力学课程学习资源信息化的构建与实践研究
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作者:汤帅，李延君 ，刘一泽
摘要：在教育信息化蓬勃发展趋势下，为了改善传统课堂力学教学的局限性，文章深度剖析了力学课程传统教学方式和信息化教学方式的利与弊，将视频详解、动画技术、BIM技术、二维码技术融入教学和学习中，以提高教学质量为根本目标构建力学课程信息化学习资源。在实践中将力学课程信息化资源融入应用型工科高校的力学教学中，进而为力学教育的数字化转型提供一定参考。
关键词：力学；教育信息化；构建方案；实践路径
中图分类号：G42 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2022）32-0156-03
由教育部印发的《教育信息化中长期发展规划（2021-2035年）》和《教育信息化“十四五”规划》，明确表示推进建设信息化高等教育体系，为国家教育信息化指明发展方向，从而推进教育的数字化转型[1]。在科技的飞速发展下，计算机、互联网不断影响着我们的学习和工作生活，传统的课堂教学已经满足不了新时代大学生的学习需求：黑板教育难以表达抽象概念，文字描述难以解释复杂过程。因疫情肆虐，新型网络教育方式受学校广泛应用，线上教学逐渐映入人们眼帘。伴随线上教学的深入发展，人们将互联网技术应用于教学之中，使得传授和学习知识的过程更加多样化，未来信息化教学必将是高等教育创新体系中不可或缺的一环[2]。
1 力学课程学习资源信息化建设发展趋势分析
1.1 背景
在人类社会已逐步由工业时代迈入信息化时代的大背景下，互联网在多方面对人类的生产生活产生翻天覆地的改变，同时也推进了教育事业的数字化转型[2]。2018年4月教育部印发《教育信息化2.0行动计划》，着重强调了教育信息化的重要性，呼吁各大高校全面推进信息化教育进程[3]。在此前提下，各学校以“停课不停学”为口号将教育的载体由课堂转为一系列线上视频共享平台，教育信息化逐步走进人们的视野中。在国家疫情防控期间，信息化教学在各学校取得不错的教学效果，其原因一方面是由于信息化教W相较于传统教学具有较大优势，另一方面是由于受教育群体其生活时代的共同特性――生于互联网时代的原住民，具有较高的网络信息学习能力和接受能力。
1.2 传统教学和信息化教学的利与弊
由于互联网技术的兴起，传统课堂教学的局限性也在社会飞速发展下多方面暴露出来：传统教学主要以书本为中心、多媒体讲演、黑板推演为辅，学生难以通过简单的书本文字形成自身的整体知识网络，从而会忽视知识的迁移运用，大多数学生对学习的认知仅是书本知识的生搬硬套。其次，传统教学主要以教师为主体，着重强调教师的教学手段而忽视学生的自主学习能力和主动学习积极性，教学不是教师一味地知识输送和课堂教学时间的知识灌输，实际上真正的有效教学取决于学生群体对知识的掌握情况。再次，在教学对象上，以班级为整体的教学单位在管理、比较、分析等方面对教学产生推动作用，但却忽视了学生个体的差异性，对整体采取“一刀切”的固定教学方法，无法针对学生个体差异性选取教学手段[4]。
相比于传统教学的局限性，信息化教学具有更多的优势，从根本来说，教育信息化是通过现代化信息手段将图片、动漫、视频等多种表达和呈现方法相结合，以现代化教学理念为指导、信息技术为支撑，从而达成更有效、更深的教学效果。在学习资源方面，线上教育平台可承载题库、视频等大量信息数据，学生可拥有比纸质书目更多的渠道去获取知识。在学生学习兴趣方面，信息化教学主要将各种视频、动画等多种教学呈现方式融入枯燥乏味的文字表述中去，学生突破传统书本教学的限制而激发课程学习兴趣。在时间和空间方面，信息化教育相对于传统教育的固定时间地点面授具有更高的自由度， 可以在任意时间、地点开展线上学习。在教学方式方面，信息化教育主要以学生为主导地位开展一系列教育活动，学习不再是教师的耳提面命和学生的被动接受，更是需要学生自觉地去寻找资源学习。
其中，力学教育在融入各种信息化教学手段的情况下教学效果产生出乎意料的质变。众所周知的是，力学课程是众多工科专业的基础课程，其要求逻辑推理能力、抽象思维能力、数学计算能力较强，其原因主要如下：第一，力学解析需要学生对整体知识有着系统地掌握，力学的每一个知识部分并不是独立的，各个部分彼此之间环环相扣。一旦涉及力学问题的综合性分析，只有拥有严密系统的逻辑推理能力，才能对问题有着根本的把控。第二，力学问题往往是现实物件受力分析的抽象和转换，杆件构成具有复杂的结构性，需要学生自主思考，抽象化想象物体的几何构成和运动情况，这必然要求一定的抽象思维。第三，力学问题的计算是整个力学问题分析中的最后一步，数学计算需要用到高等数学中的积分计算，同时未知数多、代数计算复杂、方程组个数较多，需要学生灵活和精准计算。然而，传统教学的纸质教材和黑板讲解中，文字解释难以阐述力学构件的动态运动，二维平面难以刻画物件的三维运动，黑板刻画无法描述物件内部的受力状态和应力状态，语言表述难以构建复杂的知识系统，所以力学课程的特殊性致使传统课堂教学的效率较低、学生掌握和应用知识效果差。所以可通过合理而完善的力学资源信息化建设改善以上传统力学教学的弊端。
