姜宇 劉艷磊 趙言誠 孫秋華 姜海麗 姜富強(qiáng) 趙文輝

摘 ?要：在積極推進(jìn)新工科建設(shè)工程的背景下，案例教學(xué)在提高大學(xué)物理課堂教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生更好的理解和掌握新知識方面有著積極的正面作用。有利于落實(shí)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，利用課程的特點(diǎn)引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生的工程思維，提高學(xué)習(xí)物理的主動(dòng)性和積極性，增強(qiáng)師生互動(dòng)交流，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使學(xué)生以更飽滿的熱情投身到大學(xué)物理的學(xué)習(xí)中，達(dá)到提高學(xué)生分析問題和解決問題能力的目的。

關(guān)鍵詞：新工科;大學(xué)物理;案例教學(xué);創(chuàng)新思維

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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

新工科是國家教育部為了主動(dòng)應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革，支撐服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展等一系列國家戰(zhàn)略，積極推進(jìn)的建設(shè)工程。新工科建設(shè)是一個(gè)長期探索和實(shí)踐的過程，需要立足國際工程教育改革發(fā)展前沿，研判發(fā)達(dá)國家工程教育新趨勢、新策略，以面向未來和領(lǐng)跑世界為追求目標(biāo)。新工科人才培養(yǎng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是培養(yǎng)多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，要求工作于基礎(chǔ)課教學(xué)一線的教師能夠了解技術(shù)的最新發(fā)展，緊跟科技發(fā)展的步伐，及時(shí)將研究成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容，向?qū)W生介紹與課程相關(guān)的研究新進(jìn)展、實(shí)踐發(fā)展新經(jīng)驗(yàn)，提高課程興趣度，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維、批判性思維和數(shù)字化思維，促進(jìn)全面發(fā)展，自主終身學(xué)習(xí)能力。

案例教學(xué)是由美國哈佛法學(xué)院前院長克里斯托弗·哥倫布·朗代爾于1870年首創(chuàng)，后經(jīng)哈佛企管研究所所長鄭漢姆推廣。引入我國之后，許多高校都嘗試采用這種開放式、互動(dòng)式的新型教學(xué)方式，任課教師將要學(xué)習(xí)的知識點(diǎn)放置到具體的情境中，并設(shè)定一些相關(guān)的問題，指導(dǎo)學(xué)生針對具體的問題積極思考、主動(dòng)探索，從案例分析中獲得對知識本質(zhì)的理解、對知識應(yīng)用的啟示，不斷提高學(xué)生認(rèn)識問題、分析問題、解決問題的綜合素質(zhì)能力[1-3]。

一、案例教學(xué)的主導(dǎo)思想

案例教學(xué)法，是指教師在教學(xué)中通過實(shí)例內(nèi)容的講授，使學(xué)生達(dá)到舉一反三掌握知識規(guī)律的方法。可以通過模擬或者重現(xiàn)現(xiàn)實(shí)生活中的一些場景，讓學(xué)生把自己納入案例場景[4]，通過討論或者研討來進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以讓學(xué)生通過自己的思考或者他人的思考來拓寬自己的視野，從而豐富自己的知識。大學(xué)物理課程內(nèi)容寬泛，單純進(jìn)行理論講授空洞無趣，學(xué)生在掌握理論的同時(shí)卻不能掌握實(shí)質(zhì)。案例教學(xué)法本著理論聯(lián)系實(shí)際，實(shí)際反證理論的理念，讓學(xué)生更能掌握理論本質(zhì)，在理論授課過程中，實(shí)例的引入能夠讓抽象的理論與現(xiàn)實(shí)相對應(yīng)，綜合實(shí)例還可以將諸多理論知識點(diǎn)相連接，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中加深理解，增強(qiáng)相應(yīng)知識點(diǎn)的記憶，讓學(xué)生感受到知識的相關(guān)性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，獲得在學(xué)習(xí)中探索，在探索中學(xué)習(xí)的積極氛圍[5]。

案例教學(xué)在大學(xué)物理教學(xué)中起到先導(dǎo)和可持續(xù)發(fā)展的作用，具有積極的指導(dǎo)意義。要求教師必須改變傳統(tǒng)的教學(xué)方法，從現(xiàn)有思維定式、內(nèi)容、構(gòu)想中跳出來。案例教學(xué)不僅僅是一種教學(xué)方法，更是一種教育思想和觀念，其核心思想就是以人為本——授人以漁[6]。打破傳統(tǒng)課堂教學(xué)中教師為中心，學(xué)生處于從屬被動(dòng)地位的模式，學(xué)生成為課堂教學(xué)的主導(dǎo)者，在任課教師的指導(dǎo)下在具體問題情境中積極思考、主動(dòng)探索，從案例分析和討論中獲得啟示和答案，不斷提高學(xué)生認(rèn)識問題、分析問題、解決問題的能力[7]。

