基于智慧教室的大學物理教學實踐與探索

張連慶 張輝 史博 韓佳佳 麻曉敏

摘要：由于大學物理中部分內容抽象理論性強，且不易借助演示實驗來教學，僅借助傳統(tǒng)的多媒體手段教學效果不理想。筆者基于智慧教室在課前、課中、課后3個環(huán)節(jié)將信息技術與大學物理教學深度融合，強化教學互動，提高教學效率，同時將前沿性、緊貼生活的實際應用性內容，以及將課程思政元素融入教學。通過上述措施，以期為基于智慧教室的信息化教學實踐提供一定借鑒。

關鍵詞：智慧教室;大學物理;黑體輻射;教學設計

Teaching Practice and Exploration of College Physics Based on Wisdom Classroom

——Taking the Teaching Design of "Black-body Radiation" as an Example

ZHANG Lianqing? ZHANG Hui? ?SHI Bo? HAN Jiajia

MA Xiaomin

（Section of Physics T&R， Department of Basic Sciences， PLA Army Academy of Artillery and Air Defense， Hefei， Anhui Province， 230031 China）

Abstract： Because part of the content in college Physics is abstract and theoretical， and it is not easy to teach with the help of demonstration experiment， the teaching effect is not ideal only with the help of traditional multimedia means. Based on the wisdom classroom， the author deeply integrates information technology and college Physics teaching in the three links： before， during and after class， strengthens teaching interaction， improves teaching efficiency， and integrates cutting-edge， practical application content close to life and curriculum ideological and political elements into teaching. Through the above measures， we hope to provide some reference for the information-based teaching practice based on wisdom classroom.

Key Words： Wisdom classroom; College Physics; Black-body radiation; Teaching design

現階段，不少高校教員雖制作了幻燈片利用了多媒體輔助教學，但教學手段并未實質改變，不過是將“粉筆加黑板”換成了“鼠標加大屏幕投影”的多媒體課堂灌輸模式。這種教學仍以傳統(tǒng)課堂教學方式——“傳遞—接受”式為主[1]，忽略了智慧化校園環(huán)境的應用，將現代化信息技術手段的運用拒之門外，其過多強調知識的講授，缺乏與學生的深度互動與溝通，抑制了學生學習的主動性。

智慧教室是在物聯網、云計算、大數據等新興信息技術的推動下，教室信息化建設所呈現的最新形式，智慧教室主要由資源平臺、交互電子白板、電子書包及其他相關輔助設備組成，是目前信息化教學環(huán)境的高級形態(tài)，智慧教室因其智能化、交互性成為高效的教學信息化工具[2]。

2016年7月，教育部頒發(fā)《教育部關于中央部門所屬高校深化教育教學改革的指導意見》，其中第五條明確規(guī)定“著力推進信息技術與教育教學深度融合”。當前，如何以智慧教室為依托，充分發(fā)揮其智能化和交互性的優(yōu)勢，強化教學互動，真正意義上做到“以教員為主導，以學員為主體，提升信息化教學質量”，這是當前高校教員必須要思考的問題。

筆者結合大學物理教學探索實踐，在智慧教室環(huán)境下，充分利用現代化信息技術調動學員學習積極性和主動性，加強師生互動，“教書”的同時不忘“育人”，注重學員思維能力和綜合素質的培養(yǎng)。下面以大學物理課程中的“黑體輻射”為例，通過對教學內容反復打磨做了以下的教學設計方案，以期為大學物理課程基于智慧教室的信息化教學實踐提供一定借鑒。

1 總體設計思路

課前利用學院智慧教室將制作好的課件、錄制的微課視頻、參考資料等提前發(fā)送給學員，學員通過電子書包可實現課前學習，這樣即可節(jié)省課堂教學時間又可鍛煉學員自學能力[3]。

課堂中首先由二戰(zhàn)時美日的沖繩島戰(zhàn)役及大家生活中常見的一個現象入手，開門見山提出兩個思考題，觸動學員思維神經激發(fā)探究熱情。然后針對熱輻射知識點，依次采用定性分析、智慧教室環(huán)境下互動探討、定量研究的順序對學員啟發(fā)引導，逐步得出結論，并與課堂導入的思考題相呼應，讓學員自己利用所學知識解決實際問題[4]。針對黑體輻射的基本規(guī)律，將實際案例（如醫(yī)學利用紅外成像圖判斷靜脈曲張，軍事中用紅外夜視裝備偵察等）引入課堂理論聯系實際，并用智慧教室當堂發(fā)布問題，根據學員回答問題的在線數據分析及時調整教學進度。接著引導學員由黑體熱輻射實驗規(guī)律上升到理論，在從理論上尋找符合實驗的函數式的過程中，依次按照癥結出現、化解矛盾、新理論的誕生的順次層層推進。最后圍繞“熱輻射與節(jié)能環(huán)?！币胝n程思政，加強學員社會責任感的培養(yǎng)，教書不忘“立德樹人”。

