航海類院校大學物理課程應用案例庫建立與教學實施探索

摘 要 在國家大力推進新工科建設和教育信息化的大背景下，大學物理課建設應服務于創(chuàng)新型、應用型、技能型人才培養(yǎng)，來應對行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展過程中面臨的各種系統(tǒng)性、復雜性、交叉性、綜合性新問題。文章以江蘇科技大學為例，結(jié)合船舶海洋專業(yè)特點，提出建立有針對性的實際應用案例庫，將力學、電磁學、熱學、光學和現(xiàn)代物理學等五大部分的理論知識與專業(yè)應用緊密地聯(lián)系起來，并將案例庫分為基礎層、提高層和應用層，以適應不同層次學生的需求。研究結(jié)果表明，應用案例庫的實施顯著提高了學生的學習效果和教學質(zhì)量。

關鍵詞 航海類院校；大學物理；應用案例庫

中圖分類號：G424"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼：A""""" DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.35.045

Exploration on the Establishment and Teaching Implementation of Application Case Library for College Physics Courses in Maritime Universities

WANG Shuolin， CHANG Yunwei， HU Youyou

（Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang， Jiangsu 212100）

Abstract Against the backdrop of the country's vigorous promotion of new engineering construction and educational informatization， the construction of university physics courses should serve the cultivation of innovative， applied， and skilled talents to address various systemic， complex， cross cutting， and comprehensive new issues faced in the process of industry economic development. This article takes Jiangsu University of Science and Technology as an example and proposes the establishment of a targeted practical application case library based on the characteristics of the Ship and Ocean major. The theoretical knowledge of mechanics， electromagnetics， thermodynamics， optics， and modern physics is closely related to professional applications， and the case library is divided into a basic layer， an improvement layer， and an application layer to meet the needs of students at different levels. The research results indicate that the implementation of the application case library significantly improves students' learning outcomes and teaching quality.Keywords maritime colleges and universities; college physics; application case library

大學物理課程是高等學校理、工、農(nóng)、醫(yī)科類本科各專業(yè)學生必修的一門公共基礎課，其重要性不言而喻。該課程不僅是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)和工程能力的重要環(huán)節(jié)，更是后續(xù)專業(yè)課程學習的基礎[1-2]。隨著我國高等教育的普及和深化，國家對高等教育教學質(zhì)量提出了更高的要求，在國家大力推進新工科建設和教育信息化的大背景下，培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型、技能型人才是時代發(fā)展的必然要求[3]。這意味著人才培養(yǎng)必須多維融合，來應對經(jīng)濟社會發(fā)展過程中面臨的各種系統(tǒng)性、復雜性、交叉性、綜合性新問題。公共基礎課在其中就起到“粘合劑”的作用，在教學過程中要敢于打破學科專業(yè)壁壘，促進各學科專業(yè)間的交叉融合，而傳統(tǒng)“一刀切”的教學模式已無法滿足當前多樣化的教學需求。

目前，國家級大學物理精品課程、一流課程已較為完備，但這些課程面向所有理、工、農(nóng)、醫(yī)科類專業(yè)學生，課程內(nèi)容單一，缺乏與實際應用的結(jié)合，難以激發(fā)學生的學習興趣，進而影響教學效果。此外，隨著新技術(shù)、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，對物理知識的應用提出了新的要求。物理教學內(nèi)容必須與時俱進，緊跟科技發(fā)展的步伐，學生在掌握基礎理論的同時還需將其應用于解決實際問題，更好地培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力[4]。為了解決上述問題，本文提出在船舶海洋特色本科院校中，根據(jù)不同專業(yè)特點建立大學物理應用案例庫，并利用這些案例庫開展有針對性的教學工作。以江蘇科技大學開設大學物理課程的新工科專業(yè)為例，建立與專業(yè)相關的應用案例庫，分專業(yè)因材施教，提升學生的學習興趣和理解能力，促進教學內(nèi)容的多樣化，增強理論知識的應用性，進行教學改革的初步探索。

