用于土木工程学科部分专业的教学之中，如张艳美等[2]考虑土木工程学生自身差异特性，引入翻转课堂教学模式探索了实验教学;杨迎春[3]将翻转课堂教学模式引入到“土木工程材料”教学过程中;袁杰等[4]探讨了基于翻转课堂的土木工程基础类课程新模式;张海龙等[5]将翻转课堂和项目式教学相结合，提出土木工程材料课程的手机移动教学模式;杨松森和徐菁[6]探讨了翻转课堂在土木工程建设法规课程中的操作模式;王迎超等[7]研究了翻转课堂教学模式在隧道工程课程中的实践效果;蒋凌云[8]运用翻转课堂教学模式进行土力学课程的课前、课中和课后设计。现有研究主要是针对翻转课堂教学模式在土木工程专业各课程的应用进行探讨，缺乏基于翻转课堂教学模式下土木工程学科教学质量定量评价的相关研究。因此，本文基于翻转课堂教学模式，对翻转课堂教学质量的影响程度进行分析，基于层次分析法（AHP）建立各类教学质量评价指标并计算其权重，结合评价判断标准确定最终评价等级，最后基于评价指标的取值范围，构建指标全数据库，引入BP神经网络构建土木工程学科翻转课堂教学质量评价模型，为快速、准确进行教学质量评价提供参考。
2.翻转课堂教学质量评价指标体系构建
2.1 评价指标选取
要进行土木工程学科翻转课堂教学质量评价，必须先确定影响土木工程学科教学质量的评价指标。现有研究主要将翻转课堂分为课前、课中和课后三个阶段，故将其作为土木工程学科翻转课堂教学质量评价体系的一级指标，可表示为W1、W2和W3。课前阶段主要由主讲教师针对土木工程学科各类课程的实际培养目标发布学习资料，以学生自主学习土木工程各类课程为主，然后再根据教学计划进行测验。对需要课中汇报的研讨小组，应在主讲教师或助班的指导下完成学习资料的汇总。学生课前学习以主讲教师发布的核心资料为主，同时可利用图书馆购买的CNKI中国知网、Web of Science、万方数据等查找辅助学习资料。课前测验既能反映学生课前学习的效果，又能体现学生学习的态度和积极性，故选取发布资料（X11）和课前测验（X12）作为土木工程学科翻转课堂教学质量评价体系的二级指标。此外，学习小组汇报资料的好坏直接影响土木工程学科各类课堂的效果，故把汇报资料（X13）也作为课前阶段土木工程学科翻转课堂教学质量评价体系的二级指标。
课中阶段主要是小组结合学习情况进行汇报，以教师与学生或学生与学生之间的知识交流与问题讨论为主。学习小组的整体汇报效果是整个课堂质量的基础，而互动交流是解决学生瓶颈问题的主要途径，如学生的难题能得到有效解决，则会提高学生学习的积极性，反之则会降低学生学习的效率。这个过程教师对学生汇报情况的点评和建议措施事关教学质量的改进和学生对土木工程学科各课程知识点的理解，因此课中阶段选取汇报情况（X21）、交流讨论（X22）、课堂氛围（X23）、及时反馈（X24）和总结提升（X25）作为土木工程学科翻转课堂教学质量评价体系的二级指标。
课后阶段主要是结合前期的学习效果进行测验，其目的是检查学生对土木工程各课程知识的掌握情况，在此基础上总结存在的问题并针对性进行课后拓展，最后对土木工程学科各类课程的全教学过程进行总结，提出需要改进的措施和方法，针对性改进课堂教学的方法和内容，故选取课后测验（X31）、课后拓展（X32）和总结反思（X33）作为土木工程学科翻转课堂教学质量评价体系课后阶段的二级指标。建立的土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标体系如表1所示。
2.2 指标权重确定
基于AHP方法中1～9比率标度法进行土木工程学科翻转课堂教学质量评价各级指标的权重判断，其中M指土木工程学科翻转课堂教学质量评价等级，W1～W3代表土木工程学科翻转课堂教学质量评价一级指标层中课前、课中和课后3个指标;X11～X13代表一级指标层中课前的3个二级指标;X21～X25代表一级指标层中课中的5个二级指标;X31～X33代表一级指标层中课后的3个二级指标，构建的权重判断矩阵如表2～表5所示。
3.教学质量评价BP神经网络模型
3.1 输入输出参数