課后通過智慧教室愛課堂平臺發(fā)布關于“黑體與黑洞”的線上探究題，教員線上對學員提交結果及時給予評價并答疑。

2? ?教學設計方案

2.1 課前——線上自主學習并完成預習題

課前通過智慧教室的愛課堂平臺將制作好的課件、微課視頻、參考資料線上推送給所建班級學員，學員通過電子書包可實現課前學習，并線上完成教員發(fā)布的課前預習題，具體內容如表1所示，教員通過課前學習的完成質量間接獲悉學員的知識儲備情況，以便對課程內容進度和深度進行調整[5，6]。

2.2 課堂引入——觸動思維神經，激發(fā)學習興趣

開門見山，介紹二戰(zhàn)時美日沖繩島戰(zhàn)役及后期美軍的新裝備，播放有視覺沖擊力的相關沖繩島戰(zhàn)役的動畫，提出思考題一：沖繩島戰(zhàn)役中美軍裝備的紅外夜視儀為何在漆黑的夜晚也能精準的鎖定目標？。然后播放生活中隨處可見的遠處建筑物圖片（如圖1所示），提出思考題二：白天為什么從遠處看建筑物窗口是黑色的？由沖繩島戰(zhàn)役及生活常見現象為著眼點，留下懸念，觸動學員思維神經，激發(fā)學院的學習及探索熱情。

2.3 熱輻射

開爾文展望20世紀科學時指出“在物理學晴朗天空的遠處，還飄著兩朵令人不安的烏云”，正是這兩朵烏云誘發(fā)了相對論和量子論的誕生，其中一朵烏云來自黑體熱輻射實驗，到底什么是熱輻射什么是黑體呢？由此引出以下的教學內容。

2.3.1 定性分析

首先講解“定性分析什么是熱輻射？”并舉例說明熱輻射現象，例如，加熱火爐時，開始只感覺到它發(fā)熱不見發(fā)光，隨著溫度升高，它變成暗紅色、紅色，繼續(xù)升溫爐火變成青色的了，由此引出古代道士煉丹根據火焰顏色判斷煉丹是否成功的典故，隨之引出成語“爐火純青”一詞，挖掘該成語中所蘊含的物理熱輻射的知識。文學元素的融入即可以提高大學物理課堂的生動性，又可以培養(yǎng)學員的發(fā)散思維能力，激發(fā)學員的興趣[7]。

2.3.2 互動探討

既然通過上述定性分析教學可知任何物體在任何溫度下都在發(fā)射電磁波，那教員也在不停發(fā)射電磁波，于是利用智慧教室當堂下發(fā)討論題：裸眼為什么看不見教員輻射的電磁波？鼓勵學員以彈幕的形式發(fā)送答案，也可以用智慧教室的挑人、搶答功能請學員回答[8]。通過智慧化校園環(huán)境下教學信息化手段的運用，可以活躍課堂氣氛，調動學員主動學習的積極性，提高教學的互動性。

2.3.3 定量研究

“前面只是定性分析了熱輻射，如何定量描述物體熱輻射的本領？”對于這一問題不應直接給出結論，而是應先請學員思考下加熱物體到不同溫度發(fā)光顏色不同，說明同一物體在不同溫度下輻射的能量相同嗎？同一物體在同一溫度下10min內和1h內輻射能量相同嗎？相同條件下，在不同波段范圍內輻射的能量相同嗎？一步步逐漸引導學員得出輻射能和哪些因素有關，進而為了定量地表明物體熱輻射的規(guī)律，需要引入幾個物理量：單色輻射出射度（單色輻出度） 、總輻射出射度（輻出度）? 。物體熱輻射不僅依賴溫度，還和物體材料性質有關。有沒有一類物體輻射本領不依賴于組成 成分呢？于是逐漸引出一個理想模型—黑體模型，以此作為熱輻射研究的標準物體。絕對黑體在自然界不存在，如何找到近似黑體的物體呢？接著引出開有小孔的空腔近似看做黑體。

