微課程在工程力學實驗教學中的應用

楊少紅， 吳 菁

(海軍工程大學 理學院，湖北 武漢 430033)

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微課程在工程力學實驗教學中的應用

楊少紅， 吳 菁

(海軍工程大學 理學院，湖北 武漢 430033)

工程力學實驗對學員能力培養非常重要，采用微課程能很好解決實驗教學中面臨的學員多、教員少、教學效果差等突出問題。基于ADDIE模型，將實驗教學過程分成分析、設計、開發、實施、評價五個階段，開發制作了6個工程力學實驗微課程視頻，成為學員在線觀察力學現象、熟悉儀器使用、了解材料性能、鞏固力學規律的新型教學資源。同時指出PPT、視頻和音頻設計過程中的注意事項，為微課程的教學設計提供了參考。該微課程在工程力學實驗教學的應用，激發了學員學習積極性，提高了實驗教學效果。

微課程； 實驗教學； 教學設計； ADDIE 模型

0 引 言

近年來，部隊院校教育轉型對高素質人才的培養提出了更高的要求，更加強調學員的個性化培養及實踐能力的培養。這就要求我們要積極營造有利于學員自主學習、有利于學員個性化培養、有利于加強學員實踐能力的氛圍和條件。“工程力學”是一門理論性和實踐性較強的專業基礎課程。其中，很多理論的創立都是建立在實驗結果的基礎上，很多假設和推導出的公式，必須通過實驗來驗證[1]。工程力學實驗就是為“工程力學”課程配套開設的，成為對學員進行全面素質教育和能力培養的有利平臺[2]。

經過幾年的實踐證明，當前我校的工程力學實驗教學還存在一些問題。①上工程力學實驗課的學員人數增加了1/3，而實驗設備有限，儀器設備與實驗需求的矛盾日益突出，部分學員不能親自動手完成每個實驗項目；②實驗課的內容比較瑣碎，像實驗原理、實驗步驟、儀器操作、數據處理、注意事項、思考題等知識點如果學員在實驗前沒有很好了解，而要在實驗課上從教員那里一股腦接收，難免會大打折扣，做起實驗來顧此失彼，影響實驗完成效果；③課堂上“教員講授—學員練習”的方式難以滿足學習者的需求，也縮短了學員實際操作實驗的時間；④現有的教學資源缺乏且表現形式較為單一，理論講解、操作示范枯燥無味等。以上諸多因素嚴重削弱了學員的上課積極性，對工程力學的實驗教學產生了巨大沖擊。

在工程力學實驗教學中采用微課程能很好解決這些問題。微課程是指按照課程標準及實踐教學要求，以教學視頻為主要載體，以在線學習或移動學習為目的的教學內容，一般5～10 min，突出主要知識點的概念、主題和活動，引導學習者利用網絡工具，根據所提供的資源，掌握自己需要的知識[3～9]。這能夠提高學員學習動力，減少教員講授時間，增加實驗效率。

1 基于ADDIE模型的工程力學微課程教學設計

工程力學實驗微課程的設計基于ADDIE 模型，制作流程如圖1所示。ADDIE 模型作為最為經典的教學設計模型之一，把整個教學系統設計過程分為分析(Analysis)、設計(Design)、開發(Development)、實施(Implement)、評價(Evaluation)五個階段，每個階段有具體的任務，環環相扣，形成一個有機整體[10～13]。按照《工程力學實驗課程標準》，我們制作了6個微課程視頻，即金屬材料的拉伸實驗，金屬材料的壓縮實驗，金屬材料的扭轉實驗，理論力學創新演示實驗，純彎曲梁的正應力測定，壓桿穩定實驗。項目的選擇覆蓋典型的工程力學實驗必做項目，下面對教學設計過程進行詳細的闡述。

