融合教学案例?建设一流大学物理教材

吴王杰?杨军

摘 要：教学案例与教材全面深度融合，符合建设一流课程和一流教材的发展趋势，是实现教学内容“两性一度”的一个行之有效的抓手，可以更好地发挥大学物理课程在传授知识、增强能力和培养素质等方面的作用。

关键词：大学物理;教学案例;教材建设;融合发展

当前，高校正处在建设金课、切实提升本科教学质量的新阶段。金课的属性和内涵是“两性一度”，即高阶性、创新性和挑战度[1]。在“双一流”建设背景下，课程与教材的一体化设计与深度融合已经成为提高本科教学质量的一项重要举措。

“大学物理”是高校理工科各专业开设的一门通识性必修基础课，它所教授的基本概念、基本理论和基本方法不仅是构成学生科学素养的主要组成部分，而且它对于培养学生树立科学的世界观，增强学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的探索精神和创新意识，都具有其他课程不能代替的作用。大学物理教学案例是一个完整的教学内容，包含着与知识点相关的一个或多个实际物理问题，与物理思维方法训练相结合，着力提高解决实际问题的能

力[2]。教学案例不仅是重要的教学资源，也是教学内容的有效延伸。

一、以教學案例为抓手，促进教材的融合创新

教材作为课程教学内容的载体，不仅在呈现方式上要适应信息化、网络化的发展趋势，向数字化方向延伸，更要在教学内容上不断融合创新，体现“两性一度”，为金课建设提供坚实基础。在大学物理教材中融合教学案例，就是建设创新型教材的一个坚实抓手。

教学案例与教材融合的一般原则是：夯实物理学的基本概念、基本理论和基本方法，突出应用性、高阶性和创新性。首先，根据“非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求”，每章编写数量适宜、难度适中的教学案例，加强对基本概念、基本原理和基本方法的阐述，拓展物理学在工程技术尤其是在高科技中的应用，使教学内容具有前沿性和时代性，为教材内容与学科前沿和技术的融合创新开拓广阔的空间[3]。其次，教学案例可以通过文字、微课和各种媒体资源，以多样化的形式灵活呈现，适应教材与信息技术融合、出版方式创新的需求。再次，大学物理教学案例可以为课程教学模式改革提供教学内容支撑。研究型教学、讨论式教学是大学物理教学改革中常用的教学模式，这些教学模式需要选择适当的教学内容并进行设计，教学案例满足了这方面的要求。

1.促进教材内容的应用性创新

教学案例紧紧围绕各章节的主要理论内容，以应用为导向，以提出问题和解决问题的过程为线索，以能力与素质培养为目标，拓展了物理学在现代技术中应用的视野。

一是具有前沿性和时代性的教学案例。例如，在案例“卫星导航系统定位和测速的基本运动学原理”中，把卫星导航系统定位的基本运动学原理结合到位矢、平均速度和瞬时速度等知识点上。在案例“超级电容器储能”中，紧密结合知识点电容器，介绍利用新材料石墨烯异常高导电性和超大表面积的特性来实现几千法拉的电容，以及超级电容器在储能、应急电源以及混合电力推进系统中的广泛应用。

二是培养学生科学素养的教学案例。例如，在案例“分子速率分布与大气成分”中，利用麦克斯韦速率分布的特征速率和地球表面附近物体的逃逸速率，解释在地球周围厚厚的大气层中为什么富含自由的O2和N2，却几乎没有宇宙中含量最多的自由的H2和He。在案例“彗—木相撞事件”中，利用角动量守恒定律解释发生在1994年7月的21块彗星碎片撞击木星的天文事件。在案例“量纲分析方法”中，结合单位制与量纲，介绍美国、欧洲以及我国的火星探测活动，以及过程中由于单位制错误而导致的重大事故，对学生进行科学素养的教育。

2.促进教材的高阶性创新

高阶性指培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维，促进学生知识、能力与素质的有机融合。

教材不应是简单地传授知识，要在传授知识的同时，突出能力和思维的训练。大学物理教学案例一般具有解决实际物理问题的基本环节，即从现象或具体情境中发现并提出问题，根据相关的理论体系和数学方法建立物理模型，利用各种方法对物理模型进行研究，得到结果并解释现象。另一方面，教学案例是经过精心挑选的、具有一定代表性的典型问题，代表着某一类事物或现象的本质特征，涉及较多的相关知识以及学生可能遇到的各种问题，因而它在教学过程中能够引起学生的讨论，促进思考，启迪思维。由此可见，教学案例具有探究性和一定的难度，它能促进教材的高阶性创新，适应知识、能力和素质有机融合对教材的要求。

例如，在案例“利用数量级估算法计算平均冲力”中，通过介绍物理学家费米对第一颗原子弹当量的数量级估算，引入数量级估算法，并利用形象直观的例子说明数量级估算法是物理学中十分有用的半定量研究法。通过估算鸟与飞机相撞的冲击力、航空母舰上的阻拦索承受的舰载机的平均冲击力这两个贴近军事和工程应用的典型案例，引导学生灵活运用数量级估算法和质点动量定理。案例“发现万有引力定律”引导学生按照历史和逻辑的双重线索，自己去“发现”万有引力定律，着力培养学生的科学思维能力、创新能力和科学素养。案例“匀速率曲线运动轨迹”把教师的教学研究成果转化为教学内容，使学生认识到数值计算是物理学研究中除理论和实验之外的第三种研究方法。

