面向卓越工程師培養在大學物理教學中融入應用案例

摘??要：卓越工程師教育培養計劃強化培養學生的工程能力和創新能力，大學物理作為高等學校理工科各專業學生的一門重要必修基礎課，其基本理論是工程技術的基礎，與實踐結合最為密切，在工程能力和創新能力培養方面起著舉足輕重的作用。在大學物理教學中融入應用案例，能鞏固、加深理論教學內容，培養學生工程、創新能力，是卓越工程師培養的一個有效抓手。

關鍵詞：大學物理教學；應用案例；卓越工程師培養

Integrating?application?cases?into?college?physics?courses?for?excellent?engineers?Training

Su?Xinfang

School?of?Science，?Beijing?University?of?Civil?Engineering?and?Architecture??Beijing??100044

Abstract：?The?education?and?training?plan?for?outstanding?engineers?strengthens?the?training?of?students'?engineering?ability?and?innovation?ability.?As?an?important?compulsory?basic?course?for?students?majoring?in?science?and?engineering?in?colleges?and?universities，?the?basic?theory?of?college?physics?is?the?foundation?of?engineering?technology，?which?is?most?closely?combined?with?practice.?College?physics?teaching?plays?an?important?role?in?the?training?of?engineering?ability?and?innovation?ability.?Integrating?application?cases?into?college?physics?teaching?can?consolidate?and?deepen?the?theoretical?teaching?content，?cultivate?students'?engineering?and?innovation?abilities，?and?is?an?effective?way?to?cultivate?excellent?engineers.

Keywords：?College?physics?teaching;?Application?cases;?Training?of?excellent?engineers

卓越工程師教育培養計劃（卓越計劃）是國家教育部貫徹落實《國家中長期人才發展規劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項目。該計劃是促進我國由工程教育大國邁向工程教育強國的重大舉措，旨在培養造就一大批動手能力強、善于在工程實踐中解決復雜、綜合性問題，敢于創新的高質量各類型工程技術人才，為建設創新型國家和人才強國戰略服務。“卓越計劃”的重要特點之一是強化培養學生的工程能力和創新能力，這要求高校教師在不斷提高自身業務素質的同時，以“卓越工程師”培養為目標，積極進行教學改革，加快探索出卓越工程師培養的教學模式。

1?大學物理教學改革的重要性

物理學是研究物質的基本結構、基本運動形式及其相互作用和轉化規律的科學。它的基本理論滲透在自然科學的各個領域，廣泛應用于生產技術，是工程技術的基礎。大學物理課程是高等學校理工科各專業學生的一門重要必修基礎課，它不僅注重學生對基礎知識、理論知識的掌握，同時注重物理理論在生活、現代科技上的應用，在培養學生的科學思維能力，培養學生的探索精神、工程實踐能力、創新能力等方面，都具有其他課程不可替代的重要作用[1]。“卓越計劃”的實施對大學物理的教學改革提出了更高的要求，大學物理教學如何才能使學生應用所學物理知識解決實際工程問題，培養學生的實踐運用能力，提高其創新意識，這就需要改變傳統的教學觀念，調整教學方式，將實際應用案例融入課程教學中，構建理論聯系實踐的教學體系，全面提高工程教育人才的培養質量[2]。

近年來我們教研組在這方面做了大量探索與實踐，在大學物理教學中融入了諸多與理論教學相關的生活、科技、工程實踐案例，通過課堂分析討論，建立物理模型，解決問題，注重物理定律和原理的應用，更多剖析實際問題的解決過程，并舉一反三，逐層深入，讓學生通過由簡入難、由淺入深地有效訓練，達到運用物理理論知識解決工程問題的能力，并以此培養其創新精神。