圖1 工程力學實驗微課程制作流程

1.1 分析階段

(1) 學習需求分析。微課程設計的原則之一就是以學習者為中心，因此微課程的設計模式以“學”為中心。工程力學實驗是對學員進行全面的素質教育和能力培養的有利平臺，對培養學員科學思維、創新能力和解決工程實際問題的能力都具有重要作用，它為學員從事武器裝備一線工作，奠定了基礎。以金屬材料的拉伸實驗微課程為例，其重點是掌握測試材料力學性能的基本方法，難點是分析典型塑性材料(低碳鋼)和典型脆性材料(鑄鐵)在拉伸和壓縮時的力學性能。

(2) 學習者特征分析。微課程是一種學習資源，它的學習對象就是學習者。本次實驗微課程的授課對象是大學二年級的本科學員，基礎較好，思維活躍，創新意識強。

(3) 學習內容分析。根據學習需求分析的結果，即微課程要講授的知識點來確定圍繞知識點要講授的學習內容。實驗教材采用的是自編的“工程力學實驗指導書”，這是特別針對我校工程力學實驗課而編寫的集基本理論和實操為一體的實驗指導性教材。教材中涉及的實驗設備，方法等均為我校實驗課堂教學選用的設備與方案，具有較強的針對性。通過本次課的學習，掌握材料力學性能最基本的測試方法，理解性能參數的含義，并為后續課程關于“強度概念”奠定基礎。學習形式包括問題引入、課堂講授、實際操作(分小組)、觀察現象、小組討論等，逐步遞階解決實際問題。學習結果是使學員在現場操作訓練過程中理解抽象理論，完成理論與實驗的有效結合，從而培養員的創新意識和提高學員的動手能力。

(4) 資源和約束條件分析。包括時間，人員，工具，輔助資源等。根據我校學員的特點和認知規律，并結合微課程的特點，微課程設計正常時長是5～8 min，一般不要超過10 min，使每一個微課程承載的是一個具體的實驗內容，便于學員更快速、更容易的吸收與消化所學知識。以金屬材料的拉伸實驗微課程為例，學員首先在校園網上利用工程力學實驗多媒體教材預習、觀看視頻，然后在信息集成化的材料力學性能測試實驗室動手完成實驗，最后在教室里完成實驗報告。輔助學習資源還包括工程力學實驗課件，教具，案例庫，多媒體教材，網絡課程視頻等。

1.2 設計階段

(1) 確定教學目標。通過工程力學實驗，培養學員具備根據實際工程和海軍裝備等問題建立力學模型的能力；培養學員具備思維創新的能力；培養學員具備運用數學工具的計算分析能力；培養學員具備一定的動手能力。以金屬材料的拉伸實驗微課程為例，教學目標定為：①專業能力目標，學會測定低碳鋼拉伸時的屈服極限σs、強度極限σb，延伸率δ、斷面收縮率Ψ和鑄鐵拉伸時的強度極限σb，觀察兩種材料在拉伸時的變形及破壞現象，并繪制拉伸圖；②方法能力目標，掌握材料性能測試的方法，學會使用電子萬能試驗機，并利用信息化處理方式處理實驗數據；③社會能力目標，培養學員認真參與、積極交流、勇于糾錯和團結協作的主體意識，形成自我學習的能力。

(2) 制定教學策略。教學策略包括根據所選知識點確定如何組織教學內容，如何用最短的時間取得最好的教學效果，運用何種媒體和手段將知識有效傳遞給學習者的方法。整個實驗微課程的策略包括四步：①課前預習，學員通過大學校園網內工程力學實驗多媒體教材配套的網絡課程和教學視頻，強化已學知識的理解和新學知識的預習，為課堂教學奠定基礎；②課堂引入，通過多媒體教學，營造人文故事氛圍，創新性的切入點讓學員了解材料力學性能的重要意義；③課內理實一體化，結合基本理論的講解，將學員按組劃分，自主完成實驗操作，得到各項材料性能參數，完成核心知識點的學習；④課后交流，通過校園網工程力學多媒體教材在線提交作業，利用交流平臺在線答疑和討論，及時發現問題，解決問題。

