基于七个基本环节的课堂教学方法<br/>——《冲击波物理》课程教学实践

基于七个基本环节的课堂教学方法
——《冲击波物理》课程教学实践

2021-08-15汤文辉冉宪文张昆杨晓虎田立朝

教育现代化 2021年102期

汤文辉，冉宪文，张昆，杨晓虎，田立朝

（国防科技大学文理学院，湖南长沙）

一引言

大学课程教学质量是高等教育质量的基础，为了实现高等教育的基本目标，每一门课程都需要努力建设，确保教学质量。《冲击波物理》课程是国防科技大学为应用物理等本科专业开设的一门特色专业课程，课程为国内首次开设，课程内容体系是根据战场武器毁伤效应分析与评估的基本理论需求而确定的，开设这门课的目的是希望给数理基础非常扎实的本科生增加一些与武器毁伤效应相关的基础知识，以帮助学员适应信息化局部战争的知识和能力要求，突出学校为军服务的人才培养理念。

教学内容分为四章[1]，第1章为可压缩流体力学基础，主要介绍连续介质模型，流体的基本性质，流体运动的热力学基础，流体运动的描述，流体运动基本方程等；第2章为简单波，主要介绍平面一维流动模型，特征线方法，简单波的基本性质、基本图像、传播规律、相互作用等；第3章为气体中冲击波，主要介绍冲击波基本关系式，理想气体的冲击压缩规律，冲击波的基本性质，冲击波的相互作用等；第4章为固体中冲击波，主要介绍固体的物态方程与冲击压缩线，碰撞冲击波，冲击波的传播与反射，固体弹塑性性质对冲击波的影响等。

由于课程教学内容涉及知识面较宽，属于物理学与力学两个一级学科的高度交叉，而且波动图像都比较抽象，所以课程学习有较大难度。为了把这门课教好，主讲教师经过长期探索，形成了由课堂导入─讲授新内容─巩固教学成果─讨论分析─评估学习效果─融入思政教育─归纳总结等七个基本环节构成的课堂教学方法，本文对该方法进行了简要总结。

二七个基本环节课堂教学方法

（一）课堂导入

当学生每一次走入课堂，往往对所学知识都会有所期待，导入则是课堂教学中引导学生进入新的学习内容的第一个环节。从概念和内容上看，导入可以分为“课时导入”和“主题导入”两种形式，“课时导入”是指每一堂课开始时的导入，也可称为开局导入。“主题导入”是指在讲授每一个新主题时的导入。一个成功的导入往往可以起到以下作用：激发学生的好奇心，引发学生对新主题的兴趣并集中思想[2]，唤起学生对与新知识相关的原有知识的记忆，甚至引发学生内心质疑，因为新主题在某个角度可能与原有知识出现冲突，毫无疑问，所有这些导入的响应都有助于课堂教学的展开，所以导入在课堂教学中的重要作用是不能忽略的。精彩的开局往往奠定了成功的基础，为此，本课程对每一堂课的开始或者每一个新主题的开始，都精心设计了不同形式的导入。

实例1：在第一次课的开局，我们希望学生能够迅速对课程产生兴趣，并满足学生试图尽快了解冲击波的心态，我们采用的方式是从波的概念开始导入，因为冲击波也是一种波，学生虽然没有学习过冲击波，但是对于波的概念已经有了相当多的认识，如机械波、电磁波等，由此引出冲击波的定义与基本要点。这样一种导入，不仅能够唤起学员对原有波的认识，还可以引发学生思考，冲击波与所学习过的其他波到底有什么不同。

实例2：在首次讲授第一章可压缩流体力学基础时，考虑到学生没有学习过流体力学，所以从逻辑上说，要从流体的概念开始学习。虽然学生对流体这个词很常用，但要学生来下定义往往无从下手，为此，我们从物质在通常条件下的状态开始，指出物质具有固液气三态，相应的物质分别称为固体、液体、气体，但并没有流体，由此引出流体的概念，流体实际上是液体和气体的统称，所以物质可分为流体和固体两大类型，这样就把流体放在与固体对照的位置上，要说清楚流体的含义就一定要与固体进行对照。我们认为这种导入具有较好的启发性和相关性。

