工程力学微课设计和制作的探讨

夏冬生　于 彦　朱公志　金 蓉大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院　辽宁大连　116026



工程力学微课设计和制作的探讨

夏冬生于 彦朱公志金 蓉
大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院辽宁大连116026

摘要：微课作为一种新型的数字化教育资源，为大学生供了一个自主、个性化、移动学习的途径。目前，优质微课资源缺乏成为当下国内高校微课建设的瓶颈。工程力学是高校工科类专业较重要的一门专业基础课，其理论知识与工程应用紧密相关的课程性质决定了其较适合开展微课教学。首先分析了微课特征和工程力学的课程特性，在此基础上，针对工程力学课程，探讨了其微课的设计和制作，以期为高校教师在力学相关课程的优质微课制作方面提供有益参考。

关键词：微课；工程力学；微课设计；微课制作

随着网络技术的高速发展及其在教育领域的深入应用，微课作为一种新型的数字化教育资源的出现，迎合了时代要求，为广大学习者提供了一个自主、个性化和移动学习的途径。在美、英等欧美国家，微课资源网站的建设相对较完善和成熟，Khan Academy和TED-Ed等较有影响力的微课资源网站受到全球众多学习者的青睐[1]。目前，国内微课发展刚刚起步，还处于探索期。2013年由教育部高校教师网络培训中心主办的首届“全国高校微课教学比赛”极大地推动了全国高校微课的建设，引起了高校教师对微课的关注和重视。但是，目前国内高校微课的发展存在优质微课资源短缺、规模小和利用率低等突出的问题。拥有丰富的优质微课资源是微课建设的核心和关键，而要形成具有一定规模的优质微课资源则需要庞大数目的微课作为基础。因此，我国高等教育的微课建设迫切需要广大高校教师的积极参与和投入。

工程力学是土木、机械、船舶等工科类专业学生较重要的一门专业基础课，其理论知识与工程应用紧密相关的课程性质和教学内容都决定了其较适合开展微课教学[2,3]。一门优质微课的产生不仅需要教师具有较高的教学水平和深厚的专业知识，还需要教师具有一定的微课实践和制作经验。本文针对工程力学课程，根据该课程的特点和性质，对其微课设计和制作进行有益探索，以期为高校教师在力学相关课程的优质微课制作方面提供有益参考。

1　微课的定义和特点

2008年美国新墨西哥州圣胡安学院的高级教学设计师David Penrose首次提出时长1分钟的“微课”概念，并运用于在线课程[4]。其核心理念是在课程中把教学内容与教学目标紧密联系，以产生“更聚焦的教学体验”。在国内，随着对微课认识的不断深入，微课理念得到不断发展和实践，教育界各专家学者也对微课给出了各自的定义。2010年广东佛山教育信息网络中心的胡铁生在国内率先提出微课的概念：根据新课程标准和课堂教学实际，以教学视频为主要载体，记录教师在课堂教学过程中针对某个知识点或教学环节，而实施的教与学活动中所需各种教学资源的有机结合体[5]。目前，微课的概念还没有一个统一的表述，但各定义的本质并无太大差别，只是在有些定义里赋予的内涵和表现形式更丰富[1,6-9]。总之，微课普遍具有以下属性：以短暂的视频为主要载体；围绕一个或几个重要的知识点；教学活动完整；支持有线网络终端与移动终端的学习。具有以上属性，皆可称之为微课。

微课与传统课堂教学模式截然不同，其具有以下鲜明的特点。首先，微课在讲授时间和教学内容上均体现了一个“微”特性。美国田纳西大学的Bradley T. Vander Zanden教授研究表明，成年人在某个事物上集中注意力的平均时间为10～20分钟[1]。微课的讲授时间一般控制在10分钟以内，其时长符合学习者通过移动终端视频进行有效学习的时间。在这短暂时间内，教师所能传递的知识内容有限，因此微课一般只针对某一知识点或典型问题、例题为主要教学内容。相对于传统课堂教学模式，微课主题比较单一集中，是一种碎片化的教学。微课以教学视频为主要载体，且充分利用动画、三维实体模型、虚拟现实等多媒体技术。微课以在线视频方式提供学习资源，适应移动学习和在线学习。微课观看方便，可随时暂停和回放，学生能自主学习和重复学习。此外，微课这种新型学习资源，还具有广泛的共享性，应用免费。

