李春燕 余同普 彭小洹

摘 要 將軍事案例融入課堂教學是軍事院校實現(xiàn)“為戰(zhàn)育人”人才培養(yǎng)目標的重要方法和手段。本文圍繞槍炮后坐力這一具體問題，從題目設計、背景介紹和實際問題解決等多個角度進行分析討論，探索將普通物理問題轉(zhuǎn)化為貼近軍事應用的實際案例的一般方法和途徑。從軍事元素、實際條件、軍事問題、軍事需求等方面設計引入軍事案例，既可以提高學生學習興趣，培養(yǎng)專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，同時，也為大學物理教學中軍事案例庫建設提供可操作性指導。

關(guān)鍵詞 軍事案例;大學物理;槍炮后坐力

“大學物理”課程是高等院校學生科學素養(yǎng)培養(yǎng)和工程技術(shù)學習的重要通識基礎(chǔ)課程。它涵蓋了人類認識自然、了解世界的智慧結(jié)晶，包含的科學內(nèi)涵和研究方法是技術(shù)創(chuàng)新和進步的源泉，是工程技術(shù)類人員未來專業(yè)技術(shù)工作的基礎(chǔ)。在“大學物理”課程教學過程中，案例對于幫助學生建立正確的物理圖像，提高學生學習興趣以及發(fā)揮學生創(chuàng)造能力具有重要作用。對于軍事院校學員來說，由于其定位的特殊性，“大學物理”教學應該體現(xiàn)軍事特色，在教學實踐過程中，注重培育學生與其職責和使命要求相適應的意識，努力實現(xiàn)課堂與戰(zhàn)場、知識與能力、理論與實踐以及平時與戰(zhàn)時的“無縫銜接”。習主席關(guān)于軍事教育曾多次提出部隊教育要“面向戰(zhàn)場、面向部隊、面向未來”。因此，“為戰(zhàn)育人”不僅是國防安全的需要，也是學員未來任職崗位的需要。為此，在實際教學中，軍事案例的選取和設計中應充分體現(xiàn)“軍味”，切實提高學生研究軍事科技的興趣，提升他們的軍事科技素養(yǎng)，特別是軍事信息素養(yǎng)，培養(yǎng)學生的科學思維能力和創(chuàng)新潛質(zhì)，增強他們?yōu)檐姺盏氖姑泻拓熑胃小?/p>

本文以“大學物理”力學中一個關(guān)于炮彈發(fā)射問題的軍事案例設計為例，探索大學物理課程教學中軍事案例設計的基本方法和原則，開展的途徑，從而為軍事院校“大學物理”課程軍事案例庫建設提供可操作性指導。

1 軍事案例分析

動量是大學物理課程力學部分重要的基本概念，要求學生不僅能夠正確理解其物理圖像，還能利用動量定理及動量守恒定律處理一些實際問題。因此，這部分課程內(nèi)容教學中一般都配以具體例題來進行講解。其中，有一道涉及軍事元素的經(jīng)典問題描述如下：

一輛停在水平地面上的炮車以仰角θ 發(fā)射炮彈（圖1），炮彈相對于炮車的出膛速度為u，炮車和炮彈的質(zhì)量分別為M 和m ，忽略地面摩擦，試求：（a） 炮車的反沖速度大小;（b） 若炮筒長為l，在發(fā)射炮彈的過程中炮車反沖的距離。

分析：根據(jù)結(jié)果可以得出，減少反沖速度的方法為：（1）減小炮彈出射速度。炮彈出射速度一般取決于需要，這種方法可行性不大。（2）減小炮彈和炮車的質(zhì)量比。炮彈質(zhì)量與內(nèi)含火藥量有關(guān)，火藥量確定的情況下是確定的，所以一般通過增加炮車質(zhì)量來實現(xiàn)。（3）增大仰角，尤其仰角為90 °時，反沖速度為0。但這個結(jié)果意味著對天開炮，并無實際意義，究其原因是在該問題中忽略地面摩擦。第二個問題考查炮彈發(fā)射過程中的炮身移動距離，這個問題考查位移是速度對時間的積分，以及炮彈速度對時間積分正好是炮筒長度，這對學生掌握相關(guān)知識點具有幫助。然而，這道題目對于軍事院校的學生來說，一方面假設的是地面無摩擦的理想情況，跟實際情況相距較遠;另一方面，討論中反沖速度是個直觀概念，如果進一步轉(zhuǎn)化為后坐力這個專業(yè)軍事術(shù)語進行討論，對學生更有吸引力。考慮到這兩方面問題和學生的特點，該題可做如下拓展和討論。