实例3：冲击波在固体中传播导致材料破坏机理是一个十分有意思的问题，它实际上是冲击波传播到平板背面反射稀疏波、两个稀疏波迎面相遇作用把材料拉断的，而不是冲击波压坏的。在讲解这个主题时，我们采用的导入方式是，拿出一块2~3毫米厚的铜板问同学们，有什么办法能够把这样一块薄金属板从中间撕开？当然，没有学习过这个内容一般是想不到的，然后告诉同学们，冲击波传播反射后就能做到，一下子就把学生的思维吸引到这个问题上了。

当然，导入的形式是多种多样的，一般来说应该具备启发性、相关性、趣味性，但更重要的是，作为教师要花功夫精心设计。

（二）讲授新内容

课程教学的主要目的是给学生传授知识、讲解基本理论、基本方法，但到底怎么讲，似乎并没有一个普遍模式，我们认为，讲解的方法要与所讲解的内容密切相关，既可以利用语言文字，也可以利用数学推导，同时还可以结合图像分析。总的来说，应该由浅入深，突出重点，要把难点讲透彻，一定要有启发性，要尽量调动学生的思维，让学生产生深刻印象。为此，本课程在以下几方面进行了尝试，并取得了较好效果。

①本课程很多概念都很抽象，教学过程中发现很多学生往往一时难以理解，为此，我们在教学过程中加强图像展示，使抽象的数学公式形象化，帮助学生理解，从而使教学效果大大改善。例如，本课程最难的内容之一是关于简单波的特征线与黎曼不变量的概念，这个概念非常抽象，既是一个难点也是一个重点，所以一定要讲透彻。为此，我们采用的方法是先从偏微分出发把特征线的概念引出来[3]，然后再利用第一章所获得的流体运动基本方程导出均熵流动的特征线和特征方程，再利用“x-t图”说明特征线的初步性质及其与扰动传播速度之间的关系，经过这样处理，学生理解起来要好得多。接下来，再结合数学知识引出黎曼不变量的定义与含义，一方面利用特征线解释黎曼不变量的含义，另一方面，结合热力学得到理想气体的黎曼不变量的常用形式。这样下来，条理非常清楚，数学推导也不是很难，由于把物理含义与图像分析有机结合在一起，把抽象的数学和概念形象化，相当于为学生的理解架起了一座直通桥梁，从而较好地达成教学目标。

②对于一个新的教学主题，其基本概念和原理原则上都是全新的，但我们认为不能只局限于本课程内容，而要尽可能地把学生已学过的相关知识唤醒，从而促进相关知识点的融会贯通。事实上，任何一个新的内容不可能是无中生有，必然与已有知识和认知有一定联系，所以我们认为，在讲授新内容时有必要恰当激活或者唤醒原有知识，这样一方面有助于快速切入新主题，另一方面也有助于知识迁移，加深理解。实际上，到大学高年级已学了很多知识，由于学生一直在学，很多知识往往是孤立的，综合利用知识解决问题的能力通常有限，这就是老师在上新课时需要认真考虑的问题，为此，我们在课程教学中特别关注了这个问题，并进行了多种形式的尝试。例如，在讲声波的传播规律时，我们从波动方程开始，显然，学生对波动方程都是有一定基础的，但当向学生提出波动方程是怎么来的、波动方程有什么条件的问题时，就没有人能答出来，但是通过上述互动，学生关于波动方程的知识和认知被唤醒，然后开始这个主题的讲解，而且是从第一章所获得的流体运动方程开始，通过这样一个教学过程，学生对波动方程的物理含义、来源、波动图像都形成了非常深刻印象。此外，我们在导出流体运动的能量守恒方程后，把它与热力学中的等熵方程联系起来，从而建立了能量守恒方程与等熵方程的联系；在分析“为什么不存在稀疏的冲击波时”与热力学第二定律联系起来，从而为热力学第二定律提供了一个重要应用；在讲解“弹道问题”时，不仅把稀疏波原理与已经非常熟悉的牛顿第二定律联系起来，而且将理论与实际问题相联系，为基本理论在典型装备中的应用提供了一个典型实例，对于学生理论联系实际的能力培养和解决实际问题的能力培养具有较好支撑作用。

