微課在巖體力學實驗教學中的應用研究

蘇占東　夏京　李孝波

摘 要 隨著信息技術和多媒體技術的不斷發展和更新，使得微課作為一種新穎的教學方式越來越受到廣大教育工作者的歡迎，而巖體力學本身又是一門以實驗為基礎的專業基礎課程，由于高校擴招、設備短缺、經費不足等的壓力，使得傳統的巖體力學實驗教學已經很難滿足實驗教學的需求。本文在分析傳統巖體力學實驗教學局限性的基礎上，結合微課“短小精悍、主題突出、交互性好、應用面廣”的特點，分析了微課在巖體力學實驗教學中的可行性和操作性，將微課更好地融入到巖體力學的實驗教學中，取得了理想的教學效果。

關鍵詞 微課 巖體力學 實驗教學 數值實驗

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.12.041

Application of Micro-class in Experimental Teaching of Rock Mass Mechanics

SU Zhandong， XIA Jing， LI Xiaobo

（Institute of Disaster Prevention， Langfang， Hebei 065201）

Abstract With the continuous development and update of information technology and multimedia technology， micro-class teaching as a new way of teaching is more and more welcomed by the majority of educators， while the mechanics of rock mass itself is an experimental-based professional foundation curriculum， due to college enrollment， equipment shortage， lack of funding and other pressures， making the traditional rock mechanics experimental teaching has been difficult to meet the needs of experimental teaching. Based on the analysis of the limitations of the traditional mechanics teaching of rock mass and the characteristics of micro-lectures "short and pithy， outstanding topics， good interaction and wide application"， this paper analyzes the feasibility of micro-class in mechanics experiment of rock mass and operability， micro-class will be better integrated into the experimental teaching of rock mechanics， and achieved satisfactory teaching results.

Keywords micro-class； rock mass mechanics； experimental teaching； numerical experiment

巖體力學是高等學校地質工程、工程力學、水利工程、采礦工程以及土木工程巖土和城市地下空間工程方向本科生的必修專業基礎課程之一， 是一門與實際工程緊密結合的課程。當前，很多高校培養方案均要求學生深刻掌握巖體力學基本理論， 并能夠解釋巖體工程失穩、破壞等相關問題。[1]因此， 巖石力學實驗教學對于學生的培養質量有著極為重要的作用。巖體力學實驗是理論教學環節中的重要一環，可加深學生對復雜的工程巖體力學性質的感性認識，同時也可培養學生獨立思考和動手的能力。[2]然而，受到傳統教育觀念的影響，人們往往只是注重書本上的理論知識，實驗教學部分只作為輔助學習的手段并沒有引起足夠的重視，長期處于可有可無的地位，[3]顯然，這不利于學生分析和掌握相關專業理論，在一定程度上造成學生實驗及實踐技能匱乏和工程意識淡薄，創新意識和創新能力更無從培養。有的院校巖體力學實驗由于受到資金和場地限制，全套實驗都由實驗教師完成，學生只是充當觀眾的角色，并沒有真正參與到實驗中，達到學以致用的目標，因此，改變傳統實驗教學模式勢在必行。針對此類問題，胡斌等[4]人指出，通過計算機輔助、加強實驗設施的管理以及提高學生的科研投入三方面可減少實驗教學經費，彌補實驗設備陳舊等不足。黃明奎，[1]陳建峰[5]等人針對巖石力學室內試驗在教學設備和教學模式上存在的局限性，提出建立巖石力學的數字平臺作為輔助教學手段，有利于學生更形象直觀地理解巖石試樣在外力作用下的變形和破壞機理。隨著生活節奏的不斷加快和信息技術和多媒體技術的快速發展，人們逐步進入了“微時代”，一種新型的教學概念被提出并引入我國——“微課”，[6]所謂 “微課”就是指以微型視頻為主要載體，通過記錄教師圍繞某個知識點或某個教學環節或某個教學活動而開展的教與學的活動過程。它的核心是課堂教學微視頻，此外還包括有關的微型課程教案、微課件、教學反思、測試練習及師生互動等輔助性教學資源。微課是在傳統課的基礎上繼承和發展起來的一種新型教學形式其以“短小精悍、主題突出、交互性好、應用面廣”等特點被廣泛認可，微課概念在教育領域迅速傳播，相關實踐和應用也迅速展開。該種形式教學模式的推廣，在促進信息技術與學科教學融合的同時，可不斷推動高校教師專業發展和教學能力的提升。然而，微課在巖石力學實驗教學方面的研究鮮有報道，筆者結合多年從事巖體力學實驗教學的經驗以及巖石力學方面的研究，結合微課特征，對其在巖體力學實驗教學方面的可行性和操作性進行了探討和實踐，取得了理想的教學效果。endprint