神经网络输入参数为土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标体系中二级指标层的各个指标值，共11个（X11、X12、X13、X21、X22、X23、X24、X25、X31、X32、X33）作为输入节点。二级指标层各指标取值均采用百分制，由评价者在0～100之间打分，再基于AHP计算土木工程学科翻转课堂教学质量评价等级综合值，综合值在0～100分内均匀划分为5个等级，即0≤X< 60分为V级（不合格）、60≤X<70分为Ⅳ级（合格）、70≤X< 80分为Ⅲ级（中等）、80≤X<90分为Ⅱ级（良好）、90≤X< 100分为I级（优秀），即可得到每组指标的最终评价等级，将评价等级作为神经网络的输出节点。隐含层节点数量hp按下式计算得到： 式中，hp为隐含层节点数;ip为输入层节点数;op为输出层节点数。
据式（1）可计算隐含层节点数为9个，即构建含11个节点的输入层、9个节点的隐含层和1个节点的输出层共三层的土木工程学科翻转课堂教学质量神经网络评价模型。
3.2 网络模型训练
采用提出的土木工程学科翻转课堂教学质量BP神经网络评价模型进行评价时，对二级指标层的11个指标均采用百分制对土木工程学科翻转课堂实施效果进行打分，根据各指标权重计算出评价等级。据此以一级指标进行分组，共分3组，其对应的二级指标以10分为一个梯度，共10个梯度，生成不重复的所有可能的排列组合，共生成1000组输入参数，并采用AHP计算对应的评价等级M作为输出节点，计算出的输入和输出数据作为土木工程学科翻转课堂教学质量评价模型中神经网络训练和测试的基础数据库。
3.3 网络模型的验证
将计算出的1000组数据输入土木工程学科翻转课堂教学质量神经网络评价模型，设计误差精度为0.001，设计最大迭代次数为1000，进行迭代32次时已达到目标精度，计算等级与预测等级结果如图1所示。
由图1可以看出，计算等级与预测等级基本吻合，相关系数R2达到0.97，均方误差为0.046，说明训练的土木工程学科翻转课堂教学质量神经网络评价模型能准确反映输入参数与输出之间的关系，且具有较强的泛化能力，能根据土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标值快速、准确地计算出各类翻转课堂教学质量对应的等级，对土木工程学科翻转课堂教学质量进行定量化评价。
4.结论
本文通过分析影响翻转课堂教学模式的因素，基于AHP构建土木工程学科翻转课堂教学质量的评价指标体系，并通过各层级判断矩阵計算了土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标的权重，最后采用建立的11个二级指标作为输入层，教学质量评价等级作为输出层，建立了包括11个输入节点，6个隐含阶段和1个输出节点的土木工程学科翻转课堂教学质量BP神经网络模型，模型训练和验证结果表明，建立的BP神经网络预测模型能较好地描述土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标与教学质量等级之间的定量化关系，具有快速、高效和准确的优点。
参考文献：
[1]Gerald C. Gannod， Janet E.Burge， Helmick. Using the Inverted Classroom to Teach Software Engineering[A]. 2008 ACM/IEEE 30th International Conference on Software Engineering， 2008：777-786.
[2]张艳美，杨文东，俞然刚，等.基于个性化和翻转课堂的土木工程专业实验教学研究[J].实验技术与管理，2015（7）：183-185.
[3]杨迎春.“翻转课堂”在土木工程材料课程中的应用[J]. 山东农业工程学院学报，2016，33（11）：26-29.
[4]袁杰，童华炜，宋金良， 等.基于翻转课堂的土木工程基础类课程教学改革[J].科教导刊（中旬刊），2016（6）：120-122.
[5]张海龙，钟升明，江海丹，等.基于移动平台的《土木工程材料》翻转课堂教学模式改革[J].中国教育信息化，2017（14）： 60-63.
[6]杨松森，徐菁.土木工程专业建设法规课程的“翻转课堂”教学模式[J].高等建筑教育，2017（2）：47-49.
[7]王迎超，叶继红，靖洪文，等.土木工程专业隧道工程课程的“翻转课堂”教学模式[J].课程教育研究，2019（27）：2-3.
[8]蒋凌云.“翻转课堂”模式在土力学课程教学改革中的应用[J].学周刊，2019（13）：6-7.