（三）巩固教学成果

作为一个新的知识点，教师首先需要重点讲解的通常是基本概念和基本原理，但是，学生能不能在相当程度上把基本概念和基本原理掌握到位是值得怀疑的，这就要求在讲完基本概念和基本原理后通过适当方式进行巩固，常用方法就是设计例题。对于很多基础课程，各种习题集较多，任课教师只需进行选择即可，本课程由于是全新的，所以任课老师需要自行设计例题。

例一：虽然液体和气体都是流体，但性质是有很大差别的，在讲流体压缩性时，设计了一个比较气体和水的压缩性的例题，一方面可加深对压缩模量的认识和理解，同时还可得到气体和水在压缩性上具有数量级差异的感性认识。

例二：在讲随体导数时，设计了一个从定场速度场求加速度的例题，虽然速度场与时间无关，但却存在加速度，由此可认识到流场的非均匀性对流动的影响。

例三：在讲冲击波在固体中反射时，设计了一个比较压强相同的冲击波从金属铜板入射到铝合金板和从铝合金板入射到铜板反射后的压强的例题，由此认识到冲击波在不同材料界面反射后状态可能有很大差别。

这些例题不仅巩固了相应知识点的应用，而且获得了数量上的感性认识，为基本理论的深入理解提供了帮助。

（四）讨论分析

对于每一个知识点的讲解，常规教学方法必然要循序渐进，首先介绍基本概念和基本原理，例如物理模型、数学公式等，但一个成功的教学不能局限于此，一定要把理论回归到典型实际问题中去加以应用，并引导学生对不同情况加以讨论，这就相当于为学生搭建起一座利用基本理论解决实际问题的桥梁，通过基本原理的应用培养分析问题解决问题的能力。对于军校课程教学，还应该聚焦实战，为国防建设和战场武器对抗分析的需要打下理论基础。本课程在这方面做了大量尝试。

实例一：在讲稀疏波时，重点讲解了弹道问题，当利用发射管发射弹丸时，弹丸速度最大多少，并对相关影响因素开展讨论。一方面，问题的求解需要综合利用稀疏波理论和牛顿定律，另一方面，从科学原理看，最主要的两个影响因素是高压气体的初始状态和驱动弹丸加速的时间，而驱动弹丸加速的时间又受发射管长度的制约。由此可见，弹道问题的求解一方面为武器装备中实际问题的解决提供了一个很好的案例，但需要多方面知识的综合运用，能够培养学生解决实际问题的综合能力，另一方面，能够对发射武器中的科学原理形成非常深入的理解，从而为基本理论的灵活运用提供指导。

实例二：在讲固体中碰撞冲击波与阻抗匹配法时，针对炮弹打靶过程中影响冲击波强度的各种因素开展讨论，显然，除了碰撞速度外还有弹靶的材质，但弹靶的材质究竟如何影响冲击波强度，就需要有一种适当的方法来进行讨论。这既是关于碰撞冲击波理论所需要掌握的一个基本问题，也是实际战场环境下的一个基本武器对抗问题，课程将冲击波基本关系式转化为p-u曲线引出阻抗匹配法，再利用阻抗匹配法分析材料参数的影响，展现了基本理论的灵活运用，经过讨论分析，不仅能够理解弹靶材料的影响，而且能够较好地掌握了阻抗匹配法这个分析工具，并初步形成一定的分析实际问题的能力。

