新農(nóng)科背景下大學(xué)物理案例教學(xué)研究與實(shí)踐

李忠秀 王義華 陸丹 熊真

摘? 要：在開創(chuàng)農(nóng)林教育新格局、推進(jìn)多學(xué)科深度交叉融合創(chuàng)新發(fā)展的新農(nóng)科建設(shè)背景下，針對(duì)農(nóng)林院校農(nóng)林生物類專業(yè)特點(diǎn)和需求，在大學(xué)物理教學(xué)過(guò)程中，逐步構(gòu)建了基于學(xué)生專業(yè)的大學(xué)物理案例庫(kù)并付諸教學(xué)實(shí)踐。教學(xué)實(shí)踐表明：在農(nóng)林生物類專業(yè)的大學(xué)物理教學(xué)中采用案例法教學(xué)，有利于增強(qiáng)學(xué)生的物理思維能力，提升學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：新農(nóng)科? 大學(xué)物理? 案例法? 物理思維? 學(xué)科交叉

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）08（c）-0209-03

Abstract： Under the background of creating a new pattern of agricultural and forestry education and promoting the innovation and development of interdisciplinary integration of innovation and development. According to the characteristics and requirements of agriculture， forestry and biology specialty in agricultural and forestry universities， the case library of college physics based on students' specialty was gradually constructed， and puts it into practicein the process of college physics teaching. The teaching practice has showed that students' physical thinking ability was enhanced， their ability to solve practical problems was improved， students' interest was stimulated and teaching quality was improved by using of case method in university physics teaching.

Key Words： Neo-agriculture education; University physics; Case method; Physical thinking; Subject cross

1? 案例教學(xué)的背景和意義

案例教學(xué)法的起源最初可追溯至蘇格拉底的“問(wèn)答法”，于1870年由美國(guó)哈佛法學(xué)院在法學(xué)課堂教學(xué)中首次正式提出。案例教學(xué)法是指教師在教學(xué)中通過(guò)實(shí)例內(nèi)容的講授，使學(xué)生達(dá)到舉一反三掌握知識(shí)規(guī)律的方法。它可以通過(guò)模擬或者重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的一些場(chǎng)景，讓學(xué)生把自己納入案例場(chǎng)景[1]。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)應(yīng)該是一個(gè)積極的過(guò)程，學(xué)習(xí)者依靠現(xiàn)有儲(chǔ)備知識(shí)建構(gòu)新的思想和概念。由于知識(shí)本身具有不確定性，同時(shí)所學(xué)的新知識(shí)是建立在原有知識(shí)或舊經(jīng)驗(yàn)對(duì)照的基礎(chǔ)之上，而案例教學(xué)法強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者自行分析案例，將需要解決的實(shí)際問(wèn)題與以往的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)相互連接、融合、重構(gòu)以實(shí)現(xiàn)新知識(shí)的建構(gòu)[2]。因此案例教學(xué)法作為一種開放互動(dòng)式的新型教學(xué)方式，在傳授知識(shí)和學(xué)生所得知識(shí)留存度上和提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力方面起著不可替代的作用。在國(guó)內(nèi)外教育領(lǐng)域，案例教學(xué)正在廣泛運(yùn)用于單一學(xué)科或跨學(xué)科教學(xué)中[3-4]。

2? 在農(nóng)林生物類專業(yè)中開展大學(xué)物理案例教學(xué)的必要性

2019年6月28日《安吉共識(shí)》指出：開創(chuàng)農(nóng)林教育新格局，走融合發(fā)展之路，打破固有學(xué)科邊界，破除原有專業(yè)壁壘，推進(jìn)農(nóng)工、農(nóng)理、農(nóng)醫(yī)、農(nóng)文深度交叉融合創(chuàng)新發(fā)展，這一論述為新農(nóng)科建設(shè)指明了方向。各農(nóng)林高校也就“如何建設(shè)新農(nóng)科，培養(yǎng)創(chuàng)新型農(nóng)林人才”進(jìn)行了許多新的研究、探索和實(shí)踐[5-6]。

科學(xué)上的新理論、新發(fā)明的產(chǎn)生，新的工程技術(shù)的出現(xiàn)，經(jīng)常是在學(xué)科的邊緣或交叉點(diǎn)上，重視學(xué)科交叉將使科學(xué)本身向著更深層次和更高水平發(fā)展，大學(xué)物理作為各農(nóng)林專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)支撐課程，揭示了物質(zhì)不同層次的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是深刻認(rèn)識(shí)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和基礎(chǔ)。內(nèi)容寬泛，涵蓋力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、狹義相對(duì)論和量子力學(xué)等內(nèi)容，與農(nóng)林等專業(yè)的知識(shí)交叉點(diǎn)較豐富。另外，當(dāng)前是由化學(xué)農(nóng)業(yè)向生態(tài)農(nóng)業(yè)的過(guò)渡時(shí)期，而發(fā)展現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)則是實(shí)現(xiàn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的主要途徑之一，這些都與建設(shè)新農(nóng)科指導(dǎo)精神是非常契合的。

