理工科實驗類信息化課程的系統性開發

姚紹巖

(錦州師范高等專科學校，遼寧 錦州 121000)

0 引言

信息化資源課程(包括微課與課例等)，具有“短小精悍”“代入感強”的教學特色，無論在日常教學中還是在各級信息化大賽中都發揮著舉足輕重的作用。[1]本文主要研究的是“理工科實驗類信息化課程”的獨特設計思路和創新制作技巧。

實驗類信息化課程作為側重實際訓練為主的教學形式，與單一理論講解的語言講授類課程相比，具有教學形式靈活、場景多變、師生互動和形象直觀等特點。單一語言講授類課程適合文史學科的理論教學講解，實驗類課程則在物理、化學和生物等理工學科的教學中得到淋漓盡致的藝術展現。理工科實驗類課程逐漸具備了學生在教師指導下，使用教學設備和材料的條件，即通過相關操作完成規定的實驗目的，最終將實驗與理論相結合達到理論聯系實際、形象生動的教學效果。

在實際的教學中筆者做了如下調查：隨機抽取大學二年級的兩個班，讓學生同時觀看“語言講授類”和“實驗類”課程的教學視頻，最后80%的學生認為實驗類課程寓教于樂，令人印象深刻，具有更好的教學效果。縱觀近幾年信息化大賽的獲獎名單，側重實踐的實驗類微課、課例更是倍受評委青睞取得了突出的成績。以筆者參與制作的獲得2018年度省級信息化大賽一等獎、國家級二等獎并深受學生喜愛的作品為樣板，詳細介紹理工科實驗類信息化課程的模塊化創作理念和創新技術特點。

1 “理工科實驗類信息化課程”的模塊化創作流程

在課程的信息化創作過程中筆者研究并分析得出結論：將完整的課例先細分成相對獨立的教學環節模塊后再創作，讓課例像“章回體”小說那樣具有了知識點相對獨立、承上啟下和條理清晰等鮮明的特點。學生在學習課程時也便于深入體會和歸納總結，達到最好的教學效果。

1.1 教學情境導入

傳統的講授類課程一般是照本宣科，開篇直接進入課程講解過程。筆者創作的“實驗類信息化課程”本著開篇吸引學生注意力并師生互動的初衷，在教學視頻開篇采用小說和劇本創作中的“引子”形式的開局環節，通常是校園環境實錄，由學生演員采用翻轉課堂的方式提出相關問題，教師將學生提出的問題與理論相聯系，進而引出本節課程的學習內容。[2]

場景構建一般是這樣的：在校園一角學生通過電腦或手機瀏覽網絡，搜索生活中與課程相關的視頻新聞或文章(理工課程多數與生活相關)，學生請教師觀看新聞并提出問題或發表言論，教師將學生的具體問題與理論相聯系之后引入到本節課程的講述中來，實現類似“翻轉課堂”的開篇形式，進而引導學生觀看相關教學視頻，實現了學生自主學習，為后續的課程核心教學奠定了基礎。這種師生互動型教學情境導入方式為整體信息化教學開了個好頭，給予學生自主的學習空間，讓原本沉悶的課堂教學充滿生氣，在吸引學生關注的前提下為教師的未來教學提供了深層次的發揮空間。

1.2 適時揭示主題——精彩的片頭不一定在開始

傳統的講授類教學視頻基本采用“開篇明義”的開局格式，即課程第一秒播放片頭顯示課程名稱、作者、學科學段等基本信息，這種形式立題明確，使學生通過簡單直觀的方式了解到課程的主題。筆者設計的“創新實驗類信息化課程”摒棄了傳統的開篇方式，獨到地采用教學情境導入后再展示片頭的形式。實踐證明，這種新奇的剪輯樣式更能吸引年輕大學生的注意力，給觀賞者留下深刻的印象。其實這種不拘一格的“片名”顯示形式在我國最早可以追溯到1958年，當時拍攝的影片《永不消逝的電波》就是一直沒顯示片名，直到結尾的最后幾秒才顯示在屏幕上，至今讓人印象深刻。

