微課在環(huán)境工程專業(yè)教學中的設計與應用研究

李穎，馬瑞，喬怡娜，苑文儀

（1. 中北大學 環(huán)境與安全工程學院，山西 太原；2.上海第二工業(yè)大學 電子廢電子廢棄物研究中心，上海）

一 引言

環(huán)境工程是一門跨學科的新興綜合性、邊緣性學科，具有理、工和管理等多學科相互交叉滲透的學科特色，旨在培養(yǎng)具備創(chuàng)新實踐能力，在環(huán)境工程領域從事污染防治與環(huán)境修復等工程設計和管理規(guī)劃方面的復合型高級工程技術(shù)人才。目前，全國高校環(huán)境工程專業(yè)已普遍形成以水污染、大氣污染與固體廢物處理處置為核心的學科體系。主體課程所涉及的專業(yè)理論知識囊括大量具有長期性、復雜性、持久性的微觀生物地球化學與遷移轉(zhuǎn)化過程，以及宏觀的污染防治、無害化處理、資源化利用、環(huán)境修復等實際工程應用技術(shù)，存在傳統(tǒng)課堂教學難以呈現(xiàn)，學生掌握具有一定困難等問題。特別是隨著我國環(huán)保領域復合型技術(shù)系統(tǒng)的建立，環(huán)境工程專業(yè)課程在內(nèi)容廣度、跨學科性、實踐性與復合深度等方面更為突出[1-2]。然而，目前環(huán)境工程專業(yè)的主體課程存在教學內(nèi)容陳舊、教學手段單一和教學方法保守等問題[3]。由此可見，單純、簡單的以書本育人的傳統(tǒng)教學方式，不僅與創(chuàng)新能力強、市場化、專業(yè)化人才的培養(yǎng)要求背道而馳，而且嚴重降低了環(huán)境工程專業(yè)應用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量[4]。

將基本理論教學與工程實踐應用相結(jié)合，改革教學形式，提高學生的求知欲望和學習興趣，以實現(xiàn)高理論水平與卓越工程技能人才的輸出，是響應教育部“卓越計劃”重大改革項目的最好踐行?；ヂ?lián)網(wǎng)、智能終端等網(wǎng)絡信息技術(shù)在教育領域的廣泛應用，促使以微型教學視頻為主要載體的“微課”，以及微課支持下的“翻轉(zhuǎn)課堂”新型教學模式成為我國教育信息化發(fā)展的熱點[5-6]。特別是對于環(huán)境工程專業(yè)這樣的工程技術(shù)類課程而言，設置個性化、可視化學習內(nèi)容，引導學生通過微課自主學習，不僅能夠豐富教學活動、深化學習內(nèi)涵，而且能夠強化教學互動，進而實現(xiàn)高效教學。因此，針對環(huán)境工程專業(yè)主體課程，可基于微課采取“翻轉(zhuǎn)課堂”和“混合式學習”的教學方式，即課前通過微課教學完成知識內(nèi)化，課上通過工程實例討論完成對基礎理論知識的進一步吸收消化及其在應用方面更深層次的思考，使學生在教師引導和啟發(fā)下，充分發(fā)揮學習主體的主動性、積極性與創(chuàng)造性。

基于此，本文以固體廢物處理處置課程中“生活垃圾填埋處置”章節(jié)為例，以動畫為主要表達形式，從微課設計思路、框架構(gòu)建、視頻制作與學生反饋等方面，對微課的設計與應用開展探索研究。

二 微課設計與制作

（一） 微課設計思路與流程

微課不僅要以完成教學目標為首要任務，而且要具備完整的教學計劃、輔助資料、課件教案與教學評價等[7-8]。因此，動畫設計應服務于教學內(nèi)容和課堂講授，并符合教學規(guī)律，確保短時間內(nèi)主題突出、內(nèi)容精煉、結(jié)構(gòu)緊湊，并平衡好動畫藝術(shù)表達與理論知識嚴謹傳授之間的關(guān)系。

