基于教學案例的大學物理微課設計

吳王杰 楊 軍 章 曦

(解放軍陸軍工程大學基礎部物理教研室,江蘇 南京 211101)

1 教學案例是大學物理微課的良好選題

1.1 大學物理教學案例的特點

鄭金洲教授[1]認為：“簡單地說，一個案例就是一個實際情境的描述，在這個情境中，包含一個或多個疑難問題，同時也可能包含解決這些問題的方法。”我們認為“大學物理教學案例是一個具體的完整的教學內容，包含著與知識點相關的一個或多個實際物理問題，在教學內容中緊密結合訓練物理思維方法，在實際物理問題中緊密圍繞提高解決問題能力?！盵2]根據上述描述，大學物理教學案例具有以下幾個特征。(1)完整性：它具有解決一個實際物理問題的基本環節，即從現象或具體情境中發現并提出問題，根據相關的理論體系和數學方法建立物理模型，利用各種方法對物理模型進行研究，得到初步結果并解釋現象，在對模型進行修改，得到進一步的結果。(2)典型性：它是經過精心挑選的具有一定代表性的典型問題，代表著某一類事物或現象的本質特征，涉及到較多的相關知識以及學生可能遇到的各種問題。(3)啟發性：案例為一定的教學目的服務，它在教學過程中能夠引起學生的討論，促進思考，啟迪思維。不僅是學生加深對教學內容的理解，而且獲得處理相似問題的能力訓練。

1.2 教學案例為微課教學內容設計提供堅實基礎

微課以視頻為主要載體，基于一個知識點，簡短而完整，以獲得最佳的移動和泛在學習效果為目標。因此對微課的選題就有一定的要求，一節微課所講授的內容應該短小精干，相對獨立完整。因此選用教學案例來制作微課是一個非常好的選擇。另外，大學物理教學案例還具有典型性和啟發性的特征，也為微課教學內容設計提供了堅實基礎。

2 基于教學案例的大學物理微課教學設計

對大學物理課程的教學設計一般從教與學兩個方面，對講授內容、教學要求、重點/難點、授課思路、能力/方法訓練設計和知識擴展等模塊，以及關聯知識、作業練習和學習要求等方面進行設計[3]。

微課以視頻為主要載體，基于一個知識點，簡短而完整，以獲得最佳的移動和泛在學習效果為目標，因此其教學設計尤為重要。詳細、科學、富有創新性的微課教學設計是后期進行制作加工的前提，也有助于微課相關資源的開發。教學案例本身規定了微課的教學內容和教學要求，但是要將一個教學案例轉變為高水平的微課，還需要根據課程的教學目標，從知識、能力與素質全方位地進行設計，選擇和運用適當的多媒體技術。

2.1 編寫大學物理教學案例

大學物理課程是一門應用性強的基礎課程，有著大量與工程技術應用相關的教學內容。在大學物理微課中反映出這方面的內容本身既是課程教學內容的要求，也可以促進學員對理論的理解，提高理論聯系實際的能力。

教學案例不僅可以使課程的應用特色得到充分彰顯，而且特別適合微課這種主題化的教學形式。大學物理微課教學案例設計第一是案例選題，要緊密結合教材內容，從科學研究方法、物理學進展、工程技術應用、軍事應用和生活中的物理等方面精選難度適當的案例素材。第二，要從復雜的科技與應用中提煉出其中的基本物理原理，并把它們細化到微課知識點上，使其成為相應知識點的一個應用案例。第三，微課教學案例設計要注意培養學員創新能力、實踐能力。

例如，為了使學員更好地理解相對速度這個教學難點，我們制作了微課“導彈制導中的相對運動”。在這個微課中我們把教學內容設計為教學案例“導彈追蹤問題”，有助于對導彈追蹤中的相對速度和絕對速度的理解，也使課程的應用特色得到充分體現。

2.2 大學物理微課教學設計

基于大學物理教學案例的微課教學設計，就是要發揮教學案例的特征，使微課更加適合學習者的自主學習，更好地達到課程目標。

1) 教學內容設計

教學內容的選取和設計是微課教學設計的基礎。微課的教學內容應選取闡述大學物理中的基本現象、基本概念與基本原理與主要應用(軍事應用)，覆蓋課程的重點和難點。大學物理教學案例根據具體教學目標的需要、學生興趣和接受能力來組織和選編教學內容，針對的是教學重點和難點，因此可以很好地滿足微課對教學內容選題的一般要求。

