“剛體的平衡”案例教學(xué)的探討與實(shí)踐

趙新麗　張金波　倪　靜　張秀云

(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州　225002)

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“剛體的平衡”案例教學(xué)的探討與實(shí)踐

趙新麗張金波倪靜張秀云

(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州225002)

摘要本文以“剛體的平衡條件”為例，將案例教學(xué)的思想方法引入到物理課程的教學(xué)中，論述在醫(yī)學(xué)物理教學(xué)中如何使學(xué)生從具體的案例出發(fā)經(jīng)過思考、分析、建立物理模型、應(yīng)用基本理論，得到可能的解決方案，并提煉理論.實(shí)踐證明，把案例引入物理教學(xué)中，通過多個(gè)階段的實(shí)踐過程鍛煉，使學(xué)生深入理解和掌握所學(xué)知識，提高學(xué)生分析問題和解決問題的綜合能力.

關(guān)鍵詞醫(yī)學(xué)物理；案例教學(xué)；實(shí)踐創(chuàng)新能力

案例教學(xué)作為一種典型的師生互動(dòng)教學(xué)模式，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺陷，是創(chuàng)新本科課堂教學(xué)模式的有效途徑[1-3].醫(yī)用物理學(xué)是醫(yī)學(xué)各專業(yè)一門必修的基礎(chǔ)課，肩負(fù)著使學(xué)生掌握物理學(xué)所提供的、與醫(yī)學(xué)結(jié)合緊密的一些系統(tǒng)知識的使命.基于醫(yī)用物理學(xué)的特點(diǎn)，在案例的選擇上盡量突出物理原理在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用.我們以陳仲本老師編寫的《醫(yī)用物理學(xué)》教材[4]中力學(xué)部分“剛體的平衡條件”內(nèi)容為基礎(chǔ)，構(gòu)成剛體平衡條件“在人體力學(xué)中的應(yīng)用”案例，對案例教學(xué)進(jìn)行了探索和嘗試，本文介紹我們是如何進(jìn)行案例教學(xué)的.

1案例教學(xué)的定義

案例教學(xué)是教師組織學(xué)生通過對案例的閱讀、思考、分析、討論、交流和評價(jià)等活動(dòng)，提高學(xué)生分析、解決問題能力的一種教學(xué)模式[5,6].它主要包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)： (1)介紹案例，提出問題；(2)分析案例，組織討論；(3)應(yīng)用理論，審視案例；(4)評價(jià)總結(jié)，形成體系.通過這4個(gè)環(huán)節(jié)完成教學(xué)內(nèi)容.

2剛體的平衡條件案例教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1　介紹案例，提出問題

案例1： 引人注目的上屆奧運(yùn)冠軍、69公斤級男子舉重的石智勇在比賽中途因傷退出，4年的辛苦和等待功虧一簣.2008年北京奧運(yùn)會(huì)，中國選手在舉重項(xiàng)目所參加的9項(xiàng)比賽中，一舉拿下8枚金牌、1枚銀牌.然而，骨科專家透露，在獎(jiǎng)牌背后，是幾乎每個(gè)舉重運(yùn)動(dòng)員都身負(fù)不同程度傷病，其中尤以腰傷為首，而腰椎、脊柱不穩(wěn)定反過來會(huì)直接影響比賽發(fā)揮.問題： ① 舉重運(yùn)動(dòng)員腰部運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷發(fā)生的原因？② 腰部損傷如何預(yù)防？

案例2： 人體搬重物時(shí)，如圖1所示，應(yīng)該采取哪種姿勢？

圖　1

對上述問題分析之前，如圖2所示，首先提出思考：

圖　2

2.2　分析案例，組織討論

圖　3

圖　4

圖　5

圖　6

課前導(dǎo)讀內(nèi)容： 人體脊柱的基本結(jié)構(gòu)和基本功能如圖3～圖5.提出問題： 分析人在雙腳直立，雙臂下垂，向前彎腰，手提重物時(shí)，作用在第5腰椎和脊柱上的力.然后通過建立理想化物理模型(如圖6)： 把脊柱抽象為一個(gè)下端鉸接在腰-骶椎間盤上的剛體(直桿)，對其進(jìn)行受力分析，解答案例所提問題.

2.3　應(yīng)用理論，審視案例

剛體的平衡條件∑Fi=0 (靜力平衡方程)

∑MOi=0(轉(zhuǎn)動(dòng)平衡方程)

應(yīng)用這些條件來分析人體處于平衡狀態(tài)時(shí)各部位受力，假設(shè)脊柱軸線與水平的夾角θ為30°，人體重量為W，則

聯(lián)立求解得

Fe≈2.5W,FRx=2.38W,FRy=1.37W

2.4　評價(jià)總結(jié)，形成體系

通過上面的分析可以看出，骶骨作用在腰骶椎間盤處的作用力FR與水平線間的夾角為29°55′，與脊柱軸線的夾角僅為5′，力的大小為整個(gè)體重的2.74倍.該力在椎間盤上產(chǎn)生的正壓力為2.74Wcos5′=2.74W，幾乎等于作用力FR本身，是個(gè)很大的力.對于50kg的人，這個(gè)力大約等于137kg.

如果手提的重物為體重的20%，即上述中的W2由0.2W到0.4W，其他條件不變，按上述方法計(jì)算可得FR=4.07W.這表明手提重物雖僅為體重W的1/5，可骶骨對脊柱的作用力就由2.74W變?yōu)?.07W，增加了1.3W，原因是重物對于骶骨處有很大的力臂.例如，質(zhì)量為50kg的人，提10kg的重物時(shí)，作用在腰-骶椎間盤上的力大約等于204kg，這樣巨大的作用力壓在腰椎上，使椎間盤壓縮，時(shí)間稍長，就會(huì)感到腰痛，處在長時(shí)間的壓力作用下，可能會(huì)使椎間盤脫出或突出，壓迫脊神經(jīng)、神經(jīng)根或刺激關(guān)節(jié)面，導(dǎo)致疼痛和肌肉痙攣，肌肉痙攣反過來引起椎間盤受到更大的壓迫，從而造成惡性循環(huán).

