力學課程學習資源信息化的構建與實踐研究

湯帥，李延君?，劉一澤

（1.長春工程學院土木工程學院，吉林 長春 130012；2.長春工程學院國際學院，吉林 長春 130012）

由教育部印發的《教育信息化中長期發展規劃（2021-2035年）》和《教育信息化“十四五”規劃》，明確表示推進建設信息化高等教育體系，為國家教育信息化指明發展方向，從而推進教育的數字化轉型[1]。在科技的飛速發展下，計算機、互聯網不斷影響著我們的學習和工作生活，傳統的課堂教學已經滿足不了新時代大學生的學習需求：黑板教育難以表達抽象概念，文字描述難以解釋復雜過程。因疫情肆虐，新型網絡教育方式受學校廣泛應用，線上教學逐漸映入人們眼簾。伴隨線上教學的深入發展，人們將互聯網技術應用于教學之中，使得傳授和學習知識的過程更加多樣化，未來信息化教學必將是高等教育創新體系中不可或缺的一環[2]。

1 力學課程學習資源信息化建設發展趨勢分析

1.1 背景

在人類社會已逐步由工業時代邁入信息化時代的大背景下，互聯網在多方面對人類的生產生活產生翻天覆地的改變，同時也推進了教育事業的數字化轉型[2]。2018年4月教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》，著重強調了教育信息化的重要性，呼吁各大高校全面推進信息化教育進程[3]。在此前提下，各學校以“停課不停學”為口號將教育的載體由課堂轉為一系列線上視頻共享平臺，教育信息化逐步走進人們的視野中。在國家疫情防控期間，信息化教學在各學校取得不錯的教學效果，其原因一方面是由于信息化教學相較于傳統教學具有較大優勢，另一方面是由于受教育群體其生活時代的共同特性——生于互聯網時代的原住民，具有較高的網絡信息學習能力和接受能力。

1.2 傳統教學和信息化教學的利與弊

由于互聯網技術的興起，傳統課堂教學的局限性也在社會飛速發展下多方面暴露出來：傳統教學主要以書本為中心、多媒體講演、黑板推演為輔，學生難以通過簡單的書本文字形成自身的整體知識網絡，從而會忽視知識的遷移運用，大多數學生對學習的認知僅是書本知識的生搬硬套。其次，傳統教學主要以教師為主體，著重強調教師的教學手段而忽視學生的自主學習能力和主動學習積極性，教學不是教師一味地知識輸送和課堂教學時間的知識灌輸，實際上真正的有效教學取決于學生群體對知識的掌握情況。再次，在教學對象上，以班級為整體的教學單位在管理、比較、分析等方面對教學產生推動作用，但卻忽視了學生個體的差異性，對整體采取“一刀切”的固定教學方法，無法針對學生個體差異性選取教學手段[4]。

相比于傳統教學的局限性，信息化教學具有更多的優勢，從根本來說，教育信息化是通過現代化信息手段將圖片、動漫、視頻等多種表達和呈現方法相結合，以現代化教學理念為指導、信息技術為支撐，從而達成更有效、更深的教學效果。在學習資源方面，線上教育平臺可承載題庫、視頻等大量信息數據，學生可擁有比紙質書目更多的渠道去獲取知識。在學生學習興趣方面，信息化教學主要將各種視頻、動畫等多種教學呈現方式融入枯燥乏味的文字表述中去，學生突破傳統書本教學的限制而激發課程學習興趣。在時間和空間方面，信息化教育相對于傳統教育的固定時間地點面授具有更高的自由度，可以在任意時間、地點開展線上學習。在教學方式方面，信息化教育主要以學生為主導地位開展一系列教育活動，學習不再是教師的耳提面命和學生的被動接受，更是需要學生自覺地去尋找資源學習。

其中，力學教育在融入各種信息化教學手段的情況下教學效果產生出乎意料的質變。眾所周知的是，力學課程是眾多工科專業的基礎課程，其要求邏輯推理能力、抽象思維能力、數學計算能力較強，其原因主要如下：第一，力學解析需要學生對整體知識有著系統地掌握，力學的每一個知識部分并不是獨立的，各個部分彼此之間環環相扣。一旦涉及力學問題的綜合性分析，只有擁有嚴密系統的邏輯推理能力，才能對問題有著根本的把控。第二，力學問題往往是現實物件受力分析的抽象和轉換，桿件構成具有復雜的結構性，需要學生自主思考，抽象化想象物體的幾何構成和運動情況，這必然要求一定的抽象思維。第三，力學問題的計算是整個力學問題分析中的最后一步，數學計算需要用到高等數學中的積分計算，同時未知數多、代數計算復雜、方程組個數較多，需要學生靈活和精準計算。然而，傳統教學的紙質教材和黑板講解中，文字解釋難以闡述力學構件的動態運動，二維平面難以刻畫物件的三維運動，黑板刻畫無法描述物件內部的受力狀態和應力狀態，語言表述難以構建復雜的知識系統，所以力學課程的特殊性致使傳統課堂教學的效率較低、學生掌握和應用知識效果差。所以可通過合理而完善的力學資源信息化建設改善以上傳統力學教學的弊端。

