微課在環境工程專業教學中的設計與應用研究

李穎，馬瑞，喬怡娜，苑文儀

（1. 中北大學 環境與安全工程學院，山西 太原；2.上海第二工業大學 電子廢電子廢棄物研究中心，上海）

一 引言

環境工程是一門跨學科的新興綜合性、邊緣性學科，具有理、工和管理等多學科相互交叉滲透的學科特色，旨在培養具備創新實踐能力，在環境工程領域從事污染防治與環境修復等工程設計和管理規劃方面的復合型高級工程技術人才。目前，全國高校環境工程專業已普遍形成以水污染、大氣污染與固體廢物處理處置為核心的學科體系。主體課程所涉及的專業理論知識囊括大量具有長期性、復雜性、持久性的微觀生物地球化學與遷移轉化過程，以及宏觀的污染防治、無害化處理、資源化利用、環境修復等實際工程應用技術，存在傳統課堂教學難以呈現，學生掌握具有一定困難等問題。特別是隨著我國環保領域復合型技術系統的建立，環境工程專業課程在內容廣度、跨學科性、實踐性與復合深度等方面更為突出[1-2]。然而，目前環境工程專業的主體課程存在教學內容陳舊、教學手段單一和教學方法保守等問題[3]。由此可見，單純、簡單的以書本育人的傳統教學方式，不僅與創新能力強、市場化、專業化人才的培養要求背道而馳，而且嚴重降低了環境工程專業應用型人才的培養質量[4]。

將基本理論教學與工程實踐應用相結合，改革教學形式，提高學生的求知欲望和學習興趣，以實現高理論水平與卓越工程技能人才的輸出，是響應教育部“卓越計劃”重大改革項目的最好踐行。互聯網、智能終端等網絡信息技術在教育領域的廣泛應用，促使以微型教學視頻為主要載體的“微課”，以及微課支持下的“翻轉課堂”新型教學模式成為我國教育信息化發展的熱點[5-6]。特別是對于環境工程專業這樣的工程技術類課程而言，設置個性化、可視化學習內容，引導學生通過微課自主學習，不僅能夠豐富教學活動、深化學習內涵，而且能夠強化教學互動，進而實現高效教學。因此，針對環境工程專業主體課程，可基于微課采取“翻轉課堂”和“混合式學習”的教學方式，即課前通過微課教學完成知識內化，課上通過工程實例討論完成對基礎理論知識的進一步吸收消化及其在應用方面更深層次的思考，使學生在教師引導和啟發下，充分發揮學習主體的主動性、積極性與創造性。

基于此，本文以固體廢物處理處置課程中“生活垃圾填埋處置”章節為例，以動畫為主要表達形式，從微課設計思路、框架構建、視頻制作與學生反饋等方面，對微課的設計與應用開展探索研究。

二 微課設計與制作

（一） 微課設計思路與流程

微課不僅要以完成教學目標為首要任務，而且要具備完整的教學計劃、輔助資料、課件教案與教學評價等[7-8]。因此，動畫設計應服務于教學內容和課堂講授，并符合教學規律，確保短時間內主題突出、內容精煉、結構緊湊，并平衡好動畫藝術表達與理論知識嚴謹傳授之間的關系。

對于環境工程專業而言，應緊扣專業教學培養目標與教學大綱，以學生學習動力和興趣為衡量，打破傳統教材導向的刻板教學體系設置，以實際環境污染問題為中心，環境治理與修復、資源化利用與無害化處置等工程項目案例為引導，對課程教學內容進行知識點梳理與拆解，以結構化知識單元、可視化學習內容為基礎，兼顧微課呈現的可行性與傳遞過程的準確性，對微課與課堂教學內容在理論知識與實際環保工程應用之間進行合理分配與整合，重構新高效課堂教學設計模式下的教學內容與授課體系。以完成課程教學任務為原則，根據教學要求確定主體章節重構后知識點預達到的教學效果，在明確教學內容重、難點的基礎上制作微課視頻。根據教學內容構想動畫呈現形式，利用相關動畫制作與視頻剪輯軟件完成效果呈現，構建與教學設計相配套的微課教學資源。以微課教學導入為前提，建立提出環境污染問題、討論具體治理措施、改善污染狀況、解決環境危害的高效課堂授課模式，通過設置靈活的課堂活動，搭建師生交互式教學平臺，擴大教學信息量，激發學生學習興趣，提高學生自主學習與獨立思考能力。