作者简介：
邹宝平（1982年1月-），男，博士后，副教授，主要从事岩石隧道、地铁盾构和岩石聚能爆破等教学与研究工作。
【关键词】翻转课堂 教学质量 评价模型 土木工程学科 BP神经网络
【基金项目】浙江省教育科学规划课题（2018SCG416）;浙江科技学院研究生教学改革研究项目（2019yjsjg01）。
【中图分类号】TU02 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2021）05-0027-02
1.引言
近年来，以学生为主体的翻转课堂教学模式在国内外得到广泛关注。翻转课堂主要强调学生自主学习，而教师则以引导和协助为主，主要实现的方式是学生在课前利用教师发布的资源、网络平台等主动完成前期学习，课堂期间主要是教师与学生或学生与学生之间开展答疑和讨论交流[1]。由于翻转课堂教学模式的优越性，国内学者已尝试将其应用于土木工程学科部分专业的教学之中，如张艳美等[2]考虑土木工程学生自身差异特性，引入翻转课堂教学模式探索了实验教学;杨迎春[3]将翻转课堂教学模式引入到“土木工程材料”教学过程中;袁杰等[4]探讨了基于翻转课堂的土木工程基础类课程新模式;张海龙等[5]将翻转课堂和项目式教学相结合，提出土木工程材料课程的手机移动教学模式;杨松森和徐菁[6]探讨了翻转课堂在土木工程建设法规课程中的操作模式;王迎超等[7]研究了翻转课堂教学模式在隧道工程课程中的实践效果;蒋凌云[8]运用翻转课堂教学模式进行土力学课程的课前、课中和课后设计。现有研究主要是针对翻转课堂教学模式在土木工程专业各课程的应用进行探讨，缺乏基于翻转课堂教学模式下土木工程学科教学质量定量评价的相关研究。因此，本文基于翻转课堂教学模式，对翻转课堂教学质量的影响程度进行分析，基于层次分析法（AHP）建立各类教学质量评价指标并计算其权重，结合评价判断标准确定最终评价等级，最后基于评价指标的取值范围，构建指标全数据库，引入BP神经网络构建土木工程学科翻转课堂教学质量评价模型，为快速、准确进行教学质量评价提供参考。
2.翻转课堂教学质量评价指标体系构建
2.1 评价指标选取
要进行土木工程学科翻转课堂教学质量评价，必须先确定影响土木工程学科教学质量的评价指标。现有研究主要将翻转课堂分为课前、课中和课后三个阶段，故将其作为土木工程学科翻转课堂教学质量评价体系的一级指标，可表示为W1、W2和W3。课前阶段主要由主讲教师针对土木工程学科各类课程的实际培养目标发布学习资料，以学生自主学习土木工程各类课程为主，然后再根据教学计划进行测验。对需要课中汇报的研讨小组，应在主讲教师或助班的指导下完成学习资料的汇总。学生课前学习以主讲教师发布的核心资料为主，同时可利用图书馆购买的CNKI中国知网、Web of Science、万方数据等查找辅助学习资料。课前测验既能反映学生课前学习的效果，又能体现学生学习的态度和积极性，故选取发布资料（X11）和课前测验（X12）作为土木工程学科翻转课堂教学质量评价体系的二级指标。此外，学习小组汇报资料的好坏直接影响土木工程学科各类课堂的效果，故把汇报资料（X13）也作为课前阶段土木工程学科翻转课堂教学质量评价体系的二级指标。
课中阶段主要是小组结合学习情况进行汇报，以教师与学生或学生与学生之间的知识交流与问题讨论为主。学习小组的整体汇报效果是整个课堂质量的基础，而互动交流是解决学生瓶颈问题的主要途径，如学生的难题能得到有效解决，则会提高学生学习的积极性，反之则会降低学生学习的效率。这个过程教师对学生汇报情况的点评和建议措施事关教学质量的改进和学生对土木工程学科各课程知识点的理解，因此课中阶段选取汇报情况（X21）、交流讨论（X22）、课堂氛围（X23）、及时反馈（X24）和总结提升（X25）作为土木工程学科翻转课堂教学质量评价体系的二级指标。
课后阶段主要是结合前期的学习效果进行测验，其目的是检查学生对土木工程各课程知识的掌握情况，在此基础上总结存在的问题并针对性进行课后拓展，最后对土木工程学科各类课程的全教学过程进行总结，提出需要改进的措施和方法，针对性改进课堂教学的方法和内容，故选取课后测验（X31）、课后拓展（X32）和总结反思（X33）作为土木工程学科翻转课堂教学质量评价体系课后阶段的二级指标。建立的土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标体系如表1所示。
2.2 指标权重确定
基于AHP方法中1～9比率标度法进行土木工程学科翻转课堂教学质量评价各级指标的权重判断，其中M指土木工程学科翻转课堂教学质量评价等级，W1～W3代表土木工程学科翻转课堂教学质量评价一级指标层中课前、课中和课后3个指标;X11～X13代表一级指标层中课前的3个二级指标;X21～X25代表一级指标层中课中的5个二级指标;X31～X33代表一级指标层中课后的3个二级指标，构建的权重判断矩阵如表2～表5所示。
