微课在岩体力学实验教学中的应用研究

摘 要 随着信息技术和多媒体技术的不断发展和更新，使得微课作为一种新颖的教学方式越来越受到广大教育工作者的欢迎，而岩体力学本身又是一门以实验为基础的专业基础课程，由于高校扩招、设备短缺、经费不足等的压力，使得传统的岩体力学实验教学已经很难满足实验教学的需求。本文在分析传统岩体力学实验教学局限性的基础上，结合微课“短小精悍、主题突出、交互性好、应用面广”的特点，分析了微课在岩体力学实验教学中的可行性和操作性，将微课更好地融入到岩体力学的实验教学中，取得了理想的教学效果。

关键词 微课 岩体力学 实验教学 数值实验

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.12.041

Application of Micro-class in Experimental Teaching of Rock Mass Mechanics

SU Zhandong， XIA Jing， LI Xiaobo

（Institute of Disaster Prevention， Langfang， Hebei 065201）

Abstract With the continuous development and update of information technology and multimedia technology， micro-class teaching as a new way of teaching is more and more welcomed by the majority of educators， while the mechanics of rock mass itself is an experimental-based professional foundation curriculum， due to college eollment， equipment shortage， lack of funding and other pressures， making the traditional rock mechanics experimental teaching has been difficult to meet the needs of experimental teaching. Based on the analysis of the limitations of the traditional mechanics teaching of rock mass and the characteristics of micro-lectures "short and pithy， outstanding topics， good interaction and wide application"， this paper analyzes the feasibility of micro-class in mechanics experiment of rock mass and operability， micro-class will be better integrated into the experimental teaching of rock mechanics， and achieved satisfactory teaching results.

Keywords micro-class； rock mass mechanics； experimental teaching； numerical experiment

巖体力学是高等学校地质工程、工程力学、水利工程、采矿工程以及土木工程岩土和城市地下空间工程方向本科生的必修专业基础课程之一， 是一门与实际工程紧密结合的课程。当前，很多高校培养方案均要求学生深刻掌握岩体力学基本理论， 并能够解释岩体工程失稳、破坏等相关问题。[1]因此， 岩石力学实验教学对于学生的培养质量有着极为重要的作用。岩体力学实验是理论教学环节中的重要一环，可加深学生对复杂的工程岩体力学性质的感性认识，同时也可培养学生独立思考和动手的能力。[2]然而，受到传统教育观念的影响，人们往往只是注重书本上的理论知识，实验教学部分只作为辅助学习的手段并没有引起足够的重视，长期处于可有可无的地位，[3]显然，这不利于学生分析和掌握相关专业理论，在一定程度上造成学生实验及实践技能匮乏和工程意识淡薄，创新意识和创新能力更无从培养。有的院校岩体力学实验由于受到资金和场地限制，全套实验都由实验教师完成，学生只是充当观众的角色，并没有真正参与到实验中，达到学以致用的目标，因此，改变传统实验教学模式势在必行。针对此类问题，胡斌等[4]人指出，通过计算机辅助、加强实验设施的管理以及提高学生的科研投入三方面可减少实验教学经费，弥补实验设备陈旧等不足。黄明奎，[1]陈建峰[5]等人针对岩石力学室内试验在教学设备和教学模式上存在的局限性，提出建立岩石力学的数字平台作为辅助教学手段，有利于学生更形象直观地理解岩石试样在外力作用下的变形和破坏机理。随着生活节奏的不断加快和信息技术和多媒体技术的快速发展，人们逐步进入了“微时代”，一种新型的教学概念被提出并引入我国——“微课”，[6]所谓 “微课”就是指以微型视频为主要载体，通过记录教师围绕某个知识点或某个教学环节或某个教学活动而开展的教与学的活动过程。它的核心是课堂教学微视频，此外还包括有关的微型课程教案、微课件、教学反思、测试练习及师生互动等辅助性教学资源。微课是在传统课的基础上继承和发展起来的一种新型教学形式其以“短小精悍、主题突出、交互性好、应用面广”等特点被广泛认可，微课概念在教育领域迅速传播，相关实践和应用也迅速展开。该种形式教学模式的推广，在促进信息技术与学科教学融合的同时，可不断推动高校教师专业发展和教学能力的提升。然而，微课在岩石力学实验教学方面的研究鲜有报道，笔者结合多年从事岩体力学实验教学的经验以及岩石力学方面的研究，结合微课特征，对其在岩体力学实验教学方面的可行性和操作性进行了探讨和实践，取得了理想的教学效果。

