新工科背景下大学物理案例教学的探索

姜宇 刘艳磊 赵言诚 孙秋华 姜海丽 姜富强 赵文辉

摘  要：在积极推进新工科建设工程的背景下，案例教学在提高大学物理课堂教学质量，使学生更好的理解和掌握新知识方面有着积极的正面作用。有利于落实以学生为中心的教学理念，利用课程的特点引导启发学生的工程思维，提高学习物理的主动性和积极性，增强师生互动交流，培养学生的创新思维，使学生以更饱满的热情投身到大学物理的学习中，达到提高学生分析问题和解决问题能力的目的。

关键词：新工科;大学物理;案例教学;创新思维

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）20-0102-03

Abstract： In the context of actively promoting the new engineering construction project， case teaching plays a positive role in improving the quality of classroom teaching of College Physics and making students better understand and master new knowledge. It is conducive to the implementation of the student-centered teaching concept， using the characteristics of the course to guide and inspire students'engineering thinking， and enhancing the initiative and enthusiasm of learning physics. It can enhance the interaction between teachers and students， and cultivate students' innovative thinking， enabling students to devote themselves to the study of College Physics with more enthusiasm， so as to improve students' ability to analyze and solve problems.

Keywords： new engineering; College Physics; case teaching; innovation thinking

新工科是国家教育部为了主动应对新一轮科技革命与产业变革，支撑服务创新驱动发展等一系列国家战略，积极推进的建设工程。新工科建设是一个长期探索和实践的过程，需要立足国际工程教育改革发展前沿，研判發达国家工程教育新趋势、新策略，以面向未来和领跑世界为追求目标。新工科人才培养的质量标准是培养多样化、创新型卓越工程科技人才，要求工作于基础课教学一线的教师能够了解技术的最新发展，紧跟科技发展的步伐，及时将研究成果转化为教学内容，向学生介绍与课程相关的研究新进展、实践发展新经验，提高课程兴趣度，培养学生的工程思维、批判性思维和数字化思维，促进全面发展，自主终身学习能力。

案例教学是由美国哈佛法学院前院长克里斯托弗·哥伦布·朗代尔于1870年首创，后经哈佛企管研究所所长郑汉姆推广。引入我国之后，许多高校都尝试采用这种开放式、互动式的新型教学方式，任课教师将要学习的知识点放置到具体的情境中，并设定一些相关的问题，指导学生针对具体的问题积极思考、主动探索，从案例分析中获得对知识本质的理解、对知识应用的启示，不断提高学生认识问题、分析问题、解决问题的综合素质能力[1-3]。

一、案例教学的主导思想

案例教学法，是指教师在教学中通过实例内容的讲授，使学生达到举一反三掌握知识规律的方法。可以通过模拟或者重现现实生活中的一些场景，让学生把自己纳入案例场景[4]，通过讨论或者研讨来进行学习，也可以让学生通过自己的思考或者他人的思考来拓宽自己的视野，从而丰富自己的知识。大学物理课程内容宽泛，单纯进行理论讲授空洞无趣，学生在掌握理论的同时却不能掌握实质。案例教学法本着理论联系实际，实际反证理论的理念，让学生更能掌握理论本质，在理论授课过程中，实例的引入能够让抽象的理论与现实相对应，综合实例还可以将诸多理论知识点相连接，让学生在学习过程中加深理解，增强相应知识点的记忆，让学生感受到知识的相关性，激发学习兴趣，获得在学习中探索，在探索中学习的积极氛围[5]。

案例教学在大学物理教学中起到先导和可持续发展的作用，具有积极的指导意义。要求教师必须改变传统的教学方法，从现有思维定式、内容、构想中跳出来。案例教学不仅仅是一种教学方法，更是一种教育思想和观念，其核心思想就是以人为本——授人以渔[6]。打破传统课堂教学中教师为中心，学生处于从属被动地位的模式，学生成为课堂教学的主导者，在任课教师的指导下在具体问题情境中积极思考、主动探索，从案例分析和讨论中获得启示和答案，不断提高学生认识问题、分析问题、解决问题的能力[7]。

二、案例教学在大学物理教学中的作用

（一）提高了学习物理的主动性和积极性

大学物理是与生活紧密相连的学科，在解释现象时，需要用到必要的理论推导，因此会涉及复杂繁琐的公式，课堂上的授课过程也会涉及大量的定理和定律，数学是必备的工具。而在物理规律的推导和具体问题的计算中，对数学中矢量和微积分的知识要求较高，这些也恰恰是学生在数学学习中的难点。如果在教学中引入案例教学，在现实生产生活场景的案例中剖析复杂枯燥的物理知识，学生会产生力求解决好问题的意向，在利用物理学的定理和定律对案例进行分析、讨论交流时，遇到数学上的困难，会积极主动的投入到解决问题的队伍中，课堂教学就会变得生动饱满有趣。

