“刚体的平衡”案例教学的探讨与实践

赵新丽　张金波　倪　静　张秀云

(扬州大学物理科学与技术学院,江苏 扬州　225002)



“刚体的平衡”案例教学的探讨与实践

赵新丽张金波倪静张秀云

(扬州大学物理科学与技术学院,江苏 扬州225002)

摘要本文以“刚体的平衡条件”为例，将案例教学的思想方法引入到物理课程的教学中，论述在医学物理教学中如何使学生从具体的案例出发经过思考、分析、建立物理模型、应用基本理论，得到可能的解决方案，并提炼理论.实践证明，把案例引入物理教学中，通过多个阶段的实践过程锻炼，使学生深入理解和掌握所学知识，提高学生分析问题和解决问题的综合能力.

关键词医学物理；案例教学；实践创新能力

案例教学作为一种典型的师生互动教学模式，可以弥补传统教学模式的缺陷，是创新本科课堂教学模式的有效途径[1-3].医用物理学是医学各专业一门必修的基础课，肩负着使学生掌握物理学所提供的、与医学结合紧密的一些系统知识的使命.基于医用物理学的特点，在案例的选择上尽量突出物理原理在医学方面的应用.我们以陈仲本老师编写的《医用物理学》教材[4]中力学部分“刚体的平衡条件”内容为基础，构成刚体平衡条件“在人体力学中的应用”案例，对案例教学进行了探索和尝试，本文介绍我们是如何进行案例教学的.

1案例教学的定义

案例教学是教师组织学生通过对案例的阅读、思考、分析、讨论、交流和评价等活动，提高学生分析、解决问题能力的一种教学模式[5,6].它主要包括以下几个环节： (1)介绍案例，提出问题；(2)分析案例，组织讨论；(3)应用理论，审视案例；(4)评价总结，形成体系.通过这4个环节完成教学内容.

2刚体的平衡条件案例教学设计

2.1　介绍案例，提出问题

案例1： 引人注目的上届奥运冠军、69公斤级男子举重的石智勇在比赛中途因伤退出，4年的辛苦和等待功亏一篑.2008年北京奥运会，中国选手在举重项目所参加的9项比赛中，一举拿下8枚金牌、1枚银牌.然而，骨科专家透露，在奖牌背后，是几乎每个举重运动员都身负不同程度伤病，其中尤以腰伤为首，而腰椎、脊柱不稳定反过来会直接影响比赛发挥.问题： ① 举重运动员腰部运动创伤发生的原因？② 腰部损伤如何预防？

案例2： 人体搬重物时，如图1所示，应该采取哪种姿势？

图　1

对上述问题分析之前，如图2所示，首先提出思考：

图　2

2.2　分析案例，组织讨论

图　3

图　4

图　5

图　6

课前导读内容： 人体脊柱的基本结构和基本功能如图3～图5.提出问题： 分析人在双脚直立，双臂下垂，向前弯腰，手提重物时，作用在第5腰椎和脊柱上的力.然后通过建立理想化物理模型(如图6)： 把脊柱抽象为一个下端铰接在腰-骶椎间盘上的刚体(直杆)，对其进行受力分析，解答案例所提问题.

2.3　应用理论，审视案例

刚体的平衡条件∑Fi=0 (静力平衡方程)

∑MOi=0(转动平衡方程)

应用这些条件来分析人体处于平衡状态时各部位受力，假设脊柱轴线与水平的夹角θ为30°，人体重量为W，则

联立求解得

Fe≈2.5W,FRx=2.38W,FRy=1.37W

2.4　评价总结，形成体系

通过上面的分析可以看出，骶骨作用在腰骶椎间盘处的作用力FR与水平线间的夹角为29°55′，与脊柱轴线的夹角仅为5′，力的大小为整个体重的2.74倍.该力在椎间盘上产生的正压力为2.74Wcos5′=2.74W，几乎等于作用力FR本身，是个很大的力.对于50kg的人，这个力大约等于137kg.

如果手提的重物为体重的20%，即上述中的W2由0.2W到0.4W，其他条件不变，按上述方法计算可得FR=4.07W.这表明手提重物虽仅为体重W的1/5，可骶骨对脊柱的作用力就由2.74W变为4.07W，增加了1.3W，原因是重物对于骶骨处有很大的力臂.例如，质量为50kg的人，提10kg的重物时，作用在腰-骶椎间盘上的力大约等于204kg，这样巨大的作用力压在腰椎上，使椎间盘压缩，时间稍长，就会感到腰痛，处在长时间的压力作用下，可能会使椎间盘脱出或突出，压迫脊神经、神经根或刺激关节面，导致疼痛和肌肉痉挛，肌肉痉挛反过来引起椎间盘受到更大的压迫，从而造成恶性循环.

