工程力學(xué)微課設(shè)計和制作的探討

夏冬生　于 彥　朱公志　金 蓉大連海事大學(xué)交通運輸裝備與海洋工程學(xué)院　遼寧大連　116026

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工程力學(xué)微課設(shè)計和制作的探討

夏冬生于 彥朱公志金 蓉
大連海事大學(xué)交通運輸裝備與海洋工程學(xué)院遼寧大連116026

摘要：微課作為一種新型的數(shù)字化教育資源，為大學(xué)生供了一個自主、個性化、移動學(xué)習(xí)的途徑。目前，優(yōu)質(zhì)微課資源缺乏成為當(dāng)下國內(nèi)高校微課建設(shè)的瓶頸。工程力學(xué)是高校工科類專業(yè)較重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其理論知識與工程應(yīng)用緊密相關(guān)的課程性質(zhì)決定了其較適合開展微課教學(xué)。首先分析了微課特征和工程力學(xué)的課程特性，在此基礎(chǔ)上，針對工程力學(xué)課程，探討了其微課的設(shè)計和制作，以期為高校教師在力學(xué)相關(guān)課程的優(yōu)質(zhì)微課制作方面提供有益參考。

關(guān)鍵詞：微課；工程力學(xué)；微課設(shè)計；微課制作

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展及其在教育領(lǐng)域的深入應(yīng)用，微課作為一種新型的數(shù)字化教育資源的出現(xiàn)，迎合了時代要求，為廣大學(xué)習(xí)者提供了一個自主、個性化和移動學(xué)習(xí)的途徑。在美、英等歐美國家，微課資源網(wǎng)站的建設(shè)相對較完善和成熟，Khan Academy和TED-Ed等較有影響力的微課資源網(wǎng)站受到全球眾多學(xué)習(xí)者的青睞[1]。目前，國內(nèi)微課發(fā)展剛剛起步，還處于探索期。2013年由教育部高校教師網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)中心主辦的首屆“全國高校微課教學(xué)比賽”極大地推動了全國高校微課的建設(shè)，引起了高校教師對微課的關(guān)注和重視。但是，目前國內(nèi)高校微課的發(fā)展存在優(yōu)質(zhì)微課資源短缺、規(guī)模小和利用率低等突出的問題。擁有豐富的優(yōu)質(zhì)微課資源是微課建設(shè)的核心和關(guān)鍵，而要形成具有一定規(guī)模的優(yōu)質(zhì)微課資源則需要龐大數(shù)目的微課作為基礎(chǔ)。因此，我國高等教育的微課建設(shè)迫切需要廣大高校教師的積極參與和投入。

工程力學(xué)是土木、機械、船舶等工科類專業(yè)學(xué)生較重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其理論知識與工程應(yīng)用緊密相關(guān)的課程性質(zhì)和教學(xué)內(nèi)容都決定了其較適合開展微課教學(xué)[2,3]。一門優(yōu)質(zhì)微課的產(chǎn)生不僅需要教師具有較高的教學(xué)水平和深厚的專業(yè)知識，還需要教師具有一定的微課實踐和制作經(jīng)驗。本文針對工程力學(xué)課程，根據(jù)該課程的特點和性質(zhì)，對其微課設(shè)計和制作進行有益探索，以期為高校教師在力學(xué)相關(guān)課程的優(yōu)質(zhì)微課制作方面提供有益參考。

1　微課的定義和特點

2008年美國新墨西哥州圣胡安學(xué)院的高級教學(xué)設(shè)計師David Penrose首次提出時長1分鐘的“微課”概念，并運用于在線課程[4]。其核心理念是在課程中把教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)緊密聯(lián)系，以產(chǎn)生“更聚焦的教學(xué)體驗”。在國內(nèi)，隨著對微課認(rèn)識的不斷深入，微課理念得到不斷發(fā)展和實踐，教育界各專家學(xué)者也對微課給出了各自的定義。2010年廣東佛山教育信息網(wǎng)絡(luò)中心的胡鐵生在國內(nèi)率先提出微課的概念：根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)和課堂教學(xué)實際，以教學(xué)視頻為主要載體，記錄教師在課堂教學(xué)過程中針對某個知識點或教學(xué)環(huán)節(jié)，而實施的教與學(xué)活動中所需各種教學(xué)資源的有機結(jié)合體[5]。目前，微課的概念還沒有一個統(tǒng)一的表述，但各定義的本質(zhì)并無太大差別，只是在有些定義里賦予的內(nèi)涵和表現(xiàn)形式更豐富[1,6-9]?？傊?，微課普遍具有以下屬性：以短暫的視頻為主要載體；圍繞一個或幾個重要的知識點；教學(xué)活動完整；支持有線網(wǎng)絡(luò)終端與移動終端的學(xué)習(xí)。具有以上屬性，皆可稱之為微課。