2 力學課程學習資源信息化構建方案與實踐研究

2.1 力學課程學習資源信息化理念

力學課程學習資源信息化通過圖片、動畫、視頻構建相較于傳統課堂教學更有效的學習資源庫，信息化學習資源庫采取一系列線上教育手段其包括案例講解、動畫技術、BIM技術，最后通過二維碼的鏈接效果穿插至書本對應各處[5]。其對教師而言，信息化教學的建設可以有效地解決傳統教學的教學弊端，文字和語言傳授不了深奧的知識時便可以將表達的手段轉為形象的信息化技術表達，在鍛煉自己個體的信息化能力的同時提高教師的教學能力、豐富教學手段。對學生而言，信息化教學可以幫助解決在分析力學問題中所遇到的思維障礙，將復雜的結構模型和煩瑣的公式推導以更容易理解和接受的方式呈現，提高學生力學分析和運用能力，在學習專業課之前打下堅實牢固的基礎，并且增添了學習過程中的樂趣，擺脫了傳統教學的枯燥乏味。更重要的是，學生在學習時擺脫了時間空間的條件限制，不再是融入班級學習而是以個體為單位開展學習活動。在整個教學周期中學生可根據自身知識點掌握的薄弱程度主動學習，進而減少知識攝取的重復性以提高學習效率。

2.2 力學課程學習資源信息化構建方案

如圖1的力學課程學習資源構建方案，通過三個主要途徑——視頻講解、動畫技術、BIM 技術互相支撐，以BIM技術的三維受力分析，展示物體內部特征；再以動畫展現物體的動態變化，后將完成的BIM模型和動畫模型融入案例解析視頻、微課視頻、實驗視頻中去。其視頻成果以二維碼為載體穿插在書本的對應知識點，方便學生尋找。此過程不僅響應了教育部信息化教學的口號，也在一定程度上提高了教師和學生的能力[6]。

圖1 力學課程資源信息化構建路徑圖

2.2.1 視頻詳解模塊

視頻詳解主要包括微課視頻和案例詳解。微課視頻包括材料力學實驗操作視頻和大學物理課程視頻，材料力學的五個經典實驗包括：低碳鋼、鑄鐵拉伸、鑄鐵壓縮；鋼材彈性模量、泊松系數測定；薄壁圓筒彎、扭組合變形應力測定；低碳鋼、鑄鐵扭轉；梁彎曲正應力測定。與理論教學的側重點不同的是，實驗操作更能對學生進行觀察能力、動手能力和探索能力的培養。但如今實驗教學的效果卻不盡如人意，學生完全只是照著實驗步驟照本宣科，實驗的目的僅是為了獲得標準實驗數據，完全偏離了實驗教學的培養目的。大多數學生往往缺少對實驗的思考和質疑，歸根結底的原因是學生對實驗原理不理解。因而材料力學的實操視頻可以呈現實驗的具體步驟和理論支撐。

案例詳解采用各種典型的生活實例，例如理論力學中為了讓學生了解力偶對于物體的轉動效果，大多數學生只是生搬硬套地死記硬背，可以通過典型的自行車腳踏板例子進行講解：雙腳作用于自行車踏板的力使得與踏板連接的軸轉動而帶動鏈條使得整個自行車有向前運動的推動力。通過教師精心選擇的各種典型案例，將此分解并逐步演示給學生。相對于傳統教學中，在案例講解中融入基本原理方法更容易使學生理解，也充分彰顯了將知識運用到實踐中去的教育目標。其次，通過案例詳解中的工程視頻、工程圖片可培養學生的知識遷移能力，將理論知識融入具體的工程實踐中去，在教學中培養學生的工程直覺，為以后就業工作打下一定的基礎。

2.2.2 動畫應用模塊

動畫應用模塊是通過計算機繪制二維或三維動畫改善和輔助抽象和模糊的力學教學。在實際的力學課堂與線上教學過程中，Flash 制作的教學動畫可輕易描述復雜物體的抽象運動和文字難以表達的受力變化效果。因而在將Flash 動畫教學融入教學之中，可極大地改善教師的教學效果和學生的學習效果。