1" 大學物理課程應用案例庫建立的必要性

江蘇科技大學作為一所以船舶海洋為特色的理工科高校，致力于服務國家海洋強國和科技強國戰(zhàn)略，突出“船舶、海洋、蠶?！比筠k學特色，深入開展船舶與海工裝備制造等相關研究，努力建設國內(nèi)一流的造船大學。學校有十余個學院需開設大學物理課程，不同專業(yè)對物理知識的應用側(cè)重點不同，因此，應用案例庫能夠根據(jù)專業(yè)特點提供有針對性的教學內(nèi)容。例如，工程力學專業(yè)的學生可能需要更多關于力學的案例，而船舶與海洋工程專業(yè)的學生則需要同時關注力學和電磁學的應用，海洋工程與技術(shù)專業(yè)的學生可能需要關注熱學和光學的應用。大學物理課程是這些專業(yè)課程的基礎，根據(jù)不同專業(yè)的特點為每個專業(yè)量身定制案例，能夠有效避免理論知識與專業(yè)應用之間出現(xiàn)斷層，更好地滿足不同專業(yè)學生的需求，有效地將物理知識應用到各自的專業(yè)領域，為后續(xù)專業(yè)課程學習打好基礎。

此外，學生對課程內(nèi)容的興趣是影響學習效果的重要因素。通過實際案例的講解，學生能夠看到物理知識在實際生活和工程中的應用，有助于激發(fā)學習興趣。比如，對于船舶與海洋工程專業(yè)的學生來說，在波動章節(jié)介紹多普勒效應時，可以重點介紹聲吶技術(shù)的原理與應用，并利用聲吶技術(shù)計算船舶前進航速。這樣既增加了學習的趣味性、實用性，又有利于學生對物理抽象概念的理解，提高學習效果。

2" 應用案例庫的構(gòu)建策略

2.1" 基于專業(yè)需求的案例庫內(nèi)容設計

應用案例庫的內(nèi)容設計需要針對不同專業(yè)的需求，提供具有代表性的與課程理論知識相關的案例。這些案例應涵蓋各專業(yè)在實際應用中常見的問題，使學生能夠更好地理解和運用物理知識。

作為一所以船舶與海洋工程為特色的理工科大學，江蘇科技大學需要開設大學物理課程的主要有船舶與海洋工程、工程力學、電子信息工程、材料科學與工程、能源與動力工程等30余個專業(yè)。這些專業(yè)大學物理課程的教學任務統(tǒng)一由理學院教師承擔，不同專業(yè)對物理理論知識各有側(cè)重，需要深挖教材內(nèi)容和科研實例，將理論知識與專業(yè)應用有機地融入課程體系當中。例如①針對船舶與海洋工程專業(yè)的學生：在力學部分，通過計算水作用在大壩上的力及力矩幫助學生理解剛體力學的應用。在光學部分，研究海洋環(huán)境中的光學現(xiàn)象，分析水下光傳輸和成像技術(shù)，幫助學生理解如何利用水下成像和光纖傳感技術(shù)監(jiān)測海洋環(huán)境。②針對工程力學專業(yè)的學生：在力學部分，通過研究齒輪傳動系統(tǒng)的受力情況，計算齒輪嚙合力和軸向力，并進行相應的設計優(yōu)化。③針對材料科學與工程專業(yè)的學生：在光學部分，利用波動光學等厚干涉的知識，測量材料的膨脹系數(shù)、檢測薄膜材料的平整度。

2.2" 案例庫的分類與分層設計

為了滿足不同層次學生的學習需求和興趣，案例庫設計分為基礎層、提高層和應用層，每個層次側(cè)重于不同的教學目標和內(nèi)容深度，同時提供各專業(yè)典型案例的共享，以促進學生對大學物理理論知識應用的自主探索和理解[5]。①基礎層：適合所有學生，重點講解基本概念和原理。包括本專業(yè)在力學、電磁學、熱學、光學等方面的基礎案例。②提高層：適合學有余力的學生，注重理論的深度和廣度。包括復雜的理論分析和與專業(yè)相關的高級應用案例。③應用層：結(jié)合實際問題，培養(yǎng)學生的應用能力和創(chuàng)新思維。包括跨學科和實際工程問題案例，鼓勵學生綜合運用所學知識解決實際問題。通過分層設計和案例共享，學生可以根據(jù)自身對知識的掌握情況和個人興趣，有針對性地選擇和深入學習與各專業(yè)相關的大學物理理論知識，從而提高學習效果和實際應用能力。

