面向卓越工程師培養(yǎng)在大學(xué)物理教學(xué)中融入應(yīng)用案例

摘??要：卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力，大學(xué)物理作為高等學(xué)校理工科各專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)重要必修基礎(chǔ)課，其基本理論是工程技術(shù)的基礎(chǔ)，與實(shí)踐結(jié)合最為密切，在工程能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面起著舉足輕重的作用。在大學(xué)物理教學(xué)中融入應(yīng)用案例，能鞏固、加深理論教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生工程、創(chuàng)新能力，是卓越工程師培養(yǎng)的一個(gè)有效抓手。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理教學(xué)；應(yīng)用案例；卓越工程師培養(yǎng)

Integrating?application?cases?into?college?physics?courses?for?excellent?engineers?Training

Su?Xinfang

School?of?Science，?Beijing?University?of?Civil?Engineering?and?Architecture??Beijing??100044

Abstract：?The?education?and?training?plan?for?outstanding?engineers?strengthens?the?training?of?students'?engineering?ability?and?innovation?ability.?As?an?important?compulsory?basic?course?for?students?majoring?in?science?and?engineering?in?colleges?and?universities，?the?basic?theory?of?college?physics?is?the?foundation?of?engineering?technology，?which?is?most?closely?combined?with?practice.?College?physics?teaching?plays?an?important?role?in?the?training?of?engineering?ability?and?innovation?ability.?Integrating?application?cases?into?college?physics?teaching?can?consolidate?and?deepen?the?theoretical?teaching?content，?cultivate?students'?engineering?and?innovation?abilities，?and?is?an?effective?way?to?cultivate?excellent?engineers.

Keywords：?College?physics?teaching;?Application?cases;?Training?of?excellent?engineers

卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃（卓越計(jì)劃）是國(guó)家教育部貫徹落實(shí)《國(guó)家中長(zhǎng)期人才發(fā)展規(guī)劃綱要（2010-2020年）》的重大改革項(xiàng)目。該計(jì)劃是促進(jìn)我國(guó)由工程教育大國(guó)邁向工程教育強(qiáng)國(guó)的重大舉措，旨在培養(yǎng)造就一大批動(dòng)手能力強(qiáng)、善于在工程實(shí)踐中解決復(fù)雜、綜合性問(wèn)題，敢于創(chuàng)新的高質(zhì)量各類(lèi)型工程技術(shù)人才，為建設(shè)創(chuàng)新型國(guó)家和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)?！白吭接?jì)劃”的重要特點(diǎn)之一是強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力，這要求高校教師在不斷提高自身業(yè)務(wù)素質(zhì)的同時(shí)，以“卓越工程師”培養(yǎng)為目標(biāo)，積極進(jìn)行教學(xué)改革，加快探索出卓越工程師培養(yǎng)的教學(xué)模式。

1?大學(xué)物理教學(xué)改革的重要性

物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、基本運(yùn)動(dòng)形式及其相互作用和轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學(xué)。它的基本理論滲透在自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)技術(shù)，是工程技術(shù)的基礎(chǔ)。大學(xué)物理課程是高等學(xué)校理工科各專(zhuān)業(yè)學(xué)生的一門(mén)重要必修基礎(chǔ)課，它不僅注重學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)、理論知識(shí)的掌握，同時(shí)注重物理理論在生活、現(xiàn)代科技上的應(yīng)用，在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等方面，都具有其他課程不可替代的重要作用[1]?！白吭接?jì)劃”的實(shí)施對(duì)大學(xué)物理的教學(xué)改革提出了更高的要求，大學(xué)物理教學(xué)如何才能使學(xué)生應(yīng)用所學(xué)物理知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐運(yùn)用能力，提高其創(chuàng)新意識(shí)，這就需要改變傳統(tǒng)的教學(xué)觀念，調(diào)整教學(xué)方式，將實(shí)際應(yīng)用案例融入課程教學(xué)中，構(gòu)建理論聯(lián)系實(shí)踐的教學(xué)體系，全面提高工程教育人才的培養(yǎng)質(zhì)量[2]。