1 微课在岩体力学实验教学中的可行性

（1）目前，由于受传统教育观念的影响，很多学生对实验过程重视程度不够，老师讲解实验原理和实验操作时学生的注意力相对涣散，实验过程过分依赖老师和同组同学，实验教学效果较差，与此同时，高校实验室的双重功能决定了其不仅要服务于实验教学，更需要承担起高校学科建设的重任，所以很难安排充足的时间让学生进行单独实验，有的院校在进行岩石力学实验时，由于设备短缺和仪器不足，学生基本上都是以超员编组的形式进行实验，有的学生往往只参与其中部分实验环节，并没有真正参与到整个实验的操作和测试中，显然，这不利于学生理解和掌握岩石在不同加荷状态下的内力变化过程及破坏机理，微课以微视频为载体，可进一步促进实验教学的变革，利用微课模式，可将实验操作过程，岩石破坏过程与现场施工的视频、图片以及材料相结合，让学生了解整个实验过程的同时，培养其组织实验的逻辑能力，掌握岩体力学的基本理论，从而能够联系实际解释岩体工程变形、失稳、破坏等相关问题。

（2）随着高校扩招、专业调整以及高校专任教师年轻化的现象凸显，担任理论课教学的老师在时间和精力上都很难保证实验教学的需求和质量，据统计，目前许多高校特别是地方高校的学生与实验教师的比例已经超过20∶1，远远高于国际公认的高校最适宜的生师比14∶1，[7]同时，有的老师的超负荷工作，很难对实验原理、实验步骤以及实验仪器做专门研究，这种实验课通常缺乏前瞻性和新颖性，容易使实验教学过程混乱，学生产生敷衍心理，极大地降低了学习效率和教学效果。微课作为一种新型的微型视频教学资源，其视频虽然短小，但却“麻雀虽小，五脏俱全”，[8]微视频一般为5～10分钟，这就需要实验教师精心准备，对实验原理和实验设计仔细斟酌，虽然在微课设计过程中实验教师会付出很多，但是这种精致的微视频能够成为整个教研室的共享资源，通过后期的不断优化和完善，使其有别于乏味和枯燥的传统实验教学，能够激发学生学习兴趣，较短的视频播放时间能够较好地保持学生的专注度，使学生能高效地掌握实验的原理和核心操作过程。

（3）岩石是不同矿物的集合体，成分、结构复杂且不均匀，同时由于岩石的脆性破坏特征，导致实验结果可重复性差，实验过程中很难直观地观测到岩石试样的变形和裂纹逐步扩展的过程，使得实验结果展现不了岩石变形及破坏机理。[1]同时有些仪器设备更新速度加快，简单依靠传统的设备和方法很难使学生高效地掌握相应的基础理论，而随着计算机技术的飞速发展，以数学和力学理论为基础，以计算机技术为手段的各种数值分析软件的越来越成熟，利用计算机对岩石试样在外荷载作用下的应力-应变关系、内力变化以及其破坏过程进行数值模拟，这样不仅可以获得许多在常规岩体力学试验中难以观测的重要信息，而且具有通用性强、方便灵活以及具有可重复性等特点，利用微视频的制作软件将岩石试样的单轴抗压强度试验、三轴压缩强度试验、抗拉强度试验以及抗剪强度试验的数值模拟结果与岩石室内试验视频同窗口同时步展示，使学生直观感知岩石试样加载过程的同时深刻理解岩石内力变化过程和岩石的破坏机理。

