力學(xué)課程學(xué)習資源信息化的構(gòu)建與實踐研究

湯帥，李延君?，劉一澤

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

由教育部印發(fā)的《教育信息化中長期發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》和《教育信息化“十四五”規(guī)劃》，明確表示推進建設(shè)信息化高等教育體系，為國家教育信息化指明發(fā)展方向，從而推進教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型[1]。在科技的飛速發(fā)展下，計算機、互聯(lián)網(wǎng)不斷影響著我們的學(xué)習和工作生活，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)已經(jīng)滿足不了新時代大學(xué)生的學(xué)習需求：黑板教育難以表達抽象概念，文字描述難以解釋復(fù)雜過程。因疫情肆虐，新型網(wǎng)絡(luò)教育方式受學(xué)校廣泛應(yīng)用，線上教學(xué)逐漸映入人們眼簾。伴隨線上教學(xué)的深入發(fā)展，人們將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)之中，使得傳授和學(xué)習知識的過程更加多樣化，未來信息化教學(xué)必將是高等教育創(chuàng)新體系中不可或缺的一環(huán)[2]。

1 力學(xué)課程學(xué)習資源信息化建設(shè)發(fā)展趨勢分析

1.1 背景

在人類社會已逐步由工業(yè)時代邁入信息化時代的大背景下，互聯(lián)網(wǎng)在多方面對人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生翻天覆地的改變，同時也推進了教育事業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型[2]。2018年4月教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》，著重強調(diào)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(xué)校以“停課不停學(xué)”為口號將教育的載體由課堂轉(zhuǎn)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(xué)在各學(xué)校取得不錯的教學(xué)效果，其原因一方面是由于信息化教學(xué)相較于傳統(tǒng)教學(xué)具有較大優(yōu)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(lián)網(wǎng)時代的原住民，具有較高的網(wǎng)絡(luò)信息學(xué)習能力和接受能力。

1.2 傳統(tǒng)教學(xué)和信息化教學(xué)的利與弊

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

相比于傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，信息化教學(xué)具有更多的優(yōu)勢，從根本來說，教育信息化是通過現(xiàn)代化信息手段將圖片、動漫、視頻等多種表達和呈現(xiàn)方法相結(jié)合，以現(xiàn)代化教學(xué)理念為指導(dǎo)、信息技術(shù)為支撐，從而達成更有效、更深的教學(xué)效果。在學(xué)習資源方面，線上教育平臺可承載題庫、視頻等大量信息數(shù)據(jù)，學(xué)生可擁有比紙質(zhì)書目更多的渠道去獲取知識。在學(xué)生學(xué)習興趣方面，信息化教學(xué)主要將各種視頻、動畫等多種教學(xué)呈現(xiàn)方式融入枯燥乏味的文字表述中去，學(xué)生突破傳統(tǒng)書本教學(xué)的限制而激發(fā)課程學(xué)習興趣。在時間和空間方面，信息化教育相對于傳統(tǒng)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(xué)習。在教學(xué)方式方面，信息化教育主要以學(xué)生為主導(dǎo)地位開展一系列教育活動，學(xué)習不再是教師的耳提面命和學(xué)生的被動接受，更是需要學(xué)生自覺地去尋找資源學(xué)習。

其中，力學(xué)教育在融入各種信息化教學(xué)手段的情況下教學(xué)效果產(chǎn)生出乎意料的質(zhì)變。眾所周知的是，力學(xué)課程是眾多工科專業(yè)的基礎(chǔ)課程，其要求邏輯推理能力、抽象思維能力、數(shù)學(xué)計算能力較強，其原因主要如下：第一，力學(xué)解析需要學(xué)生對整體知識有著系統(tǒng)地掌握，力學(xué)的每一個知識部分并不是獨立的，各個部分彼此之間環(huán)環(huán)相扣。一旦涉及力學(xué)問題的綜合性分析，只有擁有嚴密系統(tǒng)的邏輯推理能力，才能對問題有著根本的把控。第二，力學(xué)問題往往是現(xiàn)實物件受力分析的抽象和轉(zhuǎn)換，桿件構(gòu)成具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)性，需要學(xué)生自主思考，抽象化想象物體的幾何構(gòu)成和運動情況，這必然要求一定的抽象思維。第三，力學(xué)問題的計算是整個力學(xué)問題分析中的最后一步，數(shù)學(xué)計算需要用到高等數(shù)學(xué)中的積分計算，同時未知數(shù)多、代數(shù)計算復(fù)雜、方程組個數(shù)較多，需要學(xué)生靈活和精準計算。然而，傳統(tǒng)教學(xué)的紙質(zhì)教材和黑板講解中，文字解釋難以闡述力學(xué)構(gòu)件的動態(tài)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(nèi)部的受力狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)，語言表述難以構(gòu)建復(fù)雜的知識系統(tǒng)，所以力學(xué)課程的特殊性致使傳統(tǒng)課堂教學(xué)的效率較低、學(xué)生掌握和應(yīng)用知識效果差。所以可通過合理而完善的力學(xué)資源信息化建設(shè)改善以上傳統(tǒng)力學(xué)教學(xué)的弊端。

