基于教学案例的大学物理微课设计

吴王杰 杨 军 章 曦

(解放军陆军工程大学基础部物理教研室,江苏 南京 211101)

1 教学案例是大学物理微课的良好选题

1.1 大学物理教学案例的特点

郑金洲教授[1]认为：“简单地说，一个案例就是一个实际情境的描述，在这个情境中，包含一个或多个疑难问题，同时也可能包含解决这些问题的方法。”我们认为“大学物理教学案例是一个具体的完整的教学内容，包含着与知识点相关的一个或多个实际物理问题，在教学内容中紧密结合训练物理思维方法，在实际物理问题中紧密围绕提高解决问题能力。”[2]根据上述描述，大学物理教学案例具有以下几个特征。(1)完整性：它具有解决一个实际物理问题的基本环节，即从现象或具体情境中发现并提出问题，根据相关的理论体系和数学方法建立物理模型，利用各种方法对物理模型进行研究，得到初步结果并解释现象，在对模型进行修改，得到进一步的结果。(2)典型性：它是经过精心挑选的具有一定代表性的典型问题，代表着某一类事物或现象的本质特征，涉及到较多的相关知识以及学生可能遇到的各种问题。(3)启发性：案例为一定的教学目的服务，它在教学过程中能够引起学生的讨论，促进思考，启迪思维。不仅是学生加深对教学内容的理解，而且获得处理相似问题的能力训练。

1.2 教学案例为微课教学内容设计提供坚实基础

微课以视频为主要载体，基于一个知识点，简短而完整，以获得最佳的移动和泛在学习效果为目标。因此对微课的选题就有一定的要求，一节微课所讲授的内容应该短小精干，相对独立完整。因此选用教学案例来制作微课是一个非常好的选择。另外，大学物理教学案例还具有典型性和启发性的特征，也为微课教学内容设计提供了坚实基础。

2 基于教学案例的大学物理微课教学设计

对大学物理课程的教学设计一般从教与学两个方面，对讲授内容、教学要求、重点/难点、授课思路、能力/方法训练设计和知识扩展等模块，以及关联知识、作业练习和学习要求等方面进行设计[3]。

微课以视频为主要载体，基于一个知识点，简短而完整，以获得最佳的移动和泛在学习效果为目标，因此其教学设计尤为重要。详细、科学、富有创新性的微课教学设计是后期进行制作加工的前提，也有助于微课相关资源的开发。教学案例本身规定了微课的教学内容和教学要求，但是要将一个教学案例转变为高水平的微课，还需要根据课程的教学目标，从知识、能力与素质全方位地进行设计，选择和运用适当的多媒体技术。

2.1 编写大学物理教学案例

大学物理课程是一门应用性强的基础课程，有着大量与工程技术应用相关的教学内容。在大学物理微课中反映出这方面的内容本身既是课程教学内容的要求，也可以促进学员对理论的理解，提高理论联系实际的能力。

教学案例不仅可以使课程的应用特色得到充分彰显，而且特别适合微课这种主题化的教学形式。大学物理微课教学案例设计第一是案例选题，要紧密结合教材内容，从科学研究方法、物理学进展、工程技术应用、军事应用和生活中的物理等方面精选难度适当的案例素材。第二，要从复杂的科技与应用中提炼出其中的基本物理原理，并把它们细化到微课知识点上，使其成为相应知识点的一个应用案例。第三，微课教学案例设计要注意培养学员创新能力、实践能力。

例如，为了使学员更好地理解相对速度这个教学难点，我们制作了微课“导弹制导中的相对运动”。在这个微课中我们把教学内容设计为教学案例“导弹追踪问题”，有助于对导弹追踪中的相对速度和绝对速度的理解，也使课程的应用特色得到充分体现。

2.2 大学物理微课教学设计

基于大学物理教学案例的微课教学设计，就是要发挥教学案例的特征，使微课更加适合学习者的自主学习，更好地达到课程目标。

1) 教学内容设计

教学内容的选取和设计是微课教学设计的基础。微课的教学内容应选取阐述大学物理中的基本现象、基本概念与基本原理与主要应用(军事应用)，覆盖课程的重点和难点。大学物理教学案例根据具体教学目标的需要、学生兴趣和接受能力来组织和选编教学内容，针对的是教学重点和难点，因此可以很好地满足微课对教学内容选题的一般要求。

