吳王杰 楊 軍 章 曦

(解放軍陸軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部物理教研室,江蘇 南京 211101)

1 教學(xué)案例是大學(xué)物理微課的良好選題

1.1 大學(xué)物理教學(xué)案例的特點

鄭金洲教授[1]認(rèn)為：“簡單地說，一個案例就是一個實際情境的描述，在這個情境中，包含一個或多個疑難問題，同時也可能包含解決這些問題的方法。”我們認(rèn)為“大學(xué)物理教學(xué)案例是一個具體的完整的教學(xué)內(nèi)容，包含著與知識點相關(guān)的一個或多個實際物理問題，在教學(xué)內(nèi)容中緊密結(jié)合訓(xùn)練物理思維方法，在實際物理問題中緊密圍繞提高解決問題能力?！盵2]根據(jù)上述描述，大學(xué)物理教學(xué)案例具有以下幾個特征。(1)完整性：它具有解決一個實際物理問題的基本環(huán)節(jié)，即從現(xiàn)象或具體情境中發(fā)現(xiàn)并提出問題，根據(jù)相關(guān)的理論體系和數(shù)學(xué)方法建立物理模型，利用各種方法對物理模型進(jìn)行研究，得到初步結(jié)果并解釋現(xiàn)象，在對模型進(jìn)行修改，得到進(jìn)一步的結(jié)果。(2)典型性：它是經(jīng)過精心挑選的具有一定代表性的典型問題，代表著某一類事物或現(xiàn)象的本質(zhì)特征，涉及到較多的相關(guān)知識以及學(xué)生可能遇到的各種問題。(3)啟發(fā)性：案例為一定的教學(xué)目的服務(wù)，它在教學(xué)過程中能夠引起學(xué)生的討論，促進(jìn)思考，啟迪思維。不僅是學(xué)生加深對教學(xué)內(nèi)容的理解，而且獲得處理相似問題的能力訓(xùn)練。

1.2 教學(xué)案例為微課教學(xué)內(nèi)容設(shè)計提供堅實基礎(chǔ)

微課以視頻為主要載體，基于一個知識點，簡短而完整，以獲得最佳的移動和泛在學(xué)習(xí)效果為目標(biāo)。因此對微課的選題就有一定的要求，一節(jié)微課所講授的內(nèi)容應(yīng)該短小精干，相對獨立完整。因此選用教學(xué)案例來制作微課是一個非常好的選擇。另外，大學(xué)物理教學(xué)案例還具有典型性和啟發(fā)性的特征，也為微課教學(xué)內(nèi)容設(shè)計提供了堅實基礎(chǔ)。

2 基于教學(xué)案例的大學(xué)物理微課教學(xué)設(shè)計

對大學(xué)物理課程的教學(xué)設(shè)計一般從教與學(xué)兩個方面，對講授內(nèi)容、教學(xué)要求、重點/難點、授課思路、能力/方法訓(xùn)練設(shè)計和知識擴(kuò)展等模塊，以及關(guān)聯(lián)知識、作業(yè)練習(xí)和學(xué)習(xí)要求等方面進(jìn)行設(shè)計[3]。

微課以視頻為主要載體，基于一個知識點，簡短而完整，以獲得最佳的移動和泛在學(xué)習(xí)效果為目標(biāo)，因此其教學(xué)設(shè)計尤為重要。詳細(xì)、科學(xué)、富有創(chuàng)新性的微課教學(xué)設(shè)計是后期進(jìn)行制作加工的前提，也有助于微課相關(guān)資源的開發(fā)。教學(xué)案例本身規(guī)定了微課的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)要求，但是要將一個教學(xué)案例轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚降奈⒄n，還需要根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)，從知識、能力與素質(zhì)全方位地進(jìn)行設(shè)計，選擇和運(yùn)用適當(dāng)?shù)亩嗝襟w技術(shù)。

2.1 編寫大學(xué)物理教學(xué)案例

大學(xué)物理課程是一門應(yīng)用性強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，有著大量與工程技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。在大學(xué)物理微課中反映出這方面的內(nèi)容本身既是課程教學(xué)內(nèi)容的要求，也可以促進(jìn)學(xué)員對理論的理解，提高理論聯(lián)系實際的能力。

