融合教學案例?建設一流大學物理教材

吳王杰?楊軍

摘 要：教學案例與教材全面深度融合，符合建設一流課程和一流教材的發展趨勢，是實現教學內容“兩性一度”的一個行之有效的抓手，可以更好地發揮大學物理課程在傳授知識、增強能力和培養素質等方面的作用。

關鍵詞：大學物理;教學案例;教材建設;融合發展

當前，高校正處在建設金課、切實提升本科教學質量的新階段。金課的屬性和內涵是“兩性一度”，即高階性、創新性和挑戰度[1]。在“雙一流”建設背景下，課程與教材的一體化設計與深度融合已經成為提高本科教學質量的一項重要舉措。

“大學物理”是高校理工科各專業開設的一門通識性必修基礎課，它所教授的基本概念、基本理論和基本方法不僅是構成學生科學素養的主要組成部分，而且它對于培養學生樹立科學的世界觀，增強學生分析問題和解決問題的能力，培養學生的探索精神和創新意識，都具有其他課程不能代替的作用。大學物理教學案例是一個完整的教學內容，包含著與知識點相關的一個或多個實際物理問題，與物理思維方法訓練相結合，著力提高解決實際問題的能

力[2]。教學案例不僅是重要的教學資源，也是教學內容的有效延伸。

一、以教學案例為抓手，促進教材的融合創新

教材作為課程教學內容的載體，不僅在呈現方式上要適應信息化、網絡化的發展趨勢，向數字化方向延伸，更要在教學內容上不斷融合創新，體現“兩性一度”，為金課建設提供堅實基礎。在大學物理教材中融合教學案例，就是建設創新型教材的一個堅實抓手。

教學案例與教材融合的一般原則是：夯實物理學的基本概念、基本理論和基本方法，突出應用性、高階性和創新性。首先，根據“非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求”，每章編寫數量適宜、難度適中的教學案例，加強對基本概念、基本原理和基本方法的闡述，拓展物理學在工程技術尤其是在高科技中的應用，使教學內容具有前沿性和時代性，為教材內容與學科前沿和技術的融合創新開拓廣闊的空間[3]。其次，教學案例可以通過文字、微課和各種媒體資源，以多樣化的形式靈活呈現，適應教材與信息技術融合、出版方式創新的需求。再次，大學物理教學案例可以為課程教學模式改革提供教學內容支撐。研究型教學、討論式教學是大學物理教學改革中常用的教學模式，這些教學模式需要選擇適當的教學內容并進行設計，教學案例滿足了這方面的要求。

1.促進教材內容的應用性創新

教學案例緊緊圍繞各章節的主要理論內容，以應用為導向，以提出問題和解決問題的過程為線索，以能力與素質培養為目標，拓展了物理學在現代技術中應用的視野。

一是具有前沿性和時代性的教學案例。例如，在案例“衛星導航系統定位和測速的基本運動學原理”中，把衛星導航系統定位的基本運動學原理結合到位矢、平均速度和瞬時速度等知識點上。在案例“超級電容器儲能”中，緊密結合知識點電容器，介紹利用新材料石墨烯異常高導電性和超大表面積的特性來實現幾千法拉的電容，以及超級電容器在儲能、應急電源以及混合電力推進系統中的廣泛應用。

二是培養學生科學素養的教學案例。例如，在案例“分子速率分布與大氣成分”中，利用麥克斯韋速率分布的特征速率和地球表面附近物體的逃逸速率，解釋在地球周圍厚厚的大氣層中為什么富含自由的O2和N2，卻幾乎沒有宇宙中含量最多的自由的H2和He。在案例“彗—木相撞事件”中，利用角動量守恒定律解釋發生在1994年7月的21塊彗星碎片撞擊木星的天文事件。在案例“量綱分析方法”中，結合單位制與量綱，介紹美國、歐洲以及我國的火星探測活動，以及過程中由于單位制錯誤而導致的重大事故，對學生進行科學素養的教育。

2.促進教材的高階性創新

高階性指培養學生解決復雜問題的綜合能力和高級思維，促進學生知識、能力與素質的有機融合。

教材不應是簡單地傳授知識，要在傳授知識的同時，突出能力和思維的訓練。大學物理教學案例一般具有解決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，得到結果并解釋現象。另一方面，教學案例是經過精心挑選的、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，涉及較多的相關知識以及學生可能遇到的各種問題，因而它在教學過程中能夠引起學生的討論，促進思考，啟迪思維。由此可見，教學案例具有探究性和一定的難度，它能促進教材的高階性創新，適應知識、能力和素質有機融合對教材的要求。

例如，在案例“利用數量級估算法計算平均沖力”中，通過介紹物理學家費米對第一顆原子彈當量的數量級估算，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，引導學生靈活運用數量級估算法和質點動量定理。案例“發現萬有引力定律”引導學生按照歷史和邏輯的雙重線索，自己去“發現”萬有引力定律，著力培養學生的科學思維能力、創新能力和科學素養。案例“勻速率曲線運動軌跡”把教師的教學研究成果轉化為教學內容，使學生認識到數值計算是物理學研究中除理論和實驗之外的第三種研究方法。

