新工科背景下大學物理案例教學的探索

姜宇 劉艷磊 趙言誠 孫秋華 姜海麗 姜富強 趙文輝

摘 ?要：在積極推進新工科建設工程的背景下，案例教學在提高大學物理課堂教學質量，使學生更好的理解和掌握新知識方面有著積極的正面作用。有利于落實以學生為中心的教學理念，利用課程的特點引導啟發學生的工程思維，提高學習物理的主動性和積極性，增強師生互動交流，培養學生的創新思維，使學生以更飽滿的熱情投身到大學物理的學習中，達到提高學生分析問題和解決問題能力的目的。

關鍵詞：新工科;大學物理;案例教學;創新思維

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）20-0102-03

Abstract： In the context of actively promoting the new engineering construction project， case teaching plays a positive role in improving the quality of classroom teaching of College Physics and making students better understand and master new knowledge. It is conducive to the implementation of the student-centered teaching concept， using the characteristics of the course to guide and inspire students'engineering thinking， and enhancing the initiative and enthusiasm of learning physics. It can enhance the interaction between teachers and students， and cultivate students' innovative thinking， enabling students to devote themselves to the study of College Physics with more enthusiasm， so as to improve students' ability to analyze and solve problems.

Keywords： new engineering; College Physics; case teaching; innovation thinking

新工科是國家教育部為了主動應對新一輪科技革命與產業變革，支撐服務創新驅動發展等一系列國家戰略，積極推進的建設工程。新工科建設是一個長期探索和實踐的過程，需要立足國際工程教育改革發展前沿，研判發達國家工程教育新趨勢、新策略，以面向未來和領跑世界為追求目標。新工科人才培養的質量標準是培養多樣化、創新型卓越工程科技人才，要求工作于基礎課教學一線的教師能夠了解技術的最新發展，緊跟科技發展的步伐，及時將研究成果轉化為教學內容，向學生介紹與課程相關的研究新進展、實踐發展新經驗，提高課程興趣度，培養學生的工程思維、批判性思維和數字化思維，促進全面發展，自主終身學習能力。

案例教學是由美國哈佛法學院前院長克里斯托弗·哥倫布·朗代爾于1870年首創，后經哈佛企管研究所所長鄭漢姆推廣。引入我國之后，許多高校都嘗試采用這種開放式、互動式的新型教學方式，任課教師將要學習的知識點放置到具體的情境中，并設定一些相關的問題，指導學生針對具體的問題積極思考、主動探索，從案例分析中獲得對知識本質的理解、對知識應用的啟示，不斷提高學生認識問題、分析問題、解決問題的綜合素質能力[1-3]。

一、案例教學的主導思想

案例教學法，是指教師在教學中通過實例內容的講授，使學生達到舉一反三掌握知識規律的方法。可以通過模擬或者重現現實生活中的一些場景，讓學生把自己納入案例場景[4]，通過討論或者研討來進行學習，也可以讓學生通過自己的思考或者他人的思考來拓寬自己的視野，從而豐富自己的知識。大學物理課程內容寬泛，單純進行理論講授空洞無趣，學生在掌握理論的同時卻不能掌握實質。案例教學法本著理論聯系實際，實際反證理論的理念，讓學生更能掌握理論本質，在理論授課過程中，實例的引入能夠讓抽象的理論與現實相對應，綜合實例還可以將諸多理論知識點相連接，讓學生在學習過程中加深理解，增強相應知識點的記憶，讓學生感受到知識的相關性，激發學習興趣，獲得在學習中探索，在探索中學習的積極氛圍[5]。

案例教學在大學物理教學中起到先導和可持續發展的作用，具有積極的指導意義。要求教師必須改變傳統的教學方法，從現有思維定式、內容、構想中跳出來。案例教學不僅僅是一種教學方法，更是一種教育思想和觀念，其核心思想就是以人為本——授人以漁[6]。打破傳統課堂教學中教師為中心，學生處于從屬被動地位的模式，學生成為課堂教學的主導者，在任課教師的指導下在具體問題情境中積極思考、主動探索，從案例分析和討論中獲得啟示和答案，不斷提高學生認識問題、分析問題、解決問題的能力[7]。

二、案例教學在大學物理教學中的作用

（一）提高了學習物理的主動性和積極性

大學物理是與生活緊密相連的學科，在解釋現象時，需要用到必要的理論推導，因此會涉及復雜繁瑣的公式，課堂上的授課過程也會涉及大量的定理和定律，數學是必備的工具。而在物理規律的推導和具體問題的計算中，對數學中矢量和微積分的知識要求較高，這些也恰恰是學生在數學學習中的難點。如果在教學中引入案例教學，在現實生產生活場景的案例中剖析復雜枯燥的物理知識，學生會產生力求解決好問題的意向，在利用物理學的定理和定律對案例進行分析、討論交流時，遇到數學上的困難，會積極主動的投入到解決問題的隊伍中，課堂教學就會變得生動飽滿有趣。