近年來(lái)我們教研組在這方面做了大量探索與實(shí)踐，在大學(xué)物理教學(xué)中融入了諸多與理論教學(xué)相關(guān)的生活、科技、工程實(shí)踐案例，通過(guò)課堂分析討論，建立物理模型，解決問(wèn)題，注重物理定律和原理的應(yīng)用，更多剖析實(shí)際問(wèn)題的解決過(guò)程，并舉一反三，逐層深入，讓學(xué)生通過(guò)由簡(jiǎn)入難、由淺入深地有效訓(xùn)練，達(dá)到運(yùn)用物理理論知識(shí)解決工程問(wèn)題的能力，并以此培養(yǎng)其創(chuàng)新精神。

2?大學(xué)物理課程中融入應(yīng)用案例的教學(xué)模式與實(shí)踐

圖1給出了融入應(yīng)用案例的教學(xué)模式，根據(jù)課前準(zhǔn)備、課堂實(shí)施和課后鞏固三個(gè)階段開(kāi)展。

2.1?課前準(zhǔn)備：案例選取和融入方式確定

著名案例研究學(xué)者托爾（Towl.A.R.）認(rèn)為：“一個(gè)出色的案例，是以實(shí)際生活情景中肯定會(huì)出現(xiàn)的事實(shí)為基礎(chǔ)所展開(kāi)的課堂討論。它是進(jìn)行學(xué)術(shù)探討的支撐點(diǎn)……”，因此案例的選取非常重要[3]。首先，案例應(yīng)緊扣本節(jié)課的重點(diǎn)難點(diǎn)，經(jīng)過(guò)精心挑選，具有代表性和研究性，涉及與教學(xué)內(nèi)容較多的相關(guān)點(diǎn)，可理論探討，可以獲得經(jīng)驗(yàn)或反面教訓(xùn)。再者，案例應(yīng)反映日常生活、科技前沿、工程實(shí)踐，具有啟發(fā)性，通過(guò)案例能提出問(wèn)題，能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，引發(fā)思考或產(chǎn)生懸念。若案例內(nèi)容和學(xué)生的生活相關(guān)，那么他們能夠感同身受，討論、研究起來(lái)就順暢。若案例是我國(guó)科技、工程成果，存有震撼性，或現(xiàn)象有趣、不可思議，或與他們的觀點(diǎn)相反，恰好激起他們心中的疑惑，那么他們更愿意認(rèn)真完成后面的思考、討論任務(wù)，全身心投入，從而高效地完成教學(xué)目標(biāo)。如在講質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)描述時(shí)，引入大國(guó)重器“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”；在講曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，選取案例“計(jì)算洲際導(dǎo)彈的射程”；在講牛頓定律應(yīng)用時(shí)，引入“跳臺(tái)跳水游泳池的深度問(wèn)題”“雨滴下落問(wèn)題”；在講角動(dòng)量守恒時(shí)，引入案例“花樣滑冰”和“跳水”；在講駐波時(shí)，演示案例“魚(yú)洗”和“超聲懸浮”；在講薄膜干涉時(shí)，選取案例“宇航員佩戴頭盔和面甲，其表面上鍍有一層膜，作用是什么”、“手機(jī)、照相機(jī)、顯微鏡鏡頭呈現(xiàn)彩色”；在講光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)時(shí)，引入“世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡——中國(guó)天眼”；在講衍射光柵時(shí)選取案例“光盤(pán)道間距的測(cè)量”[4]；在講安培力時(shí)，引入“電磁炮”；在講電磁波時(shí)，引入案例“華為5G技術(shù)”等。表1給出了大學(xué)物理課程中融入的應(yīng)用案例及融入方式。

