新农科背景下大学物理案例教学研究与实践

李忠秀 王义华 陆丹 熊真

摘  要：在开创农林教育新格局、推进多学科深度交叉融合创新发展的新农科建设背景下，针对农林院校农林生物类专业特点和需求，在大学物理教学过程中，逐步构建了基于学生专业的大学物理案例库并付诸教学实践。教学实践表明：在农林生物类专业的大学物理教学中采用案例法教学，有利于增强学生的物理思维能力，提升学生解决实际问题的能力，激发学生的学习兴趣，提高教学质量。

关键词：新农科  大学物理  案例法  物理思维  学科交叉

中图分类号：G642                             文献标识码：A                 文章编号：1674-098X（2020）08（c）-0209-03

Abstract： Under the background of creating a new pattern of agricultural and forestry education and promoting the innovation and development of interdisciplinary integration of innovation and development. According to the characteristics and requirements of agriculture， forestry and biology specialty in agricultural and forestry universities， the case library of college physics based on students' specialty was gradually constructed， and puts it into practicein the process of college physics teaching. The teaching practice has showed that students' physical thinking ability was enhanced， their ability to solve practical problems was improved， students' interest was stimulated and teaching quality was improved by using of case method in university physics teaching.

Key Words： Neo-agriculture education; University physics; Case method; Physical thinking; Subject cross

1  案例教学的背景和意义

案例教学法的起源最初可追溯至苏格拉底的“问答法”，于1870年由美国哈佛法学院在法学课堂教学中首次正式提出。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。它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[1]。建构主义学习理论认为学习应该是一个积极的过程，学习者依靠现有储备知识建构新的思想和概念。由于知识本身具有不确定性，同时所学的新知识是建立在原有知识或旧经验对照的基础之上，而案例教学法强调学习者自行分析案例，将需要解决的实际问题与以往的知识和经验相互连接、融合、重构以实现新知识的建构[2]。因此案例教学法作为一种开放互动式的新型教学方式，在传授知识和学生所得知识留存度上和提升学生自主学习、分析问题和解决问题的能力方面起着不可替代的作用。在国内外教育领域，案例教学正在广泛运用于单一学科或跨学科教学中[3-4]。

2  在农林生物类专业中开展大学物理案例教学的必要性

2019年6月28日《安吉共识》指出：开创农林教育新格局，走融合发展之路，打破固有学科边界，破除原有专业壁垒，推进农工、农理、农医、农文深度交叉融合创新发展，这一论述为新农科建设指明了方向。各农林高校也就“如何建设新农科，培养创新型农林人才”进行了许多新的研究、探索和实践[5-6]。

科学上的新理论、新发明的产生，新的工程技术的出现，经常是在学科的边缘或交叉点上，重视学科交叉将使科学本身向着更深层次和更高水平发展，大学物理作为各农林专业的一门学科基础支撑课程，揭示了物质不同层次的内部结构，是深刻认识复杂运动的起点和基础。内容宽泛，涵盖力学、热学、电磁學、光学、狭义相对论和量子力学等内容，与农林等专业的知识交叉点较丰富。另外，当前是由化学农业向生态农业的过渡时期，而发展现代物理农业则是实现生态农业的主要途径之一，这些都与建设新农科指导精神是非常契合的。

案例教学作为一种动态的、开放的教学模式，有利于培养学生的创新意识，增强学生分析问题和解决问题的能力提高学生沟通和合作的能力。传统的大学物理教学过度强调基础理论知识的学习，知识内容讲解的很具体很详细，却没有留给学生思考、总结的空间，不利于对学生的自主学习能力、应用能力和创新思维的培养[7]。另外，单纯进行理论讲授空洞无趣，公式推导繁杂，且与其专业完全割裂，缺乏行之有效的联系。案例教学本着理论联系实际，实际反证理论的理念，把大学物理学习和农学生物类的专业学习甚至未来的科研工作有效联系。实例的引入能够让抽象的理论与现实问题相对应，让学生在学习过程中加深理解，增强知识记忆，感受知识相关性。有利于激发学生自学与创新探索的欲望，提高教学质量。教学过程中让学生处于特定的案例情景中，利用相关物理知识解决专业现实问题，激发学生学习大学物理的兴趣和激情。

3  教学案例研究与实践例释

教学案例的选取需要准确把握学生的学科内容和专业特点，以便让不同专业的学生能够了解到专业知识中的物理问题和物理模型，并充分认识大学物理知识和思维方法对农林生物类专业学生后续学习与研究的基础性和重要性作用。笔者综合前期的调研和实践，在流体力学与液体的表面性质、电磁学和光学等教学内容中有针对性地选取了诸如毛细现象导致气体栓塞（适用动科、动医等专业）、毛细现象在保持土壤水分中的力学模型构建（适用农林专业）、静电场对细胞膜影响的电容模型构建（适用于农林生物类各专业）、土壤的电动修复机理、光诱捕害虫、补光技术促进植物生长机制等60多个教学案例。当然，案例教学的实施不能看做案例+简单的理论解释的过程，教师应逐步启发学生建立起物理知识和专业知识、理论和实践的联系，引导学生对专业问题构建起物理模型，形成和增强物理思维能力。下面选取静电场对细胞膜影响的电容模型构建这一案例加以说明。