特別地，大學物理課程是一門應用性強的基礎課程，有著大量與工程技術應用相關的教學內容。在大學物理微課中反映出這方面的內容本身既是課程教學內容的要求，也可以促進學員對理論的理解，提高理論聯系實際的能力。我們的做法是緊密結合教材內容，從科學研究方法、物理學進展、工程技術應用、軍事應用和生活中的物理等方面精選難度適當的教學內容。

2) 問題引入設計

心理學“首因—近因”效應顯示，學習者在對最早出現的刺激記憶效果最好。微課開始時的問題引入設計是非常關鍵的，它可以有效地吸引學習者的注意力，完成教學視頻的學習。問題引入設計的一般策略是從學員的學習認知特點、學習動機出發，進行問題引入設計以吸引注意力。

由于物理學本身就是揭示自然奧秘的學科，因此還要充分發揮物理學科的這個特點，設計有效的開場白策略，吸引學習者的興趣，激發學員探究的態度。例如，微課“利用質點動量定理求平均沖力”是這樣開始的：“飛機敢和小鳥PK嗎？通過這次課的學習，你將會知道后果非常嚴重！”微課“人造地球衛星的墜落與超新星爆發”則是這樣開門見山地告訴你：“天上不會掉餡餅，但卻有可能掉下個衛星”。微課“導彈制導中的相對運動”是這樣開頭的：“你知道狗是怎樣追上兔子的嗎？獵豹是怎樣追擊獵物的？它們在追擊時為什么常常有急轉彎？這些都與導彈制導和相對運動有關?！?/p>

3) 教學模式設計

教學模式是在一定教學思想或教學理論指導下建立起來的較為穩定的教學活動結構框架和活動程序。微課教學模式設計可以使微課教學活動更加高效、更能適應碎片化學習。微課盡管是針對知識點的片段化教學，但是仍然可以進行教學模式設計。由于物理學科的特點，講授型、研究型、討論式、實踐性等教學模式在實際課堂教學中應用最多，這些教學模式也都可以應用到微課中。

例如，在質點系功能原理應用的微課教學中，我們采取了研究型的教學模式。將利用質點系功能原理分析近地軌道衛星墜落過程中的速度變化問題編寫為一個研究型的教學案例：“近地軌道人造地球衛星運行一段時間后為什么會掉回地球？”在這個案例中，首先從真實的衛星墜落事件出發提出研究課題，抓住過程主要特征建立簡化物理模型，從易到難，先從系統的總能量的角度進行定性分析，再根據質點系功能原理的微分形式利用微元法來定量分析空氣阻力的功、引力的功以及系統機械能變化之間的定量關系，不僅解決了要研究的問題，并歸納出引力場中這類問題的一般特征，最后拓展到定性解釋天體物理中的超新星爆發現象。這個微課的教學模式設計，較完整地體現了從具體問題到建立簡化物理模型、從定性分析到定量數學研究、從研究結論到推論和應用的物理學研究的一般特征。

4) 媒體技術設計

微課是以視頻、動畫等形式展示教師圍繞某個知識點的簡短而又完整的教學活動，必須充分、合理地運用現代信息技術和各種數字資源進行媒體技術設計。

物理學的現象、概念、原理和應用有些是形象的，但是更多的是抽象，并且很多是常規情況下不可直觀呈現的。這就要求大學物理微課在教學內容設計的同時還要進行必要的媒體技術設計，使教學內容以生動有趣、直觀形象的方式呈現出來，幫助學員更好地學習微課知識點，使較難的教學內容變得更易接受和理解。我們在媒體技術設計方面，以教員視頻講解和PPT電子板書為主線，大量穿插使用了實物演示、模擬動畫、計算機數值計算與可視化、虛擬場景技術等，有效地提高了微課教學內容的媒體表現力。

3 兩例基于教學案例的大學物理微課教學設計

3.1 “飛機與小鳥PK?——利用數量級估算法計算平均沖力”的微課設計

本節微課的教學內容是數量級估算法；利用質點動量定理求平均沖力。教學目標是通過案例教學使學員學會利用數量級估算法對沖力進行估算，熟練掌握質點動量定理的應用，增進科學素養。微課教學設計如下。

