面向卓越工程师培养在大学物理教学中融入应用案例

摘  要：卓越工程师教育培养计划强化培养学生的工程能力和创新能力，大学物理作为高等学校理工科各专业学生的一门重要必修基础课，其基本理论是工程技术的基础，与实践结合最为密切，在工程能力和创新能力培养方面起着举足轻重的作用。在大学物理教学中融入应用案例，能巩固、加深理论教学内容，培养学生工程、创新能力，是卓越工程师培养的一个有效抓手。

关键词：大学物理教学；应用案例；卓越工程师培养

Integrating application cases into college physics courses for excellent engineers Training

Su Xinfang

School of Science， Beijing University of Civil Engineering and Architecture  Beijing  100044

Abstract： The education and training plan for outstanding engineers strengthens the training of students' engineering ability and innovation ability. As an important compulsory basic course for students majoring in science and engineering in colleges and universities， the basic theory of college physics is the foundation of engineering technology， which is most closely combined with practice. College physics teaching plays an important role in the training of engineering ability and innovation ability. Integrating application cases into college physics teaching can consolidate and deepen the theoretical teaching content， cultivate students' engineering and innovation abilities， and is an effective way to cultivate excellent engineers.

Keywords： College physics teaching; Application cases; Training of excellent engineers

卓越工程师教育培养计划（卓越计划）是国家教育部贯彻落实《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的重大改革项目。该计划是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措，旨在培养造就一大批动手能力强、善于在工程实践中解决复杂、综合性问题，敢于创新的高质量各类型工程技术人才，为建设创新型国家和人才强国战略服务。“卓越计划”的重要特点之一是强化培养学生的工程能力和创新能力，这要求高校教师在不断提高自身业务素质的同时，以“卓越工程师”培养为目标，积极进行教学改革，加快探索出卓越工程师培养的教学模式。

1 大学物理教学改革的重要性

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式及其相互作用和转化规律的科学。它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，广泛应用于生产技术，是工程技术的基础。大学物理课程是高等学校理工科各专业学生的一门重要必修基础课，它不仅注重学生对基础知识、理论知识的掌握，同时注重物理理论在生活、现代科技上的应用，在培养学生的科学思维能力，培养学生的探索精神、工程实践能力、创新能力等方面，都具有其他课程不可替代的重要作用[1]。“卓越计划”的实施对大学物理的教学改革提出了更高的要求，大学物理教学如何才能使学生应用所学物理知识解决实际工程问题，培养学生的实践运用能力，提高其创新意识，这就需要改变传统的教学观念，调整教学方式，将实际应用案例融入课程教学中，构建理论联系实践的教学体系，全面提高工程教育人才的培养质量[2]。

近年来我们教研组在这方面做了大量探索与实践，在大学物理教学中融入了诸多与理论教学相关的生活、科技、工程实践案例，通过课堂分析讨论，建立物理模型，解决问题，注重物理定律和原理的应用，更多剖析实际问题的解决过程，并举一反三，逐层深入，让学生通过由简入难、由浅入深地有效训练，达到运用物理理论知识解决工程问题的能力，并以此培养其创新精神。

2 大学物理课程中融入应用案例的教学模式与实践

图1给出了融入应用案例的教学模式，根据课前准备、课堂实施和课后巩固三个阶段开展。

2.1 课前准备：案例选取和融入方式确定

著名案例研究学者托尔（Towl.A.R.）认为：“一个出色的案例，是以实际生活情景中肯定会出现的事实为基础所展开的课堂讨论。它是进行学术探讨的支撑点……”，因此案例的选取非常重要[3]。首先，案例应紧扣本节课的重点难点，经过精心挑选，具有代表性和研究性，涉及与教学内容较多的相关点，可理论探讨，可以获得经验或反面教训。再者，案例应反映日常生活、科技前沿、工程实践，具有启发性，通过案例能提出问题，能够激发学生的好奇心和求知欲，引发思考或产生悬念。若案例内容和学生的生活相关，那么他们能够感同身受，讨论、研究起来就顺畅。若案例是我国科技、工程成果，存有震撼性，或现象有趣、不可思议，或与他们的观点相反，恰好激起他们心中的疑惑，那么他们更愿意认真完成后面的思考、讨论任务，全身心投入，从而高效地完成教学目标。如在讲质点运动描述时，引入大国重器“北斗卫星导航系统”；在讲曲线运动时，选取案例“计算洲际导弹的射程”；在讲牛顿定律应用时，引入“跳台跳水游泳池的深度问题”“雨滴下落问题”；在讲角动量守恒时，引入案例“花样滑冰”和“跳水”；在讲驻波时，演示案例“鱼洗”和“超声悬浮”；在讲薄膜干涉时，选取案例“宇航员佩戴头盔和面甲，其表面上镀有一层膜，作用是什么”、“手机、照相机、显微镜镜头呈现彩色”；在讲光学仪器的分辨本领时，引入“世界最大的射电望远镜——中国天眼”；在讲衍射光栅时选取案例“光盘道间距的测量”[4]；在讲安培力时，引入“电磁炮”；在讲电磁波时，引入案例“华为5G技术”等。表1给出了大学物理课程中融入的应用案例及融入方式。