3拓展与延伸

从上面的力学分析知，人体腰部脊柱的损伤发生与下列因素有关.针对这些因素采取相应的措施，有助于腰伤的预防.

(1) 负荷量大小，即阻力大小： 要根据自身身体机能情况，不应勉强承受较大负荷，尤其是在身体处于疲劳状态下，不要突然增加负荷.

(2) 阻力臂大小，与躯干姿势有关.腰-骶椎间盘的压力FR除来自体重和重物外，还来自骶棘肌力Fe，而骶棘肌力又取决于提物的姿势.提铃时，要想减小骶棘肌力，最有效和最合理的措施是尽可能地减小躯干的重力和重物对腰-骶椎间盘的阻力臂，亦即尽可能增大θ角.因此，从动作上看，提重物时，应采取挺胸别腰的直背姿势(图1(B))，而不应采取弓腰姿势(图1(A)).

(3) 腰背肌力量.加强背伸肌特别是骶棘肌的力量，使其更加粗壮，能承受更大负荷.

4教学体会

将理论与案例结合，通过案例教学模式的探索与实践，使我们体会到：

(1) 根据教学内容选择案例并用于医学物理课堂教学，有利于从问题出发，激发学生主动学习的积极性，加强了基础学科与临床学科的联系和结合，提高学生的综合素质和创新实践能力.

(2) 在理论分析与公式推导的过程中，根据研究对象的特性抽象出其力学模型，并在此基础上，应用基本理论与方法可以得到相对简洁的解决该类问题的方法与途径，有助于培养学生分析问题的能力和建立模型的能力，有助于学生理解和掌握基本理论(定理或方程)的适用范围.

(3) 通过多个阶段的案例分析实践过程，使理论来源于实践，应用于实践，在实践中强化理论的应用和理解.

(4) 通过对问题的拓展延伸，理论联系实际，

融知识传授、能力培养、素质教育于一体，适应了新世纪人才培养目标的要求.

5教学困难与应对

客观地讲，案例课堂的完成对老师和学生都富有挑战性，花费了很多的时间和精力，传统的教学课时是远远不够的.比如我院《医用物理教学大纲》要求“生物力学基础”这章授课学时为3课时，而采用案例教学要用到5课时，其中2课时用于“作用在骨骼上的力”的学习，将物理理论与人体力学相结合.为了克服课时不足的困难，我们往往采取如下措施： (1)鉴于医学院学生课程多，为减轻学生负担，对于课前导读内容，教师提供学习资料，要求学生课前完成.(2)减少以往物理例题的讲解，专注于探讨物理知识在医学上的应用.(3)对简单易懂、与中学重复的知识将在课前布置问题，引导学生自学，对自学内容我们将在课上通过问题提问或进行短时间的(10分钟)章节小测验来考察，并且记录为平时成绩.当然，案例教学实施过程中还有很多的困难要克服，但我们坚信只要坚持就会有收获，也希望大家多提宝贵建议，共同完善案例课堂.

参考文献

[1]宋海珍,王爱华, 赵彤帆,等.“保守系统平衡位置微振动”案例教学的探讨与实践[J].物理与工程,2014,24(1):48-54.

[2]王翀,梁猛,杨祎．一种创新实践教学模式[J]．实验室研究与探索,2011,30(7):152-154.

[3]吴军,胡先志.用案例研究来培养教师的教育技术能力[J].教学与管理,2006,(24):39-40.

[4]陈仲本,况明星. 医用物理学[M]. 北京:高等教育出版社, 2010.

[5]王光昶,张建炜,陈涛,等.案例教学法在医学物理学教学中的应用[J].西北医学教育,2008,(6): 1136-1138.

[6]周雨青,张玉萍,懂科.大学物理教学中引入“案例教学”模式的实践[J].中国大学教育,2011,(10):52-54.

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THE DISCUSSION AND PRACTICE OF “EQUILIBRIUM OF A RIGID BODY” CASE TEACHING

Zhao XinliZhang JinboNi JingZhang Xiuyun

(School of Physical Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu 225002)

AbstractThis paper takes “the equilibrium of a rigid body” as an example, and introduces the thought and method of case teaching into the physics course teaching. Discussions have been done about how to make students think, analysis, establish the physical model from a specific case, and how to make them apply the basic theory, obtain the possible solutions, and refines the theory. Practice proves that the introduction of cases in physics teaching makes the students understand and grasp the knowledge through multiple stage process of practice exercise, and enhances the their abilities of analyzing the questions and solving problems.

Key wordsmedical physics; case teaching; innovative ability in practice

基金项目:扬州大学教改课题(扬州大学科研基金)项目编号YZUJX2014-30B.

作者简介:2015-01-19 赵新丽，女，讲师，主要从事大学物理及实验的教学工作.xlzhao@yzu.edu.cn