二、案例教學(xué)在大學(xué)物理教學(xué)中的作用

（一）提高了學(xué)習(xí)物理的主動(dòng)性和積極性

大學(xué)物理是與生活緊密相連的學(xué)科，在解釋現(xiàn)象時(shí)，需要用到必要的理論推導(dǎo)，因此會(huì)涉及復(fù)雜繁瑣的公式，課堂上的授課過程也會(huì)涉及大量的定理和定律，數(shù)學(xué)是必備的工具。而在物理規(guī)律的推導(dǎo)和具體問題的計(jì)算中，對數(shù)學(xué)中矢量和微積分的知識要求較高，這些也恰恰是學(xué)生在數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。如果在教學(xué)中引入案例教學(xué)，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活場景的案例中剖析復(fù)雜枯燥的物理知識，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生力求解決好問題的意向，在利用物理學(xué)的定理和定律對案例進(jìn)行分析、討論交流時(shí)，遇到數(shù)學(xué)上的困難，會(huì)積極主動(dòng)的投入到解決問題的隊(duì)伍中，課堂教學(xué)就會(huì)變得生動(dòng)飽滿有趣。

（二）促進(jìn)了師生間和學(xué)生間的互動(dòng)交流探討

案例教學(xué)強(qiáng)調(diào)師生間、學(xué)生間的互動(dòng)交流探討，強(qiáng)調(diào)學(xué)生獨(dú)立思考與團(tuán)隊(duì)協(xié)作學(xué)習(xí)的結(jié)合。在大學(xué)物理的課堂教學(xué)中實(shí)施案例教學(xué)時(shí)，可將學(xué)生劃分成若干學(xué)習(xí)小組，小組成員之間首先進(jìn)行討論研究，給出對案例的理解和合理描述，然后進(jìn)行小組推選成員的論述，進(jìn)行小組之間的討論，使參與成員的思維不斷碰撞，最終達(dá)到掌握物理知識，理解物理規(guī)律的目的。案例教學(xué)模式以學(xué)生為導(dǎo)向，學(xué)生不再是物理知識的被動(dòng)接受者，而是知識學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者，讓學(xué)生直接作為課堂教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)的主導(dǎo)者去學(xué)習(xí)，帶動(dòng)其深入探索物理知識，理解物理概念的本質(zhì)，教師輔助引導(dǎo)配合學(xué)生學(xué)習(xí)。在案例的討論中合作促進(jìn)了溝通，溝通增進(jìn)了合作。教師與學(xué)生共同創(chuàng)建融洽的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生們領(lǐng)略了物理學(xué)內(nèi)在美的同時(shí)，學(xué)會(huì)了溝通、聆聽、尊重、關(guān)心，人格魅力不斷升華。

（三）培養(yǎng)了大學(xué)生創(chuàng)新思維

當(dāng)將物理知識通過具體的生產(chǎn)生活應(yīng)用情景呈現(xiàn)在學(xué)生面前時(shí)，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生解決問題的沖動(dòng)，通過教師合理地引導(dǎo)，通過自身周密的思考，學(xué)生會(huì)逐步的越過通往問題答案路徑上的障礙物，最終到達(dá)目的地。而每越過一個(gè)障礙物，都可能燃起特殊的思維火花，都可能有新的想法誕生。

針對不同學(xué)校在校學(xué)生的現(xiàn)狀采取合理有效的案例教學(xué)，在課堂中領(lǐng)悟創(chuàng)新，學(xué)會(huì)創(chuàng)新，真正使大學(xué)物理課起到夯實(shí)基礎(chǔ)的作用。

（四）培養(yǎng)大學(xué)生理論基本功

物理教學(xué)中的大部分抽象內(nèi)容和實(shí)例通常都需要用理論計(jì)算來印證，在論證過程中數(shù)學(xué)工具是學(xué)生必備的。數(shù)學(xué)是對事物進(jìn)行邏輯分析的重要形式和手段，由于物質(zhì)世界處處體現(xiàn)著質(zhì)和量的統(tǒng)一，而人們要了解事物的質(zhì)，就需要把握事物的量，需要用數(shù)學(xué)理論對研究對象進(jìn)行定量分析并以數(shù)學(xué)形式揭示其內(nèi)在的規(guī)律。數(shù)學(xué)方法為大學(xué)物理提供了簡練深刻的語言和表述方式，一系列概念和規(guī)律常以形式化的數(shù)學(xué)“語言”來描述和揭示，這些形式化的數(shù)學(xué)“語言”包括符號、表達(dá)式、圖像、圖形、圖表等，讓學(xué)生能夠在大學(xué)物理的學(xué)習(xí)中形象的了解物理規(guī)律。