（4）目前岩体力学教学大多停留于课堂的多媒体教学，部分院校在进行精品课建设时，可能会用慕课的方式将整堂课的视频共享于网络，虽然在网络Web2.0时代信息技术和通讯技术有了较大发展，但是这些视频大都具有較大内存，而且视频时长基本上都在40分钟以上，很少有学生会去搜索观看，进行自主学习。但是，微视频具有很小的内存，并且视频时长较短，而且伴随着网络协作平台的发展和手机4G网络的全覆盖，最终生成的微视频格式多为RM、FLV等支持在线播放的多媒体格式，方便学生随时下载查看，方便学生自主学习。

将微课融入到岩体力学实验教学中，需要做好以下几个方面的工作：

（1）微教案和微课件的设计与制作。以岩体力学教学大纲为核心，以岩体力学实验指导书为基础，查阅相关的书籍和材料，结合当前工程领域对该实验指标的应用前景和最新研究进展，做好微教案，突出实验重点和实验注意事项，按照大纲要求，设计微课件。成稿后邀请教研室有经验的教师和专家对微教案进行修改和补充。随机选择相关专业的学生随同老师按照制定好的实验计划和步骤进行实验论证，认真记录和改进各个实验环节，进一步对实验步骤进行规范，同时，根据学生的实际水平，从学生实验习惯和实验心里角度出发，使学生能根据实际的仪器操作过程形成对客观对象的认识，在微课件中设计不同难度梯度的问题支架，制造“选择压”，[9]通过任务驱动以及活动设计等多种方式使不同水平的学生均能专注地参与到岩石力学实验环节中。

（2）工程实例的搜集与整理。岩体力学是一门理论性和实践性都特别强的专业基础课程，很多高校培养方案中均要求学生深刻理解和掌握岩体力学的基本理论，并在此基础上能够联系实际，解决有关的岩体工程变形及破坏方面的工程问题。所以实验方面的前瞻性和创新性对学生的培养质量起着至关重要的作用，在理论和实践教学中，广大教师要结合着自身的研究项目和研究方向，密切关注国内外的重大岩体工程问题和最新研究方向，收集不同时段、不同领域的工程应用实例（包括照片、三维动画以及施工视频等），尤其是教师亲自参与的一些工程实例和新理论成功应用的实例，并对这些工程实例进行剖析和归类，建立岩体力学实验的工程实例素材库。选择其中的典型工程，以开放实验、创新性实验、毕业设计等形式指导学生对其进行建模分析，使学生理解各实验指标重要性的同时建立一批典型工程的虚拟演示素材库，在培养学生创新能力和科研能力的同时，不断丰富岩体力学实验的微课设计。

（3）多媒体视频的采集和制作。录制实验过程时，需要与摄像者做好前期沟通，讲述岩体力学实验过程的摄制重点，便于其对摄制过程的设计与控制，将岩体力学实验仪器和实验步骤进行视频采集，为后期的微课制作提供较完整的原始素材。利用Camtasia和Edius等微视频制作软件将前期准备的图片、视频、微课件等素材进行整理、裁切和拼接，制作成5～10分钟的微视频。比如在岩体力学实验教学中，由于岩石属于脆性材料，当进行抗压强度、抗拉强度、三轴压缩强度等实验时，岩石的破坏及失稳过程具有瞬时性，实验过程中很难直观地观测到岩石试样变形和裂纹逐步扩展的过程，使得实验结果很难全面反映岩石在变形损伤演化以及宏观破裂过程中的变形场、应力场等基本信息，而数值实验可以通过数值计算方法，对一些实际现象进行虚拟显现：根据岩石试样的材料属性以及外部受荷状况，采用PFC3D等数值软件对实验过程进行数值模拟，将岩石试样在外荷载作用下的内力变化过程、岩石破裂过程以及其应力与应变关系制作成Flash动画素材。利用Camtasia和Edius等微视频制作软件将前期搜集的与该项力学强度指标测试相关的现场施工照片和视频引入，说明其工程意义，从而激发学生的学习兴趣，按照设计的逻辑顺序解说并录制的岩石力学实验仪器的关键部件，在进行实验前，要以醒目的标识强调实验注意事项，进行实验时，将录制好的实验操作过程的视频与岩石数值模拟动画同窗口同时步在微课课件中显示，使学生在观看实验操作过程的同时逐步理解岩石的破坏机理，从而加深其对理论知识的掌握程度。

