理工科实验类信息化课程的系统性开发

姚绍岩

(锦州师范高等专科学校，辽宁 锦州 121000)

0 引言

信息化资源课程(包括微课与课例等)，具有“短小精悍”“代入感强”的教学特色，无论在日常教学中还是在各级信息化大赛中都发挥着举足轻重的作用。[1]本文主要研究的是“理工科实验类信息化课程”的独特设计思路和创新制作技巧。

实验类信息化课程作为侧重实际训练为主的教学形式，与单一理论讲解的语言讲授类课程相比，具有教学形式灵活、场景多变、师生互动和形象直观等特点。单一语言讲授类课程适合文史学科的理论教学讲解，实验类课程则在物理、化学和生物等理工学科的教学中得到淋漓尽致的艺术展现。理工科实验类课程逐渐具备了学生在教师指导下，使用教学设备和材料的条件，即通过相关操作完成规定的实验目的，最终将实验与理论相结合达到理论联系实际、形象生动的教学效果。

在实际的教学中笔者做了如下调查：随机抽取大学二年级的两个班，让学生同时观看“语言讲授类”和“实验类”课程的教学视频，最后80%的学生认为实验类课程寓教于乐，令人印象深刻，具有更好的教学效果。纵观近几年信息化大赛的获奖名单，侧重实践的实验类微课、课例更是倍受评委青睐取得了突出的成绩。以笔者参与制作的获得2018年度省级信息化大赛一等奖、国家级二等奖并深受学生喜爱的作品为样板，详细介绍理工科实验类信息化课程的模块化创作理念和创新技术特点。

1 “理工科实验类信息化课程”的模块化创作流程

在课程的信息化创作过程中笔者研究并分析得出结论：将完整的课例先细分成相对独立的教学环节模块后再创作，让课例像“章回体”小说那样具有了知识点相对独立、承上启下和条理清晰等鲜明的特点。学生在学习课程时也便于深入体会和归纳总结，达到最好的教学效果。

1.1 教学情境导入

传统的讲授类课程一般是照本宣科，开篇直接进入课程讲解过程。笔者创作的“实验类信息化课程”本着开篇吸引学生注意力并师生互动的初衷，在教学视频开篇采用小说和剧本创作中的“引子”形式的开局环节，通常是校园环境实录，由学生演员采用翻转课堂的方式提出相关问题，教师将学生提出的问题与理论相联系，进而引出本节课程的学习内容。[2]

场景构建一般是这样的：在校园一角学生通过电脑或手机浏览网络，搜索生活中与课程相关的视频新闻或文章(理工课程多数与生活相关)，学生请教师观看新闻并提出问题或发表言论，教师将学生的具体问题与理论相联系之后引入到本节课程的讲述中来，实现类似“翻转课堂”的开篇形式，进而引导学生观看相关教学视频，实现了学生自主学习，为后续的课程核心教学奠定了基础。这种师生互动型教学情境导入方式为整体信息化教学开了个好头，给予学生自主的学习空间，让原本沉闷的课堂教学充满生气，在吸引学生关注的前提下为教师的未来教学提供了深层次的发挥空间。

1.2 适时揭示主题——精彩的片头不一定在开始

传统的讲授类教学视频基本采用“开篇明义”的开局格式，即课程第一秒播放片头显示课程名称、作者、学科学段等基本信息，这种形式立题明确，使学生通过简单直观的方式了解到课程的主题。笔者设计的“创新实验类信息化课程”摒弃了传统的开篇方式，独到地采用教学情境导入后再展示片头的形式。实践证明，这种新奇的剪辑样式更能吸引年轻大学生的注意力，给观赏者留下深刻的印象。其实这种不拘一格的“片名”显示形式在我国最早可以追溯到1958年，当时拍摄的影片《永不消逝的电波》就是一直没显示片名，直到结尾的最后几秒才显示在屏幕上，至今让人印象深刻。

