融合教學(xué)案例?建設(shè)一流大學(xué)物理教材

吳王杰?楊軍

摘 要：教學(xué)案例與教材全面深度融合，符合建設(shè)一流課程和一流教材的發(fā)展趨勢，是實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容“兩性一度”的一個行之有效的抓手，可以更好地發(fā)揮大學(xué)物理課程在傳授知識、增強(qiáng)能力和培養(yǎng)素質(zhì)等方面的作用。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理;教學(xué)案例;教材建設(shè);融合發(fā)展

當(dāng)前，高校正處在建設(shè)金課、切實提升本科教學(xué)質(zhì)量的新階段。金課的屬性和內(nèi)涵是“兩性一度”，即高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度[1]。在“雙一流”建設(shè)背景下，課程與教材的一體化設(shè)計與深度融合已經(jīng)成為提高本科教學(xué)質(zhì)量的一項重要舉措。

“大學(xué)物理”是高校理工科各專業(yè)開設(shè)的一門通識性必修基礎(chǔ)課，它所教授的基本概念、基本理論和基本方法不僅是構(gòu)成學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的主要組成部分，而且它對于培養(yǎng)學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀，增強(qiáng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識，都具有其他課程不能代替的作用。大學(xué)物理教學(xué)案例是一個完整的教學(xué)內(nèi)容，包含著與知識點相關(guān)的一個或多個實際物理問題，與物理思維方法訓(xùn)練相結(jié)合，著力提高解決實際問題的能

力[2]。教學(xué)案例不僅是重要的教學(xué)資源，也是教學(xué)內(nèi)容的有效延伸。

一、以教學(xué)案例為抓手，促進(jìn)教材的融合創(chuàng)新

教材作為課程教學(xué)內(nèi)容的載體，不僅在呈現(xiàn)方式上要適應(yīng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，向數(shù)字化方向延伸，更要在教學(xué)內(nèi)容上不斷融合創(chuàng)新，體現(xiàn)“兩性一度”，為金課建設(shè)提供堅實基礎(chǔ)。在大學(xué)物理教材中融合教學(xué)案例，就是建設(shè)創(chuàng)新型教材的一個堅實抓手。

教學(xué)案例與教材融合的一般原則是：夯實物理學(xué)的基本概念、基本理論和基本方法，突出應(yīng)用性、高階性和創(chuàng)新性。首先，根據(jù)“非物理類理工學(xué)科大學(xué)物理課程教學(xué)基本要求”，每章編寫數(shù)量適宜、難度適中的教學(xué)案例，加強(qiáng)對基本概念、基本原理和基本方法的闡述，拓展物理學(xué)在工程技術(shù)尤其是在高科技中的應(yīng)用，使教學(xué)內(nèi)容具有前沿性和時代性，為教材內(nèi)容與學(xué)科前沿和技術(shù)的融合創(chuàng)新開拓廣闊的空間[3]。其次，教學(xué)案例可以通過文字、微課和各種媒體資源，以多樣化的形式靈活呈現(xiàn)，適應(yīng)教材與信息技術(shù)融合、出版方式創(chuàng)新的需求。再次，大學(xué)物理教學(xué)案例可以為課程教學(xué)模式改革提供教學(xué)內(nèi)容支撐。研究型教學(xué)、討論式教學(xué)是大學(xué)物理教學(xué)改革中常用的教學(xué)模式，這些教學(xué)模式需要選擇適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容并進(jìn)行設(shè)計，教學(xué)案例滿足了這方面的要求。

1.促進(jìn)教材內(nèi)容的應(yīng)用性創(chuàng)新

教學(xué)案例緊緊圍繞各章節(jié)的主要理論內(nèi)容，以應(yīng)用為導(dǎo)向，以提出問題和解決問題的過程為線索，以能力與素質(zhì)培養(yǎng)為目標(biāo)，拓展了物理學(xué)在現(xiàn)代技術(shù)中應(yīng)用的視野。

一是具有前沿性和時代性的教學(xué)案例。例如，在案例“衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位和測速的基本運動學(xué)原理”中，把衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位的基本運動學(xué)原理結(jié)合到位矢、平均速度和瞬時速度等知識點上。在案例“超級電容器儲能”中，緊密結(jié)合知識點電容器，介紹利用新材料石墨烯異常高導(dǎo)電性和超大表面積的特性來實現(xiàn)幾千法拉的電容，以及超級電容器在儲能、應(yīng)急電源以及混合電力推進(jìn)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。