特别地，大学物理课程是一门应用性强的基础课程，有着大量与工程技术应用相关的教学内容。在大学物理微课中反映出这方面的内容本身既是课程教学内容的要求，也可以促进学员对理论的理解，提高理论联系实际的能力。我们的做法是紧密结合教材内容，从科学研究方法、物理学进展、工程技术应用、军事应用和生活中的物理等方面精选难度适当的教学内容。

2) 问题引入设计

心理学“首因—近因”效应显示，学习者在对最早出现的刺激记忆效果最好。微课开始时的问题引入设计是非常关键的，它可以有效地吸引学习者的注意力，完成教学视频的学习。问题引入设计的一般策略是从学员的学习认知特点、学习动机出发，进行问题引入设计以吸引注意力。

由于物理学本身就是揭示自然奥秘的学科，因此还要充分发挥物理学科的这个特点，设计有效的开场白策略，吸引学习者的兴趣，激发学员探究的态度。例如，微课“利用质点动量定理求平均冲力”是这样开始的：“飞机敢和小鸟PK吗？通过这次课的学习，你将会知道后果非常严重！”微课“人造地球卫星的坠落与超新星爆发”则是这样开门见山地告诉你：“天上不会掉馅饼，但却有可能掉下个卫星”。微课“导弹制导中的相对运动”是这样开头的：“你知道狗是怎样追上兔子的吗？猎豹是怎样追击猎物的？它们在追击时为什么常常有急转弯？这些都与导弹制导和相对运动有关。”

3) 教学模式设计

教学模式是在一定教学思想或教学理论指导下建立起来的较为稳定的教学活动结构框架和活动程序。微课教学模式设计可以使微课教学活动更加高效、更能适应碎片化学习。微课尽管是针对知识点的片段化教学，但是仍然可以进行教学模式设计。由于物理学科的特点，讲授型、研究型、讨论式、实践性等教学模式在实际课堂教学中应用最多，这些教学模式也都可以应用到微课中。

例如，在质点系功能原理应用的微课教学中，我们采取了研究型的教学模式。将利用质点系功能原理分析近地轨道卫星坠落过程中的速度变化问题编写为一个研究型的教学案例：“近地轨道人造地球卫星运行一段时间后为什么会掉回地球？”在这个案例中，首先从真实的卫星坠落事件出发提出研究课题，抓住过程主要特征建立简化物理模型，从易到难，先从系统的总能量的角度进行定性分析，再根据质点系功能原理的微分形式利用微元法来定量分析空气阻力的功、引力的功以及系统机械能变化之间的定量关系，不仅解决了要研究的问题，并归纳出引力场中这类问题的一般特征，最后拓展到定性解释天体物理中的超新星爆发现象。这个微课的教学模式设计，较完整地体现了从具体问题到建立简化物理模型、从定性分析到定量数学研究、从研究结论到推论和应用的物理学研究的一般特征。

4) 媒体技术设计

微课是以视频、动画等形式展示教师围绕某个知识点的简短而又完整的教学活动，必须充分、合理地运用现代信息技术和各种数字资源进行媒体技术设计。

物理学的现象、概念、原理和应用有些是形象的，但是更多的是抽象，并且很多是常规情况下不可直观呈现的。这就要求大学物理微课在教学内容设计的同时还要进行必要的媒体技术设计，使教学内容以生动有趣、直观形象的方式呈现出来，帮助学员更好地学习微课知识点，使较难的教学内容变得更易接受和理解。我们在媒体技术设计方面，以教员视频讲解和PPT电子板书为主线，大量穿插使用了实物演示、模拟动画、计算机数值计算与可视化、虚拟场景技术等，有效地提高了微课教学内容的媒体表现力。

3 两例基于教学案例的大学物理微课教学设计

3.1 “飞机与小鸟PK?——利用数量级估算法计算平均冲力”的微课设计

本节微课的教学内容是数量级估算法；利用质点动量定理求平均冲力。教学目标是通过案例教学使学员学会利用数量级估算法对冲力进行估算，熟练掌握质点动量定理的应用，增进科学素养。微课教学设计如下。