針對此，如圖1 所示，本文提出以下微課設計流程：①以教學目標與任務為導向，將教學內容按照邏輯關系進行知識點劃分，根據教學要求確定各知識點預達到的教學效果。②明確教學內容中的重點與難點，圍繞3～5 個知識點、1～2 個重、難點進行一部微課動畫視頻的設計與制作，并根據各知識點的講解內容，分配微課時長。③剖析并梳理各知識點具體內容，設計教學方法、構想動畫呈現形式，規劃微課視頻與課堂教學的接合方式，通過虛擬教學情境動畫、仿真動畫、實例動畫、演示動畫等，將抽象、晦澀、難以直接感知，或理論性強、難以生動展示，或實拍難度大、難以達到理想效果的知識點進行簡化與模型化，進而準確、真實表達知識點的核心內容。④利用二維、三維動畫制作軟件、視頻拍攝工具、視頻制作與編輯軟件，以及音頻合成軟件等，對設計好的動畫進行制作與調整，以期達到預設的動畫呈現效果。⑤基于學生反饋與教學效果，對制作好的微課視頻進行評估，根據評估結果進行微課設計的校正與完善，最終作為線上教學資源供開放課堂教學使用。

圖1 微課設計流程圖

（二） 知識點拆解與微課框架構建

根據前述微課設計流程，在明確教學內容，并剖析教學重、難點的基礎上，對知識點進行拆解重構，針對具體講解內容，確定相應的講授方法，如類比、推演、關聯、舉例等，并據此構想微課動畫的呈現與表達形式。以“生活垃圾填埋處置”章節為例，該章節為環境工程專業固體廢物處理處置課程的重要章節，通過本節內容的學習，學生應在了解相關工程應用背景的基礎上，熟悉填埋處置技術的基本原理與相應的污染防治措施。

如表1 所示，章節中三個知識點及其微課制作與呈現過程如下：

①工程應用背景：構建虛擬教學環境，以數字人物替代真實人物，通過動畫模擬與數據動態顯示的方式講解填埋處置技術的應用現狀與優缺點。引入全國矢量地圖素材，直觀展現近10 年來填埋技術在我國各省、市、自治區生活垃圾無害化處置過程中所發揮的作用，從而使學生在掌握相關概念和原理之前，能夠明確填埋處置技術的工程應用地位和地域分布規律，了解其實際工程需求、適用范圍，以及未來發展趨勢。

與課堂教學接合：該知識點微課視頻的制作能夠使學生宏觀把握所學知識的實際工程應用情況，線下教學過程中作為“引子”代入課堂，為課堂教學過程中相應知識點的講授提供背景介紹。使學生知道自己在接下來的章節中要學什么？為什么學？所學技術將來能干什么？

②污染危害（重點）：建立動畫仿真模型，動態模擬10～20 年間填埋處置過程中滲濾液的來源、產生量、組成與污染物特性等隨時間的變化情況，剪輯插入滲濾液采集及其中污染物分析檢測的視頻文件，加強實物感官認識的同時，增加水樣采集與實驗室環境化學分析的教學環節。通過實例分析講解污染危害，以坐標數據的動態變化呈現污染物含量差異，使學生明確滲濾液造成人體健康和地下環境介質污染的原因與途徑。所有數據均在畫面右上角標注參考文獻和來源，使學生能夠追溯原始數據，端正嚴謹的科學態度。

與課堂教學接合：該知識點微課視頻的制作能夠使學生從感官和認知上直觀明了的掌握一個長期的、動態的、復雜的環境污染過程，從而改善了傳統課堂授課時只能通過語言描述，依靠學生自己想象來復盤污染過程的情況。通過滲濾液樣品采集和實驗室實操環節的視頻剪輯與切換，為微課支持下“翻轉課堂”的師生交互式教學，以及后續實踐教學課程的開展奠定基礎。因此，實際線下教學過程中該微課視頻作為直接信息傳遞的方式代入課堂，為課堂教學過程中相應知識點的講授提供語言之外的感官素材，使學生知道污染危害的源起、變化和潛在結果。