教學(xué)案例不僅可以使課程的應(yīng)用特色得到充分彰顯，而且特別適合微課這種主題化的教學(xué)形式。大學(xué)物理微課教學(xué)案例設(shè)計第一是案例選題，要緊密結(jié)合教材內(nèi)容，從科學(xué)研究方法、物理學(xué)進(jìn)展、工程技術(shù)應(yīng)用、軍事應(yīng)用和生活中的物理等方面精選難度適當(dāng)?shù)陌咐夭?。第二，要從?fù)雜的科技與應(yīng)用中提煉出其中的基本物理原理，并把它們細(xì)化到微課知識點上，使其成為相應(yīng)知識點的一個應(yīng)用案例。第三，微課教學(xué)案例設(shè)計要注意培養(yǎng)學(xué)員創(chuàng)新能力、實踐能力。

例如，為了使學(xué)員更好地理解相對速度這個教學(xué)難點，我們制作了微課“導(dǎo)彈制導(dǎo)中的相對運(yùn)動”。在這個微課中我們把教學(xué)內(nèi)容設(shè)計為教學(xué)案例“導(dǎo)彈追蹤問題”，有助于對導(dǎo)彈追蹤中的相對速度和絕對速度的理解，也使課程的應(yīng)用特色得到充分體現(xiàn)。

2.2 大學(xué)物理微課教學(xué)設(shè)計

基于大學(xué)物理教學(xué)案例的微課教學(xué)設(shè)計，就是要發(fā)揮教學(xué)案例的特征，使微課更加適合學(xué)習(xí)者的自主學(xué)習(xí)，更好地達(dá)到課程目標(biāo)。

1) 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

教學(xué)內(nèi)容的選取和設(shè)計是微課教學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)。微課的教學(xué)內(nèi)容應(yīng)選取闡述大學(xué)物理中的基本現(xiàn)象、基本概念與基本原理與主要應(yīng)用(軍事應(yīng)用)，覆蓋課程的重點和難點。大學(xué)物理教學(xué)案例根據(jù)具體教學(xué)目標(biāo)的需要、學(xué)生興趣和接受能力來組織和選編教學(xué)內(nèi)容，針對的是教學(xué)重點和難點，因此可以很好地滿足微課對教學(xué)內(nèi)容選題的一般要求。

特別地，大學(xué)物理課程是一門應(yīng)用性強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，有著大量與工程技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。在大學(xué)物理微課中反映出這方面的內(nèi)容本身既是課程教學(xué)內(nèi)容的要求，也可以促進(jìn)學(xué)員對理論的理解，提高理論聯(lián)系實際的能力。我們的做法是緊密結(jié)合教材內(nèi)容，從科學(xué)研究方法、物理學(xué)進(jìn)展、工程技術(shù)應(yīng)用、軍事應(yīng)用和生活中的物理等方面精選難度適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容。

2) 問題引入設(shè)計

心理學(xué)“首因—近因”效應(yīng)顯示，學(xué)習(xí)者在對最早出現(xiàn)的刺激記憶效果最好。微課開始時的問題引入設(shè)計是非常關(guān)鍵的，它可以有效地吸引學(xué)習(xí)者的注意力，完成教學(xué)視頻的學(xué)習(xí)。問題引入設(shè)計的一般策略是從學(xué)員的學(xué)習(xí)認(rèn)知特點、學(xué)習(xí)動機(jī)出發(fā)，進(jìn)行問題引入設(shè)計以吸引注意力。

由于物理學(xué)本身就是揭示自然奧秘的學(xué)科，因此還要充分發(fā)揮物理學(xué)科的這個特點，設(shè)計有效的開場白策略，吸引學(xué)習(xí)者的興趣，激發(fā)學(xué)員探究的態(tài)度。例如，微課“利用質(zhì)點動量定理求平均沖力”是這樣開始的：“飛機(jī)敢和小鳥PK嗎？通過這次課的學(xué)習(xí)，你將會知道后果非常嚴(yán)重！”微課“人造地球衛(wèi)星的墜落與超新星爆發(fā)”則是這樣開門見山地告訴你：“天上不會掉餡餅，但卻有可能掉下個衛(wèi)星”。微課“導(dǎo)彈制導(dǎo)中的相對運(yùn)動”是這樣開頭的：“你知道狗是怎樣追上兔子的嗎？獵豹是怎樣追擊獵物的？它們在追擊時為什么常常有急轉(zhuǎn)彎？這些都與導(dǎo)彈制導(dǎo)和相對運(yùn)動有關(guān)?！?/p>

