新農科背景下大學物理案例教學研究與實踐

李忠秀 王義華 陸丹 熊真

摘? 要：在開創農林教育新格局、推進多學科深度交叉融合創新發展的新農科建設背景下，針對農林院校農林生物類專業特點和需求，在大學物理教學過程中，逐步構建了基于學生專業的大學物理案例庫并付諸教學實踐。教學實踐表明：在農林生物類專業的大學物理教學中采用案例法教學，有利于增強學生的物理思維能力，提升學生解決實際問題的能力，激發學生的學習興趣，提高教學質量。

關鍵詞：新農科? 大學物理? 案例法? 物理思維? 學科交叉

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）08（c）-0209-03

Abstract： Under the background of creating a new pattern of agricultural and forestry education and promoting the innovation and development of interdisciplinary integration of innovation and development. According to the characteristics and requirements of agriculture， forestry and biology specialty in agricultural and forestry universities， the case library of college physics based on students' specialty was gradually constructed， and puts it into practicein the process of college physics teaching. The teaching practice has showed that students' physical thinking ability was enhanced， their ability to solve practical problems was improved， students' interest was stimulated and teaching quality was improved by using of case method in university physics teaching.

Key Words： Neo-agriculture education; University physics; Case method; Physical thinking; Subject cross

1? 案例教學的背景和意義

案例教學法的起源最初可追溯至蘇格拉底的“問答法”，于1870年由美國哈佛法學院在法學課堂教學中首次正式提出。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。它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[1]。建構主義學習理論認為學習應該是一個積極的過程，學習者依靠現有儲備知識建構新的思想和概念。由于知識本身具有不確定性，同時所學的新知識是建立在原有知識或舊經驗對照的基礎之上，而案例教學法強調學習者自行分析案例，將需要解決的實際問題與以往的知識和經驗相互連接、融合、重構以實現新知識的建構[2]。因此案例教學法作為一種開放互動式的新型教學方式，在傳授知識和學生所得知識留存度上和提升學生自主學習、分析問題和解決問題的能力方面起著不可替代的作用。在國內外教育領域，案例教學正在廣泛運用于單一學科或跨學科教學中[3-4]。

2? 在農林生物類專業中開展大學物理案例教學的必要性

2019年6月28日《安吉共識》指出：開創農林教育新格局，走融合發展之路，打破固有學科邊界，破除原有專業壁壘，推進農工、農理、農醫、農文深度交叉融合創新發展，這一論述為新農科建設指明了方向。各農林高校也就“如何建設新農科，培養創新型農林人才”進行了許多新的研究、探索和實踐[5-6]。

科學上的新理論、新發明的產生，新的工程技術的出現，經常是在學科的邊緣或交叉點上，重視學科交叉將使科學本身向著更深層次和更高水平發展，大學物理作為各農林專業的一門學科基礎支撐課程，揭示了物質不同層次的內部結構，是深刻認識復雜運動的起點和基礎。內容寬泛，涵蓋力學、熱學、電磁學、光學、狹義相對論和量子力學等內容，與農林等專業的知識交叉點較豐富。另外，當前是由化學農業向生態農業的過渡時期，而發展現代物理農業則是實現生態農業的主要途徑之一，這些都與建設新農科指導精神是非常契合的。

案例教學作為一種動態的、開放的教學模式，有利于培養學生的創新意識，增強學生分析問題和解決問題的能力提高學生溝通和合作的能力。傳統的大學物理教學過度強調基礎理論知識的學習，知識內容講解的很具體很詳細，卻沒有留給學生思考、總結的空間，不利于對學生的自主學習能力、應用能力和創新思維的培養[7]。另外，單純進行理論講授空洞無趣，公式推導繁雜，且與其專業完全割裂，缺乏行之有效的聯系。案例教學本著理論聯系實際，實際反證理論的理念，把大學物理學習和農學生物類的專業學習甚至未來的科研工作有效聯系。實例的引入能夠讓抽象的理論與現實問題相對應，讓學生在學習過程中加深理解，增強知識記憶，感受知識相關性。有利于激發學生自學與創新探索的欲望，提高教學質量。教學過程中讓學生處于特定的案例情景中，利用相關物理知識解決專業現實問題，激發學生學習大學物理的興趣和激情。