2 力学课程学习资源信息化构建方案与实践研究
2.1 力学课程学习资源信息化理念
力学课程学习资源信息化通过图片、动画、视频构建相较于传统课堂教学更有效的学习资源库，信息化学习资源库采取一系列线上教育手段其包括案例讲解、动画技术、BIM技术，最后通过二维码的链接效果穿插至书本对应各处[5]。其对教师而言，信息化教学的建设可以有效地解决传统教学的教学弊端，文字和语言传授不了深奥的知识时便可以将表达的手段转为形象的信息化技术表达，在锻炼自己个体的信息化能力的同时提高教师的教学能力、丰富教学手段。对学生而言，信息化教学可以帮助解决在分析力学问题中所遇到的思维障碍，将复杂的结构模型和烦琐的公式推导以更容易理解和接受的方式呈现，提高学生力学分析和运用能力，在学习专业课之前打下坚实牢固的基础，并且增添了学习过程中的乐趣，摆脱了传统教学的枯燥乏味。更重要的是，学生在学习时摆脱了时间空间的条件限制，不再是融入班级学习而是以个体为单位开展学习活动。在整个教学周期中学生可根据自身知识点掌握的薄弱程度主动学习，进而减少知识摄取的重复性以提高学习效率。
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2.2 力学课程学习资源信息化构建方案
如图1的力学课程学习资源构建方案，通过三个主要途径――视频讲解、动画技术、BIM技术互相支撑，以BIM技术的三维受力分析，展示物体内部特征；再以动画展现物体的动态变化，后将完成的BIM模型和动画模型融入案例解析视频、微课视频、实验视频中去。其视频成果以二维码为载体穿插在书本的对应知识点，方便学生寻找。此过程不仅响应了教育部信息化教学的口号，也在一定程度上提高了教师和学生的能力[6]。
2.2.1 视频详解模块
视频详解主要包括微课视频和案例详解。微课视频包括材料力学实验操作视频和大学物理课程视频，材料力学的五个经典实验包括：低碳钢、铸铁拉伸、铸铁压缩；钢材弹性模量、泊松系数测定；薄壁圆筒弯、扭组合变形应力测定；低碳钢、铸铁扭转；梁弯曲正应力测定。与理论教学的侧重点不同的是，实验操作更能对学生进行观察能力、动手能力和探索能力的培养。但如今实验教学的效果却不尽如人意，学生完全只是照着实验步骤照本宣科，实验的目的仅是为了获得标准实验数据，完全偏离了实验教学的培养目的。大多数学生往往缺少对实验的思考和质疑，归根结底的原因是学生对实验原理不理解。因而材料力学的实操视频可以呈现实验的具体步骤和理论支撑。
案例详解采用各种典型的生活实例，例如理论力学中为了让学生了解力偶对于物体的转动效果，大多数学生只是生搬硬套地死记硬背，可以通过典型的自行车脚踏板例子进行讲解：双脚作用于自行车踏板的力使得与踏板连接的轴转动而带动链条使得整个自行车有向前运动的推动力。通过教师精心选择的各种典型案例，将此分解并逐步演示给学生。相对于传统教学中，在案例讲解中融入基本原理方法更容易使学生理解，也充分彰显了将知识运用到实践中去的教育目标。其次，通过案例详解中的工程视频、工程图片可培养学生的知识迁移能力，将理论知识融入具体的工程实践中去，在教学中培养学生的工程直觉，为以后就业工作打下一定的基础。
2.2.2 动画应用模块
动画应用模块是通过计算机绘制二维或三维动画改善和辅助抽象和模糊的力学教学。在实际的力学课堂与线上教学过程中，Flash制作的教学动画可轻易描述复杂物体的抽象运动和文字难以表达的受力变化效果。因而在将Flash动画教学融入教学之中，可极大地改善教师的教学效果和学生的学习效果。
2.2.3 BIM技术模块
BIM全称是Building Information Modeling，即建筑信息模型，其主要是依靠信息技术将建筑项目中所有元素的具体信息融入一个完整的、全生命周期的数据库。BIM技术在国内的应用并不普及，但由于它对工程项目的整个周期中的组织、管理、模拟、预览有着极大优越性，使得它具有远超于其他大多数建模软件的前景空间。