3) 教學(xué)模式設(shè)計

教學(xué)模式是在一定教學(xué)思想或教學(xué)理論指導(dǎo)下建立起來的較為穩(wěn)定的教學(xué)活動結(jié)構(gòu)框架和活動程序。微課教學(xué)模式設(shè)計可以使微課教學(xué)活動更加高效、更能適應(yīng)碎片化學(xué)習(xí)。微課盡管是針對知識點的片段化教學(xué)，但是仍然可以進(jìn)行教學(xué)模式設(shè)計。由于物理學(xué)科的特點，講授型、研究型、討論式、實踐性等教學(xué)模式在實際課堂教學(xué)中應(yīng)用最多，這些教學(xué)模式也都可以應(yīng)用到微課中。

例如，在質(zhì)點系功能原理應(yīng)用的微課教學(xué)中，我們采取了研究型的教學(xué)模式。將利用質(zhì)點系功能原理分析近地軌道衛(wèi)星墜落過程中的速度變化問題編寫為一個研究型的教學(xué)案例：“近地軌道人造地球衛(wèi)星運(yùn)行一段時間后為什么會掉回地球？”在這個案例中，首先從真實的衛(wèi)星墜落事件出發(fā)提出研究課題，抓住過程主要特征建立簡化物理模型，從易到難，先從系統(tǒng)的總能量的角度進(jìn)行定性分析，再根據(jù)質(zhì)點系功能原理的微分形式利用微元法來定量分析空氣阻力的功、引力的功以及系統(tǒng)機(jī)械能變化之間的定量關(guān)系，不僅解決了要研究的問題，并歸納出引力場中這類問題的一般特征，最后拓展到定性解釋天體物理中的超新星爆發(fā)現(xiàn)象。這個微課的教學(xué)模式設(shè)計，較完整地體現(xiàn)了從具體問題到建立簡化物理模型、從定性分析到定量數(shù)學(xué)研究、從研究結(jié)論到推論和應(yīng)用的物理學(xué)研究的一般特征。

4) 媒體技術(shù)設(shè)計

微課是以視頻、動畫等形式展示教師圍繞某個知識點的簡短而又完整的教學(xué)活動，必須充分、合理地運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和各種數(shù)字資源進(jìn)行媒體技術(shù)設(shè)計。

物理學(xué)的現(xiàn)象、概念、原理和應(yīng)用有些是形象的，但是更多的是抽象，并且很多是常規(guī)情況下不可直觀呈現(xiàn)的。這就要求大學(xué)物理微課在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計的同時還要進(jìn)行必要的媒體技術(shù)設(shè)計，使教學(xué)內(nèi)容以生動有趣、直觀形象的方式呈現(xiàn)出來，幫助學(xué)員更好地學(xué)習(xí)微課知識點，使較難的教學(xué)內(nèi)容變得更易接受和理解。我們在媒體技術(shù)設(shè)計方面，以教員視頻講解和PPT電子板書為主線，大量穿插使用了實物演示、模擬動畫、計算機(jī)數(shù)值計算與可視化、虛擬場景技術(shù)等，有效地提高了微課教學(xué)內(nèi)容的媒體表現(xiàn)力。

3 兩例基于教學(xué)案例的大學(xué)物理微課教學(xué)設(shè)計

3.1 “飛機(jī)與小鳥PK?——利用數(shù)量級估算法計算平均沖力”的微課設(shè)計

本節(jié)微課的教學(xué)內(nèi)容是數(shù)量級估算法；利用質(zhì)點動量定理求平均沖力。教學(xué)目標(biāo)是通過案例教學(xué)使學(xué)員學(xué)會利用數(shù)量級估算法對沖力進(jìn)行估算，熟練掌握質(zhì)點動量定理的應(yīng)用，增進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)。微課教學(xué)設(shè)計如下。

(1) 問題引入具有懸念，激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣。

(2) 充分利用案例教學(xué)法。通過物理學(xué)史上著名的一個數(shù)量級估算案例，引入數(shù)量級估算法，并利用形象直觀的例子說明數(shù)量級估算法是物理學(xué)中十分有用的半定量研究法。通過估算鳥與飛機(jī)相撞的沖擊力、航空母艦上的阻攔索承受的艦載機(jī)的平均沖擊力這兩個貼近軍事和工程應(yīng)用的典型案例，引導(dǎo)學(xué)員靈活運(yùn)用數(shù)量級估算法和質(zhì)點動量定理。

(3) 緊密結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，靈活應(yīng)用各種媒體素材。充分利用視頻、Flash動畫、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等，直觀形象，教學(xué)輔助效果好，有助于學(xué)員對教學(xué)內(nèi)容的理解。