二是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的教學(xué)案例。例如，在案例“分子速率分布與大氣成分”中，利用麥克斯韋速率分布的特征速率和地球表面附近物體的逃逸速率，解釋在地球周圍厚厚的大氣層中為什么富含自由的O2和N2，卻幾乎沒有宇宙中含量最多的自由的H2和He。在案例“彗—木相撞事件”中，利用角動量守恒定律解釋發(fā)生在1994年7月的21塊彗星碎片撞擊木星的天文事件。在案例“量綱分析方法”中，結(jié)合單位制與量綱，介紹美國、歐洲以及我國的火星探測活動，以及過程中由于單位制錯誤而導(dǎo)致的重大事故，對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)素養(yǎng)的教育。

2.促進(jìn)教材的高階性創(chuàng)新

高階性指培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維，促進(jìn)學(xué)生知識、能力與素質(zhì)的有機(jī)融合。

教材不應(yīng)是簡單地傳授知識，要在傳授知識的同時，突出能力和思維的訓(xùn)練。大學(xué)物理教學(xué)案例一般具有解決實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，利用各種方法對物理模型進(jìn)行研究，得到結(jié)果并解釋現(xiàn)象。另一方面，教學(xué)案例是經(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，涉及較多的相關(guān)知識以及學(xué)生可能遇到的各種問題，因而它在教學(xué)過程中能夠引起學(xué)生的討論，促進(jìn)思考，啟迪思維。由此可見，教學(xué)案例具有探究性和一定的難度，它能促進(jìn)教材的高階性創(chuàng)新，適應(yīng)知識、能力和素質(zhì)有機(jī)融合對教材的要求。

例如，在案例“利用數(shù)量級估算法計算平均沖力”中，通過介紹物理學(xué)家費米對第一顆原子彈當(dāng)量的數(shù)量級估算，引入數(shù)量級估算法，并利用形象直觀的例子說明數(shù)量級估算法是物理學(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貼近軍事和工程應(yīng)用的典型案例，引導(dǎo)學(xué)生靈活運用數(shù)量級估算法和質(zhì)點動量定理。案例“發(fā)現(xiàn)萬有引力定律”引導(dǎo)學(xué)生按照歷史和邏輯的雙重線索，自己去“發(fā)現(xiàn)”萬有引力定律，著力培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力、創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng)。案例“勻速率曲線運動軌跡”把教師的教學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生認(rèn)識到數(shù)值計算是物理學(xué)研究中除理論和實驗之外的第三種研究方法。

3.促進(jìn)教材與軍事教育的融合

軍校物理教學(xué)要突出軍事教育特性，這是培養(yǎng)高素質(zhì)新型軍事人才、打贏未來信息化戰(zhàn)爭的必然要求[4]。因此，軍校大學(xué)物理教材在教學(xué)內(nèi)容上應(yīng)體現(xiàn)軍事特色，而教學(xué)案例是促進(jìn)教材與軍事教育融合的有效途徑之一[5，6]。軍事高科技領(lǐng)域一般都涉及非常復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及眾多學(xué)科領(lǐng)域和工程技術(shù)，如何在大學(xué)物理課程中加以適當(dāng)介紹，一直是加強(qiáng)教學(xué)內(nèi)容軍事應(yīng)用特色的一個難點。一個行之有效的方法是：從復(fù)雜的科技與軍事應(yīng)用中提煉其中的基本物理概念和原理，使其作為相應(yīng)知識點的一個應(yīng)用案例，從而達(dá)到課程教學(xué)內(nèi)容與軍事高科技的有機(jī)結(jié)合。

例如，在案例“導(dǎo)彈制導(dǎo)中的相對運動”中，為了使學(xué)生更好地理解和運用相對速度解決實際問題，用典型例題引入導(dǎo)彈制導(dǎo)的兩種基本的導(dǎo)引律：相對速度指向目標(biāo)的平行接近法和絕對速度指向目標(biāo)的追蹤法。重點講解平行接近法，加深對相對速度這個重點難點內(nèi)容的理解;簡要介紹追蹤法，強(qiáng)調(diào)絕對速度和相對速度的區(qū)別。