案例教學(xué)作為一種動(dòng)態(tài)的、開放的教學(xué)模式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力提高學(xué)生溝通和合作的能力。傳統(tǒng)的大學(xué)物理教學(xué)過(guò)度強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，知識(shí)內(nèi)容講解的很具體很詳細(xì)，卻沒(méi)有留給學(xué)生思考、總結(jié)的空間，不利于對(duì)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)[7]。另外，單純進(jìn)行理論講授空洞無(wú)趣，公式推導(dǎo)繁雜，且與其專業(yè)完全割裂，缺乏行之有效的聯(lián)系。案例教學(xué)本著理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)際反證理論的理念，把大學(xué)物理學(xué)習(xí)和農(nóng)學(xué)生物類的專業(yè)學(xué)習(xí)甚至未來(lái)的科研工作有效聯(lián)系。實(shí)例的引入能夠讓抽象的理論與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題相對(duì)應(yīng)，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中加深理解，增強(qiáng)知識(shí)記憶，感受知識(shí)相關(guān)性。有利于激發(fā)學(xué)生自學(xué)與創(chuàng)新探索的欲望，提高教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生處于特定的案例情景中，利用相關(guān)物理知識(shí)解決專業(yè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的興趣和激情。

3? 教學(xué)案例研究與實(shí)踐例釋

教學(xué)案例的選取需要準(zhǔn)確把握學(xué)生的學(xué)科內(nèi)容和專業(yè)特點(diǎn)，以便讓不同專業(yè)的學(xué)生能夠了解到專業(yè)知識(shí)中的物理問(wèn)題和物理模型，并充分認(rèn)識(shí)大學(xué)物理知識(shí)和思維方法對(duì)農(nóng)林生物類專業(yè)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)與研究的基礎(chǔ)性和重要性作用。筆者綜合前期的調(diào)研和實(shí)踐，在流體力學(xué)與液體的表面性質(zhì)、電磁學(xué)和光學(xué)等教學(xué)內(nèi)容中有針對(duì)性地選取了諸如毛細(xì)現(xiàn)象導(dǎo)致氣體栓塞（適用動(dòng)科、動(dòng)醫(yī)等專業(yè)）、毛細(xì)現(xiàn)象在保持土壤水分中的力學(xué)模型構(gòu)建（適用農(nóng)林專業(yè)）、靜電場(chǎng)對(duì)細(xì)胞膜影響的電容模型構(gòu)建（適用于農(nóng)林生物類各專業(yè)）、土壤的電動(dòng)修復(fù)機(jī)理、光誘捕害蟲、補(bǔ)光技術(shù)促進(jìn)植物生長(zhǎng)機(jī)制等60多個(gè)教學(xué)案例。當(dāng)然，案例教學(xué)的實(shí)施不能看做案例+簡(jiǎn)單的理論解釋的過(guò)程，教師應(yīng)逐步啟發(fā)學(xué)生建立起物理知識(shí)和專業(yè)知識(shí)、理論和實(shí)踐的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)專業(yè)問(wèn)題構(gòu)建起物理模型，形成和增強(qiáng)物理思維能力。下面選取靜電場(chǎng)對(duì)細(xì)胞膜影響的電容模型構(gòu)建這一案例加以說(shuō)明。

案例：靜電場(chǎng)對(duì)細(xì)胞膜影響的電容模型構(gòu)建。

案例背景：本案例是建立在《靜電場(chǎng)中的電介質(zhì)》和《電容器》等章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容上，授課對(duì)象為農(nóng)林牧各相關(guān)專業(yè)學(xué)生。

各種生物體賴以生存的地球本身就是一個(gè)天然的電場(chǎng)，其電場(chǎng)強(qiáng)度為130V/m，生長(zhǎng)在地球表面的植物的生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝必然受到這個(gè)天然電場(chǎng)的影響，高壓靜電場(chǎng)處理技術(shù)作為現(xiàn)代物理農(nóng)業(yè)的一種新技術(shù)契合著生態(tài)農(nóng)業(yè)、物理農(nóng)業(yè)的趨勢(shì)和潮流，以其簡(jiǎn)單、低耗、環(huán)保和廣泛適用的優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，有望替代化學(xué)農(nóng)業(yè)而成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，受到越來(lái)越多的關(guān)注和重視。