（4）网络协作平台的拓展和微课的优化。我国教育界目前主要使用的“云服务”包括固态“云服务”和常态“云服务”。 [10]充分发掘Google 网络协作平台的各种功能，在该平台上为学生创建自学空间，将制作完成的微课、微课件、工程实例等资源通过上传、归类的方式归入自学空间中，学生可通过随时访问视频和其它学习资料，对微视频进行下载、播放、暂停以及回放等多种功能，可以实现自我控制，有利于学生的自主学习，提高学生的学习效率。在魔灯（Moodle）、Google Sites 等协作平台上以及各种博客中，老师可以很方便地创建自己的研究板块，将制作完成的岩体力学微课实验资源上传共享到板块中，同行以不同角度来呈现教师反思，通过便捷的网络调查问卷等来及时获的反馈信息展开经验交流，不断优化微课资源。利用微信APP的推送功能，将微课资源向相关专业的同学以及同行间共享，使得以微课为载体的岩石力学实验教学模式能够以更轻松的方式及时获取各种意见和建议。将微课视频及时地运用到岩体力学的课堂教学过程中，用微视频的特征吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣，帮助学生更好地理解和掌握岩体力学的重难点理论的同时，能从课堂角度对微课进行优化。

2 结语

随着计算机技术和多媒体技术的快速发展，“微课”在岩体力学实验教学中始终要体现“微”的特点，视频虽短，时间虽少，但是通过精心设计，将现场工程实例、室内实验过程以及虚拟数值实验相结合，通过多素材、多角度、多空间的整合展示，全面反映岩石在变形损伤演化以及宏观破裂过程中的重要信息，这样既可以较好地调动学生学习兴趣和学习热情，又可以让学生保持较高的专注度，提高学习效率。同时，利用Google、微信、魔灯、博客等便捷的网络协作平台，将微课以上传、推送以及共享等方式不断拓宽自主学习和反馈渠道，及时优化微课素材和结构，提高学生的自主学习能力和全面学习的学习效率。

基金项目：教学研究与教学改革项目（JY2016B08）；中央高校基本科研业务费资助项目（ZY20160101）

参考文献

[1] 黄明奎.岩石力学课程数值实验教学探索[J].高等建筑教育，2009（4）：129-32.

[2] 陈建峰，许铁欧，俞松波，等.岩石三轴压缩强度实验教学改革研究[J].高等建筑教育，2012（1）：103-106.

[3] 黄明奎，曾艳.对目前我国高校实验教学的思考[J].当代教育论坛，2007（10）：120-121.

[4] 胡斌，唐辉明，刘强.岩石力学课程实验教学改革的探索[J].科教文汇（下旬刊），2012（10）：111-112.

[5] 陈建峰，陈宝成，石振明，等.岩石力学数字实验教学平台建设[J].实验室研究与探索，2015（6）：120-123.

[6] 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.

[7] 馮一兵，戴启润，余本海，等.扩招对大学物理实验教学的影响及对策研究[J].科技信息：学术版，2006（1）：7-10.

[8] 余泰，李冰.微课在高校实验教学中的应用探究[J].实验室研究与探索，2015（4）：199-201.

[9] 郭绍青，杨滨.高校微课“趋同进化”教学设计促进翻转课堂教学策略研究[J].中国电化教育，2014（4）：98-103.

[10] 杨滨，王文霞.论“云服务”在教育低碳化中的合理应用[J].现代教育技术，2010（6）：19-22.

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