微課與傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式截然不同，其具有以下鮮明的特點。首先，微課在講授時間和教學(xué)內(nèi)容上均體現(xiàn)了一個“微”特性。美國田納西大學(xué)的Bradley T. Vander Zanden教授研究表明，成年人在某個事物上集中注意力的平均時間為10～20分鐘[1]。微課的講授時間一般控制在10分鐘以內(nèi)，其時長符合學(xué)習(xí)者通過移動終端視頻進行有效學(xué)習(xí)的時間。在這短暫時間內(nèi)，教師所能傳遞的知識內(nèi)容有限，因此微課一般只針對某一知識點或典型問題、例題為主要教學(xué)內(nèi)容。相對于傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式，微課主題比較單一集中，是一種碎片化的教學(xué)。微課以教學(xué)視頻為主要載體，且充分利用動畫、三維實體模型、虛擬現(xiàn)實等多媒體技術(shù)。微課以在線視頻方式提供學(xué)習(xí)資源，適應(yīng)移動學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)。微課觀看方便，可隨時暫停和回放，學(xué)生能自主學(xué)習(xí)和重復(fù)學(xué)習(xí)。此外，微課這種新型學(xué)習(xí)資源，還具有廣泛的共享性，應(yīng)用免費。

2　工程力學(xué)的課程特點

工程力學(xué)是機械、船舶和土木等工科專業(yè)本科大學(xué)生的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，其為機械原理、機械設(shè)計、結(jié)構(gòu)力學(xué)和船舶原理等很多后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)。工程力學(xué)由理論力學(xué)和材料力學(xué)兩部分組成，主要研究質(zhì)點和剛體的機械運動的基本規(guī)律及構(gòu)件的受力變形與破壞規(guī)律。工程力學(xué)課程提出并解決的問題大多是工程實際問題，概念的引入也是從工程實踐中概括提煉出來，其理論知識與工程實踐聯(lián)系十分緊密。工程力學(xué)課程的教學(xué)目標(biāo)不僅要求學(xué)生掌握大量的力學(xué)概念、定律和原理，還要培養(yǎng)學(xué)生解決工程實際問題的能力。

從表面上看，工程力學(xué)的各章研究內(nèi)容相對較獨立，但是實際是有主線貫穿，相關(guān)章節(jié)的基本思路也是相同的。在靜力學(xué)中，其首先討論匯交力系和力偶系等基本力系的平衡，然后再討論較復(fù)雜的一般力系。對于各種基本力系和一般力系，其研究思路相同，即引入“力系的概念→力系合成和簡化→分析其平衡條件→建立平衡方程”。在材料力學(xué)中，首先研究軸向拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)、彎曲四種基本變形的強度和剛度問題，然后再討論組合變形，最后研究穩(wěn)定問題。對于基本變形的強度問題，其研究方法都是先分析內(nèi)力，再研究應(yīng)力，最后建立強度條件。對于軸向拉(壓)、扭轉(zhuǎn)和彎曲基本變形，應(yīng)力分析的基本思路均是“觀察構(gòu)件的變形→分析變形幾何關(guān)系→建立應(yīng)力和應(yīng)變的物理關(guān)系→根據(jù)靜力學(xué)平衡條件建立平衡方程→確定應(yīng)力”。因此，教師在工程力學(xué)的教學(xué)過程應(yīng)突出體現(xiàn)其基本的研究思路和方法，這會有助于學(xué)生對知識的理解和培養(yǎng)分析、解決實際問題的能力。