(4) 用素質(zhì)教育的理念審視、選擇和組織教學(xué)內(nèi)容，貼近當(dāng)代科技。理論聯(lián)系實際，從日常生活現(xiàn)象到工程技術(shù)與軍事應(yīng)用，精心選擇了難度適宜、緊扣重難點、生動鮮活的各種素材，使教學(xué)內(nèi)容真正“活”起來，充分體現(xiàn)物理學(xué)科應(yīng)用性強(qiáng)的特點。

(5) 突出創(chuàng)造性思維能力、工程應(yīng)用能力。課中的教學(xué)案例和課后拓展性研究都是緊貼科學(xué)研究方法和相應(yīng)的能力訓(xùn)練來設(shè)計的。

3.2 “狗是怎樣追上兔子的？——導(dǎo)彈制導(dǎo)中的相對運(yùn)動”的微課設(shè)計

本節(jié)微課的教學(xué)內(nèi)容是相對運(yùn)動；相對運(yùn)動中的絕對速度、牽連速度和相對速度，相對運(yùn)動在導(dǎo)彈制導(dǎo)中的應(yīng)用。教學(xué)目標(biāo)是理解運(yùn)動的相對性；理解絕對速度、牽連速度和相對速度，重點是相對速度；了解導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中的平行接近法和追蹤法。微課教學(xué)設(shè)計如下。

(1) 從生活現(xiàn)象引入主題。狗是怎樣追上兔子的嗎？獵豹是怎樣追擊獵物的？它們在追擊時為什么常常有急轉(zhuǎn)彎？這些都與相對運(yùn)動有關(guān)，也是導(dǎo)彈制導(dǎo)中的運(yùn)動學(xué)問題。

(2) 用典型例題引入導(dǎo)彈導(dǎo)引律的概念。如圖1所示，敵艦A在與海平面上以勻速率vA向正西方向航行，當(dāng)敵艦行駛至圖1所示位置時我艦向其發(fā)射魚雷B，魚雷速率為vB(vB>vA)，假設(shè)敵艦和魚雷的速度在攻擊過程中都保持不變。為擊中敵艦，試分析魚雷的發(fā)射角度α所要滿足的條件。

圖1

(3) 用軍事拓展應(yīng)用詳解教學(xué)重點難點。介紹導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中兩種基本的導(dǎo)引律：相對速度指向目標(biāo)的平行接近法和絕對速度指向目標(biāo)的追蹤法。通過重點講解導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中的平行接近法，加深對相對速度這個重點難點內(nèi)容的理解；通過簡要介紹導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中的追蹤法，強(qiáng)調(diào)絕對速度和相對速度的區(qū)別。

(4) 通過知識遷移培養(yǎng)科學(xué)思維能力。“槍打落猴”是力學(xué)部分“位移、速度和加速度”一節(jié)中的教學(xué)內(nèi)容，已經(jīng)學(xué)習(xí)過。通過巧妙地用子彈相對猴子的相對速度這個新視角來解釋子彈擊中猴子的原理，不僅進(jìn)一步加深學(xué)生對導(dǎo)彈制導(dǎo)導(dǎo)引律中平行接近法的理解，而且有助于對相對速度概念和應(yīng)用的融會貫通，培養(yǎng)科學(xué)思維能力及知識遷移與應(yīng)用的能力。

(5) 用各種媒體加強(qiáng)教學(xué)輔助效果。緊密結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，靈活、準(zhǔn)確地應(yīng)用各種媒體素材，充分利用視頻、Flash動畫、JAVA程序來直觀形象地演示絕對速度、牽連速度和相對速度，以及導(dǎo)彈制導(dǎo)過程，有助于學(xué)員理解抽象的理論，理解重點難點。

(6) 用二維碼提供課后拓展訓(xùn)練資源。利用手機(jī)掃描二維碼提供與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的拓展訓(xùn)練閱讀材料，鼓勵學(xué)生開展物理建模訓(xùn)練——研究導(dǎo)彈追蹤中的導(dǎo)引方法。

4 結(jié)語

教學(xué)案例一般是基于知識點的課程重難點、重要原理的工程技術(shù)應(yīng)用和其他拓展內(nèi)容，因此基于教學(xué)案例進(jìn)行微課的教學(xué)設(shè)計可以使微課更具有針對性和適用性，使微課具有很好的應(yīng)用價值。我們在自編的大量大學(xué)物理教學(xué)案例的基礎(chǔ)上，精選其中一部分進(jìn)一步進(jìn)行精心教學(xué)設(shè)計，制作出大學(xué)物理微課。這些微課不僅是大學(xué)物理課程的優(yōu)質(zhì)在線教學(xué)資源，而且被廣泛應(yīng)用到課程的混合式教學(xué)、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)等教學(xué)模式中。