（二）促进了师生间和学生间的互动交流探讨

案例教学强调师生间、学生间的互动交流探讨，强调学生独立思考与团队协作学习的结合。在大学物理的课堂教学中实施案例教学时，可将学生划分成若干学习小组，小组成员之间首先进行讨论研究，给出对案例的理解和合理描述，然后进行小组推选成员的论述，进行小组之间的讨论，使参与成员的思维不断碰撞，最终达到掌握物理知识，理解物理规律的目的。案例教学模式以学生为导向，学生不再是物理知识的被动接受者，而是知识学习的主导者，让学生直接作为课堂教学和实践教学的主导者去学习，带动其深入探索物理知识，理解物理概念的本质，教师辅助引导配合学生学习。在案例的讨论中合作促进了沟通，沟通增进了合作。教师与学生共同创建融洽的学习环境，学生们领略了物理学内在美的同时，学会了沟通、聆听、尊重、关心，人格魅力不断升华。

（三）培养了大学生创新思维

当将物理知识通过具体的生产生活应用情景呈现在学生面前时，学生会产生解决问题的冲动，通过教师合理地引导，通过自身周密的思考，学生会逐步的越过通往问题答案路径上的障碍物，最终到达目的地。而每越过一个障碍物，都可能燃起特殊的思维火花，都可能有新的想法诞生。

针对不同学校在校学生的现状采取合理有效的案例教学，在课堂中领悟创新，学会创新，真正使大学物理课起到夯实基础的作用。

（四）培养大学生理论基本功

物理教学中的大部分抽象内容和实例通常都需要用理论计算来印证，在论证过程中数学工具是学生必备的。数学是对事物进行逻辑分析的重要形式和手段，由于物质世界处处体现着质和量的统一，而人们要了解事物的质，就需要把握事物的量，需要用数学理论对研究对象进行定量分析并以数学形式揭示其内在的规律。数学方法为大学物理提供了简练深刻的语言和表述方式，一系列概念和规律常以形式化的数学“语言”来描述和揭示，这些形式化的数学“语言”包括符号、表达式、图像、图形、图表等，让学生能够在大学物理的学习中形象的了解物理规律。

利用数学方法对物理案例进行精确的数量分析和计算，引导学生熟练地应用好数学工具，并有意识的渗透数学方法，运用有效的教学手段帮助学生提高运用数学方法解决物理问题的能力，使学生体会数学思维与方法在物理上的应用。在分析过程中碰撞出创新的火花，领会物理魅力所在，扎实学生的理论基本功，提高学生的综合素质。

三、案例教学在大学物理教学中的实施

（一）课前准备

大学物理教学有其独特的特性，不能简单地引用、套用其他学科课程案例教学的一般模式。结合大学物理课程的教学目的和要求，每一次案例教学的实施我们的教师都阅读了大量的国内和国外的参考文献和书籍，从中凝练出了合适并有针对性的案例，使案例能够体现物理最本质最重要的思想，并且尽量选择能与现有的科技前沿相关的实例。坚持案例教學的自主性、启发性优势，预测案例教学的初步效果，并以此设计案例教学的进程。

陈赓班是本校大力培养的一个特色班，也是大学物理案例教学首次实施的班级，授课过程需在雨课堂的辅助下进行。要求课堂教学环境具备强度足够的无线信号，这需要学校的网络中心及时配备相应的设备并随时维护，用以保证课堂教学的顺利进行。教师和学生每人要拥有可以使用微信软件的智能手机，学生上课时要将自己的手机随身携带，通过扫描二维码实名加入教师建立的微信群。

（二）课堂教学

案例教学本着融入理论讲授精确性、系统性的特质，循序渐进地依据设计的进程实施。

在力学部分，在刚体的定轴转动之后会进行进动的讲解，进动是高速自转的物体在外力矩的作用下自身转轴发生转动的现象，是力学部分的难点。我们将陀螺作为实例进行这部分的案例教学，按照教师自己设定的教学模式，从角动量定理出发，分析陀螺在重力矩作用下的定点运动，并进一步将此问题迁移到天文学中来分析地球的进动。在波动部分，驻波是波动的核心问题，即包含了波的传输特性问题又包含了叠加问题，可以拿二胡的发声规律作为案例对驻波的特点进行探讨。在光学部分，光学仪器的分辨本领是比较枯燥的物理问题，将我国在贵州平塘建设的一个500m口径球面射电望远镜作为这部分的案例，研究其望远镜的分辨率，教师要引导对这方面感兴趣的学生去查阅资料，进一步了解相关科学前沿。在光的偏振部分，给每位同学发上一副3D眼镜，放上2-3分钟立体电影，让学生分别在佩戴3D眼镜和不佩戴眼镜的情况下观看，以3D眼镜作为案例从而进行光偏振特性的探讨。

