基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的大學(xué)物理案例庫建設(shè)

蘇娟

摘 要 案例教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、創(chuàng)新能力和研究素質(zhì)等方面具有極大的促進(jìn)作用。本文從大學(xué)物理案例庫建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，介紹了案例庫建立的篩選、設(shè)計(jì)、實(shí)踐、評價(jià)以及完善等環(huán)節(jié)，并通過教學(xué)案例的展示，對案例庫的建設(shè)起到拋磚引玉的作用。

關(guān)鍵詞 大學(xué)物理 案例 案例教學(xué) 創(chuàng)新能力

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.10.018

Construction of University Physics Case Base Based on the

Cultivation of Students' Innovative Ability

SU Juan

（School of Sciences of Southwest Petroleum University， Chengdu， Sichuan 610065）

Abstract Case teaching plays an important role in fostering students' scientific thinking， creative ability and research quality. This article from the construction of the university physics case library based on the practical experience， the establishment of case base selection， design， practice， evaluation and etc.， and through the teaching case show that the construction of case library plays a role.

Keywords college physics； case； case teaching； innovative ability

1 建設(shè)教學(xué)案例庫的背景和意義

建設(shè)創(chuàng)新型國家要求高等學(xué)校培養(yǎng)出的大學(xué)畢業(yè)生必須掌握科學(xué)的思維方法，具有強(qiáng)烈創(chuàng)新意識，能夠敏銳地發(fā)現(xiàn)問題，正確地分析問題和創(chuàng)造性地解決問題，是高等學(xué)校肩負(fù)的重要任務(wù)。大學(xué)物理作為理工科專業(yè)必修的公共基礎(chǔ)課程，如何擔(dān)負(fù)起培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重任，應(yīng)引起我們每一位物理教師的思考。

目前，世界各國都以培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力、科學(xué)素養(yǎng)作為核心目標(biāo)，注重科學(xué)探究、科學(xué)過程和方法的教育，在課程改革方面進(jìn)行了大量的研究與探索。國內(nèi)有些老師將演示實(shí)驗(yàn)引入到課堂教學(xué)中，采用啟發(fā)式、提問式等教學(xué)方式，將理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。然而，這些教學(xué)改革較為分散，并未進(jìn)行系統(tǒng)的精煉，不利于改革成果的推廣。

因此，本文將探索以學(xué)生認(rèn)知能力和專業(yè)背景為前提，建立適合學(xué)生探究、自主學(xué)習(xí)的教學(xué)案例庫，通過合理引導(dǎo)、精心設(shè)計(jì)開放性問題，利用溯源法、問題設(shè)計(jì)法等教學(xué)手段，精心設(shè)計(jì)案例，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，使學(xué)生樂于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)其創(chuàng)新能力的目標(biāo)。

2 建立教學(xué)案例庫的探索和實(shí)踐

案例教學(xué)是指以大綱要求的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，從案例入手，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已掌握的物理知識和技能對案例涉及的情景、現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)查、分析、討論和交流等，鍛煉學(xué)生自主探索和學(xué)習(xí)的技能，從而培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識問題、分析問題、解決問題的能力。

案例庫的建設(shè)，需要大量的案例，分別經(jīng)過案例篩選、案例設(shè)計(jì)、案例實(shí)踐、案例評價(jià)、案例完善等各個(gè)環(huán)節(jié)。教學(xué)內(nèi)容繁多，不可能將所有知識點(diǎn)都設(shè)計(jì)進(jìn)入案例庫。太難或太簡單的內(nèi)容都不適合，難以實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的目標(biāo)。因此，建立案例庫的首要就是有效篩選入選案例庫的教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的接收能力，控制案例的難易程度。

首先采取訪談、問卷調(diào)查等方式對學(xué)生的學(xué)習(xí)特征及需求進(jìn)行調(diào)查和分析，了解學(xué)生的預(yù)備知識和學(xué)習(xí)需求。然后在深入研究教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)生的專業(yè)背景、工程案例、生活經(jīng)驗(yàn)，遵循典型性、適用性、新穎性的原則，篩選出適合學(xué)生進(jìn)行自主探索的題目。

作為一所以石油化工為特色的高校，我們根據(jù)學(xué)校的專業(yè)設(shè)置、學(xué)生需求，初步確立了首批用于學(xué)生探究、自主學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)。表1給出了案例庫包括的相關(guān)知識點(diǎn)。