3.促進教材與軍事教育的融合

軍校物理教學要突出軍事教育特性，這是培養高素質新型軍事人才、打贏未來信息化戰爭的必然要求[4]。因此，軍校大學物理教材在教學內容上應體現軍事特色，而教學案例是促進教材與軍事教育融合的有效途徑之一[5，6]。軍事高科技領域一般都涉及非常復雜的系統，涉及眾多學科領域和工程技術，如何在大學物理課程中加以適當介紹，一直是加強教學內容軍事應用特色的一個難點。一個行之有效的方法是：從復雜的科技與軍事應用中提煉其中的基本物理概念和原理，使其作為相應知識點的一個應用案例，從而達到課程教學內容與軍事高科技的有機結合。

例如，在案例“導彈制導中的相對運動”中，為了使學生更好地理解和運用相對速度解決實際問題，用典型例題引入導彈制導的兩種基本的導引律：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。重點講解平行接近法，加深對相對速度這個重點難點內容的理解;簡要介紹追蹤法，強調絕對速度和相對速度的區別。

二、教學案例與教材融合的方式和方法

大學物理教學案例不僅在拓展教材內容上要突出體現金課的“兩性一度”，在與教材的結合模式和方法上也要體現創新性和開放性，使教材的組織和呈現方式更加靈活和豐富。

在融合方式上，需要從教學目標和要求出發，研究案例與教材融合的知識點，編寫體現科學研究方法、物理學進展、工程技術應用、軍事應用、生活中的物理等特征的教學案例，使教學案例與教材融為一體。

可以采用單個知識點融合和多個知識點融合兩種方式。單個知識點融合是指一個教學案例對應一個知識點，這在教學內容設計上較為簡單。多個知識點融合是指一個教學案例融合多個知識點，這需要對教材的教學內容進行整體設計和編排，把教材中已經講述的幾個知識點編入一個教學案例中。例如，在前面介紹的案例“導彈制導中的相對運動”中，除了相對運動外，還融合了運動疊加原理、拋體運動這兩個知識點。通過子彈相對猴子的相對速度這個新視角來解釋“槍打落猴”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，而且有助于學生對知識的融會貫通，培養他們知識遷移與應用的能力。多個知識點融合還可以設計為跨篇章、逐步深入的形式。

在融合方法上，依據課程教學內容要求，可以選擇教學案例直接進教材、部分進教材、間接進教材三種融合方法。教學案例直接進教材是難度最高的融合方法。首先，案例內容必須是課程的基本原理、基本方法和基本應用。其次，案例的編寫風格要與教材保持一致。另外，案例篇幅要短小，以不超過一頁為宜。對于雖涉及課程的基本原理、基本方法、基本應用，但是篇幅較長的教學案例，或者教學內容要求程度相對較低的教學案例，可采取部分進教材的融合方法。在教材相關知識點，用較少篇幅介紹教學案例的基本概要，并附加鏈接方式。對于那些教學內容要求程度相對較低或者較難的教學案例，可以采取間接進教材的方法，在教材中不作說明，僅給出相關鏈接的地址。

在教學案例呈現方式上，可以采取純文本、多媒體、視頻媒體（微課）等。這不僅能夠拓寬教學內容創新范圍，也符合一體化設計、數字化出版的教材出版發展形勢。例如，教學案例“引力質量與慣性質量的等同性”，既有純文本，又有微課“引力質量與慣性質量”。

三、結束語

教學案例與教材的融合創新，還需要進行更深入的研究和實踐。例如，教學案例難度、廣度與教材如何匹配？理論與應用在教材中如何保持均衡？教學案例呈現方式如何既豐富又不影響教材的篇幅控制？更重要的是，需要將教學案例與教材的融合創新成果應用到課程教學中，實現案例、教材和課程的全面融合，為切實提高課程教學質量發揮積極作用。

參考文獻：

[1] 吳巖.建設中國“金課”[J].中國大學教學，2018（12）：4-6.

[2] 吳王杰，韓仙華，章曦.建設具有軍事特色大學物理教學案例的認識與實踐[J].大學物理，2013，32（12）：52-54.

[3] 邢悅.世界一流的本科教育依托于世界一流的本科教材[J].中國大學教學，2019（5）：85-89.

[4] 韓仙華，武文遠，吳王杰，等.軍隊院校物理教學突出軍事特色的思考與實踐[J].高等教育研究學報，2013，36（3）：104-106.

[5] 劉協權，倪新華.軍隊院校大學物理教學突出“軍味”的案例剖析[J].物理與工程，2019，29（4）：35-42.

[6] 吳王杰.大學物理學（上冊，下冊）：第3版[M].北京：高等教育出版社，2019.

[基金項目：陸軍工程大學教育教學研究基金（GJ1910091）]

[責任編輯：夏魯惠]