湯帥,李延君?,劉一澤
(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012;2.長(zhǎng)春工程學(xué)院國(guó)際學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)
由教育部印發(fā)的《教育信息化中長(zhǎng)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(jìn)建設(shè)信息化高等教育體系,為國(guó)家教育信息化指明發(fā)展方向,從而推進(jìn)教育的數(shù)字化轉(zhuǎn)型[1]。在科技的飛速發(fā)展下,計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)不斷影響著我們的學(xué)習(xí)和工作生活,傳統(tǒng)的課堂教學(xué)已經(jīng)滿(mǎn)足不了新時(shí)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)需求:黑板教育難以表達(dá)抽象概念,文字描述難以解釋復(fù)雜過(guò)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(xiàn)上教學(xué)逐漸映入人們眼簾。伴隨線(xiàn)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(xí)知識(shí)的過(guò)程更加多樣化,未來(lái)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]。
在人類(lèi)社會(huì)已逐步由工業(yè)時(shí)代邁入信息化時(shí)代的大背景下,互聯(lián)網(wǎng)在多方面對(duì)人類(lèi)的生產(chǎn)生活產(chǎn)生翻天覆地的改變,同時(shí)也推進(jìn)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(dòng)計(jì)劃》,著重強(qiáng)調(diào)了教育信息化的重要性,呼吁各大高校全面推進(jìn)信息化教育進(jìn)程[3]。在此前提下,各學(xué)校以“停課不停學(xué)”為口號(hào)將教育的載體由課堂轉(zhuǎn)為一系列線(xiàn)上視頻共享平臺(tái),教育信息化逐步走進(jìn)人們的視野中。在國(guó)家疫情防控期間,信息化教學(xué)在各學(xué)校取得不錯(cuò)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(shì),另一方面是由于受教育群體其生活時(shí)代的共同特性——生于互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的原住民,具有較高的網(wǎng)絡(luò)信息學(xué)習(xí)能力和接受能力。
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(huì)飛速發(fā)展下多方面暴露出來(lái):傳統(tǒng)教學(xué)主要以書(shū)本為中心、多媒體講演、黑板推演為輔,學(xué)生難以通過(guò)簡(jiǎn)單的書(shū)本文字形成自身的整體知識(shí)網(wǎng)絡(luò),從而會(huì)忽視知識(shí)的遷移運(yùn)用,大多數(shù)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的認(rèn)知僅是書(shū)本知識(shí)的生搬硬套。其次,傳統(tǒng)教學(xué)主要以教師為主體,著重強(qiáng)調(diào)教師的教學(xué)手段而忽視學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和主動(dòng)學(xué)習(xí)積極性,教學(xué)不是教師一味地知識(shí)輸送和課堂教學(xué)時(shí)間的知識(shí)灌輸,實(shí)際上真正的有效教學(xué)取決于學(xué)生群體對(duì)知識(shí)的掌握情況。再次,在教學(xué)對(duì)象上,以班級(jí)為整體的教學(xué)單位在管理、比較、分析等方面對(duì)教學(xué)產(chǎn)生推動(dòng)作用,但卻忽視了學(xué)生個(gè)體的差異性,對(duì)整體采取“一刀切”的固定教學(xué)方法,無(wú)法針對(duì)學(xué)生個(gè)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(shì),從根本來(lái)說(shuō),教育信息化是通過(guò)現(xiàn)代化信息手段將圖片、動(dòng)漫、視頻等多種表達(dá)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(dá)成更有效、更深的教學(xué)效果。在學(xué)習(xí)資源方面,線(xiàn)上教育平臺(tái)可承載題庫(kù)、視頻等大量信息數(shù)據(jù),學(xué)生可擁有比紙質(zhì)書(shū)目更多的渠道去獲取知識(shí)。在學(xué)生學(xué)習(xí)興趣方面,信息化教學(xué)主要將各種視頻、動(dòng)畫(huà)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(shū)本教學(xué)的限制而激發(fā)課程學(xué)習(xí)興趣。在時(shí)間和空間方面,信息化教育相對(duì)于傳統(tǒng)教育的固定時(shí)間地點(diǎn)面授具有更高的自由度,可以在任意時(shí)間、地點(diǎn)開(kāi)展線(xiàn)上學(xué)習(xí)。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(kāi)展一系列教育活動(dòng),學(xué)習(xí)不再是教師的耳提面命和學(xué)生的被動(dòng)接受,更是需要學(xué)生自覺(jué)地去尋找資源學(xué)習(xí)。
