微课程在工程力学实验教学中的应用

杨少红， 吴 菁

(海军工程大学 理学院，湖北 武汉 430033)



微课程在工程力学实验教学中的应用

杨少红， 吴 菁

(海军工程大学 理学院，湖北 武汉 430033)

工程力学实验对学员能力培养非常重要，采用微课程能很好解决实验教学中面临的学员多、教员少、教学效果差等突出问题。基于ADDIE模型，将实验教学过程分成分析、设计、开发、实施、评价五个阶段，开发制作了6个工程力学实验微课程视频，成为学员在线观察力学现象、熟悉仪器使用、了解材料性能、巩固力学规律的新型教学资源。同时指出PPT、视频和音频设计过程中的注意事项，为微课程的教学设计提供了参考。该微课程在工程力学实验教学的应用，激发了学员学习积极性，提高了实验教学效果。

微课程； 实验教学； 教学设计； ADDIE 模型

0 引 言

近年来，部队院校教育转型对高素质人才的培养提出了更高的要求，更加强调学员的个性化培养及实践能力的培养。这就要求我们要积极营造有利于学员自主学习、有利于学员个性化培养、有利于加强学员实践能力的氛围和条件。“工程力学”是一门理论性和实践性较强的专业基础课程。其中，很多理论的创立都是建立在实验结果的基础上，很多假设和推导出的公式，必须通过实验来验证[1]。工程力学实验就是为“工程力学”课程配套开设的，成为对学员进行全面素质教育和能力培养的有利平台[2]。

经过几年的实践证明，当前我校的工程力学实验教学还存在一些问题。①上工程力学实验课的学员人数增加了1/3，而实验设备有限，仪器设备与实验需求的矛盾日益突出，部分学员不能亲自动手完成每个实验项目；②实验课的内容比较琐碎，像实验原理、实验步骤、仪器操作、数据处理、注意事项、思考题等知识点如果学员在实验前没有很好了解，而要在实验课上从教员那里一股脑接收，难免会大打折扣，做起实验来顾此失彼，影响实验完成效果；③课堂上“教员讲授—学员练习”的方式难以满足学习者的需求，也缩短了学员实际操作实验的时间；④现有的教学资源缺乏且表现形式较为单一，理论讲解、操作示范枯燥无味等。以上诸多因素严重削弱了学员的上课积极性，对工程力学的实验教学产生了巨大冲击。

在工程力学实验教学中采用微课程能很好解决这些问题。微课程是指按照课程标准及实践教学要求，以教学视频为主要载体，以在线学习或移动学习为目的的教学内容，一般5～10 min，突出主要知识点的概念、主题和活动，引导学习者利用网络工具，根据所提供的资源，掌握自己需要的知识[3～9]。这能够提高学员学习动力，减少教员讲授时间，增加实验效率。

1 基于ADDIE模型的工程力学微课程教学设计

工程力学实验微课程的设计基于ADDIE 模型，制作流程如图1所示。ADDIE 模型作为最为经典的教学设计模型之一，把整个教学系统设计过程分为分析(Analysis)、设计(Design)、开发(Development)、实施(Implement)、评价(Evaluation)五个阶段，每个阶段有具体的任务，环环相扣，形成一个有机整体[10～13]。按照《工程力学实验课程标准》，我们制作了6个微课程视频，即金属材料的拉伸实验，金属材料的压缩实验，金属材料的扭转实验，理论力学创新演示实验，纯弯曲梁的正应力测定，压杆稳定实验。项目的选择覆盖典型的工程力学实验必做项目，下面对教学设计过程进行详细的阐述。

图1 工程力学实验微课程制作流程

1.1 分析阶段

(1) 学习需求分析。微课程设计的原则之一就是以学习者为中心，因此微课程的设计模式以“学”为中心。工程力学实验是对学员进行全面的素质教育和能力培养的有利平台，对培养学员科学思维、创新能力和解决工程实际问题的能力都具有重要作用，它为学员从事武器装备一线工作，奠定了基础。以金属材料的拉伸实验微课程为例，其重点是掌握测试材料力学性能的基本方法，难点是分析典型塑性材料(低碳钢)和典型脆性材料(铸铁)在拉伸和压缩时的力学性能。

