基于教學(xué)案例的大學(xué)物理微課設(shè)計(jì)

吳王杰 楊 軍 章 曦

(解放軍陸軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部物理教研室,江蘇 南京 211101)

1 教學(xué)案例是大學(xué)物理微課的良好選題

1.1 大學(xué)物理教學(xué)案例的特點(diǎn)

鄭金洲教授[1]認(rèn)為：“簡(jiǎn)單地說，一個(gè)案例就是一個(gè)實(shí)際情境的描述，在這個(gè)情境中，包含一個(gè)或多個(gè)疑難問題，同時(shí)也可能包含解決這些問題的方法?！蔽覀冋J(rèn)為“大學(xué)物理教學(xué)案例是一個(gè)具體的完整的教學(xué)內(nèi)容，包含著與知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)實(shí)際物理問題，在教學(xué)內(nèi)容中緊密結(jié)合訓(xùn)練物理思維方法，在實(shí)際物理問題中緊密圍繞提高解決問題能力。”[2]根據(jù)上述描述，大學(xué)物理教學(xué)案例具有以下幾個(gè)特征。(1)完整性：它具有解決一個(gè)實(shí)際物理問題的基本環(huán)節(jié)，即從現(xiàn)象或具體情境中發(fā)現(xiàn)并提出問題，根據(jù)相關(guān)的理論體系和數(shù)學(xué)方法建立物理模型，利用各種方法對(duì)物理模型進(jìn)行研究，得到初步結(jié)果并解釋現(xiàn)象，在對(duì)模型進(jìn)行修改，得到進(jìn)一步的結(jié)果。(2)典型性：它是經(jīng)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(xiàn)象的本質(zhì)特征，涉及到較多的相關(guān)知識(shí)以及學(xué)生可能遇到的各種問題。(3)啟發(fā)性：案例為一定的教學(xué)目的服務(wù)，它在教學(xué)過程中能夠引起學(xué)生的討論，促進(jìn)思考，啟迪思維。不僅是學(xué)生加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，而且獲得處理相似問題的能力訓(xùn)練。

1.2 教學(xué)案例為微課教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)

微課以視頻為主要載體，基于一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，簡(jiǎn)短而完整，以獲得最佳的移動(dòng)和泛在學(xué)習(xí)效果為目標(biāo)。因此對(duì)微課的選題就有一定的要求，一節(jié)微課所講授的內(nèi)容應(yīng)該短小精干，相對(duì)獨(dú)立完整。因此選用教學(xué)案例來制作微課是一個(gè)非常好的選擇。另外，大學(xué)物理教學(xué)案例還具有典型性和啟發(fā)性的特征，也為微課教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 基于教學(xué)案例的大學(xué)物理微課教學(xué)設(shè)計(jì)

對(duì)大學(xué)物理課程的教學(xué)設(shè)計(jì)一般從教與學(xué)兩個(gè)方面，對(duì)講授內(nèi)容、教學(xué)要求、重點(diǎn)/難點(diǎn)、授課思路、能力/方法訓(xùn)練設(shè)計(jì)和知識(shí)擴(kuò)展等模塊，以及關(guān)聯(lián)知識(shí)、作業(yè)練習(xí)和學(xué)習(xí)要求等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。

微課以視頻為主要載體，基于一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，簡(jiǎn)短而完整，以獲得最佳的移動(dòng)和泛在學(xué)習(xí)效果為目標(biāo)，因此其教學(xué)設(shè)計(jì)尤為重要。詳細(xì)、科學(xué)、富有創(chuàng)新性的微課教學(xué)設(shè)計(jì)是后期進(jìn)行制作加工的前提，也有助于微課相關(guān)資源的開發(fā)。教學(xué)案例本身規(guī)定了微課的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求，但是要將一個(gè)教學(xué)案例轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚降奈⒄n，還需要根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)，從知識(shí)、能力與素質(zhì)全方位地進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇和運(yùn)用適當(dāng)?shù)亩嗝襟w技術(shù)。

2.1 編寫大學(xué)物理教學(xué)案例

大學(xué)物理課程是一門應(yīng)用性強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，有著大量與工程技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。在大學(xué)物理微課中反映出這方面的內(nèi)容本身既是課程教學(xué)內(nèi)容的要求，也可以促進(jìn)學(xué)員對(duì)理論的理解，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