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(zhuān)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(jì)算能力較強(qiáng),其原因主要如下:第一,力學(xué)解析需要學(xué)生對(duì)整體知識(shí)有著系統(tǒng)地掌握,力學(xué)的每一個(gè)知識(shí)部分并不是獨(dú)立的,各個(gè)部分彼此之間環(huán)環(huán)相扣。一旦涉及力學(xué)問(wèn)題的綜合性分析,只有擁有嚴(yán)密系統(tǒng)的邏輯推理能力,才能對(duì)問(wèn)題有著根本的把控。第二,力學(xué)問(wèn)題往往是現(xiàn)實(shí)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(yùn)動(dòng)情況,這必然要求一定的抽象思維。第三,力學(xué)問(wèn)題的計(jì)算是整個(gè)力學(xué)問(wèn)題分析中的最后一步,數(shù)學(xué)計(jì)算需要用到高等數(shù)學(xué)中的積分計(jì)算,同時(shí)未知數(shù)多、代數(shù)計(jì)算復(fù)雜、方程組個(gè)數(shù)較多,需要學(xué)生靈活和精準(zhǔn)計(jì)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(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng),二維平面難以刻畫(huà)物件的三維運(yùn)動(dòng),黑板刻畫(huà)無(wú)法描述物件內(nèi)部的受力狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài),語(yǔ)言表述難以構(gòu)建復(fù)雜的知識(shí)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(shí)效果差。所以可通過(guò)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。
力學(xué)課程學(xué)習(xí)資源信息化通過(guò)圖片、動(dòng)畫(huà)、視頻構(gòu)建相較于傳統(tǒng)課堂教學(xué)更有效的學(xué)習(xí)資源庫(kù),信息化學(xué)習(xí)資源庫(kù)采取一系列線(xiàn)上教育手段其包括案例講解、動(dòng)畫(huà)技術(shù)、BIM技術(shù),最后通過(guò)二維碼的鏈接效果穿插至?xí)緦?duì)應(yīng)各處[5]。其對(duì)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(yǔ)言傳授不了深?yuàn)W的知識(shí)時(shí)便可以將表達(dá)的手段轉(zhuǎn)為形象的信息化技術(shù)表達(dá),在鍛煉自己個(gè)體的信息化能力的同時(shí)提高教師的教學(xué)能力、豐富教學(xué)手段。對(duì)學(xué)生而言,信息化教學(xué)可以幫助解決在分析力學(xué)問(wèn)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(yùn)用能力,在學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課之前打下堅(jiān)實(shí)牢固的基礎(chǔ),并且增添了學(xué)習(xí)過(guò)程中的樂(lè)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(xí)時(shí)擺脫了時(shí)間空間的條件限制,不再是融入班級(jí)學(xué)習(xí)而是以個(gè)體為單位開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)。在整個(gè)教學(xué)周期中學(xué)生可根據(jù)自身知識(shí)點(diǎn)掌握的薄弱程度主動(dòng)學(xué)習(xí),進(jìn)而減少知識(shí)攝取的重復(fù)性以提高學(xué)習(xí)效率。
如圖1的力學(xué)課程學(xué)習(xí)資源構(gòu)建方案,通過(guò)三個(gè)主要途徑——視頻講解、動(dòng)畫(huà)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(dòng)畫(huà)展現(xiàn)物體的動(dòng)態(tài)變化,后將完成的BIM模型和動(dòng)畫(huà)模型融入案例解析視頻、微課視頻、實(shí)驗(yàn)視頻中去。其視頻成果以二維碼為載體穿插在書(shū)本的對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn),方便學(xué)生尋找。此過(guò)程不僅響應(yīng)了教育部信息化教學(xué)的口號(hào),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(shí)驗(yàn)操作視頻和大學(xué)物理課程視頻,材料力學(xué)的五個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)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(cè)定;薄壁圓筒彎、扭組合變形應(yīng)力測(cè)定;低碳鋼、鑄鐵扭轉(zhuǎn);梁彎曲正應(yīng)力測(cè)定。