基于七個基本環(huán)節(jié)的課堂教學方法
——《沖擊波物理》課程教學實踐

湯文輝，冉憲文，張昆，楊曉虎，田立朝

（國防科技大學 文理學院，湖南 長沙）

一 引言

大學課程教學質(zhì)量是高等教育質(zhì)量的基礎，為了實現(xiàn)高等教育的基本目標，每一門課程都需要努力建設，確保教學質(zhì)量。《沖擊波物理》課程是國防科技大學為應用物理等本科專業(yè)開設的一門特色專業(yè)課程，課程為國內(nèi)首次開設，課程內(nèi)容體系是根據(jù)戰(zhàn)場武器毀傷效應分析與評估的基本理論需求而確定的，開設這門課的目的是希望給數(shù)理基礎非常扎實的本科生增加一些與武器毀傷效應相關的基礎知識，以幫助學員適應信息化局部戰(zhàn)爭的知識和能力要求，突出學校為軍服務的人才培養(yǎng)理念。

教學內(nèi)容分為四章[1]，第1章為可壓縮流體力學基礎，主要介紹連續(xù)介質(zhì)模型，流體的基本性質(zhì)，流體運動的熱力學基礎，流體運動的描述，流體運動基本方程等；第2章為簡單波，主要介紹平面一維流動模型，特征線方法，簡單波的基本性質(zhì)、基本圖像、傳播規(guī)律、相互作用等；第3章為氣體中沖擊波，主要介紹沖擊波基本關系式，理想氣體的沖擊壓縮規(guī)律，沖擊波的基本性質(zhì)，沖擊波的相互作用等；第4章為固體中沖擊波，主要介紹固體的物態(tài)方程與沖擊壓縮線，碰撞沖擊波，沖擊波的傳播與反射，固體彈塑性性質(zhì)對沖擊波的影響等。

由于課程教學內(nèi)容涉及知識面較寬，屬于物理學與力學兩個一級學科的高度交叉，而且波動圖像都比較抽象，所以課程學習有較大難度。為了把這門課教好，主講教師經(jīng)過長期探索，形成了由課堂導入─講授新內(nèi)容─鞏固教學成果─討論分析─評估學習效果─融入思政教育─歸納總結等七個基本環(huán)節(jié)構成的課堂教學方法，本文對該方法進行了簡要總結。

二 七個基本環(huán)節(jié)課堂教學方法

（一）課堂導入

當學生每一次走入課堂，往往對所學知識都會有所期待，導入則是課堂教學中引導學生進入新的學習內(nèi)容的第一個環(huán)節(jié)。從概念和內(nèi)容上看，導入可以分為“課時導入”和“主題導入”兩種形式，“課時導入”是指每一堂課開始時的導入，也可稱為開局導入。“主題導入”是指在講授每一個新主題時的導入。一個成功的導入往往可以起到以下作用：激發(fā)學生的好奇心，引發(fā)學生對新主題的興趣并集中思想[2]，喚起學生對與新知識相關的原有知識的記憶，甚至引發(fā)學生內(nèi)心質(zhì)疑，因為新主題在某個角度可能與原有知識出現(xiàn)沖突，毫無疑問，所有這些導入的響應都有助于課堂教學的展開，所以導入在課堂教學中的重要作用是不能忽略的。精彩的開局往往奠定了成功的基礎，為此，本課程對每一堂課的開始或者每一個新主題的開始，都精心設計了不同形式的導入。

實例1：在第一次課的開局，我們希望學生能夠迅速對課程產(chǎn)生興趣，并滿足學生試圖盡快了解沖擊波的心態(tài)，我們采用的方式是從波的概念開始導入，因為沖擊波也是一種波，學生雖然沒有學習過沖擊波，但是對于波的概念已經(jīng)有了相當多的認識，如機械波、電磁波等，由此引出沖擊波的定義與基本要點。這樣一種導入，不僅能夠喚起學員對原有波的認識，還可以引發(fā)學生思考，沖擊波與所學習過的其他波到底有什么不同。

實例2：在首次講授第一章可壓縮流體力學基礎時，考慮到學生沒有學習過流體力學，所以從邏輯上說，要從流體的概念開始學習。雖然學生對流體這個詞很常用，但要學生來下定義往往無從下手，為此，我們從物質(zhì)在通常條件下的狀態(tài)開始，指出物質(zhì)具有固液氣三態(tài)，相應的物質(zhì)分別稱為固體、液體、氣體，但并沒有流體，由此引出流體的概念，流體實際上是液體和氣體的統(tǒng)稱，所以物質(zhì)可分為流體和固體兩大類型，這樣就把流體放在與固體對照的位置上，要說清楚流體的含義就一定要與固體進行對照。我們認為這種導入具有較好的啟發(fā)性和相關性。