二、教學(xué)案例與教材融合的方式和方法

大學(xué)物理教學(xué)案例不僅在拓展教材內(nèi)容上要突出體現(xiàn)金課的“兩性一度”，在與教材的結(jié)合模式和方法上也要體現(xiàn)創(chuàng)新性和開放性，使教材的組織和呈現(xiàn)方式更加靈活和豐富。

在融合方式上，需要從教學(xué)目標(biāo)和要求出發(fā)，研究案例與教材融合的知識點，編寫體現(xiàn)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、生活中的物理等特征的教學(xué)案例，使教學(xué)案例與教材融為一體。

可以采用單個知識點融合和多個知識點融合兩種方式。單個知識點融合是指一個教學(xué)案例對應(yīng)一個知識點，這在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計上較為簡單。多個知識點融合是指一個教學(xué)案例融合多個知識點，這需要對教材的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整體設(shè)計和編排，把教材中已經(jīng)講述的幾個知識點編入一個教學(xué)案例中。例如，在前面介紹的案例“導(dǎo)彈制導(dǎo)中的相對運動”中，除了相對運動外，還融合了運動疊加原理、拋體運動這兩個知識點。通過子彈相對猴子的相對速度這個新視角來解釋“槍打落猴”的原理，不僅進(jìn)一步加深學(xué)生對導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中平行接近法的理解，而且有助于學(xué)生對知識的融會貫通，培養(yǎng)他們知識遷移與應(yīng)用的能力。多個知識點融合還可以設(shè)計為跨篇章、逐步深入的形式。

在融合方法上，依據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容要求，可以選擇教學(xué)案例直接進(jìn)教材、部分進(jìn)教材、間接進(jìn)教材三種融合方法。教學(xué)案例直接進(jìn)教材是難度最高的融合方法。首先，案例內(nèi)容必須是課程的基本原理、基本方法和基本應(yīng)用。其次，案例的編寫風(fēng)格要與教材保持一致。另外，案例篇幅要短小，以不超過一頁為宜。對于雖涉及課程的基本原理、基本方法、基本應(yīng)用，但是篇幅較長的教學(xué)案例，或者教學(xué)內(nèi)容要求程度相對較低的教學(xué)案例，可采取部分進(jìn)教材的融合方法。在教材相關(guān)知識點，用較少篇幅介紹教學(xué)案例的基本概要，并附加鏈接方式。對于那些教學(xué)內(nèi)容要求程度相對較低或者較難的教學(xué)案例，可以采取間接進(jìn)教材的方法，在教材中不作說明，僅給出相關(guān)鏈接的地址。

在教學(xué)案例呈現(xiàn)方式上，可以采取純文本、多媒體、視頻媒體（微課）等。這不僅能夠拓寬教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新范圍，也符合一體化設(shè)計、數(shù)字化出版的教材出版發(fā)展形勢。例如，教學(xué)案例“引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的等同性”，既有純文本，又有微課“引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量”。

三、結(jié)束語

教學(xué)案例與教材的融合創(chuàng)新，還需要進(jìn)行更深入的研究和實踐。例如，教學(xué)案例難度、廣度與教材如何匹配？理論與應(yīng)用在教材中如何保持均衡？教學(xué)案例呈現(xiàn)方式如何既豐富又不影響教材的篇幅控制？更重要的是，需要將教學(xué)案例與教材的融合創(chuàng)新成果應(yīng)用到課程教學(xué)中，實現(xiàn)案例、教材和課程的全面融合，為切實提高課程教學(xué)質(zhì)量發(fā)揮積極作用。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 邢悅.世界一流的本科教育依托于世界一流的本科教材[J].中國大學(xué)教學(xué)，2019（5）：85-89.

[4] 韓仙華，武文遠(yuǎn)，吳王杰，等.軍隊院校物理教學(xué)突出軍事特色的思考與實踐[J].高等教育研究學(xué)報，2013，36（3）：104-106.

[5] 劉協(xié)權(quán)，倪新華.軍隊院校大學(xué)物理教學(xué)突出“軍味”的案例剖析[J].物理與工程，2019，29（4）：35-42.

[6] 吳王杰.大學(xué)物理學(xué)（上冊，下冊）：第3版[M].北京：高等教育出版社，2019.

[基金項目：陸軍工程大學(xué)教育教學(xué)研究基金（GJ1910091）]

[責(zé)任編輯：夏魯惠]