为培养应用型高校专门的工程类技术职业人才，在力学课程的教学中利用BIM软件的建模将理论融于实践。通过BIM模型展示，在力学知识理解方面，BIM技术可通过三维虚拟仿真的模型清晰地呈现物体内部受力状态，直观了解杆件等结构内部受力状态，给学生一种如临其境的临近感受，帮助学生理解抽象的力学模型；在知识实践应用方面，可提高学生的软件建模能力和设计能力，为以后设计行业的就业和工作提供一定的基础。
2.2.4 二维码技术应用
学习资源如今种类很多，但我们却很难找到所需资源。由于知识的零散性，二维码技术便可以给资源搜索提供捷径。二维码是一种可以承载信息的图像识别技术，因其便捷性受到广泛推广使用。将二维码技术和信息化教学有机结合起来，不仅可以节省学生寻找资源的时间，更可以精确地找到高质量学习资源，将信息化教学代入一个全新的高度。
3 力学课程学习资源信息化实践及成效
3.1 实践案例分析
图2表示的是刚体平面运动的典型模型：两个转轴相连接并与一端固定，在右端转轴转动的同时带动左转轴进而带动细杆运动，通过动画过程便能将此运动过程呈现出来。图3表示的是图2的实践案例，此模型便是火车轮的生活应用。该过程是将模型深化到现实中的应用，让学生感受力学知识理论到现实的联系，帮助学生理解理论力学的刚体平面运动知识点。
3.2 实践成效
力学课程学习资源信息化教学过程中，其从多角度对学生、教师、课程、院系产生一定影响。学生层面上，学生通过信息化教学资源不断丰富自己的学习能力，从案例视频和实验步骤原理解析的角度出发，为以后在工程实践或专业研究方面提供有利的工程思维方式。从学生的获奖情况来说，在院系举办的多种力学类和专业类竞赛中，学生所获得奖项在这几年间不断增多，所获得奖项的高度也不断提高。
对于教师而言，教师是信息化教学资源的构建者和教学使用者，学生是信息化教学的接收者。在教师构建信息化学习资源的过程中，这种经历和实践丰富且提高了教师信息化教学能力。首先，信息化教学资源的建立基础就是拥有一定的网络资源，网络资源包括各种信息化教育视频，因此需要教师提升寻找网络资源的搜索能力。其次，在现有资源的条件下，需要在此基础上进行资源创新和整合，强调了教师对知识体系的理解，从而丰富信息化技术手段，提高了教师的教学能力。再次，线上教学和线下教学给教师的教学感受是有区别的，线上教学过程中教师和学生缺少表情和语言的接触，教师更难把控教学内容的难重点进而分配教学时间，所以教师要拥有一定的在线教学能力以便面对电脑设备讲课时依然把控节奏。最后，构建完整的信息化教学资源，需要对整体的网络资源进行维护和更新，教师需要拥有一定的管理和维护能力。
对课程而言，力学线上课程建设不断有质的飞跃。在院校未拥有线上课程之前，学校教学方式属于传统教学方式，但在长达几年的建设过程中，学校拥有了一套完善的线上教学体系。在2009年至2021年中，学校力学课程不断被评为优秀课、精品课，力学的在线课程不仅被数八千名学生选修，也被多所院校使用。
对院校而言，信息化教学产物为院校培养学生良好的力学思维习惯。从学生参与竞赛情况上看，学生参与专业竞赛人数逐年增多，获奖的等级也越来越高。以学校土木工程学院为主导的大学生学科竞赛也因此建立了完善的大学生竞赛体系，如图4，全国大学生周培源力学竞赛作为各个专业竞赛的基础，以全国大学生结构设计竞赛为延伸，打造属于各个二级学科的本专业竞赛。
4 结束语
在如今的教育背景下，信息化教育是人才培养手段中更浓墨重彩的一笔，如何将信息化教学融入国家应用型人才教学培养中是需要不断探索和研究的。同时，教师也需要着重培养自己的信息化能力，学生也必须要摆脱学校家长教师的束缚，在顺应时代潮流下，也积极融入与之相应的教学环境，不断探索、勇于发现教育体系中的创新点，充分利用互联网的优势和便携，促进现代教育的发展。
参考文献：
[1] 祝智庭，郑浩，谢丽君，等.新基建赋能教育数字转型的需求分析与行动建议[J].开放教育研究，2022，28（2）：22-33.
[2] 曹阳.信息技术促进高校课堂教学转型研究――基于H大学的教学实践[D].武汉：华中师范大学，2019.
[3] 李克东，况姗芸.技术变革教育的思变与笃行――李克东教授专访[J].苏州大学学报（教育科学版），2022，10（1）：95-103.
[4] 王学男，赫晓丹.论我国教育信息化政策与实践的治理理路[J].河北师范大学学报（教育科学版），2021，23（5）：74-79.
[5] 谢晓玉，景世群.教育信息化背景下混合式教学模式创新――评《教学形态信息化创新用探索与实践》[J].中国科技论文，2022，17（2）：240.
[6] 刘露，沈玉凤.基于信息化的材料力学混合式教学模式的实践[J].大学教育，2018，7（1）：63-66.
【通联编辑：张薇】
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