實例3：沖擊波在固體中傳播導致材料破壞機理是一個十分有意思的問題，它實際上是沖擊波傳播到平板背面反射稀疏波、兩個稀疏波迎面相遇作用把材料拉斷的，而不是沖擊波壓壞的。在講解這個主題時，我們采用的導入方式是，拿出一塊2~3毫米厚的銅板問同學們，有什么辦法能夠把這樣一塊薄金屬板從中間撕開？當然，沒有學習過這個內(nèi)容一般是想不到的，然后告訴同學們，沖擊波傳播反射后就能做到，一下子就把學生的思維吸引到這個問題上了。

當然，導入的形式是多種多樣的，一般來說應該具備啟發(fā)性、相關性、趣味性，但更重要的是，作為教師要花功夫精心設計。

（二）講授新內(nèi)容

課程教學的主要目的是給學生傳授知識、講解基本理論、基本方法，但到底怎么講，似乎并沒有一個普遍模式，我們認為，講解的方法要與所講解的內(nèi)容密切相關，既可以利用語言文字，也可以利用數(shù)學推導，同時還可以結合圖像分析。總的來說，應該由淺入深，突出重點，要把難點講透徹，一定要有啟發(fā)性，要盡量調(diào)動學生的思維，讓學生產(chǎn)生深刻印象。為此，本課程在以下幾方面進行了嘗試，并取得了較好效果。

①本課程很多概念都很抽象，教學過程中發(fā)現(xiàn)很多學生往往一時難以理解，為此，我們在教學過程中加強圖像展示，使抽象的數(shù)學公式形象化，幫助學生理解，從而使教學效果大大改善。例如，本課程最難的內(nèi)容之一是關于簡單波的特征線與黎曼不變量的概念，這個概念非常抽象，既是一個難點也是一個重點，所以一定要講透徹。為此，我們采用的方法是先從偏微分出發(fā)把特征線的概念引出來[3]，然后再利用第一章所獲得的流體運動基本方程導出均熵流動的特征線和特征方程，再利用“x-t圖”說明特征線的初步性質(zhì)及其與擾動傳播速度之間的關系，經(jīng)過這樣處理，學生理解起來要好得多。接下來，再結合數(shù)學知識引出黎曼不變量的定義與含義，一方面利用特征線解釋黎曼不變量的含義，另一方面，結合熱力學得到理想氣體的黎曼不變量的常用形式。這樣下來，條理非常清楚，數(shù)學推導也不是很難，由于把物理含義與圖像分析有機結合在一起，把抽象的數(shù)學和概念形象化，相當于為學生的理解架起了一座直通橋梁，從而較好地達成教學目標。

②對于一個新的教學主題，其基本概念和原理原則上都是全新的，但我們認為不能只局限于本課程內(nèi)容，而要盡可能地把學生已學過的相關知識喚醒，從而促進相關知識點的融會貫通。事實上，任何一個新的內(nèi)容不可能是無中生有，必然與已有知識和認知有一定聯(lián)系，所以我們認為，在講授新內(nèi)容時有必要恰當激活或者喚醒原有知識，這樣一方面有助于快速切入新主題，另一方面也有助于知識遷移，加深理解。實際上，到大學高年級已學了很多知識，由于學生一直在學，很多知識往往是孤立的，綜合利用知識解決問題的能力通常有限，這就是老師在上新課時需要認真考慮的問題，為此，我們在課程教學中特別關注了這個問題，并進行了多種形式的嘗試。例如，在講聲波的傳播規(guī)律時，我們從波動方程開始，顯然，學生對波動方程都是有一定基礎的，但當向?qū)W生提出波動方程是怎么來的、波動方程有什么條件的問題時，就沒有人能答出來，但是通過上述互動，學生關于波動方程的知識和認知被喚醒，然后開始這個主題的講解，而且是從第一章所獲得的流體運動方程開始，通過這樣一個教學過程，學生對波動方程的物理含義、來源、波動圖像都形成了非常深刻印象。此外，我們在導出流體運動的能量守恒方程后，把它與熱力學中的等熵方程聯(lián)系起來，從而建立了能量守恒方程與等熵方程的聯(lián)系；在分析“為什么不存在稀疏的沖擊波時”與熱力學第二定律聯(lián)系起來，從而為熱力學第二定律提供了一個重要應用；在講解“彈道問題”時，不僅把稀疏波原理與已經(jīng)非常熟悉的牛頓第二定律聯(lián)系起來，而且將理論與實際問題相聯(lián)系，為基本理論在典型裝備中的應用提供了一個典型實例，對于學生理論聯(lián)系實際的能力培養(yǎng)和解決實際問題的能力培養(yǎng)具有較好支撐作用。