案例：静电场对细胞膜影响的电容模型构建。

案例背景：本案例是建立在《静电场中的电介质》和《电容器》等章节的教学内容上，授课对象为农林牧各相关专业学生。

各种生物体赖以生存的地球本身就是一个天然的电场，其电场强度为130V/m，生长在地球表面的植物的生长发育、新陈代谢必然受到这个天然电场的影响，高压静电场处理技术作为现代物理农业的一种新技术契合着生态农业、物理农业的趋势和潮流，以其简单、低耗、环保和广泛适用的优势展现出强大的生命力，有望替代化学农业而成为农业领域研究的热点，受到越来越多的关注和重视。

案例主题：静电场对种子萌发、活力、生理生化指标和植株生育性状及产质量的影响已经一再被证实并已逐步应用到生产实践（提前让学生查找相关文献加以了解），由此看来，生物体对外加电场会做出某种响应，其中一定存在着电场和物质（生物体）的相互作用，顺势引出问题：这种响应的物理微观机制是什么？能联想到哪些相关的物理理论？又如何构建物理模型来研究这种微观机制？

案例剖析：学生通过查找文献或根据其专业知识应了解到细胞膜是极性磷脂双分子层结构，中间充满细胞液。引导学生构建中间充满电介质的电容器模型，磷脂双层分子视为平行板电容器的两极板，两极板分别与导体细胞外液和细胞内液相连，两极板中间充满电介质。然后引申到细胞膜中镶嵌的蛋白质充当着“离子通道”，实现跨膜运输。这相当于电流可通过两极板之间的电介质，进而把细胞膜构建成一个充满电介质的电容器和一个电阻并联的物理模型。

可利用这一模型形成介质极化微观理论，对静电场增强离子的跨膜运输，促进对Ca2+的吸收进行微观机理解释，电场通过作用蛋白质分子中的束缚电荷使其产生取向极化，同时使载流子定向运动，膜内电荷重新分布，产生的极化电场与外加电场叠加，使细胞膜点容量增加，静电场提高了膜电位，增强了细胞膜的通透性并促使细胞合成更多的ATP，提高膜主动吸收、运转营养物质的能力。最后向学生说明对电场生物学效应微观机理的研究尚不够深入和成熟，确切的微观机制尚不清楚，比如目前的理论还有一维自由谐振子能级理论和势垒贯穿理论，激发有能力和感兴趣的学生可继续研究。

案例评价：该案例把大学物理基础理论与学生专业紧密结合，针对现实的专业问题如何进行构建物理模型，使学生对物理理论的理解更加深入，开拓了学生的视野，锻炼了物理思维能力，同时给学生耳目一新的感觉，大大增强了学生学习兴趣和动力。

4  結语

案例教学应用在大学物理教学中是一种改革与创新，把基础理论和专业、课内与课外有机结合，有效地解决了大学物理学课程中厌学问题。从实施情况来看，案例教学作为一种具有开放性和互动性的教学方法，对于改善目前大学物理课程学生不够重视、拓展不足、考核评价模式单一等方面的现状起着积极作用。在大学物理教学中应用案例教学，有助于形成学生自主学习、研究性学习和探索性学习的开放式学习氛围，有助于形成学科交叉优势，增强创新能力，提高教学质量。这与破除专业壁垒、推进多学科交叉深度融合，发挥学科综合优势支撑涉农专业发展和协调协同发展新农科发展目标不谋而合。

参考文献

[1] 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.

[2] 潘悦. 案例教学法在《现代教育技术学》公共课教学中的应用研究[D].芜湖：安徽师范大学，2019.

[3] 齐肖阳，王秀娟，杜勇. 关于高等教育中数学课程教学模式的思考—以一节案例为驱动的微分方程课为例[J].科技资讯，2019（13）：129-131.

[4] 周利斌，罗道斌，朱桥，等.加强应用实践能力培养的大学物理教学改革[J].科技创新导报，2019（11）：204-206.

[5] 贾贵儒，何志巍，刘玉颖.新农科与物理学[J].物理与工程，2019，29（6）：116-121.

[6] 周建华，颜悦.新农科建设与广东高等农业教育发展[J].高等农业教育，2019（4）：12-17.

[7] 朱桥，刘建科，罗道斌.信息网络平台在大学物理教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2017（20）：270-271.