1.2 問題拓展

問題：一輛停在水平地面上的炮車以仰角θ發(fā)射炮彈，炮彈相對于炮車的出膛速度為u，炮車和炮彈的質(zhì)量分別為M 和m ，炮車與地面之間摩擦系數(shù)為μ，試求炮車的反沖速度，并分析減少后坐力的方法。

解：這時動量守恒的條件不再滿足，需要利用動量定理進行求解，相比較忽略摩擦的情況，難度上有不小提升。另外，考慮實際類似爆炸問題中內(nèi)力遠大于重力，處理中忽略重力這一常用方法。通過類似前面的計算得到炮車的反沖速度大小為

分析：從結(jié)果可以看出，影響反沖速度的因素除了同前面（1）和（2）一樣的條件外，當摩擦系數(shù)和仰角滿足關(guān)系μ=cotθ 時，反沖速度為0，與炮彈和炮車質(zhì)量以及炮彈出射速度無關(guān)。炮彈靠巨大的推力發(fā)射出去，而炮身并未移動，這是一種摩擦自鎖現(xiàn)象，在工程技術(shù)和日常生活中都有很多重要應用。另一方面，根據(jù)沖量定理，炮車所受后坐力為0。對于軍事院校學生來說，不僅熟悉后坐力這個名詞，并在訓練中對后坐力有直觀的感受，感官上非常理解減小后坐力對于軍事訓練的重要性。相比較摩擦自鎖現(xiàn)象，后坐力討論對學生來說具有更強的吸引力。因此，我們在具體教學中，選擇得到結(jié)果后進一步討論后坐力及減少后坐力的可行方法。

1.3 后坐力問題討論

在前面問題基礎(chǔ)上，可作如下討論。

1.3.1 后坐力介紹

在武器發(fā)射彈藥時，膛內(nèi)瞬間爆發(fā)的火藥產(chǎn)生高壓氣體推動彈藥發(fā)射，同時由牛頓第三定律，高壓氣體會作用于彈膛底部，產(chǎn)生驅(qū)動武器向后運動的作用力，這個作用力就是后坐力。后坐力在槍炮武器的設計與使用過程中是一個至關(guān)重要的參數(shù)，它不僅使武器發(fā)射時槍身或炮身運動的速度和幅度加大，從而影響射擊精度，而且使武器的瞬時荷載加大，降低武器支撐體的耐久性，給武器造成較大的機械損傷[1]。因此，解決如何降低后坐力的問題對于武器設計、研制有著重要意義。

1.3.2 無后坐力炮

對于減少后坐力的思考從達芬奇時代就有了，達芬奇設計了雙頭炮，向前開炮的同時向后發(fā)射炮彈，利用動量守恒定理保證炮身不受到向后的作用力，思想雖然簡單，甚至今天看來有些可笑，但這奠定了無后坐力炮的雛形。1914年，美軍少校戴維斯設計了借用后噴物質(zhì)與前射彈丸動量平衡，炮身不產(chǎn)生后坐力，成為正式用于戰(zhàn)場的無后坐力炮。之后隨著技術(shù)進步，這種炮進行了不斷改良和發(fā)展，譬如將后噴物質(zhì)由彈丸變?yōu)闅怏w物質(zhì)。但是由于后噴物質(zhì)具有較高溫度，容易被發(fā)現(xiàn)，限制這種方法的使用范圍。

現(xiàn)今無后坐力炮主要利用以上方法實現(xiàn)，是否可以像我們的題目中利用摩擦自鎖現(xiàn)象設計無后坐力炮呢？ 經(jīng)過討論我們可以發(fā)現(xiàn)，這種方法要在實戰(zhàn)中命中目標，要求初始速度可調(diào)，雖然在現(xiàn)有條件下一般的槍炮初始速度固定，但是像電磁軌道炮等發(fā)射裝置是可以設置發(fā)射速度的，甚至在未來炮彈發(fā)射速度精確可調(diào)也是完全由可能實現(xiàn)的。因此，在此基礎(chǔ)上可以讓學生根據(jù)目標位置建立模型求初始速度，如果結(jié)合數(shù)學仿真軟件，可以對考慮空氣阻力的情況做進一步深入探討和設計。