（三）鞏固教學成果

作為一個新的知識點，教師首先需要重點講解的通常是基本概念和基本原理，但是，學生能不能在相當程度上把基本概念和基本原理掌握到位是值得懷疑的，這就要求在講完基本概念和基本原理后通過適當方式進行鞏固，常用方法就是設計例題。對于很多基礎課程，各種習題集較多，任課教師只需進行選擇即可，本課程由于是全新的，所以任課老師需要自行設計例題。

例一：雖然液體和氣體都是流體，但性質(zhì)是有很大差別的，在講流體壓縮性時，設計了一個比較氣體和水的壓縮性的例題，一方面可加深對壓縮模量的認識和理解，同時還可得到氣體和水在壓縮性上具有數(shù)量級差異的感性認識。

例二：在講隨體導數(shù)時，設計了一個從定場速度場求加速度的例題，雖然速度場與時間無關，但卻存在加速度，由此可認識到流場的非均勻性對流動的影響。

例三：在講沖擊波在固體中反射時，設計了一個比較壓強相同的沖擊波從金屬銅板入射到鋁合金板和從鋁合金板入射到銅板反射后的壓強的例題，由此認識到?jīng)_擊波在不同材料界面反射后狀態(tài)可能有很大差別。

這些例題不僅鞏固了相應知識點的應用，而且獲得了數(shù)量上的感性認識，為基本理論的深入理解提供了幫助。

（四）討論分析

對于每一個知識點的講解，常規(guī)教學方法必然要循序漸進，首先介紹基本概念和基本原理，例如物理模型、數(shù)學公式等，但一個成功的教學不能局限于此，一定要把理論回歸到典型實際問題中去加以應用，并引導學生對不同情況加以討論，這就相當于為學生搭建起一座利用基本理論解決實際問題的橋梁，通過基本原理的應用培養(yǎng)分析問題解決問題的能力。對于軍校課程教學，還應該聚焦實戰(zhàn)，為國防建設和戰(zhàn)場武器對抗分析的需要打下理論基礎。本課程在這方面做了大量嘗試。

實例一：在講稀疏波時，重點講解了彈道問題，當利用發(fā)射管發(fā)射彈丸時，彈丸速度最大多少，并對相關影響因素開展討論。一方面，問題的求解需要綜合利用稀疏波理論和牛頓定律，另一方面，從科學原理看，最主要的兩個影響因素是高壓氣體的初始狀態(tài)和驅(qū)動彈丸加速的時間，而驅(qū)動彈丸加速的時間又受發(fā)射管長度的制約。由此可見，彈道問題的求解一方面為武器裝備中實際問題的解決提供了一個很好的案例，但需要多方面知識的綜合運用，能夠培養(yǎng)學生解決實際問題的綜合能力，另一方面，能夠?qū)Πl(fā)射武器中的科學原理形成非常深入的理解，從而為基本理論的靈活運用提供指導。

實例二：在講固體中碰撞沖擊波與阻抗匹配法時，針對炮彈打靶過程中影響沖擊波強度的各種因素開展討論，顯然，除了碰撞速度外還有彈靶的材質(zhì)，但彈靶的材質(zhì)究竟如何影響沖擊波強度，就需要有一種適當?shù)姆椒▉磉M行討論。這既是關于碰撞沖擊波理論所需要掌握的一個基本問題，也是實際戰(zhàn)場環(huán)境下的一個基本武器對抗問題，課程將沖擊波基本關系式轉(zhuǎn)化為p-u曲線引出阻抗匹配法，再利用阻抗匹配法分析材料參數(shù)的影響，展現(xiàn)了基本理論的靈活運用，經(jīng)過討論分析，不僅能夠理解彈靶材料的影響，而且能夠較好地掌握了阻抗匹配法這個分析工具，并初步形成一定的分析實際問題的能力。