融入應(yīng)用案例的方式多樣，為抓住學(xué)生興奮點(diǎn)，為后續(xù)討論做鋪墊，盡量避免僅僅語(yǔ)言表達(dá)，可以使用圖片、視頻、教具，條件允許下盡可能地做演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生更直觀地看到、聽(tīng)到、觸摸到或體會(huì)到所展示的現(xiàn)象，并建立與學(xué)習(xí)內(nèi)容的聯(lián)系，激起學(xué)生好奇心，燃起學(xué)習(xí)興趣。如課堂演示魚(yú)洗、超聲懸浮、偏振片透光實(shí)驗(yàn)、光盤(pán)衍射實(shí)驗(yàn)、輝光球、磁懸浮地球儀，播放奧運(yùn)會(huì)上花樣滑冰和跳水視頻，播放學(xué)生喜歡的神舟十三號(hào)航天員出艙活動(dòng)艙位操作視頻，觀察手機(jī)和顯微鏡鏡頭顏色，展示“中國(guó)天眼”的圖片或宣傳片，迅速抓住學(xué)生眼球，在此基礎(chǔ)上提出一個(gè)或多個(gè)問(wèn)題，調(diào)動(dòng)學(xué)生大腦進(jìn)行思考，大膽想象，勇于創(chuàng)新，積極參與到課堂活動(dòng)中來(lái)。

2.2?課中：應(yīng)用案例實(shí)施過(guò)程

課堂上融入應(yīng)用案例的基本步驟包括：導(dǎo)入、思考與討論和總結(jié)。

導(dǎo)入：教師通過(guò)上述融入方式呈現(xiàn)應(yīng)用案例，與學(xué)生一起發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生思考，并引入本次課的教學(xué)內(nèi)容，如概念、原理、定律等。

思考與討論：學(xué)生將案例問(wèn)題與教學(xué)內(nèi)容中概念、原理等建立聯(lián)系，思考，小組內(nèi)試著分析、討論、解決問(wèn)題。對(duì)于綜合性的案例分析，可以把問(wèn)題分解成幾個(gè)，分小組討論，充分調(diào)動(dòng)每個(gè)學(xué)生地主觀能動(dòng)性，深入思考、探究，活躍課堂的學(xué)習(xí)氣氛，避免學(xué)生認(rèn)為問(wèn)題很難，無(wú)從下手而受打擊。此過(guò)程中教師的一個(gè)任務(wù)是及時(shí)引導(dǎo)、避免學(xué)生跑題。

總結(jié)：包括小組成果展示（教師點(diǎn)評(píng)）和教師總結(jié)兩個(gè)階段。在第一階段過(guò)程中，教師充當(dāng)?shù)氖且龑?dǎo)者的角色，目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題解答問(wèn)題的能力和提高學(xué)生科學(xué)思維和創(chuàng)新思維，當(dāng)出現(xiàn)爭(zhēng)議時(shí)，教師要善于抓住時(shí)機(jī)循序漸進(jìn)，遞進(jìn)引導(dǎo)，使學(xué)生通過(guò)再思考，能逐步找到問(wèn)題的答案。這樣“真刀真槍”的訓(xùn)練，一方面，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，鍛煉了學(xué)生知識(shí)的應(yīng)用能力，達(dá)到在工程案例中提高學(xué)生分析、解決問(wèn)題能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維的目標(biāo)，在將來(lái)的工作中，碰到問(wèn)題就會(huì)得心應(yīng)手、游刃有余；另一方面，鍛煉了團(tuán)結(jié)合作和口語(yǔ)表達(dá)能力。第二階段是教師做總結(jié)，歸納本節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)及聯(lián)系，并結(jié)合工程案例，對(duì)學(xué)生討論情況進(jìn)行補(bǔ)充、完善并提高。最后對(duì)學(xué)生評(píng)價(jià)，并給予激勵(lì)，如在學(xué)習(xí)通上加分，構(gòu)成平時(shí)成績(jī)的一部分，從而更好地鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到課堂活動(dòng)，更好地完成教學(xué)目標(biāo)。

2.3?課后：完成的拓展資料閱讀和學(xué)期大作業(yè)

教師通過(guò)MOOC平臺(tái)拓展教學(xué)內(nèi)容，再盡可能多地發(fā)布理論教學(xué)內(nèi)容在實(shí)踐生活和工程中的應(yīng)用，與上課應(yīng)用案例呼應(yīng)，舉一反三，再次培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題能力的意識(shí)，此外，可拓展學(xué)生視野、開(kāi)闊思路，激發(fā)其創(chuàng)新精神。如“莫爾條紋”、“靜電除塵器”、“靜電打印”、“微波加熱的物理原理”、“心臟除顫器”、“聲懸浮與電磁懸浮技術(shù)”等