教學(xué)案例不僅可以使課程的應(yīng)用特色得到充分彰顯，而且特別適合微課這種主題化的教學(xué)形式。大學(xué)物理微課教學(xué)案例設(shè)計(jì)第一是案例選題，要緊密結(jié)合教材內(nèi)容，從科學(xué)研究方法、物理學(xué)進(jìn)展、工程技術(shù)應(yīng)用、軍事應(yīng)用和生活中的物理等方面精選難度適當(dāng)?shù)陌咐夭?。第二，要從?fù)雜的科技與應(yīng)用中提煉出其中的基本物理原理，并把它們細(xì)化到微課知識(shí)點(diǎn)上，使其成為相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的一個(gè)應(yīng)用案例。第三，微課教學(xué)案例設(shè)計(jì)要注意培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力。

例如，為了使學(xué)員更好地理解相對(duì)速度這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，我們制作了微課“導(dǎo)彈制導(dǎo)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)”。在這個(gè)微課中我們把教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)為教學(xué)案例“導(dǎo)彈追蹤問題”，有助于對(duì)導(dǎo)彈追蹤中的相對(duì)速度和絕對(duì)速度的理解，也使課程的應(yīng)用特色得到充分體現(xiàn)。

2.2 大學(xué)物理微課教學(xué)設(shè)計(jì)

基于大學(xué)物理教學(xué)案例的微課教學(xué)設(shè)計(jì)，就是要發(fā)揮教學(xué)案例的特征，使微課更加適合學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)，更好地達(dá)到課程目標(biāo)。

1) 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

教學(xué)內(nèi)容的選取和設(shè)計(jì)是微課教學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。微課的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)選取闡述大學(xué)物理中的基本現(xiàn)象、基本概念與基本原理與主要應(yīng)用(軍事應(yīng)用)，覆蓋課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。大學(xué)物理教學(xué)案例根據(jù)具體教學(xué)目標(biāo)的需要、學(xué)生興趣和接受能力來組織和選編教學(xué)內(nèi)容，針對(duì)的是教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，因此可以很好地滿足微課對(duì)教學(xué)內(nèi)容選題的一般要求。

特別地，大學(xué)物理課程是一門應(yīng)用性強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，有著大量與工程技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。在大學(xué)物理微課中反映出這方面的內(nèi)容本身既是課程教學(xué)內(nèi)容的要求，也可以促進(jìn)學(xué)員對(duì)理論的理解，提高理論聯(lián)系實(shí)際的能力。我們的做法是緊密結(jié)合教材內(nèi)容，從科學(xué)研究方法、物理學(xué)進(jìn)展、工程技術(shù)應(yīng)用、軍事應(yīng)用和生活中的物理等方面精選難度適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容。

2) 問題引入設(shè)計(jì)

心理學(xué)“首因—近因”效應(yīng)顯示，學(xué)習(xí)者在對(duì)最早出現(xiàn)的刺激記憶效果最好。微課開始時(shí)的問題引入設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的，它可以有效地吸引學(xué)習(xí)者的注意力，完成教學(xué)視頻的學(xué)習(xí)。問題引入設(shè)計(jì)的一般策略是從學(xué)員的學(xué)習(xí)認(rèn)知特點(diǎn)、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)出發(fā)，進(jìn)行問題引入設(shè)計(jì)以吸引注意力。

由于物理學(xué)本身就是揭示自然奧秘的學(xué)科，因此還要充分發(fā)揮物理學(xué)科的這個(gè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)有效的開場(chǎng)白策略，吸引學(xué)習(xí)者的興趣，激發(fā)學(xué)員探究的態(tài)度。例如，微課“利用質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量定理求平均沖力”是這樣開始的：“飛機(jī)敢和小鳥PK嗎？通過這次課的學(xué)習(xí)，你將會(huì)知道后果非常嚴(yán)重！”微課“人造地球衛(wèi)星的墜落與超新星爆發(fā)”則是這樣開門見山地告訴你：“天上不會(huì)掉餡餅，但卻有可能掉下個(gè)衛(wèi)星”。微課“導(dǎo)彈制導(dǎo)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)”是這樣開頭的：“你知道狗是怎樣追上兔子的嗎？獵豹是怎樣追擊獵物的？它們?cè)谧窊魰r(shí)為什么常常有急轉(zhuǎn)彎？這些都與導(dǎo)彈制導(dǎo)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)?！?/p>

3) 教學(xué)模式設(shè)計(jì)

教學(xué)模式是在一定教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動(dòng)結(jié)構(gòu)框架和活動(dòng)程序。微課教學(xué)模式設(shè)計(jì)可以使微課教學(xué)活動(dòng)更加高效、更能適應(yīng)碎片化學(xué)習(xí)。微課盡管是針對(duì)知識(shí)點(diǎn)的片段化教學(xué)，但是仍然可以進(jìn)行教學(xué)模式設(shè)計(jì)。由于物理學(xué)科的特點(diǎn)，講授型、研究型、討論式、實(shí)踐性等教學(xué)模式在實(shí)際課堂教學(xué)中應(yīng)用最多，這些教學(xué)模式也都可以應(yīng)用到微課中。