對于環(huán)境工程專業(yè)而言，應緊扣專業(yè)教學培養(yǎng)目標與教學大綱，以學生學習動力和興趣為衡量，打破傳統(tǒng)教材導向的刻板教學體系設置，以實際環(huán)境污染問題為中心，環(huán)境治理與修復、資源化利用與無害化處置等工程項目案例為引導，對課程教學內(nèi)容進行知識點梳理與拆解，以結(jié)構(gòu)化知識單元、可視化學習內(nèi)容為基礎，兼顧微課呈現(xiàn)的可行性與傳遞過程的準確性，對微課與課堂教學內(nèi)容在理論知識與實際環(huán)保工程應用之間進行合理分配與整合，重構(gòu)新高效課堂教學設計模式下的教學內(nèi)容與授課體系。以完成課程教學任務為原則，根據(jù)教學要求確定主體章節(jié)重構(gòu)后知識點預達到的教學效果，在明確教學內(nèi)容重、難點的基礎上制作微課視頻。根據(jù)教學內(nèi)容構(gòu)想動畫呈現(xiàn)形式，利用相關(guān)動畫制作與視頻剪輯軟件完成效果呈現(xiàn)，構(gòu)建與教學設計相配套的微課教學資源。以微課教學導入為前提，建立提出環(huán)境污染問題、討論具體治理措施、改善污染狀況、解決環(huán)境危害的高效課堂授課模式，通過設置靈活的課堂活動，搭建師生交互式教學平臺，擴大教學信息量，激發(fā)學生學習興趣，提高學生自主學習與獨立思考能力。

針對此，如圖1 所示，本文提出以下微課設計流程：①以教學目標與任務為導向，將教學內(nèi)容按照邏輯關(guān)系進行知識點劃分，根據(jù)教學要求確定各知識點預達到的教學效果。②明確教學內(nèi)容中的重點與難點，圍繞3～5 個知識點、1～2 個重、難點進行一部微課動畫視頻的設計與制作，并根據(jù)各知識點的講解內(nèi)容，分配微課時長。③剖析并梳理各知識點具體內(nèi)容，設計教學方法、構(gòu)想動畫呈現(xiàn)形式，規(guī)劃微課視頻與課堂教學的接合方式，通過虛擬教學情境動畫、仿真動畫、實例動畫、演示動畫等，將抽象、晦澀、難以直接感知，或理論性強、難以生動展示，或?qū)嵟碾y度大、難以達到理想效果的知識點進行簡化與模型化，進而準確、真實表達知識點的核心內(nèi)容。④利用二維、三維動畫制作軟件、視頻拍攝工具、視頻制作與編輯軟件，以及音頻合成軟件等，對設計好的動畫進行制作與調(diào)整，以期達到預設的動畫呈現(xiàn)效果。⑤基于學生反饋與教學效果，對制作好的微課視頻進行評估，根據(jù)評估結(jié)果進行微課設計的校正與完善，最終作為線上教學資源供開放課堂教學使用。

圖1 微課設計流程圖

（二） 知識點拆解與微課框架構(gòu)建

根據(jù)前述微課設計流程，在明確教學內(nèi)容，并剖析教學重、難點的基礎上，對知識點進行拆解重構(gòu)，針對具體講解內(nèi)容，確定相應的講授方法，如類比、推演、關(guān)聯(lián)、舉例等，并據(jù)此構(gòu)想微課動畫的呈現(xiàn)與表達形式。以“生活垃圾填埋處置”章節(jié)為例，該章節(jié)為環(huán)境工程專業(yè)固體廢物處理處置課程的重要章節(jié)，通過本節(jié)內(nèi)容的學習，學生應在了解相關(guān)工程應用背景的基礎上，熟悉填埋處置技術(shù)的基本原理與相應的污染防治措施。