在上一個環節后面，教師通常會說類似“同學發現的問題很好，讓我們在這節課共同學習相關知識”，然后屏幕一轉顯示課程題目及相關信息，視頻教學的正文正式開始。課程片頭的制作風格需要與講授的主題相符，理工科多與自然科學相關，在創作片頭時不妨引入一些與課程相關的自然元素相點綴，同時配以明快活潑的音樂，讓題目文字不那么單調。為達到最好的藝術效果，文字的動畫要與配樂節奏相匹配，給人一種文字隨著音樂跳舞的感覺，這樣符合學生們的觀賞心理。科學研究表明，這種動作與音樂節奏相配合的行為模式可以認為是人類與生俱來的本能，聲畫完美搭配的視聽體驗更能使觀賞者留下美好的記憶。片頭題目是課程的精髓，在優美流暢的片頭帶領下，后續的教學才能環環相扣、效果提升。

1.3 實驗原理與方法——新課精講

實驗類課程是建立在理論研究基礎上的，在實驗正式開始前必要的理論講解和方法介紹不可缺少。為了增加課程的感染力，在這一環節推薦教師出鏡講授，以便留給學生形象直觀的深刻印象。在這里筆者對三種主流的教師出鏡錄課方式進行比較：第一種，早期的教師配合投影儀講課形式。這種形式人物和投影屏幕的拍攝比例不好控制，投影屏幕如用肉眼看效果沒問題，但用攝像機錄像就會不可避免地產生屏幕閃爍、橫條紋等瑕疵，影響視覺觀賞。第二種，升級的教師配合液晶屏幕講課方式。液晶屏幕錄課的引入完美解決了傳統投影閃爍的弊端，但也帶來了新的問題，通常新款的LED高清屏幕亮度較高，如果播放的課件顏色較淺，教師在前面講課就會產生類似逆光的效果，錄課時雖然突出了課件的效果，但顯得教師臉特別黑，降低了教師的教學主體地位，這一方法也有缺陷。第三種，教師綠幕摳像配合課件動畫錄屏。兩個相對獨立的素材通過后期視頻編輯軟件合成，達到比例可調、中心突出、主題明確的最佳視覺效果。最終認定綠幕摳像配合動畫課件的講授形式效果最好。

理論講解環節的最佳制作效果是：教師前臺出鏡配合課件動畫等輔助元素，既給予觀眾親和力又讓原本沉悶的理論講解生動有趣。教師綠幕摳像與課件動畫錄屏的完美結合，使教學效果更進一步，兩者相得益彰，讓學生在優美的視聽效果中深入體會教學思想。

1.4 實驗過程與操作——全方位精準錄制

實驗現場環節是實驗類課程的重中之重，前期的理論鋪墊是為現場實際操作打基礎。在這一環節教師帶領學生來到實驗場地，介紹實驗儀器，真刀真槍地進行實驗操作，讓學生設身處地地學習書本上學不到的“真知識”，從而提高理工科學生的實際動手能力，教學生掌握能夠受用終身的關鍵能力。為了細致入微地記錄實驗過程，解決實際操作的疑點和難點，這一環節的信息化課程制作我們遵循以下原則：

1.4.1 多機位多角度完整記錄

大學的實驗通常比較復雜，有的甚至用到多儀器多場地聯合實踐教學。復雜的實驗環境決定了錄制試驗演示現場決不能使用一臺攝像機，要想錄制完美的實驗過程，筆者推薦使用不少于兩臺攝像機多角度全方位地拍攝實驗講解過程。方案如下：

機位一：實驗全景錄制。攝像機正面錄制教師和學生，教師帶學生做實驗，雙方的站位可以不必像上課一樣相互對立。推薦教師“C位出道”，即教師在鏡頭中央，學生代表半環形排于兩側，大家都相對正面對著鏡頭。這樣拍攝的好處是既突出了教師的主導地位，鏡頭局部也記錄了一些學生觀眾的學習表情。

機位二：教師的特寫拍攝。攝像機采用近景甚至特寫的拍攝手法單獨錄制教師的實驗過程。這一機位采用淺景深構圖完全忽略學生和背景，只記錄教師的講課和操作，突出主體，讓實驗的錄制細致入微。

機位三：游離機位。理工科實驗教學有著特殊性，有的實驗教師一人無法完成，需要助手在輔助儀器上配合操作。為了記錄實驗的完整性，這個攝像機對準的是配合實驗完成的助手，對整個實驗過程提供輔助素材。