2　工程力学的课程特点

工程力学是机械、船舶和土木等工科专业本科大学生的一门重要的专业基础课，其为机械原理、机械设计、结构力学和船舶原理等很多后续课程奠定基础。工程力学由理论力学和材料力学两部分组成，主要研究质点和刚体的机械运动的基本规律及构件的受力变形与破坏规律。工程力学课程提出并解决的问题大多是工程实际问题，概念的引入也是从工程实践中概括提炼出来，其理论知识与工程实践联系十分紧密。工程力学课程的教学目标不仅要求学生掌握大量的力学概念、定律和原理，还要培养学生解决工程实际问题的能力。

从表面上看，工程力学的各章研究内容相对较独立，但是实际是有主线贯穿，相关章节的基本思路也是相同的。在静力学中，其首先讨论汇交力系和力偶系等基本力系的平衡，然后再讨论较复杂的一般力系。对于各种基本力系和一般力系，其研究思路相同，即引入“力系的概念→力系合成和简化→分析其平衡条件→建立平衡方程”。在材料力学中，首先研究轴向拉压、剪切、扭转、弯曲四种基本变形的强度和刚度问题，然后再讨论组合变形，最后研究稳定问题。对于基本变形的强度问题，其研究方法都是先分析内力，再研究应力，最后建立强度条件。对于轴向拉(压)、扭转和弯曲基本变形，应力分析的基本思路均是“观察构件的变形→分析变形几何关系→建立应力和应变的物理关系→根据静力学平衡条件建立平衡方程→确定应力”。因此，教师在工程力学的教学过程应突出体现其基本的研究思路和方法，这会有助于学生对知识的理解和培养分析、解决实际问题的能力。

虽然工程力学在理论体系的建立过程中研究方法有章可循，逻辑思维严谨，但是面对工程实际问题和工程力学习题，其解决问题和解题的方法并不单一僵化，相反研究方法灵活多变，且有一定技巧性。例如对于动力学问题，可用动力学普遍定理求解，也可用达朗贝尔原理求解，还可以用动力学普遍方程求解。材料力学部分中构件的变形问题，可用积分法和叠加法，也可用能量法等方法求解。

总之，工程力学的理论知识与工程实际联系紧密、研究思路清晰明了、逻辑思维严谨、研究方法灵活多样。工程力学的课程性质决定了其非常适于开展微课教学。

3　工程力学微课的设计与制作

微课并不是通过对传统课堂教学视频截取片段而成的短小视频，而是需要教师紧密围绕某一知识点重新组织教学信息，精心设计教学各环节并最终紧密实施的一个完整教学活动。因此，微课对教师的教学设计与教学表达等综合教学水平要求较高。一节高质量微课的制作一般需要选题、教学目标设定、教学设计、脚本编写、素材准备和制作、教学实施和拍摄、后期视频编辑等主要环节。

3.1 选题

由于微课时长决定了其能够传递的教学容量有限，因此微课选题一般只针对某一个知识点，目标明确，内容简短。微课选题的原则是知识点细化单一、意义明确、理论较完整、推理过程和公式推导不过于复杂、知识内容适合与动画、视频等多媒体技术结合。工程力学系统完整，分析过程逻辑思维严谨，其理论知识与工程实际应用联系十分紧密，该课程存在大量适合微课教学的知识点，例如刚体系的受力分析、平面一般力系的简化、点的速度合成概念、刚体平面运动的简化、平面运动刚体的速度瞬心法、轴向拉压杆的轴力、轴向拉压杆的强度计算、圆轴扭转的内力、薄壁圆筒的应力、梁变形的叠加法、提高梁弯曲强度的措施、组合变形的强度计算的应用实例、细长压杆的临界载荷等。但对于某些常被人回避的知识点，只要找到好的切入点，做好教学设计和组织，其微课同样会实现良好的教学效果，相对于频繁被采用的知识点，会给人耳目一新的感觉。