3.教学质量评价BP神经网络模型
3.1 输入输出参数
神经网络输入参数为土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标体系中二级指标层的各个指标值，共11个（X11、X12、X13、X21、X22、X23、X24、X25、X31、X32、X33）作为输入节点。二级指标层各指标取值均采用百分制，由评价者在0～100之间打分，再基于AHP计算土木工程学科翻转课堂教学质量评价等级综合值，综合值在0～100分内均匀划分为5个等级，即0≤X< 60分为V级（不合格）、60≤X<70分为Ⅳ级（合格）、70≤X< 80分为Ⅲ级（中等）、80≤X<90分为Ⅱ级（良好）、90≤X< 100分为I级（优秀），即可得到每组指标的最终评价等级，将评价等级作为神经网络的输出节点。隐含层节点数量hp按下式计算得到： 式中，hp为隐含层节点数;ip为输入层节点数;op为输出层节点数。
据式（1）可计算隐含层节点数为9个，即构建含11个节点的输入层、9个节点的隐含层和1个节点的输出层共三层的土木工程学科翻转课堂教学质量神经网络评价模型。
3.2 网络模型训练
采用提出的土木工程学科翻转课堂教学质量BP神经网络评价模型进行评价时，对二级指标层的11个指标均采用百分制对土木工程学科翻转课堂实施效果进行打分，根据各指标权重计算出评价等级。据此以一级指标进行分组，共分3组，其对应的二级指标以10分为一个梯度，共10个梯度，生成不重复的所有可能的排列组合，共生成1000组输入参数，并采用AHP计算对应的评价等级M作为输出节点，计算出的输入和输出数据作为土木工程学科翻转课堂教学质量评价模型中神经网络训练和测试的基础数据库。
3.3 网络模型的验证
将计算出的1000组数据输入土木工程学科翻转课堂教学质量神经网络评价模型，设计误差精度为0.001，设计最大迭代次数为1000，进行迭代32次时已达到目标精度，计算等级与预测等级结果如图1所示。
由图1可以看出，计算等级与预测等级基本吻合，相关系数R2达到0.97，均方误差为0.046，说明训练的土木工程学科翻转课堂教学质量神经网络评价模型能准确反映输入参数与输出之间的关系，且具有较强的泛化能力，能根据土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标值快速、准确地计算出各类翻转课堂教学质量对应的等级，对土木工程学科翻转课堂教学质量进行定量化评价。
4.结论
本文通过分析影响翻转课堂教学模式的因素，基于AHP构建土木工程学科翻转课堂教学质量的评价指标体系，并通过各层级判断矩阵計算了土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标的权重，最后采用建立的11个二级指标作为输入层，教学质量评价等级作为输出层，建立了包括11个输入节点，6个隐含阶段和1个输出节点的土木工程学科翻转课堂教学质量BP神经网络模型，模型训练和验证结果表明，建立的BP神经网络预测模型能较好地描述土木工程学科翻转课堂教学质量评价指标与教学质量等级之间的定量化关系，具有快速、高效和准确的优点。
参考文献：
[1]Gerald C. Gannod， Janet E.Burge， Helmick. Using the Inverted Classroom to Teach Software Engineering[A]. 2008 ACM/IEEE 30th International Conference on Software Engineering， 2008：777-786.
[2]张艳美，杨文东，俞然刚，等.基于个性化和翻转课堂的土木工程专业实验教学研究[J].实验技术与管理，2015（7）：183-185.
[3]杨迎春.“翻转课堂”在土木工程材料课程中的应用[J]. 山东农业工程学院学报，2016，33（11）：26-29.
[4]袁杰，童华炜，宋金良， 等.基于翻转课堂的土木工程基础类课程教学改革[J].科教导刊（中旬刊），2016（6）：120-122.
[5]张海龙，钟升明，江海丹，等.基于移动平台的《土木工程材料》翻转课堂教学模式改革[J].中国教育信息化，2017（14）： 60-63.
[6]杨松森，徐菁.土木工程专业建设法规课程的“翻转课堂”教学模式[J].高等建筑教育，2017（2）：47-49.
[7]王迎超，叶继红，靖洪文，等.土木工程专业隧道工程课程的“翻转课堂”教学模式[J].课程教育研究，2019（27）：2-3.
[8]蒋凌云.“翻转课堂”模式在土力学课程教学改革中的应用[J].学周刊，2019（13）：6-7.
作者简介：
邹宝平（1982年1月-），男，博士后，副教授，主要从事岩石隧道、地铁盾构和岩石聚能爆破等教学与研究工作。