2.3.4 與前呼應

思考題一：白天為什么從遠處看建筑物窗口是黑色的？針對課堂一開始的思考題一，請學員討論并給出解釋。這樣可以與課堂引入的問題前后呼應，教學設計緊湊。通過思考題使學員理解遠處看帶有窗口的建筑物實際就是一近似黑體。從身邊常見現象入手，理論聯系實際，將“黑體”這一抽象的模型具體化，加深學員對教學內容的理解。

2.4 黑體輻射的基本規(guī)律

借助于空腔型黑體進行測量，可得到黑體不同溫度下的能譜曲線。分析這些實驗曲線可以得到如圖2所示的黑體輻射的兩條基本規(guī)律：斯特藩—玻爾茲曼定律、維恩位移定律。

2.4.1 實驗定律的實際應用

從多方面討論黑體輻射的兩條基本規(guī)律應用，理論聯系實際，開闊知識視野，培養(yǎng)學員綜合應用能力。

（1）測高溫：先讓學員思考太陽溫度如何測量？接著如圖3得出通過測量太陽的譜線分布，根據峰值波長由維恩定律，就可估算出T。類似地金屬冶煉爐內的高溫也可以用這種方法測量。

（2）醫(yī)學應用：如圖4所示，人體各部分區(qū)域溫度熱輻射存在差異，通過熱像儀轉換成可見光圖象，通過比較可以幫助醫(yī)生診斷病情。

（3）軍事偵察：如圖5所示，借助帶有熱成像儀的武器可以看到隱蔽在樹叢中的人員，使依靠自然的偽裝完全失效。

根據黑體輻射的基本規(guī)律，請學員討論回答課堂一開始引入的思考題二“沖繩島戰(zhàn)役中美軍裝備的紅外夜視儀為何在漆黑的夜晚也能精準的鎖定目標？”加強師生互動，并與前面的問題相呼應。

2.4.2 利用智慧教室的及時性檢測學習效果

課堂上由智慧教室發(fā)布思考題如圖6所示，該題不僅要求學員會用黑體輻射規(guī)律公式，還要求有一定的基本知識儲備如估算動物、炮彈，導彈的大致溫度，培養(yǎng)學員靈活應用基本概念和基本規(guī)律，利用所學理論知識分析和解決復雜問題的能力。

課堂上通過智慧教室對學員答題結果數據分析、學員答題過程界面監(jiān)控掌握學情，以便教員對課程進度進行調整，學員也可利用智慧教室的互動性，以彈幕的形式提出疑問以便及時得到解答。

2.5 普朗克的能量子假說和黑體輻射公式

教師應首先提出問題：黑體熱輻射兩條實驗規(guī)律（斯特藩—玻爾茲曼定律、維恩位移定律）——找到了，實驗曲線——畫出來了。再上升到理論，但黑體輻射兩基本規(guī)律都沒有涉及單色輻射強度的具體函數形式。如何從理論上找到符合實驗的函數式？

2.5.1 癥結出現

許多理論物理學家如維恩、瑞利、金斯等為此做了艱苦地努力，但最終都失敗了。維恩公式和瑞利-金斯公式都是用經典物理學的方法來研究熱輻射所得的結果，都與實驗結果不符，如圖7所示，尤其按照按瑞利-金斯公式，當0時，M（T）∞，完全與實驗結果不符，物理學史上稱為“紫外災難”?！白贤鉃碾y”明顯地暴露了經典物理學的缺陷，而理論上卻找不出錯誤，引導學員發(fā)現癥結。

2.5.2 化解矛盾

癥結出現，如何破解呢？針對這一問題，普朗克認為一個在全波段都正確的公式應該以維恩公式為短波極限，以瑞利-金斯公式為長波極限。如何去找這樣的一個公式呢？為了解決上述困難，普朗克利用內插法將適用于短波范圍的維恩公式和適用于長波范圍的瑞利-金斯公式銜接起來，在1900年提出了一個新的公式，即黑體輻射公式，實驗物理學家魯本斯把它同最新的實驗結果比較，發(fā)現在全波段與實驗結果驚人符合。