2.2.3 BIM技術模塊

BIM全稱是Building Information Modeling，即建筑信息模型，其主要是依靠信息技術將建筑項目中所有元素的具體信息融入一個完整的、全生命周期的數據庫。BIM技術在國內的應用并不普及，但由于它對工程項目的整個周期中的組織、管理、模擬、預覽有著極大優越性，使得它具有遠超于其他大多數建模軟件的前景空間。

為培養應用型高校專門的工程類技術職業人才，在力學課程的教學中利用BIM 軟件的建模將理論融于實踐。通過BIM 模型展示，在力學知識理解方面，BIM 技術可通過三維虛擬仿真的模型清晰地呈現物體內部受力狀態，直觀了解桿件等結構內部受力狀態，給學生一種如臨其境的臨近感受，幫助學生理解抽象的力學模型；在知識實踐應用方面，可提高學生的軟件建模能力和設計能力，為以后設計行業的就業和工作提供一定的基礎。

2.2.4 二維碼技術應用

學習資源如今種類很多，但我們卻很難找到所需資源。由于知識的零散性，二維碼技術便可以給資源搜索提供捷徑。二維碼是一種可以承載信息的圖像識別技術，因其便捷性受到廣泛推廣使用。將二維碼技術和信息化教學有機結合起來，不僅可以節省學生尋找資源的時間，更可以精確地找到高質量學習資源，將信息化教學代入一個全新的高度。

3 力學課程學習資源信息化實踐及成效

3.1 實踐案例分析

圖2表示的是剛體平面運動的典型模型：兩個轉軸相連接并與一端固定，在右端轉軸轉動的同時帶動左轉軸進而帶動細桿運動，通過動畫過程便能將此運動過程呈現出來。圖3 表示的是圖2 的實踐案例，此模型便是火車輪的生活應用。該過程是將模型深化到現實中的應用，讓學生感受力學知識理論到現實的聯系，幫助學生理解理論力學的剛體平面運動知識點。

圖2 剛體平面運動案例

圖3 火車行駛案例

3.2 實踐成效

力學課程學習資源信息化教學過程中，其從多角度對學生、教師、課程、院系產生一定影響。學生層面上，學生通過信息化教學資源不斷豐富自己的學習能力，從案例視頻和實驗步驟原理解析的角度出發，為以后在工程實踐或專業研究方面提供有利的工程思維方式。從學生的獲獎情況來說，在院系舉辦的多種力學類和專業類競賽中，學生所獲得獎項在這幾年間不斷增多，所獲得獎項的高度也不斷提高。

對于教師而言，教師是信息化教學資源的構建者和教學使用者，學生是信息化教學的接收者。在教師構建信息化學習資源的過程中，這種經歷和實踐豐富且提高了教師信息化教學能力。首先，信息化教學資源的建立基礎就是擁有一定的網絡資源，網絡資源包括各種信息化教育視頻，因此需要教師提升尋找網絡資源的搜索能力。其次，在現有資源的條件下，需要在此基礎上進行資源創新和整合，強調了教師對知識體系的理解，從而豐富信息化技術手段，提高了教師的教學能力。再次，線上教學和線下教學給教師的教學感受是有區別的，線上教學過程中教師和學生缺少表情和語言的接觸，教師更難把控教學內容的難重點進而分配教學時間，所以教師要擁有一定的在線教學能力以便面對電腦設備講課時依然把控節奏。最后，構建完整的信息化教學資源，需要對整體的網絡資源進行維護和更新，教師需要擁有一定的管理和維護能力。

對課程而言，力學線上課程建設不斷有質的飛躍。在院校未擁有線上課程之前，學校教學方式屬于傳統教學方式，但在長達幾年的建設過程中，學校擁有了一套完善的線上教學體系。在2009年至2021年中，學校力學課程不斷被評為優秀課、精品課，力學的在線課程不僅被數八千名學生選修，也被多所院校使用。

對院校而言，信息化教學產物為院校培養學生良好的力學思維習慣。從學生參與競賽情況上看，學生參與專業競賽人數逐年增多，獲獎的等級也越來越高。以學校土木工程學院為主導的大學生學科競賽也因此建立了完善的大學生競賽體系，如圖4，全國大學生周培源力學競賽作為各個專業競賽的基礎，以全國大學生結構設計競賽為延伸，打造屬于各個二級學科的本專業競賽。

圖4 學校土木工程學院競賽結構圖

4 結束語

在如今的教育背景下，信息化教育是人才培養手段中更濃墨重彩的一筆，如何將信息化教學融入國家應用型人才教學培養中是需要不斷探索和研究的。同時，教師也需要著重培養自己的信息化能力，學生也必須要擺脫學校家長教師的束縛，在順應時代潮流下，也積極融入與之相應的教學環境，不斷探索、勇于發現教育體系中的創新點，充分利用互聯網的優勢和便攜，促進現代教育的發展。