(2) 学习者特征分析。微课程是一种学习资源，它的学习对象就是学习者。本次实验微课程的授课对象是大学二年级的本科学员，基础较好，思维活跃，创新意识强。

(3) 学习内容分析。根据学习需求分析的结果，即微课程要讲授的知识点来确定围绕知识点要讲授的学习内容。实验教材采用的是自编的“工程力学实验指导书”，这是特别针对我校工程力学实验课而编写的集基本理论和实操为一体的实验指导性教材。教材中涉及的实验设备，方法等均为我校实验课堂教学选用的设备与方案，具有较强的针对性。通过本次课的学习，掌握材料力学性能最基本的测试方法，理解性能参数的含义，并为后续课程关于“强度概念”奠定基础。学习形式包括问题引入、课堂讲授、实际操作(分小组)、观察现象、小组讨论等，逐步递阶解决实际问题。学习结果是使学员在现场操作训练过程中理解抽象理论，完成理论与实验的有效结合，从而培养员的创新意识和提高学员的动手能力。

(4) 资源和约束条件分析。包括时间，人员，工具，辅助资源等。根据我校学员的特点和认知规律，并结合微课程的特点，微课程设计正常时长是5～8 min，一般不要超过10 min，使每一个微课程承载的是一个具体的实验内容，便于学员更快速、更容易的吸收与消化所学知识。以金属材料的拉伸实验微课程为例，学员首先在校园网上利用工程力学实验多媒体教材预习、观看视频，然后在信息集成化的材料力学性能测试实验室动手完成实验，最后在教室里完成实验报告。辅助学习资源还包括工程力学实验课件，教具，案例库，多媒体教材，网络课程视频等。

1.2 设计阶段

(1) 确定教学目标。通过工程力学实验，培养学员具备根据实际工程和海军装备等问题建立力学模型的能力；培养学员具备思维创新的能力；培养学员具备运用数学工具的计算分析能力；培养学员具备一定的动手能力。以金属材料的拉伸实验微课程为例，教学目标定为：①专业能力目标，学会测定低碳钢拉伸时的屈服极限σs、强度极限σb，延伸率δ、断面收缩率Ψ和铸铁拉伸时的强度极限σb，观察两种材料在拉伸时的变形及破坏现象，并绘制拉伸图；②方法能力目标，掌握材料性能测试的方法，学会使用电子万能试验机，并利用信息化处理方式处理实验数据；③社会能力目标，培养学员认真参与、积极交流、勇于纠错和团结协作的主体意识，形成自我学习的能力。

(2) 制定教学策略。教学策略包括根据所选知识点确定如何组织教学内容，如何用最短的时间取得最好的教学效果，运用何种媒体和手段将知识有效传递给学习者的方法。整个实验微课程的策略包括四步：①课前预习，学员通过大学校园网内工程力学实验多媒体教材配套的网络课程和教学视频，强化已学知识的理解和新学知识的预习，为课堂教学奠定基础；②课堂引入，通过多媒体教学，营造人文故事氛围，创新性的切入点让学员了解材料力学性能的重要意义；③课内理实一体化，结合基本理论的讲解，将学员按组划分，自主完成实验操作，得到各项材料性能参数，完成核心知识点的学习；④课后交流，通过校园网工程力学多媒体教材在线提交作业，利用交流平台在线答疑和讨论，及时发现问题，解决问题。