(3) 安排教學順序。微課程時間短、效率高，在有限的時間內教員先講什么，再講什么，如何結尾是重點解決的問題。以金屬材料的拉伸實驗微課程為例。首先是設置問題，明確目標。設置問題：如果劉備的雙股劍遇上越王的勾踐劍，兩劍交鋒，誰更厲害呢？這樣的跨越時空的問題引發學員的討論和興趣。而如何選擇材料必須首先了解材料在使用過程中表現出來的力學性能。然后開始實際操作，觀察現象。采用集成化的電子萬能實驗機的操作演示和實際操作，讓學員真實地觀察材料破壞和變形現象，了解典型塑性材料低碳鋼和典型脆性材料鑄鐵在拉伸和壓縮時的力學性能，掌握基本的測試方法。接著進行分組討論，通過圖片展示比較兩種材料的破壞模式，掌握分析問題—發現問題—解決問題的能力。最后是課程小結，布置作業，完成實驗報告，鞏固課堂知識點。

(4) 設計輔助資源。工程力學實驗微課程需要的輔助資源包括高質量的PPT課件、電子教案、測試題、網絡資源等。測試題形式可以多樣化，如需要學員進一步思考的問題，針對知識點的輔助練習題等。網絡資源主要是采用工程力學實驗多媒體教材，為學員提供一個熟悉儀器使用、了解材料性能、鞏固力學規律的遠程教學網絡平臺。

(5) 確定制作工具。能夠支持微課程的制作工具很多，按照不同的表現形式選擇不同的微課程制作工具。根據實驗教學的特殊性，我們采用攝影棚真人錄像、實驗室實操錄像和錄屏三種形式制作視頻，并應用會聲會影進行編輯。

1.3 開發階段

開發階段是微課程制作的核心階段，其主要步驟包括多媒體課件制作、開發課程腳本、編制測試題、開發微課程。①根據六個微課程內容制作了精良的PPT課件。該PPT課件包括實驗目的、實驗設備、實驗原理、實驗步驟、教學錄像、注意事項、數據處理、思考練習等，并綜合利用動畫、圖片及錄像，從多個角度對實驗教學內容進行充分闡述，視頻中還包括力學原理和趣味性強的工程應用實例，既用于幫助學員理解一些重要的力學規律，也可以激發學員的實驗熱情。該課件具有較好的邏輯結構，具備基本封面頁、教學目標頁、內容頁、結束頁，具備適當的交互和動畫部分，啟發學員思考。②開發課程腳本。一堂課如何開始、如何導入、什么時候提問、什么時候互動、什么時候抖個小“包袱”、如何穿插一些與實驗教學有關的趣味性的例子、在學員注意力下降的時候如何調動情緒等，這些就像一個個分鏡頭，都應體現在教員講課的腳本中，輔助教員更好地講授教學內容和演示具體過程，確保較好的教學效果。③分段錄制視頻。設計以及輔助資源的開發，確保了微課程的順利錄制。具體流程如下：根據拍攝腳本，利用高清攝像機完成實驗室實操錄像，記錄整個操作過程；利用錄屏軟件完成試驗機操作軟件和實驗曲線的錄制；在攝影棚完成教員的PPT授課錄像。④開發微課程。利用用會聲會影軟件對三種形式的視頻進行后期剪輯，對“操作重點”“注意事項”“題頭字幕”等需要著重強調的內容配以字幕補充微課程內容，配音人員可根據拍攝腳本為視頻補充配音，每個實驗制作完成5～10 min的微課程視頻。