與理論教學(xué)的側(cè)重點(diǎn)不同的是,實(shí)驗(yàn)操作更能對(duì)學(xué)生進(jìn)行觀察能力、動(dòng)手能力和探索能力的培養(yǎng)。但如今實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果卻不盡如人意,學(xué)生完全只是照著實(shí)驗(yàn)步驟照本宣科,實(shí)驗(yàn)的目的僅是為了獲得標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),完全偏離了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)目的。大多數(shù)學(xué)生往往缺少對(duì)實(shí)驗(yàn)的思考和質(zhì)疑,歸根結(jié)底的原因是學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理不理解。因而材料力學(xué)的實(shí)操視頻可以呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的具體步驟和理論支撐。
案例詳解采用各種典型的生活實(shí)例,例如理論力學(xué)中為了讓學(xué)生了解力偶對(duì)于物體的轉(zhuǎn)動(dòng)效果,大多數(shù)學(xué)生只是生搬硬套地死記硬背,可以通過(guò)典型的自行車(chē)腳踏板例子進(jìn)行講解:雙腳作用于自行車(chē)踏板的力使得與踏板連接的軸轉(zhuǎn)動(dòng)而帶動(dòng)鏈條使得整個(gè)自行車(chē)有向前運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)力。通過(guò)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(duì)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(shí)運(yùn)用到實(shí)踐中去的教育目標(biāo)。其次,通過(guò)案例詳解中的工程視頻、工程圖片可培養(yǎng)學(xué)生的知識(shí)遷移能力,將理論知識(shí)融入具體的工程實(shí)踐中去,在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的工程直覺(jué),為以后就業(yè)工作打下一定的基礎(chǔ)。
2.2.2 動(dòng)畫(huà)應(yīng)用模塊
動(dòng)畫(huà)應(yīng)用模塊是通過(guò)計(jì)算機(jī)繪制二維或三維動(dòng)畫(huà)改善和輔助抽象和模糊的力學(xué)教學(xué)。在實(shí)際的力學(xué)課堂與線(xiàn)上教學(xué)過(guò)程中,F(xiàn)lash 制作的教學(xué)動(dòng)畫(huà)可輕易描述復(fù)雜物體的抽象運(yùn)動(dòng)和文字難以表達(dá)的受力變化效果。因而在將Flash 動(dòng)畫(huà)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(xí)效果。
2.2.3 BIM技術(shù)模塊
BIM全稱(chēng)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(xiàng)目中所有元素的具體信息融入一個(gè)完整的、全生命周期的數(shù)據(jù)庫(kù)。BIM技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用并不普及,但由于它對(duì)工程項(xiàng)目的整個(gè)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(yuǎn)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(zhuān)門(mén)的工程類(lèi)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(shí)踐。通過(guò)BIM 模型展示,在力學(xué)知識(shí)理解方面,BIM 技術(shù)可通過(guò)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(shí)實(shí)踐應(yīng)用方面,可提高學(xué)生的軟件建模能力和設(shè)計(jì)能力,為以后設(shè)計(jì)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(xí)資源如今種類(lèi)很多,但我們卻很難找到所需資源。由于知識(shí)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(shí)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(jī)結(jié)合起來(lái),不僅可以節(jié)省學(xué)生尋找資源的時(shí)間,更可以精確地找到高質(zhì)量學(xué)習(xí)資源,將信息化教學(xué)代入一個(gè)全新的高度。
