剛體平衡的教學設計①

趙新麗　倪 靜

(揚州大學物理科學與技術學院　江蘇 揚州　225002 )

*揚州大學教改課題，項目編號：YZUJX2014-30B

剛體平衡的教學設計①

趙新麗倪 靜

(揚州大學物理科學與技術學院江蘇 揚州225002 )

*揚州大學教改課題，項目編號：YZUJX2014-30B

摘 要:本文以“剛體的平衡條件”為例，將案例教學的思想方法引入物理課程的教學中，論述在物理教學中如何使學生從具體的案例出發(fā)經(jīng)過思考、分析、建立物理模型、應用基本理論，得到可能的解決方案，并提煉理論，同時，將物理課堂進行拓展與延伸．

關鍵詞:物理教學案例教學實踐創(chuàng)新能力

案例教學是教師組織學生通過對案例的閱讀、思考、分析、討論、交流和評價等活動，提高學生分析、解決問題能力的一種教學模式[1，2]．作為一種典型的師生互動教學模式，它可以彌補傳統(tǒng)教學模式的缺陷，是創(chuàng)新本科課堂教學模式的有效途徑[3～5]．案例教學主要通過以下4個環(huán)節(jié)完成教學內(nèi)容：

(1)介紹案例，提出問題；

(2)分析案例，組織討論；

(3)應用理論，審視案例；

(4)評價總結，形成體系．

多年來傳統(tǒng)的醫(yī)學物理課教學中，只注重物理學自身的“理論化”、“公式化”特點而忽略了物理學的“醫(yī)學應用”，一遇到實際問題，學生往往感覺束手無策，無法用已有的理論知識去解決實際問題，更談不上創(chuàng)新．筆者近幾年在物理教學中引入案例教學，進行有益的嘗試與探索．本文以《醫(yī)用物理學》[6]中力學部分“剛體的平衡條件”為例，構成剛體平衡條件“在人體力學中的應用”案例，介紹在教學中是如何進行案例教學．

1剛體的平衡條件案例教學設計

1.1介紹案例提出問題

2013年4月，湖人與勇士一戰(zhàn)堪稱慘烈，尤其是科比，沖鋒陷陣，3次受傷倒地，表情痛苦．而在這3次受傷中，最后一次無疑是最為嚴重的．當時比賽還剩下3分08秒，科比再次發(fā)動攻擊，在對方嚴防之下，又一次滑倒在地，表情痛苦地捂住了膝蓋，但這一次，科比終于有些支撐不住了，堅持罰完兩個球后，在訓練師的攙扶下返回了更衣室．如此關鍵時刻，科比都挺不住了，足可見傷勢之嚴重．賽后科比接受了核磁共振檢查，檢測結果給了科比和湖人一個致命的打擊：左腳跟腱完全撕裂．這意味著他的賽季提前結束．

提出懸念：科比只不過試圖從左側強行突破巴恩斯的防守，為什么就突然倒在地上，緊緊抓著腳后跟？跟腱完全撕裂，一個多么熟悉的名詞，中國“飛人”劉翔的悲愴與傷痛就始于這脆弱的跟腱．事實上，在他倆之前，曾有包括貝克漢姆、比盧普斯、歐文在內(nèi)的眾多運動明星被這條足跟與小腿間長約15cm的肌腱“打敗”．

問題：

(1)跟腱撕裂到底是怎么回事？

(2)為什么跟腱傷病會是運動員的大敵呢？

(3)只有運動員才會發(fā)生這種事故嗎？

(4)跟腱撕裂如何預防？

對上述問題分析之前，首先提出問題：人在墊著腳跟站立時，腳的受力如何？

1.2分析案例組織討論

課前導讀：跟腱和腳的基本結構，如圖1所示．首先對所提問題物理情景分析：人在踮著腳跟站立時，使得腳與地面實際上只接觸一個點，人體重量全部施加于此．同時小腿部肌肉、腓骨和脛骨都對腳有力的作用，分別作用于圖2所示各點．踮腳站立腳受力分析如圖3所示．然后通過建立理想化物理模型如圖4：把腳抽象為一個剛體(直桿)，對其進行受力分析，解答案例所提問題．