1.4 實施階段

工程力學實驗微課程是基于學校資源、教員能力與學員興趣，以主題模塊組織起來的相對獨立與完整的小規模實驗課程，成為學員在線觀察力學現象、熟悉儀器使用、了解材料性能、鞏固力學規律的新型教學資源。我們將設計好的微課程首先發給從事力學研究和教學工作的同行觀看，請他們提出建議并給予指導，根據他們的建議及時修改并完善微課程；然后，將修改后的微課程通過微信公眾平臺推送給學員，并上傳至學校公共的學習資源平臺上，學員通過自己的移動設備或者校園網終端學習。每個微課以一個實驗的教學視頻片段為主線“統領”教學設計，課堂教學時使用到的多媒體素材和課件、教員課后的教學反思、學員的反饋意見及學科專家的文字點評等相關教學資源，構成了一個主題鮮明、類型多樣、結構緊湊的主題單元資源包，營造了一個真實的微教學資源環境。

1.5 評價階段

對一門課程的評價主要是看是否達到了教學目標。同樣的，對工程力學實驗微課程的評價主要是看課程中設計的內容能否滿足學員的需要，解決重難點問題的效果如何。在錄制完微課程之后，先要進行自我評價，發現問題，修改完善。然后根據專家的建議，再次修改微課程。在微課程上傳至網絡推廣使用之前，先在一個小范圍內進行試用，主要是通過訪談的形式進行的，教員通過學員觀看課程的表情，簡單訪談，提出修改意見，逐步讓微課程臻于完美。但是評價并沒有結束，要將微課程上傳至公共學習資源平臺，讓更多的網絡學習者評價微課程，吸收接納學習者的建議，在以后版本更新時再改進提高，最終構建出內容豐富、使用方便、性能穩定的實驗微課程視頻。

2 微課程設計需要注意的要點

2.1 PPT設計

PPT課件設計制作是微課程開發的重要技能。在微課程制作過程中，PPT的制作質量在很大程度上決定了微課程最終的質量，因此要充分重視PPT的制作[14]。①要理清設計思路，合理構建課件結構。課件的整體框架如何構建，章節之間如何過渡，哪些教學內容需要精簡，哪些地方需要添加動畫演示等。課件要內容豐富，層次結構清晰，這樣學員才能在整個教學過程中把握教學的整體思路。②文字設計要簡潔，色彩搭配協調。文字是教學信息呈現的主體元素，是教員傳遞教學內容的主要載體，也是學員獲取知識的重要來源。文字的設計要簡明扼要，突出重難點，主要起到強調和提示的作用，有利于學員的記憶。色彩搭配總體要協調，局部對比要強烈。好的配色不僅能給學員愉悅的感受，提起學員的學習興趣，還能幫助學員區分重點。③版面布局要合理，圖片、圖表生動形象。將文字、圖片、圖形等可視化信息元素在版面上調整位置、大小，使版面布局條理清晰合理。在課件中使用圖片、圖表可以使講解的內容更加形象、具體，好的圖片勝過千言萬語。常說的“百聞不如一見”“文不如表，表不如圖”就是這個道理。盡量使用精美的圖片來修飾課件，讓其真正起到錦上添花、畫龍點睛的作用。④要采用寬屏顯示。現在的寬屏顯示環境為16∶9，更符合人類視覺審美，而且與主流攝像機的高清拍攝模式相匹配，還能顯示更多內容。在16∶9的寬屏畫面里，可以實現兩畫面甚至多畫面的同步演示，如目錄和內容的同步變換，導航、觀點、解釋和論據都能夠在畫面有層次擺放，而且不顯得擁堵。

