刚体平衡的教学设计①

赵新丽　倪 静

(扬州大学物理科学与技术学院　江苏 扬州　225002 )

*扬州大学教改课题，项目编号：YZUJX2014-30B

刚体平衡的教学设计①

赵新丽倪 静

(扬州大学物理科学与技术学院江苏 扬州225002 )

*扬州大学教改课题，项目编号：YZUJX2014-30B

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物理课程的教学中，论述在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，同时，将物理课堂进行拓展与延伸．

关键词:物理教学案例教学实践创新能力

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[1，2]．作为一种典型的师生互动教学模式，它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[3～5]．案例教学主要通过以下4个环节完成教学内容：

(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．

多年来传统的医学物理课教学中，只注重物理学自身的“理论化”、“公式化”特点而忽略了物理学的“医学应用”，一遇到实际问题，学生往往感觉束手无策，无法用已有的理论知识去解决实际问题，更谈不上创新．笔者近几年在物理教学中引入案例教学，进行有益的尝试与探索．本文以《医用物理学》[6]中力学部分“刚体的平衡条件”为例，构成刚体平衡条件“在人体力学中的应用”案例，介绍在教学中是如何进行案例教学．

1刚体的平衡条件案例教学设计

1.1介绍案例提出问题

2013年4月，湖人与勇士一战堪称惨烈，尤其是科比，冲锋陷阵，3次受伤倒地，表情痛苦．而在这3次受伤中，最后一次无疑是最为严重的．当时比赛还剩下3分08秒，科比再次发动攻击，在对方严防之下，又一次滑倒在地，表情痛苦地捂住了膝盖，但这一次，科比终于有些支撑不住了，坚持罚完两个球后，在训练师的搀扶下返回了更衣室．如此关键时刻，科比都挺不住了，足可见伤势之严重．赛后科比接受了核磁共振检查，检测结果给了科比和湖人一个致命的打击：左脚跟腱完全撕裂．这意味着他的赛季提前结束．

提出悬念：科比只不过试图从左侧强行突破巴恩斯的防守，为什么就突然倒在地上，紧紧抓着脚后跟？跟腱完全撕裂，一个多么熟悉的名词，中国“飞人”刘翔的悲怆与伤痛就始于这脆弱的跟腱．事实上，在他俩之前，曾有包括贝克汉姆、比卢普斯、欧文在内的众多运动明星被这条足跟与小腿间长约15cm的肌腱“打败”．

问题：

(1)跟腱撕裂到底是怎么回事？

(2)为什么跟腱伤病会是运动员的大敌呢？

(3)只有运动员才会发生这种事故吗？

(4)跟腱撕裂如何预防？

对上述问题分析之前，首先提出问题：人在垫着脚跟站立时，脚的受力如何？

1.2分析案例组织讨论

课前导读：跟腱和脚的基本结构，如图1所示．首先对所提问题物理情景分析：人在踮着脚跟站立时，使得脚与地面实际上只接触一个点，人体重量全部施加于此．同时小腿部肌肉、腓骨和胫骨都对脚有力的作用，分别作用于图2所示各点．踮脚站立脚受力分析如图3所示．然后通过建立理想化物理模型如图4：把脚抽象为一个刚体(直杆)，对其进行受力分析，解答案例所提问题．

图1　跟腱和脚的基本结构

图2　踮脚站立时脚受力

图3　脚的受力

图4　理想化物理模型

1.3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脚部受力．图4中rT=5.6cm和rW=10cm的测量都是近似的，且FT和FB与竖直方向的夹角都很小，可认为各力方向都是竖直的，设FB的作用点O为支点．

据转动平衡条件有

G×rw-FT×rT=0

(1)

代入数据求解得

FT=1.8G

(2)

根据静力平衡条件，有

FTcos7°+G-FBcosθ=0

(3)

FTsin7°-FBsinθ=0

(4)

联立(2)、(3)、(4)求解，得

FBcosθ=2.8GFBsinθ=0.22G

所以

1.4评价总结形成体系

通过上面的分析可以看出，当人单脚踮起站立时，小腿肌肉收缩的张力FT约是体重的2倍，而作用在脚上距骨处的力FB，接近体重的3倍，其力的作用线几乎与竖直方向平行．可见，长期的大运动量、大强度训练，造成跟腱过度劳损，使跟腱力量减退，弹力减弱，长期劳损得不到休息和恢复，一旦用力过猛就很容易使跟腱断裂或部分断裂．

1.5拓展与延伸

从上面的力学分析知，间接外力对跟腱的损伤有很大的影响．在此建议广大体育运动爱好者:运动前一定要做好充分的准备活动，使小腿肌肉及肌健活动开, 完成动作要由慢到快；避免跟腱的过度负荷和疲劳；加强跟腱部位以及周围部位肌肉的力量．

2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)将案例用于医学物理课堂教学，加强了基础学科与临床学科的联系和结合，激发学生学习的

主动性、积极性，提高学生的综合素质和创新实践能力．

(2)根据研究对象的特性抽象出其力学模型，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，有助于提高学生分析问题、解决问题的能力．

(3)通过对问题的拓展延伸，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．

3教学困难与应对

客观的讲，案例课堂的完成对教师和学生都富有挑战，花费了很多的时间和精力，传统的教学课时是远远不够的．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.西北医学教育,2008(6):1136～1138

2周雨青,张玉萍,董科.大学物理教学中引入“案例教学”模式的实践.中国大学教育,2011(10)：52～54

3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.物理与工程,2014,24(1):48～54

4王翀,梁猛,杨祎．一种创新实践教学模式．实验室研究与探索,2011,30(7):152～154

5吴军,胡先志.用案例研究来培养教师的教育技术能力.教学与管理,2006(8):39～40

6陈仲本,况明星. 医用物理学(第一版). 北京:高等教育出版社, 2010

收稿日期：(2015-03-31)

作者简介:赵新丽(1974-)，女，讲师，主要从事大学物理及实验的教学工作.