（二）促進了師生間和學生間的互動交流探討

案例教學強調師生間、學生間的互動交流探討，強調學生獨立思考與團隊協作學習的結合。在大學物理的課堂教學中實施案例教學時，可將學生劃分成若干學習小組，小組成員之間首先進行討論研究，給出對案例的理解和合理描述，然后進行小組推選成員的論述，進行小組之間的討論，使參與成員的思維不斷碰撞，最終達到掌握物理知識，理解物理規律的目的。案例教學模式以學生為導向，學生不再是物理知識的被動接受者，而是知識學習的主導者，讓學生直接作為課堂教學和實踐教學的主導者去學習，帶動其深入探索物理知識，理解物理概念的本質，教師輔助引導配合學生學習。在案例的討論中合作促進了溝通，溝通增進了合作。教師與學生共同創建融洽的學習環境，學生們領略了物理學內在美的同時，學會了溝通、聆聽、尊重、關心，人格魅力不斷升華。

（三）培養了大學生創新思維

當將物理知識通過具體的生產生活應用情景呈現在學生面前時，學生會產生解決問題的沖動，通過教師合理地引導，通過自身周密的思考，學生會逐步的越過通往問題答案路徑上的障礙物，最終到達目的地。而每越過一個障礙物，都可能燃起特殊的思維火花，都可能有新的想法誕生。

針對不同學校在校學生的現狀采取合理有效的案例教學，在課堂中領悟創新，學會創新，真正使大學物理課起到夯實基礎的作用。

（四）培養大學生理論基本功

物理教學中的大部分抽象內容和實例通常都需要用理論計算來印證，在論證過程中數學工具是學生必備的。數學是對事物進行邏輯分析的重要形式和手段，由于物質世界處處體現著質和量的統一，而人們要了解事物的質，就需要把握事物的量，需要用數學理論對研究對象進行定量分析并以數學形式揭示其內在的規律。數學方法為大學物理提供了簡練深刻的語言和表述方式，一系列概念和規律常以形式化的數學“語言”來描述和揭示，這些形式化的數學“語言”包括符號、表達式、圖像、圖形、圖表等，讓學生能夠在大學物理的學習中形象的了解物理規律。

利用數學方法對物理案例進行精確的數量分析和計算，引導學生熟練地應用好數學工具，并有意識的滲透數學方法，運用有效的教學手段幫助學生提高運用數學方法解決物理問題的能力，使學生體會數學思維與方法在物理上的應用。在分析過程中碰撞出創新的火花，領會物理魅力所在，扎實學生的理論基本功，提高學生的綜合素質。

三、案例教學在大學物理教學中的實施

（一）課前準備

大學物理教學有其獨特的特性，不能簡單地引用、套用其他學科課程案例教學的一般模式。結合大學物理課程的教學目的和要求，每一次案例教學的實施我們的教師都閱讀了大量的國內和國外的參考文獻和書籍，從中凝練出了合適并有針對性的案例，使案例能夠體現物理最本質最重要的思想，并且盡量選擇能與現有的科技前沿相關的實例。堅持案例教學的自主性、啟發性優勢，預測案例教學的初步效果，并以此設計案例教學的進程。

陳賡班是本校大力培養的一個特色班，也是大學物理案例教學首次實施的班級，授課過程需在雨課堂的輔助下進行。要求課堂教學環境具備強度足夠的無線信號，這需要學校的網絡中心及時配備相應的設備并隨時維護，用以保證課堂教學的順利進行。教師和學生每人要擁有可以使用微信軟件的智能手機，學生上課時要將自己的手機隨身攜帶，通過掃描二維碼實名加入教師建立的微信群。

（二）課堂教學

案例教學本著融入理論講授精確性、系統性的特質，循序漸進地依據設計的進程實施。

在力學部分，在剛體的定軸轉動之后會進行進動的講解，進動是高速自轉的物體在外力矩的作用下自身轉軸發生轉動的現象，是力學部分的難點。我們將陀螺作為實例進行這部分的案例教學，按照教師自己設定的教學模式，從角動量定理出發，分析陀螺在重力矩作用下的定點運動，并進一步將此問題遷移到天文學中來分析地球的進動。在波動部分，駐波是波動的核心問題，即包含了波的傳輸特性問題又包含了疊加問題，可以拿二胡的發聲規律作為案例對駐波的特點進行探討。在光學部分，光學儀器的分辨本領是比較枯燥的物理問題，將我國在貴州平塘建設的一個500m口徑球面射電望遠鏡作為這部分的案例，研究其望遠鏡的分辨率，教師要引導對這方面感興趣的學生去查閱資料，進一步了解相關科學前沿。在光的偏振部分，給每位同學發上一副3D眼鏡，放上2-3分鐘立體電影，讓學生分別在佩戴3D眼鏡和不佩戴眼鏡的情況下觀看，以3D眼鏡作為案例從而進行光偏振特性的探討。