2 力學(xué)課程學(xué)習資源信息化構(gòu)建方案與實踐研究

2.1 力學(xué)課程學(xué)習資源信息化理念

力學(xué)課程學(xué)習資源信息化通過圖片、動畫、視頻構(gòu)建相較于傳統(tǒng)課堂教學(xué)更有效的學(xué)習資源庫，信息化學(xué)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(shù)、BIM技術(shù)，最后通過二維碼的鏈接效果穿插至書本對應(yīng)各處[5]。其對教師而言，信息化教學(xué)的建設(shè)可以有效地解決傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)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(zhuǎn)為形象的信息化技術(shù)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(xué)能力、豐富教學(xué)手段。對學(xué)生而言，信息化教學(xué)可以幫助解決在分析力學(xué)問題中所遇到的思維障礙，將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)模型和煩瑣的公式推導(dǎo)以更容易理解和接受的方式呈現(xiàn)，提高學(xué)生力學(xué)分析和運用能力，在學(xué)習專業(yè)課之前打下堅實牢固的基礎(chǔ)，并且增添了學(xué)習過程中的樂趣，擺脫了傳統(tǒng)教學(xué)的枯燥乏味。更重要的是，學(xué)生在學(xué)習時擺脫了時間空間的條件限制，不再是融入班級學(xué)習而是以個體為單位開展學(xué)習活動。在整個教學(xué)周期中學(xué)生可根據(jù)自身知識點掌握的薄弱程度主動學(xué)習，進而減少知識攝取的重復(fù)性以提高學(xué)習效率。

2.2 力學(xué)課程學(xué)習資源信息化構(gòu)建方案

如圖1的力學(xué)課程學(xué)習資源構(gòu)建方案，通過三個主要途徑——視頻講解、動畫技術(shù)、BIM 技術(shù)互相支撐，以BIM技術(shù)的三維受力分析，展示物體內(nèi)部特征；再以動畫展現(xiàn)物體的動態(tài)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(yīng)知識點，方便學(xué)生尋找。此過程不僅響應(yīng)了教育部信息化教學(xué)的口號，也在一定程度上提高了教師和學(xué)生的能力[6]。

圖1 力學(xué)課程資源信息化構(gòu)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(xué)實驗操作視頻和大學(xué)物理課程視頻，材料力學(xué)的五個經(jīng)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(shù)測定；薄壁圓筒彎、扭組合變形應(yīng)力測定；低碳鋼、鑄鐵扭轉(zhuǎn)；梁彎曲正應(yīng)力測定。與理論教學(xué)的側(cè)重點不同的是，實驗操作更能對學(xué)生進行觀察能力、動手能力和探索能力的培養(yǎng)。但如今實驗教學(xué)的效果卻不盡如人意，學(xué)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(shù)據(jù)，完全偏離了實驗教學(xué)的培養(yǎng)目的。大多數(shù)學(xué)生往往缺少對實驗的思考和質(zhì)疑，歸根結(jié)底的原因是學(xué)生對實驗原理不理解。因而材料力學(xué)的實操視頻可以呈現(xiàn)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(xué)中為了讓學(xué)生了解力偶對于物體的轉(zhuǎn)動效果，大多數(shù)學(xué)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(zhuǎn)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(xué)生。相對于傳統(tǒng)教學(xué)中，在案例講解中融入基本原理方法更容易使學(xué)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(yǎng)學(xué)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(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的工程直覺，為以后就業(yè)工作打下一定的基礎(chǔ)。

2.2.2 動畫應(yīng)用模塊

動畫應(yīng)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(xué)教學(xué)。在實際的力學(xué)課堂與線上教學(xué)過程中，F(xiàn)lash 制作的教學(xué)動畫可輕易描述復(fù)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(xué)融入教學(xué)之中，可極大地改善教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習效果。

2.2.3 BIM技術(shù)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(shù)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(shù)據(jù)庫。BIM技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)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(yù)覽有著極大優(yōu)越性，使得它具有遠超于其他大多數(shù)建模軟件的前景空間。

為培養(yǎng)應(yīng)用型高校專門的工程類技術(shù)職業(yè)人才，在力學(xué)課程的教學(xué)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(xué)知識理解方面，BIM 技術(shù)可通過三維虛擬仿真的模型清晰地呈現(xiàn)物體內(nèi)部受力狀態(tài)，直觀了解桿件等結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力狀態(tài)，給學(xué)生一種如臨其境的臨近感受，幫助學(xué)生理解抽象的力學(xué)模型；在知識實踐應(yīng)用方面，可提高學(xué)生的軟件建模能力和設(shè)計能力，為以后設(shè)計行業(yè)的就業(yè)和工作提供一定的基礎(chǔ)。