3? 教學案例研究與實踐例釋

教學案例的選取需要準確把握學生的學科內容和專業特點，以便讓不同專業的學生能夠了解到專業知識中的物理問題和物理模型，并充分認識大學物理知識和思維方法對農林生物類專業學生后續學習與研究的基礎性和重要性作用。筆者綜合前期的調研和實踐，在流體力學與液體的表面性質、電磁學和光學等教學內容中有針對性地選取了諸如毛細現象導致氣體栓塞（適用動科、動醫等專業）、毛細現象在保持土壤水分中的力學模型構建（適用農林專業）、靜電場對細胞膜影響的電容模型構建（適用于農林生物類各專業）、土壤的電動修復機理、光誘捕害蟲、補光技術促進植物生長機制等60多個教學案例。當然，案例教學的實施不能看做案例+簡單的理論解釋的過程，教師應逐步啟發學生建立起物理知識和專業知識、理論和實踐的聯系，引導學生對專業問題構建起物理模型，形成和增強物理思維能力。下面選取靜電場對細胞膜影響的電容模型構建這一案例加以說明。

案例：靜電場對細胞膜影響的電容模型構建。

案例背景：本案例是建立在《靜電場中的電介質》和《電容器》等章節的教學內容上，授課對象為農林牧各相關專業學生。

各種生物體賴以生存的地球本身就是一個天然的電場，其電場強度為130V/m，生長在地球表面的植物的生長發育、新陳代謝必然受到這個天然電場的影響，高壓靜電場處理技術作為現代物理農業的一種新技術契合著生態農業、物理農業的趨勢和潮流，以其簡單、低耗、環保和廣泛適用的優勢展現出強大的生命力，有望替代化學農業而成為農業領域研究的熱點，受到越來越多的關注和重視。

案例主題：靜電場對種子萌發、活力、生理生化指標和植株生育性狀及產質量的影響已經一再被證實并已逐步應用到生產實踐（提前讓學生查找相關文獻加以了解），由此看來，生物體對外加電場會做出某種響應，其中一定存在著電場和物質（生物體）的相互作用，順勢引出問題：這種響應的物理微觀機制是什么？能聯想到哪些相關的物理理論？又如何構建物理模型來研究這種微觀機制？

案例剖析：學生通過查找文獻或根據其專業知識應了解到細胞膜是極性磷脂雙分子層結構，中間充滿細胞液。引導學生構建中間充滿電介質的電容器模型，磷脂雙層分子視為平行板電容器的兩極板，兩極板分別與導體細胞外液和細胞內液相連，兩極板中間充滿電介質。然后引申到細胞膜中鑲嵌的蛋白質充當著“離子通道”，實現跨膜運輸。這相當于電流可通過兩極板之間的電介質，進而把細胞膜構建成一個充滿電介質的電容器和一個電阻并聯的物理模型。

可利用這一模型形成介質極化微觀理論，對靜電場增強離子的跨膜運輸，促進對Ca2+的吸收進行微觀機理解釋，電場通過作用蛋白質分子中的束縛電荷使其產生取向極化，同時使載流子定向運動，膜內電荷重新分布，產生的極化電場與外加電場疊加，使細胞膜點容量增加，靜電場提高了膜電位，增強了細胞膜的通透性并促使細胞合成更多的ATP，提高膜主動吸收、運轉營養物質的能力。最后向學生說明對電場生物學效應微觀機理的研究尚不夠深入和成熟，確切的微觀機制尚不清楚，比如目前的理論還有一維自由諧振子能級理論和勢壘貫穿理論，激發有能力和感興趣的學生可繼續研究。

案例評價：該案例把大學物理基礎理論與學生專業緊密結合，針對現實的專業問題如何進行構建物理模型，使學生對物理理論的理解更加深入，開拓了學生的視野，鍛煉了物理思維能力，同時給學生耳目一新的感覺，大大增強了學生學習興趣和動力。

4? 結語

案例教學應用在大學物理教學中是一種改革與創新，把基礎理論和專業、課內與課外有機結合，有效地解決了大學物理學課程中厭學問題。從實施情況來看，案例教學作為一種具有開放性和互動性的教學方法，對于改善目前大學物理課程學生不夠重視、拓展不足、考核評價模式單一等方面的現狀起著積極作用。在大學物理教學中應用案例教學，有助于形成學生自主學習、研究性學習和探索性學習的開放式學習氛圍，有助于形成學科交叉優勢，增強創新能力，提高教學質量。這與破除專業壁壘、推進多學科交叉深度融合，發揮學科綜合優勢支撐涉農專業發展和協調協同發展新農科發展目標不謀而合。

參考文獻

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