(1) 問題引入具有懸念，激發學員學習興趣。

(2) 充分利用案例教學法。通過物理學史上著名的一個數量級估算案例，引入數量級估算法，并利用形象直觀的例子說明數量級估算法是物理學中十分有用的半定量研究法。通過估算鳥與飛機相撞的沖擊力、航空母艦上的阻攔索承受的艦載機的平均沖擊力這兩個貼近軍事和工程應用的典型案例，引導學員靈活運用數量級估算法和質點動量定理。

(3) 緊密結合教學內容，靈活應用各種媒體素材。充分利用視頻、Flash動畫、虛擬現實技術等，直觀形象，教學輔助效果好，有助于學員對教學內容的理解。

(4) 用素質教育的理念審視、選擇和組織教學內容，貼近當代科技。理論聯系實際，從日常生活現象到工程技術與軍事應用，精心選擇了難度適宜、緊扣重難點、生動鮮活的各種素材，使教學內容真正“活”起來，充分體現物理學科應用性強的特點。

(5) 突出創造性思維能力、工程應用能力。課中的教學案例和課后拓展性研究都是緊貼科學研究方法和相應的能力訓練來設計的。

3.2 “狗是怎樣追上兔子的？——導彈制導中的相對運動”的微課設計

本節微課的教學內容是相對運動；相對運動中的絕對速度、牽連速度和相對速度，相對運動在導彈制導中的應用。教學目標是理解運動的相對性；理解絕對速度、牽連速度和相對速度，重點是相對速度；了解導彈制導導引律中的平行接近法和追蹤法。微課教學設計如下。

(1) 從生活現象引入主題。狗是怎樣追上兔子的嗎？獵豹是怎樣追擊獵物的？它們在追擊時為什么常常有急轉彎？這些都與相對運動有關，也是導彈制導中的運動學問題。

(2) 用典型例題引入導彈導引律的概念。如圖1所示，敵艦A在與海平面上以勻速率vA向正西方向航行，當敵艦行駛至圖1所示位置時我艦向其發射魚雷B，魚雷速率為vB(vB>vA)，假設敵艦和魚雷的速度在攻擊過程中都保持不變。為擊中敵艦，試分析魚雷的發射角度α所要滿足的條件。

圖1

(3) 用軍事拓展應用詳解教學重點難點。介紹導彈制導導引律中兩種基本的導引律：相對速度指向目標的平行接近法和絕對速度指向目標的追蹤法。通過重點講解導彈制導導引律中的平行接近法，加深對相對速度這個重點難點內容的理解；通過簡要介紹導彈制導導引律中的追蹤法，強調絕對速度和相對速度的區別。

(4) 通過知識遷移培養科學思維能力。“槍打落猴”是力學部分“位移、速度和加速度”一節中的教學內容，已經學習過。通過巧妙地用子彈相對猴子的相對速度這個新視角來解釋子彈擊中猴子的原理，不僅進一步加深學生對導彈制導導引律中平行接近法的理解，而且有助于對相對速度概念和應用的融會貫通，培養科學思維能力及知識遷移與應用的能力。

(5) 用各種媒體加強教學輔助效果。緊密結合教學內容，靈活、準確地應用各種媒體素材，充分利用視頻、Flash動畫、JAVA程序來直觀形象地演示絕對速度、牽連速度和相對速度，以及導彈制導過程，有助于學員理解抽象的理論，理解重點難點。

(6) 用二維碼提供課后拓展訓練資源。利用手機掃描二維碼提供與教學內容相關的拓展訓練閱讀材料，鼓勵學生開展物理建模訓練——研究導彈追蹤中的導引方法。

4 結語

教學案例一般是基于知識點的課程重難點、重要原理的工程技術應用和其他拓展內容，因此基于教學案例進行微課的教學設計可以使微課更具有針對性和適用性，使微課具有很好的應用價值。我們在自編的大量大學物理教學案例的基礎上，精選其中一部分進一步進行精心教學設計，制作出大學物理微課。這些微課不僅是大學物理課程的優質在線教學資源，而且被廣泛應用到課程的混合式教學、翻轉課堂教學等教學模式中。