例如，在質(zhì)點(diǎn)系功能原理應(yīng)用的微課教學(xué)中，我們采取了研究型的教學(xué)模式。將利用質(zhì)點(diǎn)系功能原理分析近地軌道衛(wèi)星墜落過程中的速度變化問題編寫為一個(gè)研究型的教學(xué)案例：“近地軌道人造地球衛(wèi)星運(yùn)行一段時(shí)間后為什么會(huì)掉回地球？”在這個(gè)案例中，首先從真實(shí)的衛(wèi)星墜落事件出發(fā)提出研究課題，抓住過程主要特征建立簡(jiǎn)化物理模型，從易到難，先從系統(tǒng)的總能量的角度進(jìn)行定性分析，再根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系功能原理的微分形式利用微元法來定量分析空氣阻力的功、引力的功以及系統(tǒng)機(jī)械能變化之間的定量關(guān)系，不僅解決了要研究的問題，并歸納出引力場(chǎng)中這類問題的一般特征，最后拓展到定性解釋天體物理中的超新星爆發(fā)現(xiàn)象。這個(gè)微課的教學(xué)模式設(shè)計(jì)，較完整地體現(xiàn)了從具體問題到建立簡(jiǎn)化物理模型、從定性分析到定量數(shù)學(xué)研究、從研究結(jié)論到推論和應(yīng)用的物理學(xué)研究的一般特征。

4) 媒體技術(shù)設(shè)計(jì)

微課是以視頻、動(dòng)畫等形式展示教師圍繞某個(gè)知識(shí)點(diǎn)的簡(jiǎn)短而又完整的教學(xué)活動(dòng)，必須充分、合理地運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和各種數(shù)字資源進(jìn)行媒體技術(shù)設(shè)計(jì)。

物理學(xué)的現(xiàn)象、概念、原理和應(yīng)用有些是形象的，但是更多的是抽象，并且很多是常規(guī)情況下不可直觀呈現(xiàn)的。這就要求大學(xué)物理微課在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的同時(shí)還要進(jìn)行必要的媒體技術(shù)設(shè)計(jì)，使教學(xué)內(nèi)容以生動(dòng)有趣、直觀形象的方式呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)員更好地學(xué)習(xí)微課知識(shí)點(diǎn)，使較難的教學(xué)內(nèi)容變得更易接受和理解。我們?cè)诿襟w技術(shù)設(shè)計(jì)方面，以教員視頻講解和PPT電子板書為主線，大量穿插使用了實(shí)物演示、模擬動(dòng)畫、計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算與可視化、虛擬場(chǎng)景技術(shù)等，有效地提高了微課教學(xué)內(nèi)容的媒體表現(xiàn)力。

3 兩例基于教學(xué)案例的大學(xué)物理微課教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 “飛機(jī)與小鳥PK?——利用數(shù)量級(jí)估算法計(jì)算平均沖力”的微課設(shè)計(jì)

本節(jié)微課的教學(xué)內(nèi)容是數(shù)量級(jí)估算法；利用質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量定理求平均沖力。教學(xué)目標(biāo)是通過案例教學(xué)使學(xué)員學(xué)會(huì)利用數(shù)量級(jí)估算法對(duì)沖力進(jìn)行估算，熟練掌握質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量定理的應(yīng)用，增進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)。微課教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

(1) 問題引入具有懸念，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣。

(2) 充分利用案例教學(xué)法。通過物理學(xué)史上著名的一個(gè)數(shù)量級(jí)估算案例，引入數(shù)量級(jí)估算法，并利用形象直觀的例子說明數(shù)量級(jí)估算法是物理學(xué)中十分有用的半定量研究法。通過估算鳥與飛機(jī)相撞的沖擊力、航空母艦上的阻攔索承受的艦載機(jī)的平均沖擊力這兩個(gè)貼近軍事和工程應(yīng)用的典型案例，引導(dǎo)學(xué)員靈活運(yùn)用數(shù)量級(jí)估算法和質(zhì)點(diǎn)動(dòng)量定理。

(3) 緊密結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，靈活應(yīng)用各種媒體素材。充分利用視頻、Flash動(dòng)畫、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等，直觀形象，教學(xué)輔助效果好，有助于學(xué)員對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。

(4) 用素質(zhì)教育的理念審視、選擇和組織教學(xué)內(nèi)容，貼近當(dāng)代科技。理論聯(lián)系實(shí)際，從日常生活現(xiàn)象到工程技術(shù)與軍事應(yīng)用，精心選擇了難度適宜、緊扣重難點(diǎn)、生動(dòng)鮮活的各種素材，使教學(xué)內(nèi)容真正“活”起來，充分體現(xiàn)物理學(xué)科應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