2?大學物理課程中融入應用案例的教學模式與實踐

圖1給出了融入應用案例的教學模式，根據課前準備、課堂實施和課后鞏固三個階段開展。

2.1?課前準備：案例選取和融入方式確定

著名案例研究學者托爾（Towl.A.R.）認為：“一個出色的案例，是以實際生活情景中肯定會出現的事實為基礎所展開的課堂討論。它是進行學術探討的支撐點……”，因此案例的選取非常重要[3]。首先，案例應緊扣本節課的重點難點，經過精心挑選，具有代表性和研究性，涉及與教學內容較多的相關點，可理論探討，可以獲得經驗或反面教訓。再者，案例應反映日常生活、科技前沿、工程實踐，具有啟發性，通過案例能提出問題，能夠激發學生的好奇心和求知欲，引發思考或產生懸念。若案例內容和學生的生活相關，那么他們能夠感同身受，討論、研究起來就順暢。若案例是我國科技、工程成果，存有震撼性，或現象有趣、不可思議，或與他們的觀點相反，恰好激起他們心中的疑惑，那么他們更愿意認真完成后面的思考、討論任務，全身心投入，從而高效地完成教學目標。如在講質點運動描述時，引入大國重器“北斗衛星導航系統”；在講曲線運動時，選取案例“計算洲際導彈的射程”；在講牛頓定律應用時，引入“跳臺跳水游泳池的深度問題”“雨滴下落問題”；在講角動量守恒時，引入案例“花樣滑冰”和“跳水”；在講駐波時，演示案例“魚洗”和“超聲懸浮”；在講薄膜干涉時，選取案例“宇航員佩戴頭盔和面甲，其表面上鍍有一層膜，作用是什么”、“手機、照相機、顯微鏡鏡頭呈現彩色”；在講光學儀器的分辨本領時，引入“世界最大的射電望遠鏡——中國天眼”；在講衍射光柵時選取案例“光盤道間距的測量”[4]；在講安培力時，引入“電磁炮”；在講電磁波時，引入案例“華為5G技術”等。表1給出了大學物理課程中融入的應用案例及融入方式。

融入應用案例的方式多樣，為抓住學生興奮點，為后續討論做鋪墊，盡量避免僅僅語言表達，可以使用圖片、視頻、教具，條件允許下盡可能地做演示實驗，讓學生更直觀地看到、聽到、觸摸到或體會到所展示的現象，并建立與學習內容的聯系，激起學生好奇心，燃起學習興趣。如課堂演示魚洗、超聲懸浮、偏振片透光實驗、光盤衍射實驗、輝光球、磁懸浮地球儀，播放奧運會上花樣滑冰和跳水視頻，播放學生喜歡的神舟十三號航天員出艙活動艙位操作視頻，觀察手機和顯微鏡鏡頭顏色，展示“中國天眼”的圖片或宣傳片，迅速抓住學生眼球，在此基礎上提出一個或多個問題，調動學生大腦進行思考，大膽想象，勇于創新，積極參與到課堂活動中來。

2.2?課中：應用案例實施過程

課堂上融入應用案例的基本步驟包括：導入、思考與討論和總結。

導入：教師通過上述融入方式呈現應用案例，與學生一起發現問題，引發學生思考，并引入本次課的教學內容，如概念、原理、定律等。

思考與討論：學生將案例問題與教學內容中概念、原理等建立聯系，思考，小組內試著分析、討論、解決問題。對于綜合性的案例分析，可以把問題分解成幾個，分小組討論，充分調動每個學生地主觀能動性，深入思考、探究，活躍課堂的學習氣氛，避免學生認為問題很難，無從下手而受打擊。此過程中教師的一個任務是及時引導、避免學生跑題。

總結：包括小組成果展示（教師點評）和教師總結兩個階段。在第一階段過程中，教師充當的是引導者的角色，目標是培養學生分析問題解答問題的能力和提高學生科學思維和創新思維，當出現爭議時，教師要善于抓住時機循序漸進，遞進引導，使學生通過再思考，能逐步找到問題的答案。這樣“真刀真槍”的訓練，一方面，加深了對理論知識的理解，鍛煉了學生知識的應用能力，達到在工程案例中提高學生分析、解決問題能力，培養創新思維的目標，在將來的工作中，碰到問題就會得心應手、游刃有余；另一方面，鍛煉了團結合作和口語表達能力。第二階段是教師做總結，歸納本節課的知識點及聯系，并結合工程案例，對學生討論情況進行補充、完善并提高。最后對學生評價，并給予激勵，如在學習通上加分，構成平時成績的一部分，從而更好地鼓勵學生積極參與到課堂活動，更好地完成教學目標。