1 微課在巖體力學實驗教學中的可行性

（1）目前，由于受傳統教育觀念的影響，很多學生對實驗過程重視程度不夠，老師講解實驗原理和實驗操作時學生的注意力相對渙散，實驗過程過分依賴老師和同組同學，實驗教學效果較差，與此同時，高校實驗室的雙重功能決定了其不僅要服務于實驗教學，更需要承擔起高校學科建設的重任，所以很難安排充足的時間讓學生進行單獨實驗，有的院校在進行巖石力學實驗時，由于設備短缺和儀器不足，學生基本上都是以超員編組的形式進行實驗，有的學生往往只參與其中部分實驗環節，并沒有真正參與到整個實驗的操作和測試中，顯然，這不利于學生理解和掌握巖石在不同加荷狀態下的內力變化過程及破壞機理，微課以微視頻為載體，可進一步促進實驗教學的變革，利用微課模式，可將實驗操作過程，巖石破壞過程與現場施工的視頻、圖片以及材料相結合，讓學生了解整個實驗過程的同時，培養其組織實驗的邏輯能力，掌握巖體力學的基本理論，從而能夠聯系實際解釋巖體工程變形、失穩、破壞等相關問題。

（2）隨著高校擴招、專業調整以及高校專任教師年輕化的現象凸顯，擔任理論課教學的老師在時間和精力上都很難保證實驗教學的需求和質量，據統計，目前許多高校特別是地方高校的學生與實驗教師的比例已經超過20∶1，遠遠高于國際公認的高校最適宜的生師比14∶1，[7]同時，有的老師的超負荷工作，很難對實驗原理、實驗步驟以及實驗儀器做專門研究，這種實驗課通常缺乏前瞻性和新穎性，容易使實驗教學過程混亂，學生產生敷衍心理，極大地降低了學習效率和教學效果。微課作為一種新型的微型視頻教學資源，其視頻雖然短小，但卻“麻雀雖小，五臟俱全”，[8]微視頻一般為5～10分鐘，這就需要實驗教師精心準備，對實驗原理和實驗設計仔細斟酌，雖然在微課設計過程中實驗教師會付出很多，但是這種精致的微視頻能夠成為整個教研室的共享資源，通過后期的不斷優化和完善，使其有別于乏味和枯燥的傳統實驗教學，能夠激發學生學習興趣，較短的視頻播放時間能夠較好地保持學生的專注度，使學生能高效地掌握實驗的原理和核心操作過程。

（3）巖石是不同礦物的集合體，成分、結構復雜且不均勻，同時由于巖石的脆性破壞特征，導致實驗結果可重復性差，實驗過程中很難直觀地觀測到巖石試樣的變形和裂紋逐步擴展的過程，使得實驗結果展現不了巖石變形及破壞機理。[1]同時有些儀器設備更新速度加快，簡單依靠傳統的設備和方法很難使學生高效地掌握相應的基礎理論，而隨著計算機技術的飛速發展，以數學和力學理論為基礎，以計算機技術為手段的各種數值分析軟件的越來越成熟，利用計算機對巖石試樣在外荷載作用下的應力-應變關系、內力變化以及其破壞過程進行數值模擬，這樣不僅可以獲得許多在常規巖體力學試驗中難以觀測的重要信息，而且具有通用性強、方便靈活以及具有可重復性等特點，利用微視頻的制作軟件將巖石試樣的單軸抗壓強度試驗、三軸壓縮強度試驗、抗拉強度試驗以及抗剪強度試驗的數值模擬結果與巖石室內試驗視頻同窗口同時步展示，使學生直觀感知巖石試樣加載過程的同時深刻理解巖石內力變化過程和巖石的破壞機理。

（4）目前巖體力學教學大多停留于課堂的多媒體教學，部分院校在進行精品課建設時，可能會用慕課的方式將整堂課的視頻共享于網絡，雖然在網絡Web2.0時代信息技術和通訊技術有了較大發展，但是這些視頻大都具有較大內存，而且視頻時長基本上都在40分鐘以上，很少有學生會去搜索觀看，進行自主學習。但是，微視頻具有很小的內存，并且視頻時長較短，而且伴隨著網絡協作平臺的發展和手機4G網絡的全覆蓋，最終生成的微視頻格式多為RM、FLV等支持在線播放的多媒體格式，方便學生隨時下載查看，方便學生自主學習。

將微課融入到巖體力學實驗教學中，需要做好以下幾個方面的工作：

（1）微教案和微課件的設計與制作。以巖體力學教學大綱為核心，以巖體力學實驗指導書為基礎，查閱相關的書籍和材料，結合當前工程領域對該實驗指標的應用前景和最新研究進展，做好微教案，突出實驗重點和實驗注意事項，按照大綱要求，設計微課件。成稿后邀請教研室有經驗的教師和專家對微教案進行修改和補充。隨機選擇相關專業的學生隨同老師按照制定好的實驗計劃和步驟進行實驗論證，認真記錄和改進各個實驗環節，進一步對實驗步驟進行規范，同時，根據學生的實際水平，從學生實驗習慣和實驗心里角度出發，使學生能根據實際的儀器操作過程形成對客觀對象的認識，在微課件中設計不同難度梯度的問題支架，制造“選擇壓”，[9]通過任務驅動以及活動設計等多種方式使不同水平的學生均能專注地參與到巖石力學實驗環節中。