3.促进教材与军事教育的融合

军校物理教学要突出军事教育特性，这是培养高素质新型军事人才、打赢未来信息化战争的必然要求[4]。因此，军校大学物理教材在教学内容上应体现军事特色，而教学案例是促进教材与军事教育融合的有效途径之一[5，6]。军事高科技领域一般都涉及非常复杂的系统，涉及众多学科领域和工程技术，如何在大学物理课程中加以适当介绍，一直是加强教学内容军事应用特色的一个难点。一个行之有效的方法是：从复杂的科技与军事应用中提炼其中的基本物理概念和原理，使其作为相应知识点的一个应用案例，从而达到课程教学内容与军事高科技的有机结合。

例如，在案例“导弹制导中的相对运动”中，为了使学生更好地理解和运用相对速度解决实际问题，用典型例题引入导弹制导的两种基本的导引律：相对速度指向目标的平行接近法和绝对速度指向目标的追踪法。重点讲解平行接近法，加深对相对速度这个重点难点内容的理解;简要介绍追踪法，强调绝对速度和相对速度的区别。

二、教学案例与教材融合的方式和方法

大学物理教学案例不仅在拓展教材内容上要突出体现金课的“两性一度”，在与教材的结合模式和方法上也要体现创新性和开放性，使教材的组织和呈现方式更加灵活和丰富。

在融合方式上，需要从教学目标和要求出发，研究案例与教材融合的知识点，编写体现科学研究方法、物理学进展、工程技术应用、军事应用、生活中的物理等特征的教学案例，使教学案例与教材融为一体。

可以采用单个知识点融合和多个知识点融合两种方式。单个知识点融合是指一个教学案例对应一个知识点，这在教学内容设计上较为简单。多个知识点融合是指一个教学案例融合多个知识点，这需要对教材的教学内容进行整体设计和编排，把教材中已经讲述的几个知识点编入一个教学案例中。例如，在前面介绍的案例“导弹制导中的相对运动”中，除了相对运动外，还融合了运动叠加原理、抛体运动这两个知识点。通过子弹相对猴子的相对速度这个新视角来解释“枪打落猴”的原理，不仅进一步加深学生对导弹制导导引律中平行接近法的理解，而且有助于学生对知识的融会贯通，培养他们知识迁移与应用的能力。多个知识点融合还可以设计为跨篇章、逐步深入的形式。

在融合方法上，依据课程教学内容要求，可以选择教学案例直接进教材、部分进教材、间接进教材三种融合方法。教学案例直接进教材是难度最高的融合方法。首先，案例内容必须是课程的基本原理、基本方法和基本应用。其次，案例的编写风格要与教材保持一致。另外，案例篇幅要短小，以不超过一页为宜。对于虽涉及课程的基本原理、基本方法、基本应用，但是篇幅较长的教学案例，或者教学内容要求程度相对较低的教学案例，可采取部分进教材的融合方法。在教材相关知识点，用较少篇幅介绍教学案例的基本概要，并附加链接方式。对于那些教学内容要求程度相对较低或者较难的教学案例，可以采取间接进教材的方法，在教材中不作说明，仅给出相关链接的地址。

在教學案例呈现方式上，可以采取纯文本、多媒体、视频媒体（微课）等。这不仅能够拓宽教学内容创新范围，也符合一体化设计、数字化出版的教材出版发展形势。例如，教学案例“引力质量与惯性质量的等同性”，既有纯文本，又有微课“引力质量与惯性质量”。

三、结束语

教学案例与教材的融合创新，还需要进行更深入的研究和实践。例如，教学案例难度、广度与教材如何匹配？理论与应用在教材中如何保持均衡？教学案例呈现方式如何既丰富又不影响教材的篇幅控制？更重要的是，需要将教学案例与教材的融合创新成果应用到课程教学中，实现案例、教材和课程的全面融合，为切实提高课程教学质量发挥积极作用。

参考文献：

[1] 吴岩.建设中国“金课”[J].中国大学教学，2018（12）：4-6.

[2] 吴王杰，韩仙华，章曦.建设具有军事特色大学物理教学案例的认识与实践[J].大学物理，2013，32（12）：52-54.

[3] 邢悅.世界一流的本科教育依托于世界一流的本科教材[J].中国大学教学，2019（5）：85-89.

[4] 韩仙华，武文远，吴王杰，等.军队院校物理教学突出军事特色的思考与实践[J].高等教育研究学报，2013，36（3）：104-106.

[5] 刘协权，倪新华.军队院校大学物理教学突出“军味”的案例剖析[J].物理与工程，2019，29（4）：35-42.

[6] 吴王杰.大学物理学（上册，下册）：第3版[M].北京：高等教育出版社，2019.

[基金项目：陆军工程大学教育教学研究基金（GJ1910091）]

[责任编辑：夏鲁惠]