雖然工程力學(xué)在理論體系的建立過程中研究方法有章可循，邏輯思維嚴(yán)謹(jǐn)，但是面對工程實際問題和工程力學(xué)習(xí)題，其解決問題和解題的方法并不單一僵化，相反研究方法靈活多變，且有一定技巧性。例如對于動力學(xué)問題，可用動力學(xué)普遍定理求解，也可用達朗貝爾原理求解，還可以用動力學(xué)普遍方程求解。材料力學(xué)部分中構(gòu)件的變形問題，可用積分法和疊加法，也可用能量法等方法求解。

總之，工程力學(xué)的理論知識與工程實際聯(lián)系緊密、研究思路清晰明了、邏輯思維嚴(yán)謹(jǐn)、研究方法靈活多樣。工程力學(xué)的課程性質(zhì)決定了其非常適于開展微課教學(xué)。

3　工程力學(xué)微課的設(shè)計與制作

微課并不是通過對傳統(tǒng)課堂教學(xué)視頻截取片段而成的短小視頻，而是需要教師緊密圍繞某一知識點重新組織教學(xué)信息，精心設(shè)計教學(xué)各環(huán)節(jié)并最終緊密實施的一個完整教學(xué)活動。因此，微課對教師的教學(xué)設(shè)計與教學(xué)表達等綜合教學(xué)水平要求較高。一節(jié)高質(zhì)量微課的制作一般需要選題、教學(xué)目標(biāo)設(shè)定、教學(xué)設(shè)計、腳本編寫、素材準(zhǔn)備和制作、教學(xué)實施和拍攝、后期視頻編輯等主要環(huán)節(jié)。

3.1 選題

由于微課時長決定了其能夠傳遞的教學(xué)容量有限，因此微課選題一般只針對某一個知識點，目標(biāo)明確，內(nèi)容簡短。微課選題的原則是知識點細化單一、意義明確、理論較完整、推理過程和公式推導(dǎo)不過于復(fù)雜、知識內(nèi)容適合與動畫、視頻等多媒體技術(shù)結(jié)合。工程力學(xué)系統(tǒng)完整，分析過程邏輯思維嚴(yán)謹(jǐn)，其理論知識與工程實際應(yīng)用聯(lián)系十分緊密，該課程存在大量適合微課教學(xué)的知識點，例如剛體系的受力分析、平面一般力系的簡化、點的速度合成概念、剛體平面運動的簡化、平面運動剛體的速度瞬心法、軸向拉壓桿的軸力、軸向拉壓桿的強度計算、圓軸扭轉(zhuǎn)的內(nèi)力、薄壁圓筒的應(yīng)力、梁變形的疊加法、提高梁彎曲強度的措施、組合變形的強度計算的應(yīng)用實例、細長壓桿的臨界載荷等。但對于某些常被人回避的知識點，只要找到好的切入點，做好教學(xué)設(shè)計和組織，其微課同樣會實現(xiàn)良好的教學(xué)效果，相對于頻繁被采用的知識點，會給人耳目一新的感覺。

3.2 設(shè)定教學(xué)目標(biāo)

工程力學(xué)具有較強的理論性和廣泛的應(yīng)用性，運用相關(guān)的理論知識可以解決大量生活和工程實際問題，其課程性質(zhì)特別適合對學(xué)生創(chuàng)新意識和實踐能力的培養(yǎng)。因此，工程力學(xué)微課不僅要求學(xué)生達到設(shè)定的知識目標(biāo)，還應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的知識應(yīng)用能力和創(chuàng)新意識。

3.3 微教案設(shè)計和編寫腳本

微課的教學(xué)設(shè)計是微課制作的核心。微課教學(xué)設(shè)計包括主題的導(dǎo)入，內(nèi)容和教法的匹配，教學(xué)手段和教學(xué)工具的應(yīng)用，教法的實施，教學(xué)語言的組織等。相對于傳統(tǒng)課堂教學(xué)，微課在教學(xué)設(shè)計上要求結(jié)構(gòu)更緊湊、層次更清晰、教學(xué)過程更引人入勝。對于工程力學(xué)，其微課可從生活實例和工程案例入手，快速切入知識點，并通過案例分析，導(dǎo)入概念、理念和分析方法。好的設(shè)計方案在具體實施前，需要一個縝密的執(zhí)行計劃，因此編寫微課腳本必不可少。微課腳本如同電影劇本，其對制作微課的具體環(huán)節(jié)、實施步驟、操作方式、各環(huán)節(jié)所需時間均需要詳細列出。