利用數(shù)學(xué)方法對物理案例進(jìn)行精確的數(shù)量分析和計(jì)算，引導(dǎo)學(xué)生熟練地應(yīng)用好數(shù)學(xué)工具，并有意識的滲透數(shù)學(xué)方法，運(yùn)用有效的教學(xué)手段幫助學(xué)生提高運(yùn)用數(shù)學(xué)方法解決物理問題的能力，使學(xué)生體會(huì)數(shù)學(xué)思維與方法在物理上的應(yīng)用。在分析過程中碰撞出創(chuàng)新的火花，領(lǐng)會(huì)物理魅力所在，扎實(shí)學(xué)生的理論基本功，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。

三、案例教學(xué)在大學(xué)物理教學(xué)中的實(shí)施

（一）課前準(zhǔn)備

大學(xué)物理教學(xué)有其獨(dú)特的特性，不能簡單地引用、套用其他學(xué)科課程案例教學(xué)的一般模式。結(jié)合大學(xué)物理課程的教學(xué)目的和要求，每一次案例教學(xué)的實(shí)施我們的教師都閱讀了大量的國內(nèi)和國外的參考文獻(xiàn)和書籍，從中凝練出了合適并有針對性的案例，使案例能夠體現(xiàn)物理最本質(zhì)最重要的思想，并且盡量選擇能與現(xiàn)有的科技前沿相關(guān)的實(shí)例。堅(jiān)持案例教學(xué)的自主性、啟發(fā)性優(yōu)勢，預(yù)測案例教學(xué)的初步效果，并以此設(shè)計(jì)案例教學(xué)的進(jìn)程。

陳賡班是本校大力培養(yǎng)的一個(gè)特色班，也是大學(xué)物理案例教學(xué)首次實(shí)施的班級，授課過程需在雨課堂的輔助下進(jìn)行。要求課堂教學(xué)環(huán)境具備強(qiáng)度足夠的無線信號，這需要學(xué)校的網(wǎng)絡(luò)中心及時(shí)配備相應(yīng)的設(shè)備并隨時(shí)維護(hù)，用以保證課堂教學(xué)的順利進(jìn)行。教師和學(xué)生每人要擁有可以使用微信軟件的智能手機(jī)，學(xué)生上課時(shí)要將自己的手機(jī)隨身攜帶，通過掃描二維碼實(shí)名加入教師建立的微信群。

（二）課堂教學(xué)

案例教學(xué)本著融入理論講授精確性、系統(tǒng)性的特質(zhì)，循序漸進(jìn)地依據(jù)設(shè)計(jì)的進(jìn)程實(shí)施。

在力學(xué)部分，在剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)之后會(huì)進(jìn)行進(jìn)動(dòng)的講解，進(jìn)動(dòng)是高速自轉(zhuǎn)的物體在外力矩的作用下自身轉(zhuǎn)軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，是力學(xué)部分的難點(diǎn)。我們將陀螺作為實(shí)例進(jìn)行這部分的案例教學(xué)，按照教師自己設(shè)定的教學(xué)模式，從角動(dòng)量定理出發(fā)，分析陀螺在重力矩作用下的定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)一步將此問題遷移到天文學(xué)中來分析地球的進(jìn)動(dòng)。在波動(dòng)部分，駐波是波動(dòng)的核心問題，即包含了波的傳輸特性問題又包含了疊加問題，可以拿二胡的發(fā)聲規(guī)律作為案例對駐波的特點(diǎn)進(jìn)行探討。在光學(xué)部分，光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)是比較枯燥的物理問題，將我國在貴州平塘建設(shè)的一個(gè)500m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡作為這部分的案例，研究其望遠(yuǎn)鏡的分辨率，教師要引導(dǎo)對這方面感興趣的學(xué)生去查閱資料，進(jìn)一步了解相關(guān)科學(xué)前沿。在光的偏振部分，給每位同學(xué)發(fā)上一副3D眼鏡，放上2-3分鐘立體電影，讓學(xué)生分別在佩戴3D眼鏡和不佩戴眼鏡的情況下觀看，以3D眼鏡作為案例從而進(jìn)行光偏振特性的探討。

在振動(dòng)部分，對于一般的普通大班來說阻尼振動(dòng)和受迫振動(dòng)是要求大家了解的內(nèi)容，對陳賡班來說是需要熟練掌握的，針對于這部分內(nèi)容，特別設(shè)計(jì)了基于雨課堂的一次案例教學(xué)。將圓柱形的木塊放入盛水的容器中，木塊處于靜止?fàn)顟B(tài)，對木塊頂端施加作用力，忽略水的粘滯阻力，木塊會(huì)在豎直方向上做簡諧振動(dòng)，以此為出發(fā)點(diǎn)討論振動(dòng)系統(tǒng)的簡諧振動(dòng)方程。此模型理想情況下是一個(gè)簡單的簡諧振動(dòng)實(shí)例，但在附加上一些條件時(shí)，問題就變得復(fù)雜。