2.3?課后：完成的拓展資料閱讀和學期大作業

教師通過MOOC平臺拓展教學內容，再盡可能多地發布理論教學內容在實踐生活和工程中的應用，與上課應用案例呼應，舉一反三，再次培養學生靈活運用所學知識去綜合分析問題和解決問題能力的意識，此外，可拓展學生視野、開闊思路，激發其創新精神。如“莫爾條紋”、“靜電除塵器”、“靜電打印”、“微波加熱的物理原理”、“心臟除顫器”、“聲懸浮與電磁懸浮技術”等

此外，學生在學期結束時需要完成一項大作業，主題是大學物理在實踐（生活、工程、科技）中的應用，內容不限，可以構思完成實驗，分析實驗現象、驗證某個結論，也可以理論調研、分析解釋實踐中某個現象并給出應用，如最速降線原理以及在古建筑中的應用，伯努利原理解釋足球和乒乓球中的“香蕉球”，駐波以及劇場音樂廳的建筑結構設計，設計水流量測試儀[5]等，也可以運用所學物理知識，改善生活、工程實踐中某項不足，如如何提高熱機的效率等，學生可以自由結組，每組不超過5人，分角色合作，完成并提交一篇小論文。在實踐中再次鍛煉學生發現問題、運用理論知識解決實踐問題的能力和創新思維能力。

3?教學效果評價

在融入應用案例的班級通過問卷調查的方式，進行了“應用案例融入教學的教學效果評價”，評價內容指標及結果見表2，共發放問卷75份，答卷人數74，95%的學生認為融入應用案例的教學模式形式有趣，學習過程活躍了課堂氣氛，課程內容理論聯系實際，與生活、科技密切相關，對教學內容的理解更透徹，對物理的學習更感興趣，提高了自身分析問題解決問題的能力，僅不到5%的學生認為以上調查指標一般，沒有學生對應用案例教學持否定態度。

結語

以上就是我校以“卓越工程師”培養為目標在大學物理課程中融入應用案例的教學探索和實踐，通過課上在教師有目的的引導下，進行案例分析、討論進而解決案例問題，課后拓展知識閱讀、小組分工合作完成物理原理在實踐中應用的大作業，充分將物理知識與生活、工程、科技案例進行結合，既改變了枯燥的填鴨式教學模式，以學生為中心，生生互動、師生互動、活躍了課堂氛圍，提高了教學效果，鞏固并加深了對教學內容理解；更重要的是，在此過程中，培養了學生分析、解決實際問題的實踐能力，提高了創新意識，有效避免了理論與應用“兩張皮”的弊端，為卓越工程師培養奠定了堅實基礎。

參考文獻：

[1]教育部高等學校非物理類專業物理基礎課程教學指導分委員會.非物理類理工學科大學物理課程教學基本要求[J].?物理與工程，2006（16）：1-8.

[2]吳玉杰.?融合教學案例?建設一流大學物理教材[J].?中國大學教學，2020（6）：94-96.

[3]周永玲.?案例教學法在大學物理教學過程中應用[J].?科學中國人，2015（17）：187-188.

[4]蘇欣紡，黃偉.?光盤高頻信號的物理實驗設計與測量[J].?大學物理，2011（30）：35-37.

[5]蘇欣紡.一種利用伯努利原理進行水流量測試的教學演示儀：?201620112058.X[P].?2016-06-01.

項目基金：北京建筑大學教育科學研究項目（編號：Y19-21）；北京建筑大學“雙塔計劃”項目（編號：YXZJ20220810）；北京建筑大學金字塔人才培養工程（JDYC20200329）項目

作者簡介：蘇欣紡（1981—??），女，漢族，河北衡水人，博士，副教授，研究方向：大學物理教育、材料的原子分子設計。