在振動部分，對于一般的普通大班來說阻尼振動和受迫振動是要求大家了解的內容，對陳賡班來說是需要熟練掌握的，針對于這部分內容，特別設計了基于雨課堂的一次案例教學。將圓柱形的木塊放入盛水的容器中，木塊處于靜止狀態，對木塊頂端施加作用力，忽略水的粘滯阻力，木塊會在豎直方向上做簡諧振動，以此為出發點討論振動系統的簡諧振動方程。此模型理想情況下是一個簡單的簡諧振動實例，但在附加上一些條件時，問題就變得復雜。

拓展情況一：考慮水的粘滯阻力，會獲得圓柱形木塊阻尼振動的方程;拓展情況二：對圓柱形木塊施加周期外力，得到受迫振動方程;拓展情況三：將圓柱形木塊換成實心球體，討論實心球形木塊的振動方程;拓展情況四：將實心球形木塊換成帶空洞的球形木塊，討論其振動頻率;拓展情況五：將圓柱形木塊用彈簧懸掛在固定點，圓柱形木塊置于水中，也就是多施加一個彈簧的彈力，討論其振動方程;每次得到的振動方程都需要和最初的振動方程對比，從而理解改變方程的物理因素。每次給出的拓展情況需要在分組的討論中獲得答案，雨課堂軟件的輔助使教師能夠在規定的時間內將拓展內容推送，并限定學生的討論時間，學生在教師的指導下進行實時討論，并與教師進行彈幕互動，最終將討論結果反饋給教師。如果系統推送的內容以選擇題的形式出現，系統會自動統計出選擇每個選項的組數，教師則可以根據每道題目統計出的學生答題情況來判斷學生對知識的掌握情況，并作出有針對性的引導。

（三）課后整合

基于雨課堂軟件進行的案例教學實現了師生的實時互動，課后教師利用網絡平臺可以將本次案例教學的重點內容進行推送，以便于學生復習。并且針對授課環節的重點和難點內容布置相應的作業，督促學生按時并認真完成作業。為了讓學生更好的掌握基礎課中重要的概念和定律，給學生布置設計性作業，讓學生自主根據課程中的知識點設計習題，并給出完整的求解過程。教師根據統計學生完成作業的情況和完成質量，進行實時在線答疑。動員全班同學發表自己的見解，實現群體討論的激烈學習氛圍的產生。

依據案例教學中的統計數據進行考核方式的改革，將以往以期末考試作為課程的最終評價標準模式變為多部分考核疊加模式，加大學生平時成績的比例，設定課堂教學活動參與環節與課后復習環節占最終成績的比重，以此來督促學生注重平時的授課的參與度，使學生真正認真參與授課的各個部分，實現人才培養的最終目標。課后互動過程各個部分的推送雨課堂都會以短信的形式提醒群里的每一位同學，教師要精心設計推送給學生的每一部分的課程內容，分析學生的學習心理，將其引入高校課程的海洋里真正接受網絡平臺帶來的大信息時代。

大學物理有很多的實例和演示實驗都可以作為案例教學的素材，如何選取素材并把握好一節課的進程是對教師基本功的有效考核。我們致力于將每節課都做成案例教學的模式，從而形成大學物理案例教學體系，并將學校特有的“三海一核”融入到案例教學中，發展具有三海一核特色的大學物理案例教學體系。

案例教學與一般課堂教學的主要區別是先給予學生現象和事件的展示，通過現象和事件的發生與發展引導學生去探討物理理論和規律。在新工科背景下，在大學物理的教學中引入案例，通過一定的案例練習或模擬訓練，不僅加深了對物理知識點的理解，更重要的是提高了分析問題和解決問題能力，使學生對物理模型的理解更加透徹。

參考文獻：

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[4]邱紅梅，徐美，劉麗華.促進大學物理教學的有效手段——天文學知識的滲透[J].物理與工程，2017，27（6）：100-103.

[5]陳真英，謝冰，楊昌億，等.應用型本科視角下大學物理案例教學的實效價值研究[J].高教學刊，2018（20）：84-86.

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