拓展情況一：考慮水的粘滯阻力，會(huì)獲得圓柱形木塊阻尼振動(dòng)的方程;拓展情況二：對圓柱形木塊施加周期外力，得到受迫振動(dòng)方程;拓展情況三：將圓柱形木塊換成實(shí)心球體，討論實(shí)心球形木塊的振動(dòng)方程;拓展情況四：將實(shí)心球形木塊換成帶空洞的球形木塊，討論其振動(dòng)頻率;拓展情況五：將圓柱形木塊用彈簧懸掛在固定點(diǎn)，圓柱形木塊置于水中，也就是多施加一個(gè)彈簧的彈力，討論其振動(dòng)方程;每次得到的振動(dòng)方程都需要和最初的振動(dòng)方程對比，從而理解改變方程的物理因素。每次給出的拓展情況需要在分組的討論中獲得答案，雨課堂軟件的輔助使教師能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將拓展內(nèi)容推送，并限定學(xué)生的討論時(shí)間，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行實(shí)時(shí)討論，并與教師進(jìn)行彈幕互動(dòng)，最終將討論結(jié)果反饋給教師。如果系統(tǒng)推送的內(nèi)容以選擇題的形式出現(xiàn)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出選擇每個(gè)選項(xiàng)的組數(shù)，教師則可以根據(jù)每道題目統(tǒng)計(jì)出的學(xué)生答題情況來判斷學(xué)生對知識的掌握情況，并作出有針對性的引導(dǎo)。

（三）課后整合

基于雨課堂軟件進(jìn)行的案例教學(xué)實(shí)現(xiàn)了師生的實(shí)時(shí)互動(dòng)，課后教師利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可以將本次案例教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行推送，以便于學(xué)生復(fù)習(xí)。并且針對授課環(huán)節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容布置相應(yīng)的作業(yè)，督促學(xué)生按時(shí)并認(rèn)真完成作業(yè)。為了讓學(xué)生更好的掌握基礎(chǔ)課中重要的概念和定律，給學(xué)生布置設(shè)計(jì)性作業(yè)，讓學(xué)生自主根據(jù)課程中的知識點(diǎn)設(shè)計(jì)習(xí)題，并給出完整的求解過程。教師根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)生完成作業(yè)的情況和完成質(zhì)量，進(jìn)行實(shí)時(shí)在線答疑。動(dòng)員全班同學(xué)發(fā)表自己的見解，實(shí)現(xiàn)群體討論的激烈學(xué)習(xí)氛圍的產(chǎn)生。

依據(jù)案例教學(xué)中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行考核方式的改革，將以往以期末考試作為課程的最終評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)模式變?yōu)槎嗖糠挚己睡B加模式，加大學(xué)生平時(shí)成績的比例，設(shè)定課堂教學(xué)活動(dòng)參與環(huán)節(jié)與課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)占最終成績的比重，以此來督促學(xué)生注重平時(shí)的授課的參與度，使學(xué)生真正認(rèn)真參與授課的各個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)的最終目標(biāo)。課后互動(dòng)過程各個(gè)部分的推送雨課堂都會(huì)以短信的形式提醒群里的每一位同學(xué)，教師要精心設(shè)計(jì)推送給學(xué)生的每一部分的課程內(nèi)容，分析學(xué)生的學(xué)習(xí)心理，將其引入高校課程的海洋里真正接受網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)帶來的大信息時(shí)代。

大學(xué)物理有很多的實(shí)例和演示實(shí)驗(yàn)都可以作為案例教學(xué)的素材，如何選取素材并把握好一節(jié)課的進(jìn)程是對教師基本功的有效考核。我們致力于將每節(jié)課都做成案例教學(xué)的模式，從而形成大學(xué)物理案例教學(xué)體系，并將學(xué)校特有的“三海一核”融入到案例教學(xué)中，發(fā)展具有三海一核特色的大學(xué)物理案例教學(xué)體系。

案例教學(xué)與一般課堂教學(xué)的主要區(qū)別是先給予學(xué)生現(xiàn)象和事件的展示，通過現(xiàn)象和事件的發(fā)生與發(fā)展引導(dǎo)學(xué)生去探討物理理論和規(guī)律。在新工科背景下，在大學(xué)物理的教學(xué)中引入案例，通過一定的案例練習(xí)或模擬訓(xùn)練，不僅加深了對物理知識點(diǎn)的理解，更重要的是提高了分析問題和解決問題能力，使學(xué)生對物理模型的理解更加透徹。

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