根據實際需要還有可能增加諸如“師生互動”“屏幕特寫”類的輔助機位。最后，對多機位同時拍攝的視頻素材進行后期合成。視頻制作者根據教學需要剪輯視頻，讓學生在作品中領悟到實驗教學的精華。為了突出實驗的全方位、完整性，有的場景需要畫中畫技術(一個視頻畫面包含兩個或更多實驗場景)，這樣通過多機位拍攝配合后期制作讓原本復雜難懂的實驗過程變得形象簡明。

1.4.2 光源在實驗錄制中的突出作用

實驗環節的錄制是讓視覺引領和牽動教學思維，是一個打通教學感受的復雜工程，用光、影、色彩精心雕琢是精品課程在影像呈現上的系統性追求。現場實錄光和影的作用尤其突出。 “三點布光”是創作信息化課程中最常用的布光方式，這是由美國好萊塢發展出的拍攝技巧，至今仍在世界上通用。“三點師光”主要由主光源、輔助光、輪廓光組成。

主光源在三點布光中最為重要，它直接影響畫面的色溫和亮度。現實的錄制過程中基本可以用日光光源，多數情況主光源在被攝物體的45度角方向，主體離光源越近，和背景的亮度差就會越大。輔助光沒有主光強烈，作用是降低主光的強硬，顯露一些次要細節使之不被黑暗吞噬。在燈光條件有限的情況下，輔光源可以通過反光板來解決。輪廓光需調好位置，正好打亮教師的頭部和肩膀，也不要太亮，最終讓畫面更有層次感。這樣一個基本的三點布光就完成了。為了達到最好的效果，實驗具體的拍攝環節我們還引入“細節光源”。突出實驗重點的小的局部光，能夠特別有效地突出拍攝主體內容，有效屏蔽一些不必要的干擾因素，使畫面微觀呈現。

1.4.3 關鍵鏡頭用“升格拍攝”效果升級

有些理工科的實驗核心操作時間短難度高，那么在演示視頻中如何讓學生觀眾對核心操作全面記錄并留下深刻的印象呢？在這里可以引入電影制作中的“升格拍攝”技巧，全方位細致地制作經典實驗過程。

“升格拍攝”是指拍攝過程中大于正常幀速率的拍攝方法。推薦120幀以上，這樣效果最好。經典的“升格”鏡頭出現在香港20世紀90年代的電影中，王晶導演用于展示賭神登場橋段，升格鏡頭配上氣勢如虹的音樂，拍出了此類型電影樣板鏡頭。后來好萊塢導演將此技術發揮到極致，在電影《駭客帝國》中采用了幀速率1 000以上的“子彈時間”特效，一舉拿下奧斯卡最佳視覺效果獎。

升格拍攝的意義在于，一般拍攝幀速率達到24F/S人眼就覺得視頻是連貫的，升格拍攝時將速率提高至120幀，這時，拍攝的鏡頭會更加清楚地記錄下細節內容。這里的“細節內容”用傳統的慢鏡頭是無法捕捉到的。前期的升格拍攝還要與后期制作相呼應才能形成完美的最終效果。后期編輯軟件筆者推薦Twixtor變速插件。這個插件分為兩種版本——Twixtor和Twixtor pro，主要的區別是Twixtor pro可以通過添加遮罩，來保證一些復雜的場景內人物運動不會變形，也不會跟背景的畫面混在一起，而使整體畫面變得模糊。因為多數實驗的場景比較簡單，所以只使用Twixtor就夠了。在該插件Output Control選項下的Speed“速度模式”創建關鍵幀和相應調節數值，可以直觀數控式地調節視頻播放速度，以達到預期的升格或降格效果。

作為高端的視頻技術，“升格拍攝”對硬件的要求更高，經過市場調查發現近兩年上市的專業攝像機都支持高速拍攝。值得一提的是，2019年上市的高端旗艦手機(如iPhone X)由于技術的升級也可以支持120幀的高速拍攝，這為條件有限的課程創作者提供了廉價的平臺。