3.2 设定教学目标

工程力学具有较强的理论性和广泛的应用性，运用相关的理论知识可以解决大量生活和工程实际问题，其课程性质特别适合对学生创新意识和实践能力的培养。因此，工程力学微课不仅要求学生达到设定的知识目标，还应注重培养学生的知识应用能力和创新意识。

3.3 微教案设计和编写脚本

微课的教学设计是微课制作的核心。微课教学设计包括主题的导入，内容和教法的匹配，教学手段和教学工具的应用，教法的实施，教学语言的组织等。相对于传统课堂教学，微课在教学设计上要求结构更紧凑、层次更清晰、教学过程更引人入胜。对于工程力学，其微课可从生活实例和工程案例入手，快速切入知识点，并通过案例分析，导入概念、理念和分析方法。好的设计方案在具体实施前，需要一个缜密的执行计划，因此编写微课脚本必不可少。微课脚本如同电影剧本，其对制作微课的具体环节、实施步骤、操作方式、各环节所需时间均需要详细列出。

笔者以“两端铰支细长压杆的临界载荷”微课为例，进行微课教学设计。压杆失稳是工程力学主要研究内容之一。工程上有很多构件是受压构件，存在稳定性问题，历史上也发生过一些较著名的压杆失稳事故。笔者首先以受压构件实例和失稳案例为切入点，激发学生的兴趣和好奇心，引入压杆失稳的概念。通过对处于稳定平衡、临界平衡和不稳定平衡三种平衡状态的细长压杆受到横向力干扰后变形情况的动画演示，让学生理解临界载荷的意义。然后，以两端铰支细长压杆为研究对象，推导其临界载荷公式。最后选择一道典型的例题进行临界载荷公式的应用，加深学生对公式内各变量和系数的理解和辨析。该微课的脚本见表1。

表1　“两端铰支细长压杆的临界载荷”微课脚本

3.4 素材的搜集和制作

微课的素材一般包括图片、三维实体模型、视频、动画等。微课应尽量结合图片、动画、视频等多媒体素材，来充分发挥微课的优势，特别是针对抽象的知识点和难点。微课素材的选取应遵循典型、科学、实用的原则。工程力学的很多知识点都较适合以工程构件和机构的图片、动画和现场视频作为素材。例如对于点的速度合成，牵连点是一个难点，比较抽象。微课中可分别以水手在船舶甲板上行走和套在定轴转动直杆上的圆环被甩出为例，通过动画演示有助于学生对牵连点以及牵连速度的理解。对于圆轴扭转破坏分析，可以录制竹筒、铸铁和低碳钢扭转破坏的实验视频，通过让学生观察实验视频中的断裂面特征，使学生对不同材料的扭转破坏有直观认识并激发探究断裂原因的兴趣。当前，制作动画的软件较多，教师可利用3D Studio Max，Flash，Solidworks等软件制作理想的动画素材。

3.5 PPT制作

PPT中文字部分应以关键词、定义和结论为主，字数不宜过多。PPT中还要适当给出注意点、小提示和小窍门等，便于学生把握重点和难点。微课结尾，有教学内容的总结为宜。

需要注意的是由于手机屏幕尺寸的限制，所以微课的PPT背景和文字的设计应以突出文字为主要目的并兼顾美观，避免学生受到不必要的干扰。微课背景构图颜色系统应相对简单，PPT的设计除了黑色和白色外，搭配颜色最好不要超过3种。

3.6 教学实施与录制

目前，微课的制作模式主要有课堂录播模式、录屏模式和多种录制方式组合的混合模式。课堂录播模式是在演播室或教室对教师讲解、投影屏演示内容及与学生互动过程等现场摄制。录屏模式是利用录屏软件对教师在电脑屏幕上的操作过程和演示内容进行录制。在录屏过程中，教师通过手写板和画图工具等边演示边讲解。录屏软件有Camtasia Studo，Snagit以及Cyberlink YouCam等。混合模式是通过多种设备和素材进行组合操作，一般包括教学过程和师生互动的现场拍摄、PPT录屏、实验等视频录制、动画视频等。微课教学实施过程中教师应语言精练，突出重点、难点，力求通俗易懂，避免重复。