2.5.3? ?新理論的誕生

黑體輻射公式在全波段都與實驗很好吻合，從理論上找到符合實驗的函數式的任務似乎完成了，但是暴露了經典物理學缺陷的“紫外災難”的困惑還未實質性解決。普朗克意識到若僅僅是一個僥幸推測出來的內插公式，其價值只能是有限的，必須尋找這個公式的理論根據。于是普朗克打破了經典物理學中能量連續(xù)的觀念，大膽提出了能量的量子化假設，利用能量量子化假設，從理論上重新推出了這個與實驗吻合的非常好的普朗克公式，這是物理學史上第一次提出了量子的概念。

“幽谷彈琴伴孤影，高山流水覓知音。”若將普朗克比作“俞伯牙”，那愛因斯坦就是他的知音“鐘子期”，事實上第一個認識到普朗克假說的偉大意義的是愛因斯坦，課堂中將以上中國文學元素融入教學，豐富教學內容，加強對學員的人文熏陶。

2.6? 拓展研究——課程思政

如圖8所示，實驗測得白熾燈鎢絲表面及太陽表面的單色輻出度和頻率的關系曲線，由圖知在太陽發(fā)的光中可見光占相當大的成分，而鎢絲發(fā)的光中可見光極少，向學員提問：鎢絲輻射能量主要集中在哪？引導學員得出結論：白熾燈鎢絲表面絕大部分輻射能量在紅外區(qū)域，用于發(fā)熱，浪費能源。再讓學員思考圖8給人們的啟示是什么？白熾燈必須淘汰，緊接著順其自然地讓學員圍繞節(jié)能環(huán)保展開探討。通過以上問題的探討，將熱輻射與節(jié)能環(huán)保聯系起來，不僅教書，更要育人，以知識為載體，培養(yǎng)學員“節(jié)能環(huán)保”的社會責任感和使命感，提高學員的綜合素質[9]。

2.7? 課后探究——黑體與黑洞

由北京時間2019年4月10日21時人類首張黑洞照片問世，提出“什么是黑洞？黑體與黑洞的區(qū)別？”，將此問題通過智慧教室發(fā)送給學員作為課后探究題，要求學員通過電子書包將答案傳送到智慧教室的愛課堂平臺，教員再及時給予評價。通過該問題的設置在教學中可巧妙地融入與教學有關的國內外最新研究動態(tài)，即豐富了課程內容又牢牢抓住學員興趣點激發(fā)了探索熱情，同時又賦予了課程內容前沿及時代氣息。

3結語

以上是筆者結合多年的教學探索實踐，基于智慧教室所進行的黑體輻射教學設計，其有以下3個方面特點：第一，課前、課中、課后3個環(huán)節(jié)充分融入智慧教室手段，調動學生學習的積極性、主動性和探索熱情，利用智慧教室即時反饋系統(tǒng)及時了解學員學習情況，靈活調整教學內容和進度，借助信息技術與大學物理教學的深度融合強化教學互動，提高教學效率，真正意義上做到“以教員為主導，以學員為主體，提升信息化教學質量”;第二，教學中并不是直接給出各知識結論，而是由現象或問題入手，環(huán)環(huán)相扣一步一步啟發(fā)引導學員得出結論，注重揭示知識形成過程，從教學思想上改革創(chuàng)新;教學設計中改變純理論知識灌輸式傳統(tǒng)模式，加入了紅外軍事偵察、醫(yī)學病變檢測等實際應用，將理論與應用相結合，開闊知識視野、培養(yǎng)綜合應用能力;第三，教學設計中借助知識形成過程展現思維方法、弘揚人文精神，激發(fā)學員探索精神、創(chuàng)新欲望，以及敢于向舊觀念挑戰(zhàn)的精神。教學中貫穿對學員社會責任感、正確價值觀的培養(yǎng)，自然引入“課程思政”，“教書”更要“育人”。

參考文獻

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[8]蔣練軍.基于“雨課堂”的《電動力學》“金課”打造實證研究[J].教育現代化，2019，6（37）：50-53.

[9]姚星星，陳水橋，鄭遠，等.物理實驗課程中“課程思政”融合式教學模式建設與探索[J].大學物理實驗，2021，34（2）：106-110.

基金項目：陸軍炮兵防空兵學院2020年院自主立項項目（項目編號：PFXY200101019）

作者簡介：張連慶（1984.01-），女，漢族，安徽六安人，陸軍炮兵防空兵學院基礎部物理教研室講師，碩士，研究方向：大學物理教學及軍事教育訓練研究