2.3" 案例庫的更新與維護

為保證案例庫內(nèi)容的前沿性和實用性，定期對案例庫進行更新和維護，需要采取以下具體措施。①定期引入最新科研成果和技術(shù)開發(fā)，使之融會貫通。例如，納米材料在材料科學與工程領域的應用、新能源技術(shù)在能源領域的創(chuàng)新以及人工智能技術(shù)在智能制造方面的應用等，都可以成為案例庫中的新內(nèi)容。②收集學生、教師對案例庫內(nèi)容的反饋意見，并據(jù)此對案例進行修訂和更新。③建立與科研單位、企業(yè)、行業(yè)協(xié)會的合作關系，獲取更多工程實際案例及技術(shù)問題。這樣可以確保案例庫內(nèi)容的真實性和實用性，以便更好地解決實際問題。④建立教師和學生的交流平臺，促進案例庫中典型案例和教學經(jīng)驗的分享和討論。通過在線論壇、研討會、學術(shù)交流會議等多種形式，鼓勵教師和學生積極參與，共同探討案例教學的有效方法和應用策略。這些具體措施的實施不僅有助于提升學生的學習體驗和學習效果，還有助于大學物理課程教學改革的持續(xù)推進。

3" 大學物理課程建設的實踐案例與效果評估

3.1" 不同專業(yè)教學案例分享

針對船舶與海洋工程專業(yè)，在課程中融入與專業(yè)應用相關的案例。在講授牛頓定律時，通過對航母攔阻索攔阻力的計算，幫助學生理解和運用牛頓運動定律、能量守恒等基本力學原理，為該專業(yè)學生日后解決本專業(yè)航道相關設計打好基礎。

針對電子信息工程專業(yè)，在電磁學部分講解電磁感應原理和電磁場傳播特性在無線充電系統(tǒng)中的應用。學生需要根據(jù)法拉第電磁感應定律分析無線充電器的工作原理，計算其感應電動勢。該案例幫助學生理解和應用電磁感應的基本原理，增強該專業(yè)學生解決實際工程問題的能力。

針對材料科學與工程專業(yè)，在光學部分介紹激光加工技術(shù)在材料表面處理中的應用實例。介紹激光的產(chǎn)生、傳播和與材料相互作用的原理，講解激光切割和焊接的基本原理。將物理學理論知識與前沿科技產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，在開拓材料專業(yè)學生視野的同時，也能夠幫助學生理解光學相關知識，提高學生的學習興趣。

3.2" 教學效果評估

在效果評估方面，對比實施課程應用案例庫建設前后的教學質(zhì)量評價、學生滿意度調(diào)查、教師專業(yè)發(fā)展等多元化評價內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)學生對理論知識的掌握程度、學習興趣、創(chuàng)新思維和實踐能力均有明顯提升。通過問卷和課堂反饋，學生普遍反映針對專業(yè)的應用案例能夠很好地將理論知識應用于實際工程中，學習興趣和理解能力大幅提高。與科研機構(gòu)和企業(yè)的合作，不僅豐富了案例庫的內(nèi)容，也推動了教師在科研和教學方面的專業(yè)發(fā)展。案例庫的分類與分層次教學使得不同基礎的學生都能在適合自己的層次上學習，提高了教學的針對性和有效性。基礎層學生對基本概念和原理的掌握更加牢固，提高層學生在理論理解和應用上有了更大的提升，應用層學生在實際問題解決和創(chuàng)新能力上得到了鍛煉。如圖1所示，我校2022級和2023級工科專業(yè)學生大學物理期末平均成績較2019―2021級總平均成績均有5分左右的提升。

圖1 實施應用案例庫前后大學物理期末平均成績柱狀圖

圖2給出了2019―2021級與2022級，2023級大學物理期末成績各分數(shù)段人數(shù)占比的餅狀圖，從圖中可以看出在實施應用案例庫后90―100高分段學生占比提高了近6%，同時不及格學生占比顯著減少。另外，應用案例庫實施前，大多數(shù)學生的成績分布在60―79分段，約占70%；而在實施了案例庫之后，學生的期末成績則更多分布在70-89分段。同時，成績在80―89分的學生比例顯著提高，2022級和2023級分別比2019―2021級提高了10.94%和11.54%，說明實施應用案例庫后學生的學習效果有了明顯的提升。

圖2 實施應用案例庫前后大學物理期末成績

各分數(shù)段人數(shù)占比餅狀圖

4" 結(jié)論

本研究在船舶海洋特色本科院校建立大學物理課程應用案例庫，并根據(jù)不同專業(yè)特點因材施教，取得了顯著的教學效果。在引入應用案例庫中與專業(yè)相關的應用案例后，學生的學習興趣和參與度顯著提高，學習效果明顯改善，教學質(zhì)量得到了大幅提升。然而，課程應用案例庫建設是一項長期而系統(tǒng)的工程，仍需在實踐中持續(xù)探索和完善，未來可以進一步探索案例庫的動態(tài)更新機制，以及案例庫在其他課程中的應用，推動高等教育教學改革的深入發(fā)展。

參考文獻

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