2.2 視頻設計

微課程通常采用真人拍攝，要求授課教員對著攝像機鏡頭講授，這一方式很容易抓住學習者的注意力，形成一對一授課的親切感覺[15]。教員站在交互式電子白板或者演播室的藍布前講解，后期制作中再把幻燈片的授課內容、圖片資源、動畫資源及與主題相關的視頻加到教員出鏡拍攝的微課程視頻當中，形成精彩的畫面呈現在學員面前。真人拍攝型微課程與實際的課堂教學既有相似之處，也有很大的不同，需要注意以下事項。①課堂態勢語表現要恰當。在課堂錄制時，教員要熟悉攝像機位的布局安排和導控切換的位置，行走和態勢要在鏡頭的最佳范圍內。教員既不能拘泥于鏡頭范圍而不敢有過多態勢引導，也要考慮攝像機的拍攝范圍和調度的延時。②控制課堂教學節奏。傳統課堂授課由于有教員和紀律的約束，學員的注意力會較容易保持，而微課程視頻很大程度上靠學員的自主學習，因此要把握時間和節奏，通過動作、提問、動畫、圖片、場景切換等將視頻變成有機聯系的情節段落，避免學員長時間觀看引起的視覺疲勞。③與攝像人員的手勢約定及口誤處理。在微課程錄制過程中，與教員事先約定一些突發事件或錯誤提示等手勢信號是必要的，比如錄像開始和結束的手勢、暫停的手勢，以及對口誤發生時的處理等。④導播切換要及時連貫。授課教員、交互式白板、PPT課件及學員的導播切換要緊隨教員的思路，也要考慮觀看者的感受，要盡量符合鏡頭的組接規律。

2.3 音頻設計

在微課程視頻中，除擁有非常優秀的攝影技巧，良好的特效，處理良好的字幕及標題外，還要有精心錄制的音頻。由于真人拍攝型微課程對教員角色要求非常高，在授課過程中可能經常出現音頻停頓或者出現影響拍攝的情況，通常的錄制方法有兩種，一種是對照腳本對著高清攝像機的話筒單獨進行音頻錄制；還有一種是使用電腦進行音頻采集，前者效果通常好于后者。為確保獲得清晰的音頻質量及效果，還需要注意以下方面：①要撰寫好微課程腳本，在短時間內高效率完成微課程音頻的錄制；②恰當使用優質麥克風，錄音時將嘴唇放在麥克風上方3～5 cm處；③控制語速，配音的語音一般要求3～5個詞匯每秒，相對它們的日常語速更慢一些，讓語句盡可能地清晰易懂；④錄制倒計時，保留最后幾秒的計數不發音，使得你在后期編輯的時候有一定的空間。

3 結 語

為了進一步提高工程力學實驗的教學質量，配合網絡化、開放式實驗教學，發揮先進教育手段和教學方法的作用，以我校工程力學實驗課程的層次化、模塊化教學體系為基礎，充分利用師資和教學資源優勢，開發了六個微課程視頻，并應用在工程力學實驗教學中，受到學員的歡迎，得到大學實驗督導的表揚。一年的實踐表明，該實驗微課程激發學員學習積極性，啟發學員的自主學習、自主實踐創造意識，提高了實驗教學效果。

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[15] 蔡 躍．微課程設計與制作教程[M]．上海：華東師范大學出版社，2014．

Application of the Microlecture in the Experimental Teaching of Engineering Mechanics

YANGShao-hong,WUJing

(Science College, Navy University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The engineering mechanics experiment is very important to the students' ability training, the use of microlecture can be very good to solve the outstanding problems in the experimental teaching. Based on the ADDIE model, the instructional design process is divided into five stages of analysis, design, development, implementation and evaluation; As a new type of teaching resource, six engineering mechanics experiment course videos are developed and used to observe online the mechanical phenomena for students, to be familiar with the use of the instrument, to understand the properties of materials and to consolidate the law. At the same time, the paper points out some remarks for design of PPT, and other video and audio matters which may provide the

for microlecture design. The application of the microlecture in the experimental teaching of engineering mechanics can increase the enthusiasm of the college's study, improve the effect of experiment teaching.

microlecture; experimental teaching; instructional design; ADDIE model

2015-10-29

楊少紅(1975-)，男，湖北武漢人，副教授，力學系主任，主要研究復合材料結構力學。

Tel.：027-65460851，18971483166；E-mail:julcy1129@sina.com

G 426；G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0222-05