实例三：在讲完冲击波熵增的基本原理后，通过与等熵压缩的对比得到一个基本结论，在相同压强条件下，等熵压缩下的密度比冲击压缩下的密度高，由此引出一些更深入讨论和交流。一方面，这个结论可能改变一些原有认识，按照常规思维，冲击波压缩可能是最有效的一种压缩手段，当然这种认识可能完全来源于带有经验性的主观，这说明课程学习带来了新的认识。得到这个认识后，进一步介绍当前国际前沿的一个重大问题，在聚变武器和激光聚变等研究中，关键问题之一是要把核燃料进行超高密度压缩，既然等熵压缩能够产生比冲击压缩更大的压缩比，就应该采用等熵压缩，但是，按照热力学理论，严格的等熵压缩是做不到的，这就出现了矛盾，这个矛盾的解决正是相关领域的关键技术之一[4]。进一步提出问题，有没有什么办法解决这个矛盾呢？我们把这个问题留在这里，让同学们继续思考。在后面讲多次冲击压缩原理时，再次回到这个问题开展讨论，并得到结论，虽然冲击压缩效率没有等熵压缩高，而且严格的等熵压缩又无法实现，但可利用多次不太强的冲击压缩实现准等熵压缩，这就找到了实现高密度压缩的科学途径，从而指引工程技术的方向。由此可见，通过多个知识点的学习和讨论，不仅把冲击波不同基本性质串联起来了，而且还把这些基本知识有机融入到了重大科学问题之中。

（五）评估学习效果

作为教师，基本职责是要努力把课讲好，但在实际上讲得好不好，需要多方面的评价，但最重要的是教师自己要及时做出评估。对于一个教学内容，讲解后一定要及时评估是否实现教学目标，评估的基本方法就是设计合理有效的课堂问题，通过学生回答情况进行评估。事实上，评估结果的反馈对于教师和学生都有重要参考价值，对教师来说可以引起教学反思，是改进教学的重要依据，对学生来说，既可能起到激励作用，也可能是找到差距，所以对于每一堂课或者每一个主题，都需要对教学效果进行及时评估。一方面，这个环节看似简单，但非常重要。另一方面，要想让评估发挥出应有作用，就需要精心设计问题，就一般来说，问题要围绕教学目的，要立足重点、突破难点，要调动学生思维，促进深度学习。

（六）融入思政教育

大学课程教学的目的是为高端人才培养提供理论支撑，但是，一名合格的人才必须是德才兼备的，因此，成功的课程教学必须融入思政教育。本课程坚持为军育人，不断强化思政教育，坚持科学真理，已逐步建设了20多个典型思政案例，将科学精神、家国情怀、国防建设等相关内容融入课程教学，以促进学生树立正确的世界观、价值观、人生观，铸就坚定的理想信念，增强为战备战意识，培养适应打赢信息化局部战争的能力与素质。

实例1，在讲授马赫数概念时指出其在航空航天的重要应用，同时介绍我国著名科学家钱学森在气体动力学领域所取得的巨大成绩，以及历尽艰辛回到祖国为我国导弹事业做出历史性贡献的事迹[5]。

实例2：在讲解固体在冲击波作用下的本构模型时，介绍国家最高科学技术奖获得者郑哲敏院士提出流体弹塑性理论模型，为爆炸力学、以及为推动中国力学事业的发展做出重要贡献的事迹[6]。

实例3：在讲解压缩波传播规律时，介绍著名流体力学专家斯托克发现“冲击波特征”而没有坚持真理，从而与冲击波无缘的故事，培养敢于坚持真理的科学素养。

（七）归纳总结

每一堂课的结束同样是课堂教学中的一个重要环节，任何一堂课的教学都不能虎头蛇尾，一个完美的结束可以起到深化理解、提炼升华的作用。本课程每一堂课都有归纳总结，主要有知识总结，形成知识网络；思维过程总结，促进学员继续思维；揭示问题本质，帮助学生领悟知识核心等形式。例如，简单波的相互作用有不同情况，对这些不同情况做出正确分析是课程的基本要求。讲完这个内容正好是一堂课的结束，为此，首先列出知识点网络，帮助学生形成一个清晰的知识体系，进而指出简单波相互作用分析的要领是黎曼不变量的灵活运用，这就达到了画龙点睛的效果，帮助学生领悟到了这个知识点的核心。