(5) 突出創(chuàng)造性思維能力、工程應(yīng)用能力。課中的教學(xué)案例和課后拓展性研究都是緊貼科學(xué)研究方法和相應(yīng)的能力訓(xùn)練來設(shè)計(jì)的。

3.2 “狗是怎樣追上兔子的？——導(dǎo)彈制導(dǎo)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)”的微課設(shè)計(jì)

本節(jié)微課的教學(xué)內(nèi)容是相對(duì)運(yùn)動(dòng)；相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的絕對(duì)速度、牽連速度和相對(duì)速度，相對(duì)運(yùn)動(dòng)在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)是理解運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性；理解絕對(duì)速度、牽連速度和相對(duì)速度，重點(diǎn)是相對(duì)速度；了解導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中的平行接近法和追蹤法。微課教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

(1) 從生活現(xiàn)象引入主題。狗是怎樣追上兔子的嗎？獵豹是怎樣追擊獵物的？它們?cè)谧窊魰r(shí)為什么常常有急轉(zhuǎn)彎？這些都與相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)，也是導(dǎo)彈制導(dǎo)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。

(2) 用典型例題引入導(dǎo)彈導(dǎo)引律的概念。如圖1所示，敵艦A在與海平面上以勻速率vA向正西方向航行，當(dāng)敵艦行駛至圖1所示位置時(shí)我艦向其發(fā)射魚雷B，魚雷速率為vB(vB>vA)，假設(shè)敵艦和魚雷的速度在攻擊過程中都保持不變。為擊中敵艦，試分析魚雷的發(fā)射角度α所要滿足的條件。

圖1

(3) 用軍事拓展應(yīng)用詳解教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)。介紹導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中兩種基本的導(dǎo)引律：相對(duì)速度指向目標(biāo)的平行接近法和絕對(duì)速度指向目標(biāo)的追蹤法。通過重點(diǎn)講解導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中的平行接近法，加深對(duì)相對(duì)速度這個(gè)重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容的理解；通過簡(jiǎn)要介紹導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中的追蹤法，強(qiáng)調(diào)絕對(duì)速度和相對(duì)速度的區(qū)別。

(4) 通過知識(shí)遷移培養(yǎng)科學(xué)思維能力?！皹尨蚵浜铩笔橇W(xué)部分“位移、速度和加速度”一節(jié)中的教學(xué)內(nèi)容，已經(jīng)學(xué)習(xí)過。通過巧妙地用子彈相對(duì)猴子的相對(duì)速度這個(gè)新視角來解釋子彈擊中猴子的原理，不僅進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中平行接近法的理解，而且有助于對(duì)相對(duì)速度概念和應(yīng)用的融會(huì)貫通，培養(yǎng)科學(xué)思維能力及知識(shí)遷移與應(yīng)用的能力。

(5) 用各種媒體加強(qiáng)教學(xué)輔助效果。緊密結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，靈活、準(zhǔn)確地應(yīng)用各種媒體素材，充分利用視頻、Flash動(dòng)畫、JAVA程序來直觀形象地演示絕對(duì)速度、牽連速度和相對(duì)速度，以及導(dǎo)彈制導(dǎo)過程，有助于學(xué)員理解抽象的理論，理解重點(diǎn)難點(diǎn)。

(6) 用二維碼提供課后拓展訓(xùn)練資源。利用手機(jī)掃描二維碼提供與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的拓展訓(xùn)練閱讀材料，鼓勵(lì)學(xué)生開展物理建模訓(xùn)練——研究導(dǎo)彈追蹤中的導(dǎo)引方法。

4 結(jié)語

教學(xué)案例一般是基于知識(shí)點(diǎn)的課程重難點(diǎn)、重要原理的工程技術(shù)應(yīng)用和其他拓展內(nèi)容，因此基于教學(xué)案例進(jìn)行微課的教學(xué)設(shè)計(jì)可以使微課更具有針對(duì)性和適用性，使微課具有很好的應(yīng)用價(jià)值。我們?cè)谧跃幍拇罅看髮W(xué)物理教學(xué)案例的基礎(chǔ)上，精選其中一部分進(jìn)一步進(jìn)行精心教學(xué)設(shè)計(jì)，制作出大學(xué)物理微課。這些微課不僅是大學(xué)物理課程的優(yōu)質(zhì)在線教學(xué)資源，而且被廣泛應(yīng)用到課程的混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)等教學(xué)模式中。