3拓展與延伸

從上面的力學(xué)分析知，人體腰部脊柱的損傷發(fā)生與下列因素有關(guān).針對這些因素采取相應(yīng)的措施，有助于腰傷的預(yù)防.

(1) 負(fù)荷量大小，即阻力大小： 要根據(jù)自身身體機(jī)能情況，不應(yīng)勉強(qiáng)承受較大負(fù)荷，尤其是在身體處于疲勞狀態(tài)下，不要突然增加負(fù)荷.

(2) 阻力臂大小，與軀干姿勢有關(guān).腰-骶椎間盤的壓力FR除來自體重和重物外，還來自骶棘肌力Fe，而骶棘肌力又取決于提物的姿勢.提鈴時(shí)，要想減小骶棘肌力，最有效和最合理的措施是盡可能地減小軀干的重力和重物對腰-骶椎間盤的阻力臂，亦即盡可能增大θ角.因此，從動(dòng)作上看，提重物時(shí)，應(yīng)采取挺胸別腰的直背姿勢(圖1(B))，而不應(yīng)采取弓腰姿勢(圖1(A)).

(3) 腰背肌力量.加強(qiáng)背伸肌特別是骶棘肌的力量，使其更加粗壯，能承受更大負(fù)荷.

4教學(xué)體會(huì)

將理論與案例結(jié)合，通過案例教學(xué)模式的探索與實(shí)踐，使我們體會(huì)到：

(1) 根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇案例并用于醫(yī)學(xué)物理課堂教學(xué)，有利于從問題出發(fā)，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，加強(qiáng)了基礎(chǔ)學(xué)科與臨床學(xué)科的聯(lián)系和結(jié)合，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新實(shí)踐能力.

(2) 在理論分析與公式推導(dǎo)的過程中，根據(jù)研究對象的特性抽象出其力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用基本理論與方法可以得到相對簡潔的解決該類問題的方法與途徑，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力和建立模型的能力，有助于學(xué)生理解和掌握基本理論(定理或方程)的適用范圍.

(3) 通過多個(gè)階段的案例分析實(shí)踐過程，使理論來源于實(shí)踐，應(yīng)用于實(shí)踐，在實(shí)踐中強(qiáng)化理論的應(yīng)用和理解.

(4) 通過對問題的拓展延伸，理論聯(lián)系實(shí)際，

融知識傳授、能力培養(yǎng)、素質(zhì)教育于一體，適應(yīng)了新世紀(jì)人才培養(yǎng)目標(biāo)的要求.

5教學(xué)困難與應(yīng)對

客觀地講，案例課堂的完成對老師和學(xué)生都富有挑戰(zhàn)性，花費(fèi)了很多的時(shí)間和精力，傳統(tǒng)的教學(xué)課時(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.比如我院《醫(yī)用物理教學(xué)大綱》要求“生物力學(xué)基礎(chǔ)”這章授課學(xué)時(shí)為3課時(shí)，而采用案例教學(xué)要用到5課時(shí)，其中2課時(shí)用于“作用在骨骼上的力”的學(xué)習(xí)，將物理理論與人體力學(xué)相結(jié)合.為了克服課時(shí)不足的困難，我們往往采取如下措施： (1)鑒于醫(yī)學(xué)院學(xué)生課程多，為減輕學(xué)生負(fù)擔(dān)，對于課前導(dǎo)讀內(nèi)容，教師提供學(xué)習(xí)資料，要求學(xué)生課前完成.(2)減少以往物理例題的講解，專注于探討物理知識在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用.(3)對簡單易懂、與中學(xué)重復(fù)的知識將在課前布置問題，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，對自學(xué)內(nèi)容我們將在課上通過問題提問或進(jìn)行短時(shí)間的(10分鐘)章節(jié)小測驗(yàn)來考察，并且記錄為平時(shí)成績.當(dāng)然，案例教學(xué)實(shí)施過程中還有很多的困難要克服，但我們堅(jiān)信只要堅(jiān)持就會(huì)有收獲，也希望大家多提寶貴建議，共同完善案例課堂.

參考文獻(xiàn)

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[4]陳仲本,況明星. 醫(yī)用物理學(xué)[M]. 北京:高等教育出版社, 2010.

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THE DISCUSSION AND PRACTICE OF “EQUILIBRIUM OF A RIGID BODY” CASE TEACHING

Zhao XinliZhang JinboNi JingZhang Xiuyun

(School of Physical Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225002)

AbstractThis paper takes “the equilibrium of a rigid body” as an example, and introduces the thought and method of case teaching into the physics course teaching. Discussions have been done about how to make students think, analysis, establish the physical model from a specific case, and how to make them apply the basic theory, obtain the possible solutions, and refines the theory. Practice proves that the introduction of cases in physics teaching makes the students understand and grasp the knowledge through multiple stage process of practice exercise, and enhances the their abilities of analyzing the questions and solving problems.

Key wordsmedical physics; case teaching; innovative ability in practice

基金項(xiàng)目:揚(yáng)州大學(xué)教改課題(揚(yáng)州大學(xué)科研基金)項(xiàng)目編號YZUJX2014-30B.

作者簡介:2015-01-19 趙新麗，女，講師，主要從事大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)的教學(xué)工作.xlzhao@yzu.edu.cn