如表1 所示，章節(jié)中三個知識點及其微課制作與呈現(xiàn)過程如下：

①工程應用背景：構(gòu)建虛擬教學環(huán)境，以數(shù)字人物替代真實人物，通過動畫模擬與數(shù)據(jù)動態(tài)顯示的方式講解填埋處置技術(shù)的應用現(xiàn)狀與優(yōu)缺點。引入全國矢量地圖素材，直觀展現(xiàn)近10 年來填埋技術(shù)在我國各省、市、自治區(qū)生活垃圾無害化處置過程中所發(fā)揮的作用，從而使學生在掌握相關(guān)概念和原理之前，能夠明確填埋處置技術(shù)的工程應用地位和地域分布規(guī)律，了解其實際工程需求、適用范圍，以及未來發(fā)展趨勢。

與課堂教學接合：該知識點微課視頻的制作能夠使學生宏觀把握所學知識的實際工程應用情況，線下教學過程中作為“引子”代入課堂，為課堂教學過程中相應知識點的講授提供背景介紹。使學生知道自己在接下來的章節(jié)中要學什么？為什么學？所學技術(shù)將來能干什么？

②污染危害（重點）：建立動畫仿真模型，動態(tài)模擬10～20 年間填埋處置過程中滲濾液的來源、產(chǎn)生量、組成與污染物特性等隨時間的變化情況，剪輯插入滲濾液采集及其中污染物分析檢測的視頻文件，加強實物感官認識的同時，增加水樣采集與實驗室環(huán)境化學分析的教學環(huán)節(jié)。通過實例分析講解污染危害，以坐標數(shù)據(jù)的動態(tài)變化呈現(xiàn)污染物含量差異，使學生明確滲濾液造成人體健康和地下環(huán)境介質(zhì)污染的原因與途徑。所有數(shù)據(jù)均在畫面右上角標注參考文獻和來源，使學生能夠追溯原始數(shù)據(jù)，端正嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。

與課堂教學接合：該知識點微課視頻的制作能夠使學生從感官和認知上直觀明了的掌握一個長期的、動態(tài)的、復雜的環(huán)境污染過程，從而改善了傳統(tǒng)課堂授課時只能通過語言描述，依靠學生自己想象來復盤污染過程的情況。通過滲濾液樣品采集和實驗室實操環(huán)節(jié)的視頻剪輯與切換，為微課支持下“翻轉(zhuǎn)課堂”的師生交互式教學，以及后續(xù)實踐教學課程的開展奠定基礎。因此，實際線下教學過程中該微課視頻作為直接信息傳遞的方式代入課堂，為課堂教學過程中相應知識點的講授提供語言之外的感官素材，使學生知道污染危害的源起、變化和潛在結(jié)果。

③污染防治（難點）：由于填埋處置場防滲系統(tǒng)位于地下，其污染防治機理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均較復雜，直給的教學方式不能實現(xiàn)教學內(nèi)容的形象化與直觀體現(xiàn)，因此，微課中設計利用動畫層層剝離的方式，形象直觀地展示了填埋區(qū)縱向剖面構(gòu)造，并采用動態(tài)連續(xù)推演的手段，對最核心的防滲部分進行材料上的分類說明，以及系統(tǒng)組成上的解構(gòu)處理。

與課堂教學接合：實際線下教學過程中該微課視頻以問題討論的方式代入課堂，通過拋出“如何減少滲濾液對地下環(huán)境介質(zhì)污染？”“什么材料可以作為成本低廉的防滲構(gòu)件？”等問題，引發(fā)學生對相關(guān)知識點的思考，充分激發(fā)學生面對實際環(huán)境污染問題時，以污染防治和改善環(huán)境質(zhì)量為導向的工程師思考模式。該知識點微課視頻的制作能夠使學生對大規(guī)模地下施工的污染防治工程有一個化繁為簡的概念模型的掌握，從而為課堂上充分的師生互動騰出更多時間，為問題的提出、討論、引申和推演提供更深入的可能，最終使學生明確了環(huán)保項目中因下滲造成地下環(huán)境介質(zhì)污染等一系列問題的工程通用類解決方式。