1.3.3 減小后坐力方法

完全做到無后坐力受實際條件的限制，但是對于一般槍炮器械來說，如何減少后坐力是一個重要問題。從這個簡單模型我們可以得到減小炮彈出射速度和減小炮彈與炮車的質(zhì)量比這兩種方法均可以減小后坐力。一般來說，增加炮身質(zhì)量是靈活度要求不高的坦克、火炮中常采用的方法，而靈敏度要求較高的槍械，尤其單兵作戰(zhàn)器械來說，操作性十分有限，這時常采用降低炮彈出射速度或減小彈丸質(zhì)量的方法?？s短槍管長度或減少彈藥裝藥量都可以實現(xiàn)目標，縮短槍管長度可以減少子彈加速時間，減少彈殼中藥量可以減小爆炸時產(chǎn)生對子彈的推力。同樣，減少子彈出膛速度同時也會減弱對目標的殺傷力，因此這兩種方法也受限于實際作戰(zhàn)環(huán)境。從簡單的物理規(guī)律出發(fā)，可以得到現(xiàn)今采用的減少后坐力的方法，可以根據(jù)實際需求采用合適的方法，以達到最佳的目的。除了這些方法還有其他方法嗎？ 可以進一步引導學生思索和創(chuàng)新。

雖然減少實際后坐力的方法受限于式（8），但是還可以從減輕感受到的后坐力的思路出發(fā)，通過機械設計來減少后坐力。譬如，通過加裝制退器[2]或補償器改變槍口結(jié)構(gòu)，讓推動子彈前進的氣流擴散出去，而非全部導向槍膛底端以減少槍體受到的向后沖力（動量守恒），或者增加彈簧吸收轉(zhuǎn)化的向后動能（簡諧振動），或者通過槍后托增加作用時間減少肩部收到的沖力（沖量定理）等等。這些方法都是學生在學習了大學物理相關(guān)知識后可以深入理解并容易掌握的，既可以結(jié)合課程內(nèi)容融入每個知識點，也可以作為專題討論，讓學生思考問題、尋求解決方法，充分調(diào)動學生的學習興趣和積極性。

2 案例設計的方法和原則總結(jié)

在前面案例的分析中，我們從《大學物理》力學部分動量這一知識點出發(fā)，從軍事元素、實際情境、軍事需求、技術(shù)方法等角度設計軍事案例，通過習題、介紹、研討等方式開展教學活動，結(jié)合實際需求和學生反饋對這些實施過程進行評價和篩選，最后形成完善的案例加入案例庫。這個過程可用圖2中的流程圖來表示。在前面詳細的分析過程中我們看到，將普通物理案例拓展為具有一定軍事應用背景的軍事案例，可以大致遵循以下幾條基本原則。

2.1 融入軍事元素，提高學習興趣

軍事元素可以是槍炮等軍事器械，也可以是作戰(zhàn)情境或新聞動態(tài)，還可以是真實戰(zhàn)爭中發(fā)生的事情。在前面的案例中，更為一般的問題是在運動小車上向前拋出物體，利用動量守恒定律或動量定理討論拋出物體后小車的運動，當改為炮車發(fā)射炮彈這個包含作戰(zhàn)器械的軍事元素情景后，軍事院校的學生自然感到親切，更容易融入課堂，并結(jié)合個人體驗進行深入思考。另外，位矢概念融入偵察機對地面坦克定位，受阻力的自由落體問題可以轉(zhuǎn)化為傘兵跳傘的問題[3]，光學儀器分辨率問題與飛機發(fā)現(xiàn)地面坦克相結(jié)合，陀螺的進動問題和軍事導航，波的疊加和相控陣雷達等等，這些問題與具體軍事應用情境相結(jié)合，可以極大地提高學生學以致用、知識點融會貫通的能力。最近，福建艦下海的新聞讓大家熱血沸騰，而其中解決短程加速飛機問題采用的方法正是電磁軌道炮的原理，在講解安培力時我們可以融入電磁軌道炮及福建艦加速飛機等新技術(shù)，更容易讓學生對所學知識加深印象并產(chǎn)生濃厚學習興趣?！按髮W物理”中還有很多知識點可能涉及真實的作戰(zhàn)案例，譬如海灣戰(zhàn)爭中美國攻擊伊拉克的時間往往發(fā)生在凌晨，這段時間伊拉克軍事基地和沙漠的溫差最大，最容易被熱像儀發(fā)現(xiàn);電視劇《士兵突擊》主人公手中舍不得吃的“熱雞蛋”，最后因為熱輻射被“敵機”輕而易舉地發(fā)現(xiàn)而暴露我方目標等等，都可以作為熱輻射部分的案例幫助學生理解熱輻射及其應用。以習題、背景、應用等方式，將涉及軍事應用的元素融入普通的物理問題和原理教學中，這是最簡單最直接最有效的軍事案例庫設計方法。