圖1　跟腱和腳的基本結構

圖2　踮腳站立時腳受力

圖3　腳的受力

圖4　理想化物理模型

1.3應用理論審視案例

剛體的平衡條件

∑Fi=0 (靜力平衡方程)

∑MOi=0(轉動平衡方程)

應用這些條件來分析人體處于平衡狀態(tài)時腳部受力．圖4中rT=5.6cm和rW=10cm的測量都是近似的，且FT和FB與豎直方向的夾角都很小，可認為各力方向都是豎直的，設FB的作用點O為支點．

據(jù)轉動平衡條件有

G×rw-FT×rT=0

(1)

代入數(shù)據(jù)求解得

FT=1.8G

(2)

根據(jù)靜力平衡條件，有

FTcos7°+G-FBcosθ=0

(3)

FTsin7°-FBsinθ=0

(4)

聯(lián)立(2)、(3)、(4)求解，得

FBcosθ=2.8GFBsinθ=0.22G

所以

1.4評價總結形成體系

通過上面的分析可以看出，當人單腳踮起站立時，小腿肌肉收縮的張力FT約是體重的2倍，而作用在腳上距骨處的力FB，接近體重的3倍，其力的作用線幾乎與豎直方向平行．可見，長期的大運動量、大強度訓練，造成跟腱過度勞損，使跟腱力量減退，彈力減弱，長期勞損得不到休息和恢復，一旦用力過猛就很容易使跟腱斷裂或部分斷裂．

1.5拓展與延伸

從上面的力學分析知，間接外力對跟腱的損傷有很大的影響．在此建議廣大體育運動愛好者:運動前一定要做好充分的準備活動，使小腿肌肉及肌健活動開, 完成動作要由慢到快；避免跟腱的過度負荷和疲勞；加強跟腱部位以及周圍部位肌肉的力量．

2教學體會

將理論與案例結合，通過案例教學模式的探索與實踐，使我們體會到：

(1)將案例用于醫(yī)學物理課堂教學，加強了基礎學科與臨床學科的聯(lián)系和結合，激發(fā)學生學習的

主動性、積極性，提高學生的綜合素質和創(chuàng)新實踐能力．

(2)根據(jù)研究對象的特性抽象出其力學模型，應用基本理論與方法可以得到相對簡潔的解決該類問題的方法與途徑，有助于提高學生分析問題、解決問題的能力．

(3)通過對問題的拓展延伸，融知識傳授、能力培養(yǎng)、素質教育于一體，適應了新世紀人才培養(yǎng)目標的要求．

3教學困難與應對

客觀的講，案例課堂的完成對教師和學生都富有挑戰(zhàn)，花費了很多的時間和精力，傳統(tǒng)的教學課時是遠遠不夠的．案例教學實施過程中還有很多的困難要克服，但我們堅信只要堅持就會有收獲，也希望大家多提寶貴建議，共同完善案例課堂．

參 考 文 獻

1王光昶,張建煒,陳濤，等.案例教學法在醫(yī)學物理學教學中的應用.西北醫(yī)學教育,2008(6):1136～1138

2周雨青,張玉萍,董科.大學物理教學中引入“案例教學”模式的實踐.中國大學教育,2011(10)：52～54

3宋海珍,王愛華,趙彤帆，等.“保守系統(tǒng)平衡位置微振動”案例教學的探討與實踐.物理與工程,2014,24(1):48～54

4王翀,梁猛,楊祎．一種創(chuàng)新實踐教學模式．實驗室研究與探索,2011,30(7):152～154

5吳軍,胡先志.用案例研究來培養(yǎng)教師的教育技術能力.教學與管理,2006(8):39～40

6陳仲本,況明星. 醫(yī)用物理學(第一版). 北京:高等教育出版社, 2010

收稿日期：(2015-03-31)

作者簡介:趙新麗(1974-)，女，講師，主要從事大學物理及實驗的教學工作.