(3) 安排教学顺序。微课程时间短、效率高，在有限的时间内教员先讲什么，再讲什么，如何结尾是重点解决的问题。以金属材料的拉伸实验微课程为例。首先是设置问题，明确目标。设置问题：如果刘备的双股剑遇上越王的勾践剑，两剑交锋，谁更厉害呢？这样的跨越时空的问题引发学员的讨论和兴趣。而如何选择材料必须首先了解材料在使用过程中表现出来的力学性能。然后开始实际操作，观察现象。采用集成化的电子万能实验机的操作演示和实际操作，让学员真实地观察材料破坏和变形现象，了解典型塑性材料低碳钢和典型脆性材料铸铁在拉伸和压缩时的力学性能，掌握基本的测试方法。接着进行分组讨论，通过图片展示比较两种材料的破坏模式，掌握分析问题—发现问题—解决问题的能力。最后是课程小结，布置作业，完成实验报告，巩固课堂知识点。

(4) 设计辅助资源。工程力学实验微课程需要的辅助资源包括高质量的PPT课件、电子教案、测试题、网络资源等。测试题形式可以多样化，如需要学员进一步思考的问题，针对知识点的辅助练习题等。网络资源主要是采用工程力学实验多媒体教材，为学员提供一个熟悉仪器使用、了解材料性能、巩固力学规律的远程教学网络平台。

(5) 确定制作工具。能够支持微课程的制作工具很多，按照不同的表现形式选择不同的微课程制作工具。根据实验教学的特殊性，我们采用摄影棚真人录像、实验室实操录像和录屏三种形式制作视频，并应用会声会影进行编辑。

1.3 开发阶段

开发阶段是微课程制作的核心阶段，其主要步骤包括多媒体课件制作、开发课程脚本、编制测试题、开发微课程。①根据六个微课程内容制作了精良的PPT课件。该PPT课件包括实验目的、实验设备、实验原理、实验步骤、教学录像、注意事项、数据处理、思考练习等，并综合利用动画、图片及录像，从多个角度对实验教学内容进行充分阐述，视频中还包括力学原理和趣味性强的工程应用实例，既用于帮助学员理解一些重要的力学规律，也可以激发学员的实验热情。该课件具有较好的逻辑结构，具备基本封面页、教学目标页、内容页、结束页，具备适当的交互和动画部分，启发学员思考。②开发课程脚本。一堂课如何开始、如何导入、什么时候提问、什么时候互动、什么时候抖个小“包袱”、如何穿插一些与实验教学有关的趣味性的例子、在学员注意力下降的时候如何调动情绪等，这些就像一个个分镜头，都应体现在教员讲课的脚本中，辅助教员更好地讲授教学内容和演示具体过程，确保较好的教学效果。③分段录制视频。设计以及辅助资源的开发，确保了微课程的顺利录制。具体流程如下：根据拍摄脚本，利用高清摄像机完成实验室实操录像，记录整个操作过程；利用录屏软件完成试验机操作软件和实验曲线的录制；在摄影棚完成教员的PPT授课录像。④开发微课程。利用用会声会影软件对三种形式的视频进行后期剪辑，对“操作重点”“注意事项”“题头字幕”等需要着重强调的内容配以字幕补充微课程内容，配音人员可根据拍摄脚本为视频补充配音，每个实验制作完成5～10 min的微课程视频。

1.4 实施阶段

工程力学实验微课程是基于学校资源、教员能力与学员兴趣，以主题模块组织起来的相对独立与完整的小规模实验课程，成为学员在线观察力学现象、熟悉仪器使用、了解材料性能、巩固力学规律的新型教学资源。我们将设计好的微课程首先发给从事力学研究和教学工作的同行观看，请他们提出建议并给予指导，根据他们的建议及时修改并完善微课程；然后，将修改后的微课程通过微信公众平台推送给学员，并上传至学校公共的学习资源平台上，学员通过自己的移动设备或者校园网终端学习。每个微课以一个实验的教学视频片段为主线“统领”教学设计，课堂教学时使用到的多媒体素材和课件、教员课后的教学反思、学员的反馈意见及学科专家的文字点评等相关教学资源，构成了一个主题鲜明、类型多样、结构紧凑的主题单元资源包，营造了一个真实的微教学资源环境。