（2）工程實例的搜集與整理。巖體力學是一門理論性和實踐性都特別強的專業基礎課程，很多高校培養方案中均要求學生深刻理解和掌握巖體力學的基本理論，并在此基礎上能夠聯系實際，解決有關的巖體工程變形及破壞方面的工程問題。所以實驗方面的前瞻性和創新性對學生的培養質量起著至關重要的作用，在理論和實踐教學中，廣大教師要結合著自身的研究項目和研究方向，密切關注國內外的重大巖體工程問題和最新研究方向，收集不同時段、不同領域的工程應用實例（包括照片、三維動畫以及施工視頻等），尤其是教師親自參與的一些工程實例和新理論成功應用的實例，并對這些工程實例進行剖析和歸類，建立巖體力學實驗的工程實例素材庫。選擇其中的典型工程，以開放實驗、創新性實驗、畢業設計等形式指導學生對其進行建模分析，使學生理解各實驗指標重要性的同時建立一批典型工程的虛擬演示素材庫，在培養學生創新能力和科研能力的同時，不斷豐富巖體力學實驗的微課設計。

（3）多媒體視頻的采集和制作。錄制實驗過程時，需要與攝像者做好前期溝通，講述巖體力學實驗過程的攝制重點，便于其對攝制過程的設計與控制，將巖體力學實驗儀器和實驗步驟進行視頻采集，為后期的微課制作提供較完整的原始素材。利用Camtasia和Edius等微視頻制作軟件將前期準備的圖片、視頻、微課件等素材進行整理、裁切和拼接，制作成5～10分鐘的微視頻。比如在巖體力學實驗教學中，由于巖石屬于脆性材料，當進行抗壓強度、抗拉強度、三軸壓縮強度等實驗時，巖石的破壞及失穩過程具有瞬時性，實驗過程中很難直觀地觀測到巖石試樣變形和裂紋逐步擴展的過程，使得實驗結果很難全面反映巖石在變形損傷演化以及宏觀破裂過程中的變形場、應力場等基本信息，而數值實驗可以通過數值計算方法，對一些實際現象進行虛擬顯現：根據巖石試樣的材料屬性以及外部受荷狀況，采用PFC3D等數值軟件對實驗過程進行數值模擬，將巖石試樣在外荷載作用下的內力變化過程、巖石破裂過程以及其應力與應變關系制作成Flash動畫素材。利用Camtasia和Edius等微視頻制作軟件將前期搜集的與該項力學強度指標測試相關的現場施工照片和視頻引入，說明其工程意義，從而激發學生的學習興趣，按照設計的邏輯順序解說并錄制的巖石力學實驗儀器的關鍵部件，在進行實驗前，要以醒目的標識強調實驗注意事項，進行實驗時，將錄制好的實驗操作過程的視頻與巖石數值模擬動畫同窗口同時步在微課課件中顯示，使學生在觀看實驗操作過程的同時逐步理解巖石的破壞機理，從而加深其對理論知識的掌握程度。endprint

（4）網絡協作平臺的拓展和微課的優化。我國教育界目前主要使用的“云服務”包括固態“云服務”和常態“云服務”。 [10]充分發掘Google 網絡協作平臺的各種功能，在該平臺上為學生創建自學空間，將制作完成的微課、微課件、工程實例等資源通過上傳、歸類的方式歸入自學空間中，學生可通過隨時訪問視頻和其它學習資料，對微視頻進行下載、播放、暫停以及回放等多種功能，可以實現自我控制，有利于學生的自主學習，提高學生的學習效率。在魔燈（Moodle）、Google Sites 等協作平臺上以及各種博客中，老師可以很方便地創建自己的研究板塊，將制作完成的巖體力學微課實驗資源上傳共享到板塊中，同行以不同角度來呈現教師反思，通過便捷的網絡調查問卷等來及時獲的反饋信息展開經驗交流，不斷優化微課資源。利用微信APP的推送功能，將微課資源向相關專業的同學以及同行間共享，使得以微課為載體的巖石力學實驗教學模式能夠以更輕松的方式及時獲取各種意見和建議。將微課視頻及時地運用到巖體力學的課堂教學過程中，用微視頻的特征吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣，幫助學生更好地理解和掌握巖體力學的重難點理論的同時，能從課堂角度對微課進行優化。

2 結語

隨著計算機技術和多媒體技術的快速發展，“微課”在巖體力學實驗教學中始終要體現“微”的特點，視頻雖短，時間雖少，但是通過精心設計，將現場工程實例、室內實驗過程以及虛擬數值實驗相結合，通過多素材、多角度、多空間的整合展示，全面反映巖石在變形損傷演化以及宏觀破裂過程中的重要信息，這樣既可以較好地調動學生學習興趣和學習熱情，又可以讓學生保持較高的專注度，提高學習效率。同時，利用Google、微信、魔燈、博客等便捷的網絡協作平臺，將微課以上傳、推送以及共享等方式不斷拓寬自主學習和反饋渠道，及時優化微課素材和結構，提高學生的自主學習能力和全面學習的學習效率。

基金項目：教學研究與教學改革項目（JY2016B08）；中央高校基本科研業務費資助項目（ZY20160101）

參考文獻

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