圖2表示的是剛體平面運(yùn)動(dòng)的典型模型:兩個(gè)轉(zhuǎn)軸相連接并與一端固定,在右端轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)左轉(zhuǎn)軸進(jìn)而帶動(dòng)細(xì)桿運(yùn)動(dòng),通過(guò)動(dòng)畫(huà)過(guò)程便能將此運(yùn)動(dòng)過(guò)程呈現(xiàn)出來(lái)。圖3 表示的是圖2 的實(shí)踐案例,此模型便是火車(chē)輪的生活應(yīng)用。該過(guò)程是將模型深化到現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用,讓學(xué)生感受力學(xué)知識(shí)理論到現(xiàn)實(shí)的聯(lián)系,幫助學(xué)生理解理論力學(xué)的剛體平面運(yùn)動(dòng)知識(shí)點(diǎn)。
圖2 剛體平面運(yùn)動(dòng)案例
圖3 火車(chē)行駛案例
力學(xué)課程學(xué)習(xí)資源信息化教學(xué)過(guò)程中,其從多角度對(duì)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(guò)信息化教學(xué)資源不斷豐富自己的學(xué)習(xí)能力,從案例視頻和實(shí)驗(yàn)步驟原理解析的角度出發(fā),為以后在工程實(shí)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(jiǎng)情況來(lái)說(shuō),在院系舉辦的多種力學(xué)類(lèi)和專(zhuān)業(yè)類(lèi)競(jìng)賽中,學(xué)生所獲得獎(jiǎng)項(xiàng)在這幾年間不斷增多,所獲得獎(jiǎng)項(xiàng)的高度也不斷提高。
對(duì)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(xí)資源的過(guò)程中,這種經(jīng)歷和實(shí)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(jìn)行資源創(chuàng)新和整合,強(qiáng)調(diào)了教師對(duì)知識(shí)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(xiàn)上教學(xué)和線(xiàn)下教學(xué)給教師的教學(xué)感受是有區(qū)別的,線(xiàn)上教學(xué)過(guò)程中教師和學(xué)生缺少表情和語(yǔ)言的接觸,教師更難把控教學(xué)內(nèi)容的難重點(diǎn)進(jìn)而分配教學(xué)時(shí)間,所以教師要擁有一定的在線(xiàn)教學(xué)能力以便面對(duì)電腦設(shè)備講課時(shí)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(duì)整體的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行維護(hù)和更新,教師需要擁有一定的管理和維護(hù)能力。
對(duì)課程而言,力學(xué)線(xiàn)上課程建設(shè)不斷有質(zhì)的飛躍。在院校未擁有線(xiàn)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(zhǎng)達(dá)幾年的建設(shè)過(guò)程中,學(xué)校擁有了一套完善的線(xiàn)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(píng)為優(yōu)秀課、精品課,力學(xué)的在線(xiàn)課程不僅被數(shù)八千名學(xué)生選修,也被多所院校使用。
對(duì)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(xí)慣。從學(xué)生參與競(jìng)賽情況上看,學(xué)生參與專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽人數(shù)逐年增多,獲獎(jiǎng)的等級(jí)也越來(lái)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(jìng)賽也因此建立了完善的大學(xué)生競(jìng)賽體系,如圖4,全國(guó)大學(xué)生周培源力學(xué)競(jìng)賽作為各個(gè)專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽的基礎(chǔ),以全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽為延伸,打造屬于各個(gè)二級(jí)學(xué)科的本專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽。
圖4 學(xué)校土木工程學(xué)院競(jìng)賽結(jié)構(gòu)圖
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(guó)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(shí),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(zhǎng)教師的束縛,在順應(yīng)時(shí)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(diǎn),充分利用互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)和便攜,促進(jìn)現(xiàn)代教育的發(fā)展。