筆者以“兩端鉸支細長壓桿的臨界載荷”微課為例，進行微課教學(xué)設(shè)計。壓桿失穩(wěn)是工程力學(xué)主要研究內(nèi)容之一。工程上有很多構(gòu)件是受壓構(gòu)件，存在穩(wěn)定性問題，歷史上也發(fā)生過一些較著名的壓桿失穩(wěn)事故。筆者首先以受壓構(gòu)件實例和失穩(wěn)案例為切入點，激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心，引入壓桿失穩(wěn)的概念。通過對處于穩(wěn)定平衡、臨界平衡和不穩(wěn)定平衡三種平衡狀態(tài)的細長壓桿受到橫向力干擾后變形情況的動畫演示，讓學(xué)生理解臨界載荷的意義。然后，以兩端鉸支細長壓桿為研究對象，推導(dǎo)其臨界載荷公式。最后選擇一道典型的例題進行臨界載荷公式的應(yīng)用，加深學(xué)生對公式內(nèi)各變量和系數(shù)的理解和辨析。該微課的腳本見表1。

表1　“兩端鉸支細長壓桿的臨界載荷”微課腳本

3.4 素材的搜集和制作

微課的素材一般包括圖片、三維實體模型、視頻、動畫等。微課應(yīng)盡量結(jié)合圖片、動畫、視頻等多媒體素材，來充分發(fā)揮微課的優(yōu)勢，特別是針對抽象的知識點和難點。微課素材的選取應(yīng)遵循典型、科學(xué)、實用的原則。工程力學(xué)的很多知識點都較適合以工程構(gòu)件和機構(gòu)的圖片、動畫和現(xiàn)場視頻作為素材。例如對于點的速度合成，牽連點是一個難點，比較抽象。微課中可分別以水手在船舶甲板上行走和套在定軸轉(zhuǎn)動直桿上的圓環(huán)被甩出為例，通過動畫演示有助于學(xué)生對牽連點以及牽連速度的理解。對于圓軸扭轉(zhuǎn)破壞分析，可以錄制竹筒、鑄鐵和低碳鋼扭轉(zhuǎn)破壞的實驗視頻，通過讓學(xué)生觀察實驗視頻中的斷裂面特征，使學(xué)生對不同材料的扭轉(zhuǎn)破壞有直觀認(rèn)識并激發(fā)探究斷裂原因的興趣。當(dāng)前，制作動畫的軟件較多，教師可利用3D Studio Max，F(xiàn)lash，Solidworks等軟件制作理想的動畫素材。

3.5 PPT制作

PPT中文字部分應(yīng)以關(guān)鍵詞、定義和結(jié)論為主，字?jǐn)?shù)不宜過多。PPT中還要適當(dāng)給出注意點、小提示和小竅門等，便于學(xué)生把握重點和難點。微課結(jié)尾，有教學(xué)內(nèi)容的總結(jié)為宜。

需要注意的是由于手機屏幕尺寸的限制，所以微課的PPT背景和文字的設(shè)計應(yīng)以突出文字為主要目的并兼顧美觀，避免學(xué)生受到不必要的干擾。微課背景構(gòu)圖顏色系統(tǒng)應(yīng)相對簡單，PPT的設(shè)計除了黑色和白色外，搭配顏色最好不要超過3種。