前期硬件與后期軟件完美配合的“升格拍攝”讓實驗課程的記錄更加精致優美，視頻的細節慢速播放為學生反復研究教師的操作留下了寶貴的機會，現代技術與教學實踐的完美結合讓理工科實驗類信息化課程達到了新的高度。

1.4.4 特殊實驗要用特殊拍攝裝備

實驗類課程由于場地空間和拍攝時間上各有不同，為了更準確地記錄實驗過程，筆者推薦使用運動攝像機。傳統的攝像機三腳架加云臺的拍攝方式雖然能應付簡單的相對穩定的拍攝場景，但是無法應對某些特殊的復雜多變的實驗場景。為了達到更好的教學效果，拍攝中至少有一臺運動攝像機參與，該攝像機以長鏡頭的方式全程記錄實驗變化過程。“運動攝像機”給拍攝者留下了較大的運動空間，讓拍攝者擺脫三腳架的束縛，角度自由多變地拍攝實驗過程，為后期創作留下豐富素材。[3]

為了達到更好的教學效果，有條件的教師可以采用諸如微觀攝影、微距攝影等細致入微的拍攝手段。理工科實驗有些是微觀分析科學方向的，傳統攝像機無法達到讓學生細致觀察實驗效果的目的，借助微觀攝影、微距攝影等新技術能讓實驗的拍攝效果近乎完美，同時也為科學分析提供詳實的視頻素材。

在拍攝過程中，將上述四條原則有效地結合，可以取得無以倫比的教學效果。信息化課程講述可以看作是教師在鏡頭前的藝術舞蹈，讓教學知識像生命一樣“有故事”，用美感的畫面吸引學生自主探索相關知識領域，最終達到教學形式和內容相輔相成，給學生留下身臨其境的感覺，最大限度提升教學效果。

1.5 實驗報告的填寫與圖表的繪制

理工科實驗重在用數據記錄、用事實說話，實驗最重視數據的采集和圖表的繪制。現場試驗完成后即刻進入填寫實驗報告環節，為了突出填寫過程和曲線變化，筆者摒棄突兀的教師真人出鏡模式，采用全動畫虛擬演示界面，讓卡通人物帶領學生總結實驗數據，給學生留下驚艷的效果。

實驗報告和圖表的動畫制作我們推薦流行的Focusky動畫演示大師。該軟件完全由國人開發，界面親民，方便快捷。Focusky可以直接導入Word和Excel繪制的表格，并具有完備的圖表繪制功能，在表格和曲線的繪制方面遠勝其他軟件。Focusky還配有優美的手寫動畫功能，讓實驗報告的填寫形象生動，這是傳統真人錄像達不到的效果。軟件系統中還配有若干可愛卡通人物角色動畫。卡通人物的添加讓死板的數據總結充滿活力，深受學生的喜愛。Focusky另一個優點是視頻成果的轉化，既可以通過輸出功能直接生成視頻，又可以在播放文稿同時通過其他錄屏軟件生成素材。

通過上述軟件制作合成的視頻素材可以直接在用到教學中，全景動畫環節的設計為實驗報告的填寫增加了生命力，在實際的教學工作中給學生留下深刻印象，深受學生喜愛。

1.6 課堂總結與課后思考

這是實驗類課程最后一個環節。為了和開篇呼應，這里設計為最開始的教師和學生全都真人錄制，經過前文講述的現實與虛擬的學習流程，師生最后回歸到開始的場景，教師做主角對整個教學進行系統性總結，學生做配角對所學知識進行補充起到有益的配合作用。理工科知識都存在延伸與擴展性，視頻的最后，教師應適時地提出課后思考題，通常是本節課程相關的延伸知識點。思考題的設計給學生留下了懸念，學生根據所學知識點自主探究，發散性地解決問題，以達到觸類旁通的教學目的。理工科實驗類信息化課程的模塊化教學流程讓理論與實踐完美結合，由學生疑問開始以教師提問結束，在師生共同研究中畫上圓滿句號。

2 課程后期效果的精益求精

“理工科實驗類信息化課程”的模塊化創作已經讓作品初具規模，為了達到更高的教學效果，筆者本著嚴謹的精益求精的創作理念，繼續深挖技術潛力，擴展制作思路。在視頻的整體后期處理上總結出以下兩點經驗：