在上一个环节后面，教师通常会说类似“同学发现的问题很好，让我们在这节课共同学习相关知识”，然后屏幕一转显示课程题目及相关信息，视频教学的正文正式开始。课程片头的制作风格需要与讲授的主题相符，理工科多与自然科学相关，在创作片头时不妨引入一些与课程相关的自然元素相点缀，同时配以明快活泼的音乐，让题目文字不那么单调。为达到最好的艺术效果，文字的动画要与配乐节奏相匹配，给人一种文字随着音乐跳舞的感觉，这样符合学生们的观赏心理。科学研究表明，这种动作与音乐节奏相配合的行为模式可以认为是人类与生俱来的本能，声画完美搭配的视听体验更能使观赏者留下美好的记忆。片头题目是课程的精髓，在优美流畅的片头带领下，后续的教学才能环环相扣、效果提升。

1.3 实验原理与方法——新课精讲

实验类课程是建立在理论研究基础上的，在实验正式开始前必要的理论讲解和方法介绍不可缺少。为了增加课程的感染力，在这一环节推荐教师出镜讲授，以便留给学生形象直观的深刻印象。在这里笔者对三种主流的教师出镜录课方式进行比较：第一种，早期的教师配合投影仪讲课形式。这种形式人物和投影屏幕的拍摄比例不好控制，投影屏幕如用肉眼看效果没问题，但用摄像机录像就会不可避免地产生屏幕闪烁、横条纹等瑕疵，影响视觉观赏。第二种，升级的教师配合液晶屏幕讲课方式。液晶屏幕录课的引入完美解决了传统投影闪烁的弊端，但也带来了新的问题，通常新款的LED高清屏幕亮度较高，如果播放的课件颜色较浅，教师在前面讲课就会产生类似逆光的效果，录课时虽然突出了课件的效果，但显得教师脸特别黑，降低了教师的教学主体地位，这一方法也有缺陷。第三种，教师绿幕抠像配合课件动画录屏。两个相对独立的素材通过后期视频编辑软件合成，达到比例可调、中心突出、主题明确的最佳视觉效果。最终认定绿幕抠像配合动画课件的讲授形式效果最好。

理论讲解环节的最佳制作效果是：教师前台出镜配合课件动画等辅助元素，既给予观众亲和力又让原本沉闷的理论讲解生动有趣。教师绿幕抠像与课件动画录屏的完美结合，使教学效果更进一步，两者相得益彰，让学生在优美的视听效果中深入体会教学思想。

1.4 实验过程与操作——全方位精准录制

实验现场环节是实验类课程的重中之重，前期的理论铺垫是为现场实际操作打基础。在这一环节教师带领学生来到实验场地，介绍实验仪器，真刀真枪地进行实验操作，让学生设身处地地学习书本上学不到的“真知识”，从而提高理工科学生的实际动手能力，教学生掌握能够受用终身的关键能力。为了细致入微地记录实验过程，解决实际操作的疑点和难点，这一环节的信息化课程制作我们遵循以下原则：

1.4.1 多机位多角度完整记录

大学的实验通常比较复杂，有的甚至用到多仪器多场地联合实践教学。复杂的实验环境决定了录制试验演示现场决不能使用一台摄像机，要想录制完美的实验过程，笔者推荐使用不少于两台摄像机多角度全方位地拍摄实验讲解过程。方案如下：

机位一：实验全景录制。摄像机正面录制教师和学生，教师带学生做实验，双方的站位可以不必像上课一样相互对立。推荐教师“C位出道”，即教师在镜头中央，学生代表半环形排于两侧，大家都相对正面对着镜头。这样拍摄的好处是既突出了教师的主导地位，镜头局部也记录了一些学生观众的学习表情。

机位二：教师的特写拍摄。摄像机采用近景甚至特写的拍摄手法单独录制教师的实验过程。这一机位采用浅景深构图完全忽略学生和背景，只记录教师的讲课和操作，突出主体，让实验的录制细致入微。