(1) 问题引入具有悬念，激发学员学习兴趣。

(2) 充分利用案例教学法。通过物理学史上著名的一个数量级估算案例，引入数量级估算法，并利用形象直观的例子说明数量级估算法是物理学中十分有用的半定量研究法。通过估算鸟与飞机相撞的冲击力、航空母舰上的阻拦索承受的舰载机的平均冲击力这两个贴近军事和工程应用的典型案例，引导学员灵活运用数量级估算法和质点动量定理。

(3) 紧密结合教学内容，灵活应用各种媒体素材。充分利用视频、Flash动画、虚拟现实技术等，直观形象，教学辅助效果好，有助于学员对教学内容的理解。

(4) 用素质教育的理念审视、选择和组织教学内容，贴近当代科技。理论联系实际，从日常生活现象到工程技术与军事应用，精心选择了难度适宜、紧扣重难点、生动鲜活的各种素材，使教学内容真正“活”起来，充分体现物理学科应用性强的特点。

(5) 突出创造性思维能力、工程应用能力。课中的教学案例和课后拓展性研究都是紧贴科学研究方法和相应的能力训练来设计的。

3.2 “狗是怎样追上兔子的？——导弹制导中的相对运动”的微课设计

本节微课的教学内容是相对运动；相对运动中的绝对速度、牵连速度和相对速度，相对运动在导弹制导中的应用。教学目标是理解运动的相对性；理解绝对速度、牵连速度和相对速度，重点是相对速度；了解导弹制导导引律中的平行接近法和追踪法。微课教学设计如下。

(1) 从生活现象引入主题。狗是怎样追上兔子的吗？猎豹是怎样追击猎物的？它们在追击时为什么常常有急转弯？这些都与相对运动有关，也是导弹制导中的运动学问题。

(2) 用典型例题引入导弹导引律的概念。如图1所示，敌舰A在与海平面上以匀速率vA向正西方向航行，当敌舰行驶至图1所示位置时我舰向其发射鱼雷B，鱼雷速率为vB(vB>vA)，假设敌舰和鱼雷的速度在攻击过程中都保持不变。为击中敌舰，试分析鱼雷的发射角度α所要满足的条件。

图1

(3) 用军事拓展应用详解教学重点难点。介绍导弹制导导引律中两种基本的导引律：相对速度指向目标的平行接近法和绝对速度指向目标的追踪法。通过重点讲解导弹制导导引律中的平行接近法，加深对相对速度这个重点难点内容的理解；通过简要介绍导弹制导导引律中的追踪法，强调绝对速度和相对速度的区别。

(4) 通过知识迁移培养科学思维能力。“枪打落猴”是力学部分“位移、速度和加速度”一节中的教学内容，已经学习过。通过巧妙地用子弹相对猴子的相对速度这个新视角来解释子弹击中猴子的原理，不仅进一步加深学生对导弹制导导引律中平行接近法的理解，而且有助于对相对速度概念和应用的融会贯通，培养科学思维能力及知识迁移与应用的能力。

(5) 用各种媒体加强教学辅助效果。紧密结合教学内容，灵活、准确地应用各种媒体素材，充分利用视频、Flash动画、JAVA程序来直观形象地演示绝对速度、牵连速度和相对速度，以及导弹制导过程，有助于学员理解抽象的理论，理解重点难点。

(6) 用二维码提供课后拓展训练资源。利用手机扫描二维码提供与教学内容相关的拓展训练阅读材料，鼓励学生开展物理建模训练——研究导弹追踪中的导引方法。

4 结语

教学案例一般是基于知识点的课程重难点、重要原理的工程技术应用和其他拓展内容，因此基于教学案例进行微课的教学设计可以使微课更具有针对性和适用性，使微课具有很好的应用价值。我们在自编的大量大学物理教学案例的基础上，精选其中一部分进一步进行精心教学设计，制作出大学物理微课。这些微课不仅是大学物理课程的优质在线教学资源，而且被广泛应用到课程的混合式教学、翻转课堂教学等教学模式中。