1.5 评价阶段

对一门课程的评价主要是看是否达到了教学目标。同样的，对工程力学实验微课程的评价主要是看课程中设计的内容能否满足学员的需要，解决重难点问题的效果如何。在录制完微课程之后，先要进行自我评价，发现问题，修改完善。然后根据专家的建议，再次修改微课程。在微课程上传至网络推广使用之前，先在一个小范围内进行试用，主要是通过访谈的形式进行的，教员通过学员观看课程的表情，简单访谈，提出修改意见，逐步让微课程臻于完美。但是评价并没有结束，要将微课程上传至公共学习资源平台，让更多的网络学习者评价微课程，吸收接纳学习者的建议，在以后版本更新时再改进提高，最终构建出内容丰富、使用方便、性能稳定的实验微课程视频。

2 微课程设计需要注意的要点

2.1 PPT设计

PPT课件设计制作是微课程开发的重要技能。在微课程制作过程中，PPT的制作质量在很大程度上决定了微课程最终的质量，因此要充分重视PPT的制作[14]。①要理清设计思路，合理构建课件结构。课件的整体框架如何构建，章节之间如何过渡，哪些教学内容需要精简，哪些地方需要添加动画演示等。课件要内容丰富，层次结构清晰，这样学员才能在整个教学过程中把握教学的整体思路。②文字设计要简洁，色彩搭配协调。文字是教学信息呈现的主体元素，是教员传递教学内容的主要载体，也是学员获取知识的重要来源。文字的设计要简明扼要，突出重难点，主要起到强调和提示的作用，有利于学员的记忆。色彩搭配总体要协调，局部对比要强烈。好的配色不仅能给学员愉悦的感受，提起学员的学习兴趣，还能帮助学员区分重点。③版面布局要合理，图片、图表生动形象。将文字、图片、图形等可视化信息元素在版面上调整位置、大小，使版面布局条理清晰合理。在课件中使用图片、图表可以使讲解的内容更加形象、具体，好的图片胜过千言万语。常说的“百闻不如一见”“文不如表，表不如图”就是这个道理。尽量使用精美的图片来修饰课件，让其真正起到锦上添花、画龙点睛的作用。④要采用宽屏显示。现在的宽屏显示环境为16∶9，更符合人类视觉审美，而且与主流摄像机的高清拍摄模式相匹配，还能显示更多内容。在16∶9的宽屏画面里，可以实现两画面甚至多画面的同步演示，如目录和内容的同步变换，导航、观点、解释和论据都能够在画面有层次摆放，而且不显得拥堵。

2.2 视频设计

微课程通常采用真人拍摄，要求授课教员对着摄像机镜头讲授，这一方式很容易抓住学习者的注意力，形成一对一授课的亲切感觉[15]。教员站在交互式电子白板或者演播室的蓝布前讲解，后期制作中再把幻灯片的授课内容、图片资源、动画资源及与主题相关的视频加到教员出镜拍摄的微课程视频当中，形成精彩的画面呈现在学员面前。真人拍摄型微课程与实际的课堂教学既有相似之处，也有很大的不同，需要注意以下事项。①课堂态势语表现要恰当。在课堂录制时，教员要熟悉摄像机位的布局安排和导控切换的位置，行走和态势要在镜头的最佳范围内。教员既不能拘泥于镜头范围而不敢有过多态势引导，也要考虑摄像机的拍摄范围和调度的延时。②控制课堂教学节奏。传统课堂授课由于有教员和纪律的约束，学员的注意力会较容易保持，而微课程视频很大程度上靠学员的自主学习，因此要把握时间和节奏，通过动作、提问、动画、图片、场景切换等将视频变成有机联系的情节段落，避免学员长时间观看引起的视觉疲劳。③与摄像人员的手势约定及口误处理。在微课程录制过程中，与教员事先约定一些突发事件或错误提示等手势信号是必要的，比如录像开始和结束的手势、暂停的手势，以及对口误发生时的处理等。④导播切换要及时连贯。授课教员、交互式白板、PPT课件及学员的导播切换要紧随教员的思路，也要考虑观看者的感受，要尽量符合镜头的组接规律。