課堂教學(xué)是教學(xué)的基本組成部分，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力的意識也應(yīng)該滲透到教學(xué)過程中，而案例設(shè)計(jì)則是開展案例教學(xué)的基礎(chǔ)和前提。教師要根據(jù)教學(xué)進(jìn)度安排確立案例的教學(xué)時(shí)間，給學(xué)生充分的準(zhǔn)備時(shí)間。案例設(shè)計(jì)過程中，教師應(yīng)結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知水平、專業(yè)背景，針對不同教學(xué)內(nèi)容的特征，采用開放問題設(shè)計(jì)法、溯源法、專題研究等教學(xué)形式，合理設(shè)計(jì)具有鋪墊性、誘發(fā)性、過渡性、開放性問題，鼓勵(lì)學(xué)生提出不同的見解，讓學(xué)生自覺、主動的學(xué)習(xí)，體現(xiàn)“以學(xué)生為本”育人觀，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新精神。

案例教學(xué)可以分為課內(nèi)和課外教學(xué)兩種方式。對于課內(nèi)案例教學(xué)，老師通過生活、自然、科學(xué)、社會中的一個(gè)實(shí)例、情景入手，通過提出問題的方式，由淺至深地逐漸引導(dǎo)學(xué)生利用已有的物理知識去分析解決實(shí)際問題，問題的設(shè)計(jì)要注意針對性、過渡性、開放性。學(xué)生通過闡明觀點(diǎn)，共同討論、爭辯、分析問題，學(xué)習(xí)新的物理知識，然后通過拓展性問題分析，使學(xué)生認(rèn)識到所學(xué)物理規(guī)律在實(shí)際工程中的運(yùn)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

對于課外案例教學(xué)，教師提前布置案例，對學(xué)生解決問題所需的知識提出提示和要求。學(xué)生在認(rèn)真研讀案例材料，自行查閱資料，深入思考的基礎(chǔ)上，以小組形式討論、分析、研究案例，提出解決方案，撰寫報(bào)告等，讓學(xué)生自主學(xué)習(xí)新知識，培養(yǎng)分析、解決問題的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。endprint

無論是哪種案例教學(xué)的實(shí)施方式，最終都需要對案例教學(xué)過程進(jìn)行總結(jié)和評價(jià)。教師應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的課堂反應(yīng)、理解程度，不斷修改完善案例中的問題設(shè)置和教學(xué)流程，對案例教學(xué)實(shí)施中暴露出來的問題，應(yīng)該及時(shí)修正，以取得更好的教學(xué)效果，使其具有更好的操作性，有利于案例庫的推廣。同時(shí)，通過將學(xué)生參與專題討論、開放性問題討論的表現(xiàn)、積極性及成果納入對學(xué)生課堂成績的考核中，建立對學(xué)生的創(chuàng)新意識、能力、積極性的激勵(lì)機(jī)制，對學(xué)生的各種創(chuàng)新行為給予正面的激勵(lì)和獎勵(lì)。

總之，每個(gè)案例都要經(jīng)過編寫、挑選、歸納整理、實(shí)踐、評價(jià)、修改完善等各個(gè)階段。顯然，案例庫的建設(shè)需要授課教師投入大量的時(shí)間和精力，僅憑一己之力，是不可能做好的。應(yīng)該發(fā)揮教研室廣大一線教師的力量，群策群力，共同完成案例庫的建設(shè)。

3 案例教學(xué)實(shí)例

教學(xué)案例一：

教學(xué)內(nèi)容：相對運(yùn)動，計(jì)劃用1課時(shí)進(jìn)行教學(xué)。

教學(xué)過程設(shè)計(jì)與分析：在講授相對運(yùn)動時(shí)，首先作為案例引入，創(chuàng)設(shè)情境問題，提出“假設(shè)現(xiàn)在在下雨，你坐在車?yán)锖驼驹谟曛校憧吹降挠晔鞘裁礃拥?？?/p>

學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，馬上就能回答。繼續(xù)設(shè)問“為什么兩種情境中的運(yùn)動的描述不一樣？”學(xué)生分析得出源于參照系的不同。為了能夠形象表示，引導(dǎo)學(xué)生利用有向線段表示雨的運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)畫出矢量關(guān)系后，學(xué)生能很快得到不同參照系里，同一運(yùn)動的描述之間的關(guān)系，從而老師介紹伽利略速度變換法則。