實例三：在講完沖擊波熵增的基本原理后，通過與等熵壓縮的對比得到一個基本結論，在相同壓強條件下，等熵壓縮下的密度比沖擊壓縮下的密度高，由此引出一些更深入討論和交流。一方面，這個結論可能改變一些原有認識，按照常規(guī)思維，沖擊波壓縮可能是最有效的一種壓縮手段，當然這種認識可能完全來源于帶有經(jīng)驗性的主觀，這說明課程學習帶來了新的認識。得到這個認識后，進一步介紹當前國際前沿的一個重大問題，在聚變武器和激光聚變等研究中，關鍵問題之一是要把核燃料進行超高密度壓縮，既然等熵壓縮能夠產(chǎn)生比沖擊壓縮更大的壓縮比，就應該采用等熵壓縮，但是，按照熱力學理論，嚴格的等熵壓縮是做不到的，這就出現(xiàn)了矛盾，這個矛盾的解決正是相關領域的關鍵技術之一[4]。進一步提出問題，有沒有什么辦法解決這個矛盾呢？我們把這個問題留在這里，讓同學們繼續(xù)思考。在后面講多次沖擊壓縮原理時，再次回到這個問題開展討論，并得到結論，雖然沖擊壓縮效率沒有等熵壓縮高，而且嚴格的等熵壓縮又無法實現(xiàn)，但可利用多次不太強的沖擊壓縮實現(xiàn)準等熵壓縮，這就找到了實現(xiàn)高密度壓縮的科學途徑，從而指引工程技術的方向。由此可見，通過多個知識點的學習和討論，不僅把沖擊波不同基本性質(zhì)串聯(lián)起來了，而且還把這些基本知識有機融入到了重大科學問題之中。

（五）評估學習效果

作為教師，基本職責是要努力把課講好，但在實際上講得好不好，需要多方面的評價，但最重要的是教師自己要及時做出評估。對于一個教學內(nèi)容，講解后一定要及時評估是否實現(xiàn)教學目標，評估的基本方法就是設計合理有效的課堂問題，通過學生回答情況進行評估。事實上，評估結果的反饋對于教師和學生都有重要參考價值，對教師來說可以引起教學反思，是改進教學的重要依據(jù)，對學生來說，既可能起到激勵作用，也可能是找到差距，所以對于每一堂課或者每一個主題，都需要對教學效果進行及時評估。一方面，這個環(huán)節(jié)看似簡單，但非常重要。另一方面，要想讓評估發(fā)揮出應有作用，就需要精心設計問題，就一般來說，問題要圍繞教學目的，要立足重點、突破難點，要調(diào)動學生思維，促進深度學習。

（六）融入思政教育

大學課程教學的目的是為高端人才培養(yǎng)提供理論支撐，但是，一名合格的人才必須是德才兼?zhèn)涞模虼耍晒Φ恼n程教學必須融入思政教育。本課程堅持為軍育人，不斷強化思政教育，堅持科學真理，已逐步建設了20多個典型思政案例，將科學精神、家國情懷、國防建設等相關內(nèi)容融入課程教學，以促進學生樹立正確的世界觀、價值觀、人生觀，鑄就堅定的理想信念，增強為戰(zhàn)備戰(zhàn)意識，培養(yǎng)適應打贏信息化局部戰(zhàn)爭的能力與素質(zhì)。

實例1，在講授馬赫數(shù)概念時指出其在航空航天的重要應用，同時介紹我國著名科學家錢學森在氣體動力學領域所取得的巨大成績，以及歷盡艱辛回到祖國為我國導彈事業(yè)做出歷史性貢獻的事跡[5]。

實例2：在講解固體在沖擊波作用下的本構模型時，介紹國家最高科學技術獎獲得者鄭哲敏院士提出流體彈塑性理論模型，為爆炸力學、以及為推動中國力學事業(yè)的發(fā)展做出重要貢獻的事跡[6]。

實例3：在講解壓縮波傳播規(guī)律時，介紹著名流體力學專家斯托克發(fā)現(xiàn)“沖擊波特征”而沒有堅持真理，從而與沖擊波無緣的故事，培養(yǎng)敢于堅持真理的科學素養(yǎng)。

（七）歸納總結

每一堂課的結束同樣是課堂教學中的一個重要環(huán)節(jié)，任何一堂課的教學都不能虎頭蛇尾，一個完美的結束可以起到深化理解、提煉升華的作用。本課程每一堂課都有歸納總結，主要有知識總結，形成知識網(wǎng)絡；思維過程總結，促進學員繼續(xù)思維；揭示問題本質(zhì)，幫助學生領悟知識核心等形式。例如，簡單波的相互作用有不同情況，對這些不同情況做出正確分析是課程的基本要求。講完這個內(nèi)容正好是一堂課的結束，為此，首先列出知識點網(wǎng)絡，幫助學生形成一個清晰的知識體系，進而指出簡單波相互作用分析的要領是黎曼不變量的靈活運用，這就達到了畫龍點睛的效果，幫助學生領悟到了這個知識點的核心。

三 結語

長期以來，我們一直堅守初心不改，一直堅持教學改革，不斷提高教學質(zhì)量。我們針對沖擊波物理課程提出的七個基本環(huán)節(jié)課堂教學方法反映了我們在課堂教學中所開展的探索，我們將在后續(xù)的教學中進一步完善，同時期待各位同仁的批評指正。