3.6 教學(xué)實施與錄制

目前，微課的制作模式主要有課堂錄播模式、錄屏模式和多種錄制方式組合的混合模式。課堂錄播模式是在演播室或教室對教師講解、投影屏演示內(nèi)容及與學(xué)生互動過程等現(xiàn)場攝制。錄屏模式是利用錄屏軟件對教師在電腦屏幕上的操作過程和演示內(nèi)容進行錄制。在錄屏過程中，教師通過手寫板和畫圖工具等邊演示邊講解。錄屏軟件有Camtasia Studo，Snagit以及Cyberlink YouCam等。混合模式是通過多種設(shè)備和素材進行組合操作，一般包括教學(xué)過程和師生互動的現(xiàn)場拍攝、PPT錄屏、實驗等視頻錄制、動畫視頻等。微課教學(xué)實施過程中教師應(yīng)語言精練，突出重點、難點，力求通俗易懂，避免重復(fù)。

3.7 后期視頻編輯

將錄制的現(xiàn)場課堂視頻、PPT錄屏視頻和實驗視頻等導(dǎo)入視頻編輯軟件進行后期的視頻和音頻的編輯與加工。視頻后期制作包括片頭、片尾的制作和微課教學(xué)編輯三部分。片頭時長一般為5秒，應(yīng)顯示課名、學(xué)科、教師姓名和所在單位等信息。在教學(xué)過程視頻編輯中，畫面與教師講解應(yīng)較好對應(yīng)，合理且及時呈現(xiàn)課件PPT的畫面。視頻中應(yīng)出現(xiàn)教師講授和學(xué)生聽課以及適當(dāng)?shù)膸熒拥溺R頭，以增加教學(xué)的真實感和現(xiàn)場感。綜合變換教學(xué)場景和遠近景，避免視覺疲勞。在攝錄過程中，拾取的音頻會有噪音，要對聲音進行降噪處理，保證聲音清晰，而且，屏幕下方打字幕為宜。微課作為數(shù)字化教學(xué)資源，其視頻的格式應(yīng)采用支持網(wǎng)絡(luò)在線播放的流媒體格式，如flv，mp4，wmv等。視頻編輯軟件很多，例如Camtasia Studio，Premiere以及會聲會影等。

4 結(jié)束語

微課伴隨信息技術(shù)高速發(fā)展的出現(xiàn)，不僅拓展和延伸了課堂教學(xué)，還起到引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)和提高學(xué)習(xí)興趣的作用。工程力學(xué)與工程聯(lián)系緊密、涉及面廣，研究方法靈活多變，較適合開展微課教學(xué)。設(shè)計和制作一個優(yōu)質(zhì)微課不僅對教師在知識點的把握、教學(xué)設(shè)計和教學(xué)方法等方面提出較高要求，同時還需要教師具備一定的動畫制作及視頻編輯的水平。工程力學(xué)微課的設(shè)計既要突出研究方法和思路，還要凸顯知識點的應(yīng)用性。廣大教師應(yīng)積極探索和實踐力學(xué)微課教學(xué)，為豐富工程力學(xué)的微課資源做出貢獻。

參考文獻

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Exploration on Micro-lecture Design and Making for Engineering Mechanics

Xia Dongsheng, Yu Yan, Zhu Gongzhi, Jin Rong
School of Transportation Equipment and Ocean Engineering, Dalian Maritime University, Dalian, 116026, China

Abstract:Micro-lecture, a new type of digital education resource, offers college students a self-regulated and personalized learning way. However, excellent micro-lecture resources are deficient, which becomes a bottleneck of micro-lecture development in domestic universities. Engineering Mechanics is a vital specialized basic course of engineering majors in universities. Its course nature that the theoretical knowledge is closely related to engineering application, make it suitable to develop micro-lecture teaching. In this paper, the characteristics of micro-lecture and Engineering Mechanics are analyzed, respectively. Based on that, micro-lecture design and making for Engineering Mechanics is discussed. The results provide a significant reference in terms of making high-quality micro-lectures for the courses related to mechanics.

Key words:micro-lecture; engineering mechanics; micro-lecture design; micro-lecture making

基金項目：2014年遼寧省普通高等學(xué)校本科教育教學(xué)改革研究項目(編號：UPRP20140916)；2014年大連海事大學(xué)教學(xué)改革研究項目(編號：2014Y23)；2015年大連海事大學(xué)教學(xué)改革研究項目(編號：2015Y27)。

作者簡介：夏冬生，博士，副教授。于彥，碩士，副教授。

收稿日期：2015-06-29