融入应用案例的方式多样，为抓住学生兴奋点，为后续讨论做铺垫，尽量避免仅仅语言表达，可以使用图片、视频、教具，条件允许下尽可能地做演示实验，让学生更直观地看到、听到、触摸到或体会到所展示的现象，并建立与学习内容的联系，激起学生好奇心，燃起学习兴趣。如课堂演示鱼洗、超声悬浮、偏振片透光实验、光盘衍射实验、辉光球、磁悬浮地球仪，播放奥运会上花样滑冰和跳水视频，播放学生喜欢的神舟十三号航天员出舱活动舱位操作视频，观察手机和显微镜镜头颜色，展示“中国天眼”的图片或宣传片，迅速抓住学生眼球，在此基础上提出一个或多个问题，调动学生大脑进行思考，大胆想象，勇于创新，积极参与到课堂活动中来。

2.2 课中：应用案例实施过程

课堂上融入应用案例的基本步骤包括：导入、思考与讨论和总结。

导入：教师通过上述融入方式呈现应用案例，与学生一起发现问题，引发学生思考，并引入本次课的教学内容，如概念、原理、定律等。

思考与讨论：学生将案例问题与教学内容中概念、原理等建立联系，思考，小组内试着分析、讨论、解决问题。对于综合性的案例分析，可以把问题分解成几个，分小组讨论，充分调动每个学生地主观能动性，深入思考、探究，活跃课堂的学习气氛，避免学生认为问题很难，无从下手而受打击。此过程中教师的一个任务是及时引导、避免学生跑题。

总结：包括小组成果展示（教师点评）和教师总结两个阶段。在第一阶段过程中，教师充当的是引导者的角色，目标是培养学生分析问题解答问题的能力和提高学生科学思维和创新思维，当出现争议时，教师要善于抓住时机循序渐进，递进引导，使学生通过再思考，能逐步找到问题的答案。这样“真刀真枪”的训练，一方面，加深了对理论知识的理解，锻炼了学生知识的应用能力，达到在工程案例中提高学生分析、解决问题能力，培养创新思维的目标，在将来的工作中，碰到问题就会得心应手、游刃有余；另一方面，锻炼了团结合作和口语表达能力。第二阶段是教师做总结，归纳本节课的知识点及联系，并结合工程案例，对学生讨论情况进行补充、完善并提高。最后对学生评价，并给予激励，如在学习通上加分，构成平时成绩的一部分，从而更好地鼓励学生积极参与到课堂活动，更好地完成教学目标。

2.3 课后：完成的拓展资料阅读和学期大作业

教师通过MOOC平台拓展教学内容，再尽可能多地发布理论教学内容在实践生活和工程中的应用，与上课应用案例呼应，举一反三，再次培养学生灵活运用所学知识去综合分析问题和解决问题能力的意识，此外，可拓展学生视野、开阔思路，激发其创新精神。如“莫尔条纹”、“静电除尘器”、“静电打印”、“微波加热的物理原理”、“心脏除颤器”、“声悬浮与电磁悬浮技术”等

此外，学生在学期结束时需要完成一项大作业，主题是大学物理在实践（生活、工程、科技）中的应用，内容不限，可以构思完成实验，分析实验现象、验证某个结论，也可以理论调研、分析解释实践中某个现象并给出应用，如最速降线原理以及在古建筑中的应用，伯努利原理解释足球和乒乓球中的“香蕉球”，驻波以及剧场音乐厅的建筑结构设计，设计水流量测试仪[5]等，也可以运用所学物理知识，改善生活、工程实践中某项不足，如如何提高热机的效率等，学生可以自由结组，每组不超过5人，分角色合作，完成并提交一篇小论文。在实践中再次锻炼学生发现问题、运用理论知识解决实践问题的能力和创新思维能力。

3 教学效果评价

在融入应用案例的班级通过问卷调查的方式，进行了“应用案例融入教学的教学效果评价”，评价内容指标及结果见表2，共发放问卷75份，答卷人数74，95%的学生认为融入应用案例的教学模式形式有趣，学习过程活跃了课堂气氛，课程内容理论联系实际，与生活、科技密切相关，对教学内容的理解更透彻，对物理的学习更感兴趣，提高了自身分析问题解决问题的能力，仅不到5%的学生认为以上调查指标一般，没有学生对应用案例教学持否定态度。

结语

以上就是我校以“卓越工程师”培养为目标在大学物理课程中融入应用案例的教学探索和实践，通过课上在教师有目的的引导下，进行案例分析、讨论进而解决案例问题，课后拓展知识阅读、小组分工合作完成物理原理在实践中应用的大作业，充分将物理知识与生活、工程、科技案例进行结合，既改变了枯燥的填鸭式教学模式，以学生为中心，生生互动、师生互动、活跃了课堂氛围，提高了教学效果，巩固并加深了对教学内容理解；更重要的是，在此过程中，培养了学生分析、解决实际问题的实践能力，提高了创新意识，有效避免了理论与应用“两张皮”的弊端，为卓越工程师培养奠定了坚实基础。

参考文献：

[1]教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导分委员会.非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求[J]. 物理与工程，2006（16）：1-8.

[2]吴玉杰. 融合教学案例 建设一流大学物理教材[J]. 中国大学教学，2020（6）：94-96.

[3]周永玲. 案例教学法在大学物理教学过程中应用[J]. 科学中国人，2015（17）：187-188.

[4]苏欣纺，黄伟. 光盘高频信号的物理实验设计与测量[J]. 大学物理，2011（30）：35-37.

[5]苏欣纺.一种利用伯努利原理进行水流量测试的教学演示仪： 201620112058.X[P]. 2016-06-01.

项目基金：北京建筑大学教育科学研究项目（编号：Y19-21）；北京建筑大学“双塔计划”项目（编号：YXZJ20220810）；北京建筑大学金字塔人才培养工程（JDYC20200329）项目

作者简介：苏欣纺（1981—  ），女，汉族，河北衡水人，博士，副教授，研究方向：大学物理教育、材料的原子分子设计。