2.3 音频设计

在微课程视频中，除拥有非常优秀的摄影技巧，良好的特效，处理良好的字幕及标题外，还要有精心录制的音频。由于真人拍摄型微课程对教员角色要求非常高，在授课过程中可能经常出现音频停顿或者出现影响拍摄的情况，通常的录制方法有两种，一种是对照脚本对着高清摄像机的话筒单独进行音频录制；还有一种是使用电脑进行音频采集，前者效果通常好于后者。为确保获得清晰的音频质量及效果，还需要注意以下方面：①要撰写好微课程脚本，在短时间内高效率完成微课程音频的录制；②恰当使用优质麦克风，录音时将嘴唇放在麦克风上方3～5 cm处；③控制语速，配音的语音一般要求3～5个词汇每秒，相对它们的日常语速更慢一些，让语句尽可能地清晰易懂；④录制倒计时，保留最后几秒的计数不发音，使得你在后期编辑的时候有一定的空间。

3 结 语

为了进一步提高工程力学实验的教学质量，配合网络化、开放式实验教学，发挥先进教育手段和教学方法的作用，以我校工程力学实验课程的层次化、模块化教学体系为基础，充分利用师资和教学资源优势，开发了六个微课程视频，并应用在工程力学实验教学中，受到学员的欢迎，得到大学实验督导的表扬。一年的实践表明，该实验微课程激发学员学习积极性，启发学员的自主学习、自主实践创造意识，提高了实验教学效果。

[1] 杨少红，刘 燕．工程力学实验教程[M]．北京：科学出版社，2016.

[2] 杨少红，章向明，曾晓玲．改造材料力学实验室提高实验教学效果[J]．实验室研究与探索，2006，25(12)：1608-1610．

[3] 张建民．高校微课作品制作技巧探究[J]．理论与探讨，2014，43(3)：100-104．

[4] 张中兴．微课与微课程研究进展综述[J]．中国医学教育技术，2014，28(6)：586-589．

[5] 丁纪可．基于开放教育的微课程建设研究[J]．科教文汇(上旬刊)，2014(10)：96-97．

[6] 那一沙，袁 玫，吴子东．教学设计研究综述[J]．西南交通大学学报(社会科学版)，2013，14(3)：109-113．

[7] 张军常．关于大学开放环境下微课程教学设计研究[J]．佳木斯职业学院学报，2014(9)：147-148．

[8] 张 琛．微课程的设计与制作[J]．中国职业技术教育，2013，35：29-35．

[9] 张闻语．浅谈微课程的制作方法与制作技巧[J]．才智，2013，2(5)：106-107．

[10] 卢启飞，钱 莉，赵治平．基于“ADDIE”的微课设计流程[J]．电脑知识，2015,11(12)：132-133．

[11] 卜彩丽．ADDIE 模型在微课程设计中的应用模式研究[J]．教学与管理，2014(3)：90-93

[12] 刘丽丽，周 菲．基于ADDIE模型的微课研究[J]．软件导刊，2015(4)：4-5．

[13] 徐子雁，凡妙然．基于ADDIE模型的翻转课堂教学设计研究[J]．中国教育技术装备，2014(16)：71-73．

[14] 杜 慧，张换平，王书红等．微课程在化学实验教学中的应用[J]．安阳工学院学报，2014，13(6)：102-104．

[15] 蔡 跃．微课程设计与制作教程[M]．上海：华东师范大学出版社，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

杨少红(1975-)，男，湖北武汉人，副教授，力学系主任，主要研究复合材料结构力学。

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

G 426；G 642.423

A

1006-7167(2016)09-0222-05