2.2 考慮實際情況，增加課堂難度

從無摩擦地面到考慮炮身與地面之間的摩擦力，這跟實際情況更加接近，同時也自然增加了問題的難度。除了考慮摩擦力、空氣阻力、能量消耗等實際因素，還可以結(jié)合作戰(zhàn)場景構(gòu)建問題。例如，在討論利用摩擦自鎖設計無后坐力炮時，讓學生根據(jù)目標位置確定發(fā)射速度，并進行計算，不僅結(jié)合了戰(zhàn)爭場景，還增加了問題的難度。另外，巷戰(zhàn)中在遮蔽物后方如何投擲手雷[3]，如何利用我方潛艇的聲吶探測敵潛艇速度，如何利用旋進現(xiàn)象設計來復線等問題，與可能的軍事應用場景相結(jié)合，設計更貼近實戰(zhàn)情景的案例，讓學生對所學知識的理解和應用更直接、更深入，讓他們身臨其境、感同身受，切實激起學生的學習熱情和主動性，同時增加了課堂知識的難度和高度。當然，這也對老師提出了更高的要求，需要他們在具體教學中注重軍事元素的發(fā)掘，案例需要更加貼近戰(zhàn)場，老師也需要親臨一線，面向部隊搞教學，真正做到“以戰(zhàn)領(lǐng)教、為戰(zhàn)育人”。

2.3 結(jié)合軍事問題，開放學生思維

在槍炮后坐力的問題中，在解決具體習題的基礎(chǔ)上進一步探討如何減少甚至消除后坐力這一軍事問題。討論了無后坐力的解決方法，利用摩擦自鎖設計無后坐力炮的困難和簡單解決辦法，減少后坐力的思路和方法。這些討論既涉及在基本物理規(guī)律基礎(chǔ)上對解決問題方法的深入探討，又涉及實際解決問題時思路和方法的拓展。學生可以從不同的角度、不同的思路出發(fā)，圍繞后坐力這一重要軍事課題展開思考，并將科學思路和現(xiàn)有的措施，比如制退器、補償器，具體槍械后坐設計等相結(jié)合，讓他們親眼看到科學原理如何轉(zhuǎn)化為實際應用，再基于物理原理思考解決問題的途徑和技術(shù)手段，并進行實踐，這對培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維至關(guān)重要。我們近年來在國防科技大學物理學“強基班”和“拔尖基地班”學生中開展了很好的實踐，取得了明顯成效，但是這也要求老師不僅對軍事應用有較為深入的了解，還要熟悉前沿科技特別是近年來制約我國國防科技發(fā)展的一些的卡脖子問題，并能從這些重大問題中提煉出適合課程教學并與物理原理密切相關(guān)的軍事案例，因此對施教者是一個較大考驗。

2.4 了解軍事需求，提高學生格局

前面介紹的軍事應用案例主要立足“大學物理”的基本知識點，并巧妙地與軍事案例有機融合。長期以來，在基礎(chǔ)研究的過程中大部分科學研究領(lǐng)域來源于人類對自然的好奇和探索，但是國防和軍事需求也是推動基礎(chǔ)科學不斷發(fā)展和進步的重要力量，尤其是“二戰(zhàn)”之后。譬如，由雷達發(fā)展引發(fā)激光及超強激光等技術(shù)進步，進一步催生出非線性光學，量子光學，激光等離子體物理，高能量密度物理等新的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域[4]。在多普勒效應課程中加入雷達研究背景、與日常生活的關(guān)系，以及它催生的新的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域介紹，不僅可以拓展學生視野，了解高新技術(shù)前世今生，接觸前沿研究領(lǐng)域，還可以讓學生站在人類對自然認識軌跡的高度看待科學技術(shù)的發(fā)展，對提高學生格局具有重要的作用。這類案例要求老師對科學的發(fā)展歷史以及前沿技術(shù)領(lǐng)域有所了解，在介紹的過程中突出軍事需求對基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的推動作用。如果涉及的前沿內(nèi)容可以和老師的研究課題相關(guān)，則必將對學生具有更強的吸引力。

3 結(jié)語

本文從“大學物理”力學中的一個具體案例出發(fā)，探討設計與基本知識密切相關(guān)的軍事應用案例的方法和原則。從具體問題中，我們提煉科學問題，可深化，可拓展，增加難度，多角度多層次地分析問題，以求培養(yǎng)學員的創(chuàng)新能力和創(chuàng)造思維。在具體教學過程中，我們既要主動將所教知識點跟軍事應用案例密切結(jié)合，又要體現(xiàn)物理原理的基本規(guī)律，能夠讓學生在掌握基本原理的基礎(chǔ)上運用所學知識來解決更深層次的問題，這對老師和學生都提出了更高要求，對于培養(yǎng)高層次、復合型人才具有借鑒意義。

參 考 文 獻

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