設(shè)問“如果你坐在敞篷車?yán)?，如何避免不被雨淋到？”啟發(fā)學(xué)生思考，根據(jù)速度變換矢量圖，當(dāng)車速越來越快時(shí)，雨相對于車的速度與車行駛方向的傾角越大，被雨淋濕的可能性越小。

給出雨中行駛的汽車的具體參數(shù)，分析不被雨淋濕應(yīng)該考慮哪些因素。通過數(shù)學(xué)建模，引導(dǎo)學(xué)生提出風(fēng)向、雨速、遮擋物的形狀面積、降雨強(qiáng)度等因素對淋雨量的影響。

該案例主要采用問題設(shè)計(jì)法，通過不斷地提出問題，幫助學(xué)生分析問題，闡述自己的認(rèn)識與觀點(diǎn)，在師生共同討論、分析的基礎(chǔ)上解決問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的探究、思考的興趣和能力。

教學(xué)案例二：

（1）教學(xué)內(nèi)容：力矩，積分，計(jì)劃用1課時(shí)進(jìn)行教學(xué)。

（2）教學(xué)過程設(shè)計(jì)與分析

課前布置問題：水壩的墻體厚度和迎水面的形狀與蓄水量有關(guān)，水壩的穩(wěn)定性也是另一大問題，你能給出一個(gè)物理上的模型設(shè)計(jì)嗎？學(xué)生通過上網(wǎng)查詢資料，了解常見水壩的設(shè)計(jì)形式以及工作原理。

課堂上，讓學(xué)生主動介紹自己調(diào)查分析的結(jié)果，帶領(lǐng)學(xué)生循序漸進(jìn)地回答下述三個(gè)問題。（1）水深對壩體底部力矩的計(jì)算。（2）在水量一定的情況下，壩體迎水面的形狀對壩體底部的力矩影響是什么？（3）如何增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性？

學(xué)生各抒己見，分析水壩的受力特點(diǎn)。由液體壓強(qiáng)公式可知，水壩的攔水面受到的壓強(qiáng)與水的深度成正比。因此，計(jì)算水壩受到的壓力不能簡單為壓強(qiáng)乘以受力面積。假設(shè)水壩橫截面為梯形，迎水面的坡度為，根據(jù)力的分解，水對迎水面的壓力可以等效成對豎直截平面的壓力。設(shè)攔水壩的寬度為，水深為，引導(dǎo)學(xué)生將水壩沿著深度方向選取面積元，利用積分求解水對壩體的壓力。

分析水對攔水壩的壓力的作用效果：（1）使水壩整體沿水流方向向下游平移；（2）使水壩沿壩外立面底部端點(diǎn)轉(zhuǎn)動。根據(jù)力矩公式，為力臂，為變力，計(jì)算水對攔水壩的力矩作用。 顯然該力矩對攔水壩有傾覆作用，而壩體由于自身重力產(chǎn)生的力矩將反抗其傾覆。為保證壩體的穩(wěn)定性，須滿足，分析重力矩。為下游面外沿底端距壩體重心的距離，增大和可以增強(qiáng)壩體的穩(wěn)定性。

鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，提出合理的壩體設(shè)計(jì)：（1）采用混凝土結(jié)構(gòu)，增加壩體重力；（2）壩體修成沿下游面加寬，增大體積同時(shí)增加力臂；（3）攔水壩斷面較厚，迎水面無傾覆危險(xiǎn)，可采用直上直下形式，背水面采用自上而下加厚形式，防止壩體平移，同時(shí)降低對壩基的壓強(qiáng)，增加壩體的垂直穩(wěn)定性，提高壩體對水的抗?jié)B透能力。

該案例主要采用專題討論、提問法，通過學(xué)生事先進(jìn)行自我學(xué)習(xí)、資料調(diào)查，然后針對原理分析，提出不同的模型，并不斷討論完善，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維。

4 結(jié)束語

教學(xué)案例庫的建立，便于教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中有據(jù)可依，利于教師在課堂教學(xué)中，有機(jī)融合多媒體、板書、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等手段，提高大學(xué)物理課程教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、科學(xué)思維能力及自主解決問題的能力。

基金項(xiàng)目：西南石油大學(xué)教改項(xiàng)目“大學(xué)物理為載體培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的課堂改革與實(shí)踐”

參考文獻(xiàn)

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