此外，學(xué)生在學(xué)期結(jié)束時(shí)需要完成一項(xiàng)大作業(yè)，主題是大學(xué)物理在實(shí)踐（生活、工程、科技）中的應(yīng)用，內(nèi)容不限，可以構(gòu)思完成實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、驗(yàn)證某個(gè)結(jié)論，也可以理論調(diào)研、分析解釋實(shí)踐中某個(gè)現(xiàn)象并給出應(yīng)用，如最速降線原理以及在古建筑中的應(yīng)用，伯努利原理解釋足球和乒乓球中的“香蕉球”，駐波以及劇場(chǎng)音樂(lè)廳的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)水流量測(cè)試儀[5]等，也可以運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)，改善生活、工程實(shí)踐中某項(xiàng)不足，如如何提高熱機(jī)的效率等，學(xué)生可以自由結(jié)組，每組不超過(guò)5人，分角色合作，完成并提交一篇小論文。在實(shí)踐中再次鍛煉學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)踐問(wèn)題的能力和創(chuàng)新思維能力。

3?教學(xué)效果評(píng)價(jià)

在融入應(yīng)用案例的班級(jí)通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查的方式，進(jìn)行了“應(yīng)用案例融入教學(xué)的教學(xué)效果評(píng)價(jià)”，評(píng)價(jià)內(nèi)容指標(biāo)及結(jié)果見(jiàn)表2，共發(fā)放問(wèn)卷75份，答卷人數(shù)74，95%的學(xué)生認(rèn)為融入應(yīng)用案例的教學(xué)模式形式有趣，學(xué)習(xí)過(guò)程活躍了課堂氣氛，課程內(nèi)容理論聯(lián)系實(shí)際，與生活、科技密切相關(guān)，對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解更透徹，對(duì)物理的學(xué)習(xí)更感興趣，提高了自身分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，僅不到5%的學(xué)生認(rèn)為以上調(diào)查指標(biāo)一般，沒(méi)有學(xué)生對(duì)應(yīng)用案例教學(xué)持否定態(tài)度。

結(jié)語(yǔ)

以上就是我校以“卓越工程師”培養(yǎng)為目標(biāo)在大學(xué)物理課程中融入應(yīng)用案例的教學(xué)探索和實(shí)踐，通過(guò)課上在教師有目的的引導(dǎo)下，進(jìn)行案例分析、討論進(jìn)而解決案例問(wèn)題，課后拓展知識(shí)閱讀、小組分工合作完成物理原理在實(shí)踐中應(yīng)用的大作業(yè)，充分將物理知識(shí)與生活、工程、科技案例進(jìn)行結(jié)合，既改變了枯燥的填鴨式教學(xué)模式，以學(xué)生為中心，生生互動(dòng)、師生互動(dòng)、活躍了課堂氛圍，提高了教學(xué)效果，鞏固并加深了對(duì)教學(xué)內(nèi)容理解；更重要的是，在此過(guò)程中，培養(yǎng)了學(xué)生分析、解決實(shí)際問(wèn)題的實(shí)踐能力，提高了創(chuàng)新意識(shí)，有效避免了理論與應(yīng)用“兩張皮”的弊端，為卓越工程師培養(yǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]蘇欣紡.一種利用伯努利原理進(jìn)行水流量測(cè)試的教學(xué)演示儀：?201620112058.X[P].?2016-06-01.

項(xiàng)目基金：北京建筑大學(xué)教育科學(xué)研究項(xiàng)目（編號(hào)：Y19-21）；北京建筑大學(xué)“雙塔計(jì)劃”項(xiàng)目（編號(hào)：YXZJ20220810）；北京建筑大學(xué)金字塔人才培養(yǎng)工程（JDYC20200329）項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：蘇欣紡（1981—??），女，漢族，河北衡水人，博士，副教授，研究方向：大學(xué)物理教育、材料的原子分子設(shè)計(jì)。