3.7 后期视频编辑

将录制的现场课堂视频、PPT录屏视频和实验视频等导入视频编辑软件进行后期的视频和音频的编辑与加工。视频后期制作包括片头、片尾的制作和微课教学编辑三部分。片头时长一般为5秒，应显示课名、学科、教师姓名和所在单位等信息。在教学过程视频编辑中，画面与教师讲解应较好对应，合理且及时呈现课件PPT的画面。视频中应出现教师讲授和学生听课以及适当的师生互动的镜头，以增加教学的真实感和现场感。综合变换教学场景和远近景，避免视觉疲劳。在摄录过程中，拾取的音频会有噪音，要对声音进行降噪处理，保证声音清晰，而且，屏幕下方打字幕为宜。微课作为数字化教学资源，其视频的格式应采用支持网络在线播放的流媒体格式，如flv，mp4，wmv等。视频编辑软件很多，例如Camtasia Studio，Premiere以及会声会影等。

4 结束语

微课伴随信息技术高速发展的出现，不仅拓展和延伸了课堂教学，还起到引导学生自主学习和提高学习兴趣的作用。工程力学与工程联系紧密、涉及面广，研究方法灵活多变，较适合开展微课教学。设计和制作一个优质微课不仅对教师在知识点的把握、教学设计和教学方法等方面提出较高要求，同时还需要教师具备一定的动画制作及视频编辑的水平。工程力学微课的设计既要突出研究方法和思路，还要凸显知识点的应用性。广大教师应积极探索和实践力学微课教学，为丰富工程力学的微课资源做出贡献。

参考文献

[1] 中国高校微课研究报告[EB/OL]. http://weike.enetedu. com/report/.

[2] 高强,冯志华,兰向军.理论力学微课的设计[J].教育教学论坛,2014(13):48-49.

[3] 尚慧琳.基于微课程的“理论力学”教学方法探索[J].大学教育,2015(3):93-94.

[4] 黄建军,郭绍青.论微课程的设计与开发[J].现代教育技术,2013,23(5):31-35.

[5] 胡铁生.“微课”:区域教育信息资源发展的新趋势[J].电化教育研究,2011(10):61-65.

[6] 胡铁生,黄明燕,李民.我国微课发展的三个阶段及其启示[J].远程教育杂志,2013(4):36-42.

[7] 焦建利.微课与翻转课堂中的学习活动设计[J].中国教育信息化,2014(24):4-6.

[8] 郑小军,张霞.微课的六点质疑及回应[J].现代远程教育研究,2014(2):48-54.

[9] 王岚,张一春.微课的评价指标体系研究[J].教育现代化,2015(3):85-88.

Exploration on Micro-lecture Design and Making for Engineering Mechanics

Xia Dongsheng, Yu Yan, Zhu Gongzhi, Jin Rong
School of Transportation Equipment and Ocean Engineering, Dalian Maritime University, Dalian, 116026, China

Abstract:Micro-lecture, a new type of digital education resource, offers college students a self-regulated and personalized learning way. However, excellent micro-lecture resources are deficient, which becomes a bottleneck of micro-lecture development in domestic universities. Engineering Mechanics is a vital specialized basic course of engineering majors in universities. Its course nature that the theoretical knowledge is closely related to engineering application, make it suitable to develop micro-lecture teaching. In this paper, the characteristics of micro-lecture and Engineering Mechanics are analyzed, respectively. Based on that, micro-lecture design and making for Engineering Mechanics is discussed. The results provide a significant reference in terms of making high-quality micro-lectures for the courses related to mechanics.

Key words:micro-lecture; engineering mechanics; micro-lecture design; micro-lecture making

基金项目：2014年辽宁省普通高等学校本科教育教学改革研究项目(编号：UPRP20140916)；2014年大连海事大学教学改革研究项目(编号：2014Y23)；2015年大连海事大学教学改革研究项目(编号：2015Y27)。

作者简介：夏冬生，博士，副教授。于彥，硕士，副教授。

收稿日期：2015-06-29