机位三：游离机位。理工科实验教学有着特殊性，有的实验教师一人无法完成，需要助手在辅助仪器上配合操作。为了记录实验的完整性，这个摄像机对准的是配合实验完成的助手，对整个实验过程提供辅助素材。

根据实际需要还有可能增加诸如“师生互动”“屏幕特写”类的辅助机位。最后，对多机位同时拍摄的视频素材进行后期合成。视频制作者根据教学需要剪辑视频，让学生在作品中领悟到实验教学的精华。为了突出实验的全方位、完整性，有的场景需要画中画技术(一个视频画面包含两个或更多实验场景)，这样通过多机位拍摄配合后期制作让原本复杂难懂的实验过程变得形象简明。

1.4.2 光源在实验录制中的突出作用

实验环节的录制是让视觉引领和牵动教学思维，是一个打通教学感受的复杂工程，用光、影、色彩精心雕琢是精品课程在影像呈现上的系统性追求。现场实录光和影的作用尤其突出。 “三点布光”是创作信息化课程中最常用的布光方式，这是由美国好莱坞发展出的拍摄技巧，至今仍在世界上通用。“三点师光”主要由主光源、辅助光、轮廓光组成。

主光源在三点布光中最为重要，它直接影响画面的色温和亮度。现实的录制过程中基本可以用日光光源，多数情况主光源在被摄物体的45度角方向，主体离光源越近，和背景的亮度差就会越大。辅助光没有主光强烈，作用是降低主光的强硬，显露一些次要细节使之不被黑暗吞噬。在灯光条件有限的情况下，辅光源可以通过反光板来解决。轮廓光需调好位置，正好打亮教师的头部和肩膀，也不要太亮，最终让画面更有层次感。这样一个基本的三点布光就完成了。为了达到最好的效果，实验具体的拍摄环节我们还引入“细节光源”。突出实验重点的小的局部光，能够特别有效地突出拍摄主体内容，有效屏蔽一些不必要的干扰因素，使画面微观呈现。

1.4.3 关键镜头用“升格拍摄”效果升级

有些理工科的实验核心操作时间短难度高，那么在演示视频中如何让学生观众对核心操作全面记录并留下深刻的印象呢？在这里可以引入电影制作中的“升格拍摄”技巧，全方位细致地制作经典实验过程。

“升格拍摄”是指拍摄过程中大于正常帧速率的拍摄方法。推荐120帧以上，这样效果最好。经典的“升格”镜头出现在香港20世纪90年代的电影中，王晶导演用于展示赌神登场桥段，升格镜头配上气势如虹的音乐，拍出了此类型电影样板镜头。后来好莱坞导演将此技术发挥到极致，在电影《骇客帝国》中采用了帧速率1 000以上的“子弹时间”特效，一举拿下奥斯卡最佳视觉效果奖。

升格拍摄的意义在于，一般拍摄帧速率达到24F/S人眼就觉得视频是连贯的，升格拍摄时将速率提高至120帧，这时，拍摄的镜头会更加清楚地记录下细节内容。这里的“细节内容”用传统的慢镜头是无法捕捉到的。前期的升格拍摄还要与后期制作相呼应才能形成完美的最终效果。后期编辑软件笔者推荐Twixtor变速插件。这个插件分为两种版本——Twixtor和Twixtor pro，主要的区别是Twixtor pro可以通过添加遮罩，来保证一些复杂的场景内人物运动不会变形，也不会跟背景的画面混在一起，而使整体画面变得模糊。因为多数实验的场景比较简单，所以只使用Twixtor就够了。在该插件Output Control选项下的Speed“速度模式”创建关键帧和相应调节数值，可以直观数控式地调节视频播放速度，以达到预期的升格或降格效果。

作为高端的视频技术，“升格拍摄”对硬件的要求更高，经过市场调查发现近两年上市的专业摄像机都支持高速拍摄。值得一提的是，2019年上市的高端旗舰手机(如iPhone X)由于技术的升级也可以支持120帧的高速拍摄，这为条件有限的课程创作者提供了廉价的平台。