2.2.4 二維碼技術(shù)應(yīng)用

學(xué)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(shù)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(shù)，因其便捷性受到廣泛推廣使用。將二維碼技術(shù)和信息化教學(xué)有機結(jié)合起來，不僅可以節(jié)省學(xué)生尋找資源的時間，更可以精確地找到高質(zhì)量學(xué)習資源，將信息化教學(xué)代入一個全新的高度。

3 力學(xué)課程學(xué)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(zhuǎn)軸相連接并與一端固定，在右端轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的同時帶動左轉(zhuǎn)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(xiàn)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(yīng)用。該過程是將模型深化到現(xiàn)實中的應(yīng)用，讓學(xué)生感受力學(xué)知識理論到現(xiàn)實的聯(lián)系，幫助學(xué)生理解理論力學(xué)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(xué)課程學(xué)習資源信息化教學(xué)過程中，其從多角度對學(xué)生、教師、課程、院系產(chǎn)生一定影響。學(xué)生層面上，學(xué)生通過信息化教學(xué)資源不斷豐富自己的學(xué)習能力，從案例視頻和實驗步驟原理解析的角度出發(fā)，為以后在工程實踐或?qū)I(yè)研究方面提供有利的工程思維方式。從學(xué)生的獲獎情況來說，在院系舉辦的多種力學(xué)類和專業(yè)類競賽中，學(xué)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(xué)資源的構(gòu)建者和教學(xué)使用者，學(xué)生是信息化教學(xué)的接收者。在教師構(gòu)建信息化學(xué)習資源的過程中，這種經(jīng)歷和實踐豐富且提高了教師信息化教學(xué)能力。首先，信息化教學(xué)資源的建立基礎(chǔ)就是擁有一定的網(wǎng)絡(luò)資源，網(wǎng)絡(luò)資源包括各種信息化教育視頻，因此需要教師提升尋找網(wǎng)絡(luò)資源的搜索能力。其次，在現(xiàn)有資源的條件下，需要在此基礎(chǔ)上進行資源創(chuàng)新和整合，強調(diào)了教師對知識體系的理解，從而豐富信息化技術(shù)手段，提高了教師的教學(xué)能力。再次，線上教學(xué)和線下教學(xué)給教師的教學(xué)感受是有區(qū)別的，線上教學(xué)過程中教師和學(xué)生缺少表情和語言的接觸，教師更難把控教學(xué)內(nèi)容的難重點進而分配教學(xué)時間，所以教師要擁有一定的在線教學(xué)能力以便面對電腦設(shè)備講課時依然把控節(jié)奏。最后，構(gòu)建完整的信息化教學(xué)資源，需要對整體的網(wǎng)絡(luò)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(xué)線上課程建設(shè)不斷有質(zhì)的飛躍。在院校未擁有線上課程之前，學(xué)校教學(xué)方式屬于傳統(tǒng)教學(xué)方式，但在長達幾年的建設(shè)過程中，學(xué)校擁有了一套完善的線上教學(xué)體系。在2009年至2021年中，學(xué)校力學(xué)課程不斷被評為優(yōu)秀課、精品課，力學(xué)的在線課程不僅被數(shù)八千名學(xué)生選修，也被多所院校使用。

對院校而言，信息化教學(xué)產(chǎn)物為院校培養(yǎng)學(xué)生良好的力學(xué)思維習慣。從學(xué)生參與競賽情況上看，學(xué)生參與專業(yè)競賽人數(shù)逐年增多，獲獎的等級也越來越高。以學(xué)校土木工程學(xué)院為主導(dǎo)的大學(xué)生學(xué)科競賽也因此建立了完善的大學(xué)生競賽體系，如圖4，全國大學(xué)生周培源力學(xué)競賽作為各個專業(yè)競賽的基礎(chǔ)，以全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽為延伸，打造屬于各個二級學(xué)科的本專業(yè)競賽。

圖4 學(xué)校土木工程學(xué)院競賽結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

在如今的教育背景下，信息化教育是人才培養(yǎng)手段中更濃墨重彩的一筆，如何將信息化教學(xué)融入國家應(yīng)用型人才教學(xué)培養(yǎng)中是需要不斷探索和研究的。同時，教師也需要著重培養(yǎng)自己的信息化能力，學(xué)生也必須要擺脫學(xué)校家長教師的束縛，在順應(yīng)時代潮流下，也積極融入與之相應(yīng)的教學(xué)環(huán)境，不斷探索、勇于發(fā)現(xiàn)教育體系中的創(chuàng)新點，充分利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢和便攜，促進現(xiàn)代教育的發(fā)展。