案例主題：靜電場(chǎng)對(duì)種子萌發(fā)、活力、生理生化指標(biāo)和植株生育性狀及產(chǎn)質(zhì)量的影響已經(jīng)一再被證實(shí)并已逐步應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐（提前讓學(xué)生查找相關(guān)文獻(xiàn)加以了解），由此看來(lái)，生物體對(duì)外加電場(chǎng)會(huì)做出某種響應(yīng)，其中一定存在著電場(chǎng)和物質(zhì)（生物體）的相互作用，順勢(shì)引出問(wèn)題：這種響應(yīng)的物理微觀機(jī)制是什么？能聯(lián)想到哪些相關(guān)的物理理論？又如何構(gòu)建物理模型來(lái)研究這種微觀機(jī)制？

案例剖析：學(xué)生通過(guò)查找文獻(xiàn)或根據(jù)其專業(yè)知識(shí)應(yīng)了解到細(xì)胞膜是極性磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)，中間充滿細(xì)胞液。引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建中間充滿電介質(zhì)的電容器模型，磷脂雙層分子視為平行板電容器的兩極板，兩極板分別與導(dǎo)體細(xì)胞外液和細(xì)胞內(nèi)液相連，兩極板中間充滿電介質(zhì)。然后引申到細(xì)胞膜中鑲嵌的蛋白質(zhì)充當(dāng)著“離子通道”，實(shí)現(xiàn)跨膜運(yùn)輸。這相當(dāng)于電流可通過(guò)兩極板之間的電介質(zhì)，進(jìn)而把細(xì)胞膜構(gòu)建成一個(gè)充滿電介質(zhì)的電容器和一個(gè)電阻并聯(lián)的物理模型。

可利用這一模型形成介質(zhì)極化微觀理論，對(duì)靜電場(chǎng)增強(qiáng)離子的跨膜運(yùn)輸，促進(jìn)對(duì)Ca2+的吸收進(jìn)行微觀機(jī)理解釋，電場(chǎng)通過(guò)作用蛋白質(zhì)分子中的束縛電荷使其產(chǎn)生取向極化，同時(shí)使載流子定向運(yùn)動(dòng)，膜內(nèi)電荷重新分布，產(chǎn)生的極化電場(chǎng)與外加電場(chǎng)疊加，使細(xì)胞膜點(diǎn)容量增加，靜電場(chǎng)提高了膜電位，增強(qiáng)了細(xì)胞膜的通透性并促使細(xì)胞合成更多的ATP，提高膜主動(dòng)吸收、運(yùn)轉(zhuǎn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力。最后向?qū)W生說(shuō)明對(duì)電場(chǎng)生物學(xué)效應(yīng)微觀機(jī)理的研究尚不夠深入和成熟，確切的微觀機(jī)制尚不清楚，比如目前的理論還有一維自由諧振子能級(jí)理論和勢(shì)壘貫穿理論，激發(fā)有能力和感興趣的學(xué)生可繼續(xù)研究。

案例評(píng)價(jià)：該案例把大學(xué)物理基礎(chǔ)理論與學(xué)生專業(yè)緊密結(jié)合，針對(duì)現(xiàn)實(shí)的專業(yè)問(wèn)題如何進(jìn)行構(gòu)建物理模型，使學(xué)生對(duì)物理理論的理解更加深入，開拓了學(xué)生的視野，鍛煉了物理思維能力，同時(shí)給學(xué)生耳目一新的感覺(jué)，大大增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

4? 結(jié)語(yǔ)

案例教學(xué)應(yīng)用在大學(xué)物理教學(xué)中是一種改革與創(chuàng)新，把基礎(chǔ)理論和專業(yè)、課內(nèi)與課外有機(jī)結(jié)合，有效地解決了大學(xué)物理學(xué)課程中厭學(xué)問(wèn)題。從實(shí)施情況來(lái)看，案例教學(xué)作為一種具有開放性和互動(dòng)性的教學(xué)方法，對(duì)于改善目前大學(xué)物理課程學(xué)生不夠重視、拓展不足、考核評(píng)價(jià)模式單一等方面的現(xiàn)狀起著積極作用。在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)用案例教學(xué)，有助于形成學(xué)生自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)和探索性學(xué)習(xí)的開放式學(xué)習(xí)氛圍，有助于形成學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量。這與破除專業(yè)壁壘、推進(jìn)多學(xué)科交叉深度融合，發(fā)揮學(xué)科綜合優(yōu)勢(shì)支撐涉農(nóng)專業(yè)發(fā)展和協(xié)調(diào)協(xié)同發(fā)展新農(nóng)科發(fā)展目標(biāo)不謀而合。

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