前期硬件与后期软件完美配合的“升格拍摄”让实验课程的记录更加精致优美，视频的细节慢速播放为学生反复研究教师的操作留下了宝贵的机会，现代技术与教学实践的完美结合让理工科实验类信息化课程达到了新的高度。

1.4.4 特殊实验要用特殊拍摄装备

实验类课程由于场地空间和拍摄时间上各有不同，为了更准确地记录实验过程，笔者推荐使用运动摄像机。传统的摄像机三脚架加云台的拍摄方式虽然能应付简单的相对稳定的拍摄场景，但是无法应对某些特殊的复杂多变的实验场景。为了达到更好的教学效果，拍摄中至少有一台运动摄像机参与，该摄像机以长镜头的方式全程记录实验变化过程。“运动摄像机”给拍摄者留下了较大的运动空间，让拍摄者摆脱三脚架的束缚，角度自由多变地拍摄实验过程，为后期创作留下丰富素材。[3]

为了达到更好的教学效果，有条件的教师可以采用诸如微观摄影、微距摄影等细致入微的拍摄手段。理工科实验有些是微观分析科学方向的，传统摄像机无法达到让学生细致观察实验效果的目的，借助微观摄影、微距摄影等新技术能让实验的拍摄效果近乎完美，同时也为科学分析提供详实的视频素材。

在拍摄过程中，将上述四条原则有效地结合，可以取得无以伦比的教学效果。信息化课程讲述可以看作是教师在镜头前的艺术舞蹈，让教学知识像生命一样“有故事”，用美感的画面吸引学生自主探索相关知识领域，最终达到教学形式和内容相辅相成，给学生留下身临其境的感觉，最大限度提升教学效果。

1.5 实验报告的填写与图表的绘制

理工科实验重在用数据记录、用事实说话，实验最重视数据的采集和图表的绘制。现场试验完成后即刻进入填写实验报告环节，为了突出填写过程和曲线变化，笔者摒弃突兀的教师真人出镜模式，采用全动画虚拟演示界面，让卡通人物带领学生总结实验数据，给学生留下惊艳的效果。

实验报告和图表的动画制作我们推荐流行的Focusky动画演示大师。该软件完全由国人开发，界面亲民，方便快捷。Focusky可以直接导入Word和Excel绘制的表格，并具有完备的图表绘制功能，在表格和曲线的绘制方面远胜其他软件。Focusky还配有优美的手写动画功能，让实验报告的填写形象生动，这是传统真人录像达不到的效果。软件系统中还配有若干可爱卡通人物角色动画。卡通人物的添加让死板的数据总结充满活力，深受学生的喜爱。Focusky另一个优点是视频成果的转化，既可以通过输出功能直接生成视频，又可以在播放文稿同时通过其他录屏软件生成素材。

通过上述软件制作合成的视频素材可以直接在用到教学中，全景动画环节的设计为实验报告的填写增加了生命力，在实际的教学工作中给学生留下深刻印象，深受学生喜爱。

1.6 课堂总结与课后思考

这是实验类课程最后一个环节。为了和开篇呼应，这里设计为最开始的教师和学生全都真人录制，经过前文讲述的现实与虚拟的学习流程，师生最后回归到开始的场景，教师做主角对整个教学进行系统性总结，学生做配角对所学知识进行补充起到有益的配合作用。理工科知识都存在延伸与扩展性，视频的最后，教师应适时地提出课后思考题，通常是本节课程相关的延伸知识点。思考题的设计给学生留下了悬念，学生根据所学知识点自主探究，发散性地解决问题，以达到触类旁通的教学目的。理工科实验类信息化课程的模块化教学流程让理论与实践完美结合，由学生疑问开始以教师提问结束，在师生共同研究中画上圆满句号。

2 课程后期效果的精益求精

“理工科实验类信息化课程”的模块化创作已经让作品初具规模，为了达到更高的教学效果，笔者本着严谨的精益求精的创作理念，继续深挖技术潜力，扩展制作思路。在视频的整体后期处理上总结出以下两点经验：