反復播放并修改微課視頻，對預期呈現(xiàn)的動畫效果進行適當調(diào)整，最后，將制作完成的動畫微課視頻應用于固體廢物處理與處置課程教學，通過電腦和手機終端推送線上教學資源。

三 微課教學調(diào)查與分析

為進一步了解授課效果以及學生對教學內(nèi)容的掌握情況，針對開設相關(guān)課程的大三年級環(huán)境工程專業(yè)學生設計調(diào)查問卷，從學生角度反饋教學效果，追溯微課的設計與應用問題。如表2 所示，由收回的97 份調(diào)查問卷可知，受訪對象中近91% 的學生能夠較好接受動畫視頻講解知識點的授課教學方式，僅有約9%的學生持無所謂或不接受的態(tài)度。與傳統(tǒng)課堂授課方式相比，86%的學生認為微課更能夠提起自己對專業(yè)課程的學習興趣，且82%的學生希望將這種授課方式也推廣至其他環(huán)境工程專業(yè)課程的教學。但是，在授課內(nèi)容方面，受訪學生認為，將微課用于基本理論知識、工程案例分析與知識點歸納總結(jié)會更有效，而習題講解則更適合于傳統(tǒng)課堂講授。因此，77%的學生認為在將傳統(tǒng)課堂與微課相結(jié)合的教學模式中，微課占比不超過40%較為合適。由此可見，環(huán)境工程專業(yè)學生對于微課的接受程度較高，基于微課的高效課堂教學改革具有進一步應用實踐的學生基礎。

表2 學生對于微課學習效果的反饋情況

在觀看微課視頻后，86%的學生認為學習效率得到大幅提高，表示自己能夠掌握其中60%以上內(nèi)容的學生占75%，而7%的學生僅能夠掌握全部知識量的20%～40%。針對微課視頻的設計與制作，有68%的學生建議時長維持在8 分鐘較為合適，否則注意力會下降影響學習效果。對于以動畫為主的微課視頻，61%的學生認為老師出鏡的必要性可以適當降低，88%的學生認為這種活潑幽默的動畫設計并不會分散注意力，反而更能夠提高關(guān)注度。但是，在受訪學生中，近21%的觀后體驗都提到旁白講解語速較快，說明微課內(nèi)容設計偏多，需要在微課制作過程中適當減少知識點數(shù)量，或統(tǒng)籌調(diào)配確保教學內(nèi)容的平衡。

四 微課設計與制作建議

建立微課教學資源是環(huán)境工程專業(yè)學科特色以及教育信息化快速發(fā)展的必然導向，是專業(yè)課程教學方式發(fā)生自適應性改變的必然趨勢，也是“卓越計劃”對高素質(zhì)、創(chuàng)新型工程人才培養(yǎng)的必然要求。鑒于此，本文針對微課設計與制作提出如下建議：

1.鑒于環(huán)境工程專業(yè)學生對微課教學形式表現(xiàn)出較高的興趣和接納度，建議在專業(yè)學科建設層面，開展基于微課教學資源的高效課堂教學改革與實踐，在激發(fā)學生專業(yè)興趣的基礎上，培養(yǎng)學生自主學習能力與實踐創(chuàng)新意識，推動學生全面發(fā)展。

2.提高學生在微課設計過程中的參與度，根據(jù)學生反饋及時調(diào)整知識點拆解、整合方式，開發(fā)并運用多種設計軟件與工具，提高微課內(nèi)容與呈現(xiàn)形式的個性化、靈活性與多元化，進一步強化微課的高效授課性與高度吸引性。

3.鑒于環(huán)境工程專業(yè)三位一體的教學特色，將微課與理論教學、實驗教學和實踐教學相互結(jié)合，把握好微課與課堂教學在教學內(nèi)容上的分工，明確微課作為教學手段在整個專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的地位，避免出現(xiàn)增加學生課外學習負擔、降低課上學習效率等違背教學改革初衷的負面影響。