2.1 聲音是信息化課程的靈魂

通過仔細觀賞編輯成型的作品發現：各環節教師講話聲音的音質、音量和回響各不相同，容易給觀眾一種違和感。究其原因是設計的“實驗類信息化課程”場景或室內或室外，空間和時間跨度較大，況且有的理工科實驗需要在機床、水泵等高噪音環境下進行，有時教師的講話可能被噪音背景掩蓋，嚴重影響教學效果。為了統一各環節聲音質量，營造課程清新優雅的教學情境，筆者借鑒影視創作中的后期配音技術，對視頻成品采用全程后期配音，讓視頻中的教學語言完美和諧地呈獻給觀眾。

在影視作品的制作中選用現場錄音還是后期配音是一個進化的過程。早期電視劇的制作受條件限制多數采用現場錄音，如20世紀80年代的臺灣電視劇由于當時室外錄音技術不成熟，會聽到各種風聲、雜音和回響。隨著時代的進步，后期配音技術廣泛應用于電視劇的制作，可以說除了室內情景喜劇完全不需要配音，其他電視劇都包含后期配音元素。

有條件的單位推薦組建專業的錄音棚以達到最好的錄音效果。這里筆者介紹的是低門檻的簡易配音錄音解決方案，只需用一臺普通電腦搭配最新的“客所思”外置聲卡+麥克風錄音套裝，在一個相對安靜、空間不太大的辦公室，就可以實現高質量視頻配音。現今網絡流行的主播平臺也是這個配置。

通過高品質麥克風和外置聲卡錄制的MP3配音素材，再通過后期軟件合成到視頻中來，讓原本復雜的聲場變得統一有序，賦予信息化課程聲音以靈魂，這樣后期制作的視頻作品觀眾聽著舒服學習情緒高漲。

2.2 標準的人性化字幕為信息化課程錦上添花

通過回訪觀看教學視頻的學生，筆者認識到：理工科信息化課程具有一定的專業性，低基礎或是外專業的學生直接看視頻里的教師講授不一定能理解某些專業詞語，為了讓更多的學生觀眾能全面掌握實驗教學的技術知識點，筆者決定像電影那樣給課程視頻配上全程對白字幕和注解，以達到有教無類的教學初衷。

電影字幕的最高標準是CC標準字幕，字幕標準要求和劇本基本一致，里面除了對白之外，還有現時場景的聲音和配樂等信息，在國外主要是為了方便聽力障礙的殘障人士觀看電影。而為課程添加的字幕要求更高，除了上述內容視頻字幕還要包括詞語的必要注解和知識點解析等輔助信息，以便于更廣泛的觀眾學習實用知識。

實驗類信息化課程一般時間較長，要配上如此詳細的全程字幕也是不小的工作量。筆者橫向比較了市面上的幾款為視頻添加字幕的軟件，最后ArcTime以人性化界面、方便快捷的操作成為首選。添加字幕的具體步驟：第一步，導入視頻素材；第二步，通過鼠標拖拽或按鍵拍打根據音頻自動切分時間軸精確添加字幕；第三步，輸出字幕視頻。

經過前后對比發現，配上標準字幕的視頻作品學生看著更明白，教學效果更好。標準的人性化字幕讓理工科信息化課程更大眾化。最終，筆者設計的課程實現了全程高質量、信息化、人性化，成為現代技術服務教學實踐的樣板作品。

3 結語

在教學實踐中可以看出，應用本文設計思路和技術手段創作出的信息化課程作品具有較高的欣賞水平和教學價值。該系統性設計研究不僅可以應用在理工科實驗類領域信息化視頻的制作中，還可以延伸到其他教學領域的信息化視頻的制作中。此設計思路不只適合精煉的微課制作，還適合信息化課例與精品課視頻的開發。

理工科實驗類信息化課程的系統性研究，使教師和學生的信息化教學和使用情況都得到了提高。教師通過制作高質量的視頻作品領悟到了創新型信息化資源建設的高層次，學生通過豐富多彩的課程資源學習到了傳統書本教學不易掌握的知識。這種實驗類信息化課程教學模式還會給學生帶來深遠的影響，學生會在未來的學習和工作中模仿使用信息化課程教學手段，這對“新時代”人才的培養具有長遠的意義。