2.1 声音是信息化课程的灵魂

通过仔细观赏编辑成型的作品发现：各环节教师讲话声音的音质、音量和回响各不相同，容易给观众一种违和感。究其原因是设计的“实验类信息化课程”场景或室内或室外，空间和时间跨度较大，况且有的理工科实验需要在机床、水泵等高噪音环境下进行，有时教师的讲话可能被噪音背景掩盖，严重影响教学效果。为了统一各环节声音质量，营造课程清新优雅的教学情境，笔者借鉴影视创作中的后期配音技术，对视频成品采用全程后期配音，让视频中的教学语言完美和谐地呈献给观众。

在影视作品的制作中选用现场录音还是后期配音是一个进化的过程。早期电视剧的制作受条件限制多数采用现场录音，如20世纪80年代的台湾电视剧由于当时室外录音技术不成熟，会听到各种风声、杂音和回响。随着时代的进步，后期配音技术广泛应用于电视剧的制作，可以说除了室内情景喜剧完全不需要配音，其他电视剧都包含后期配音元素。

有条件的单位推荐组建专业的录音棚以达到最好的录音效果。这里笔者介绍的是低门槛的简易配音录音解决方案，只需用一台普通电脑搭配最新的“客所思”外置声卡+麦克风录音套装，在一个相对安静、空间不太大的办公室，就可以实现高质量视频配音。现今网络流行的主播平台也是这个配置。

通过高品质麦克风和外置声卡录制的MP3配音素材，再通过后期软件合成到视频中来，让原本复杂的声场变得统一有序，赋予信息化课程声音以灵魂，这样后期制作的视频作品观众听着舒服学习情绪高涨。

2.2 标准的人性化字幕为信息化课程锦上添花

通过回访观看教学视频的学生，笔者认识到：理工科信息化课程具有一定的专业性，低基础或是外专业的学生直接看视频里的教师讲授不一定能理解某些专业词语，为了让更多的学生观众能全面掌握实验教学的技术知识点，笔者决定像电影那样给课程视频配上全程对白字幕和注解，以达到有教无类的教学初衷。

电影字幕的最高标准是CC标准字幕，字幕标准要求和剧本基本一致，里面除了对白之外，还有现时场景的声音和配乐等信息，在国外主要是为了方便听力障碍的残障人士观看电影。而为课程添加的字幕要求更高，除了上述内容视频字幕还要包括词语的必要注解和知识点解析等辅助信息，以便于更广泛的观众学习实用知识。

实验类信息化课程一般时间较长，要配上如此详细的全程字幕也是不小的工作量。笔者横向比较了市面上的几款为视频添加字幕的软件，最后ArcTime以人性化界面、方便快捷的操作成为首选。添加字幕的具体步骤：第一步，导入视频素材；第二步，通过鼠标拖拽或按键拍打根据音频自动切分时间轴精确添加字幕；第三步，输出字幕视频。

经过前后对比发现，配上标准字幕的视频作品学生看着更明白，教学效果更好。标准的人性化字幕让理工科信息化课程更大众化。最终，笔者设计的课程实现了全程高质量、信息化、人性化，成为现代技术服务教学实践的样板作品。

3 结语

在教学实践中可以看出，应用本文设计思路和技术手段创作出的信息化课程作品具有较高的欣赏水平和教学价值。该系统性设计研究不仅可以应用在理工科实验类领域信息化视频的制作中，还可以延伸到其他教学领域的信息化视频的制作中。此设计思路不只适合精炼的微课制作，还适合信息化课例与精品课视频的开发。

理工科实验类信息化课程的系统性研究，使教师和学生的信息化教学和使用情况都得到了提高。教师通过制作高质量的视频作品领悟到了创新型信息化资源建设的高层次，学生通过丰富多彩的课程资源学习到了传统书本教学不易掌握的知识。这种实验类信息化课程教学模式还会给学生带来深远的影响，学生会在未来的学习和工作中模仿使用信息化课程教学手段，这对“新时代”人才的培养具有长远的意义。