③污染防治（難點）：由于填埋處置場防滲系統位于地下，其污染防治機理與系統結構均較復雜，直給的教學方式不能實現教學內容的形象化與直觀體現，因此，微課中設計利用動畫層層剝離的方式，形象直觀地展示了填埋區縱向剖面構造，并采用動態連續推演的手段，對最核心的防滲部分進行材料上的分類說明，以及系統組成上的解構處理。

與課堂教學接合：實際線下教學過程中該微課視頻以問題討論的方式代入課堂，通過拋出“如何減少滲濾液對地下環境介質污染？”“什么材料可以作為成本低廉的防滲構件？”等問題，引發學生對相關知識點的思考，充分激發學生面對實際環境污染問題時，以污染防治和改善環境質量為導向的工程師思考模式。該知識點微課視頻的制作能夠使學生對大規模地下施工的污染防治工程有一個化繁為簡的概念模型的掌握，從而為課堂上充分的師生互動騰出更多時間，為問題的提出、討論、引申和推演提供更深入的可能，最終使學生明確了環保項目中因下滲造成地下環境介質污染等一系列問題的工程通用類解決方式。

反復播放并修改微課視頻，對預期呈現的動畫效果進行適當調整，最后，將制作完成的動畫微課視頻應用于固體廢物處理與處置課程教學，通過電腦和手機終端推送線上教學資源。

三 微課教學調查與分析

為進一步了解授課效果以及學生對教學內容的掌握情況，針對開設相關課程的大三年級環境工程專業學生設計調查問卷，從學生角度反饋教學效果，追溯微課的設計與應用問題。如表2 所示，由收回的97 份調查問卷可知，受訪對象中近91% 的學生能夠較好接受動畫視頻講解知識點的授課教學方式，僅有約9%的學生持無所謂或不接受的態度。與傳統課堂授課方式相比，86%的學生認為微課更能夠提起自己對專業課程的學習興趣，且82%的學生希望將這種授課方式也推廣至其他環境工程專業課程的教學。但是，在授課內容方面，受訪學生認為，將微課用于基本理論知識、工程案例分析與知識點歸納總結會更有效，而習題講解則更適合于傳統課堂講授。因此，77%的學生認為在將傳統課堂與微課相結合的教學模式中，微課占比不超過40%較為合適。由此可見，環境工程專業學生對于微課的接受程度較高，基于微課的高效課堂教學改革具有進一步應用實踐的學生基礎。

表2 學生對于微課學習效果的反饋情況

在觀看微課視頻后，86%的學生認為學習效率得到大幅提高，表示自己能夠掌握其中60%以上內容的學生占75%，而7%的學生僅能夠掌握全部知識量的20%～40%。針對微課視頻的設計與制作，有68%的學生建議時長維持在8 分鐘較為合適，否則注意力會下降影響學習效果。對于以動畫為主的微課視頻，61%的學生認為老師出鏡的必要性可以適當降低，88%的學生認為這種活潑幽默的動畫設計并不會分散注意力，反而更能夠提高關注度。但是，在受訪學生中，近21%的觀后體驗都提到旁白講解語速較快，說明微課內容設計偏多，需要在微課制作過程中適當減少知識點數量，或統籌調配確保教學內容的平衡。

四 微課設計與制作建議

建立微課教學資源是環境工程專業學科特色以及教育信息化快速發展的必然導向，是專業課程教學方式發生自適應性改變的必然趨勢，也是“卓越計劃”對高素質、創新型工程人才培養的必然要求。鑒于此，本文針對微課設計與制作提出如下建議：

1.鑒于環境工程專業學生對微課教學形式表現出較高的興趣和接納度，建議在專業學科建設層面，開展基于微課教學資源的高效課堂教學改革與實踐，在激發學生專業興趣的基礎上，培養學生自主學習能力與實踐創新意識，推動學生全面發展。

2.提高學生在微課設計過程中的參與度，根據學生反饋及時調整知識點拆解、整合方式，開發并運用多種設計軟件與工具，提高微課內容與呈現形式的個性化、靈活性與多元化，進一步強化微課的高效授課性與高度吸引性。

3.鑒于環境工程專業三位一體的教學特色，將微課與理論教學、實驗教學和實踐教學相互結合，把握好微課與課堂教學在教學內容上的分工，明確微課作為教學手段在整個專業人才培養過程中的地位，避免出現增加學生課外學習負擔、降低課上學習效率等違背教學改革初衷的負面影響。