在振动部分，对于一般的普通大班来说阻尼振动和受迫振动是要求大家了解的内容，对陈赓班来说是需要熟练掌握的，针对于这部分内容，特别设计了基于雨课堂的一次案例教学。将圆柱形的木块放入盛水的容器中，木块处于静止状态，对木块顶端施加作用力，忽略水的粘滞阻力，木块会在竖直方向上做简谐振动，以此为出发点讨论振动系统的简谐振动方程。此模型理想情况下是一个简单的简谐振动实例，但在附加上一些条件时，问题就变得复杂。

拓展情况一：考虑水的粘滞阻力，会获得圆柱形木块阻尼振动的方程;拓展情况二：对圆柱形木块施加周期外力，得到受迫振动方程;拓展情况三：将圆柱形木块换成实心球体，讨论实心球形木块的振动方程;拓展情况四：将实心球形木块换成带空洞的球形木块，讨论其振动频率;拓展情况五：将圆柱形木块用弹簧悬挂在固定点，圆柱形木块置于水中，也就是多施加一个弹簧的弹力，讨论其振动方程;每次得到的振动方程都需要和最初的振动方程对比，从而理解改变方程的物理因素。每次给出的拓展情况需要在分组的讨论中获得答案，雨课堂软件的辅助使教师能够在规定的时间内将拓展内容推送，并限定学生的讨论时间，学生在教师的指导下进行实时讨论，并与教师进行弹幕互动，最终将讨论结果反馈给教师。如果系统推送的内容以选择题的形式出现，系统会自动统计出选择每个选项的组数，教师则可以根据每道题目统计出的学生答题情况来判断学生对知识的掌握情况，并作出有针对性的引导。

（三）课后整合

基于雨课堂软件进行的案例教学实现了师生的实时互动，课后教师利用网络平台可以将本次案例教学的重点内容进行推送，以便于学生复习。并且针对授课环节的重点和难点内容布置相应的作业，督促学生按时并认真完成作业。为了让学生更好的掌握基础课中重要的概念和定律，给学生布置设计性作业，让学生自主根据课程中的知识点设计习题，并给出完整的求解过程。教师根据统计学生完成作业的情况和完成质量，进行实时在线答疑。动员全班同学发表自己的见解，实现群体讨论的激烈学习氛围的产生。

依据案例教学中的统计数据进行考核方式的改革，将以往以期末考试作为课程的最终评价标准模式变为多部分考核叠加模式，加大学生平时成绩的比例，设定课堂教学活动参与环节与课后复习环节占最终成绩的比重，以此来督促学生注重平时的授课的参与度，使学生真正认真参与授课的各个部分，实现人才培养的最终目标。课后互动过程各个部分的推送雨课堂都会以短信的形式提醒群里的每一位同学，教师要精心设计推送给学生的每一部分的课程内容，分析学生的学习心理，将其引入高校课程的海洋里真正接受网络平台带来的大信息时代。

大学物理有很多的实例和演示实验都可以作为案例教学的素材，如何选取素材并把握好一节课的进程是对教师基本功的有效考核。我们致力于将每节课都做成案例教学的模式，从而形成大学物理案例教学体系，并将学校特有的“三海一核”融入到案例教学中，发展具有三海一核特色的大学物理案例教学体系。

案例教学与一般课堂教学的主要区别是先给予学生现象和事件的展示，通过现象和事件的发生与发展引导学生去探讨物理理论和规律。在新工科背景下，在大学物理的教学中引入案例，通过一定的案例练习或模拟训练，不仅加深了对物理知识点的理解，更重要的是提高了分析问题和解决问题能力，使学生对物理模型的理解更加透彻。

参考文献：

[1]孙大威，孙丙西.大学物理课程实例教学法初探[J].内蒙古民族大学学报：自然科学版，2016（4）：366-369.

[2]杨宏伟.大学物理学教学中的实证研究[J].教育教学论坛，2014（4）：92-93.

[3]冯翠菊.基于人才培养的大学物理案例教学[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2013（2）：14-15.

[4]邱红梅，徐美，刘丽华.促进大学物理教学的有效手段——天文学知识的渗透[J].物理与工程，2017，27（6）：100-103.

[5]陳真英，谢冰，杨昌亿，等.应用型本科视角下大学物理案例教学的实效价值研究[J].高教学刊，2018（20）：84-86.

[6]冯翠菊.大学物理案例教学的“鱼”与“渔”[J].华北科技学院学报，2014，11（12）：31-33.

[7]郑文珍.在大学物理教学中提高学生直觉思维能力之我见[J].黑龙江教育：高教研究与评估，2018（11）：11-12.