“剛體的平衡”案例教學的探討與實踐

趙新麗　張金波　倪　靜　張秀云

(揚州大學物理科學與技術學院,江蘇 揚州　225002)

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“剛體的平衡”案例教學的探討與實踐

趙新麗張金波倪靜張秀云

(揚州大學物理科學與技術學院,江蘇 揚州225002)

摘要本文以“剛體的平衡條件”為例，將案例教學的思想方法引入到物理課程的教學中，論述在醫學物理教學中如何使學生從具體的案例出發經過思考、分析、建立物理模型、應用基本理論，得到可能的解決方案，并提煉理論.實踐證明，把案例引入物理教學中，通過多個階段的實踐過程鍛煉，使學生深入理解和掌握所學知識，提高學生分析問題和解決問題的綜合能力.

關鍵詞醫學物理；案例教學；實踐創新能力

案例教學作為一種典型的師生互動教學模式，可以彌補傳統教學模式的缺陷，是創新本科課堂教學模式的有效途徑[1-3].醫用物理學是醫學各專業一門必修的基礎課，肩負著使學生掌握物理學所提供的、與醫學結合緊密的一些系統知識的使命.基于醫用物理學的特點，在案例的選擇上盡量突出物理原理在醫學方面的應用.我們以陳仲本老師編寫的《醫用物理學》教材[4]中力學部分“剛體的平衡條件”內容為基礎，構成剛體平衡條件“在人體力學中的應用”案例，對案例教學進行了探索和嘗試，本文介紹我們是如何進行案例教學的.

1案例教學的定義

案例教學是教師組織學生通過對案例的閱讀、思考、分析、討論、交流和評價等活動，提高學生分析、解決問題能力的一種教學模式[5,6].它主要包括以下幾個環節： (1)介紹案例，提出問題；(2)分析案例，組織討論；(3)應用理論，審視案例；(4)評價總結，形成體系.通過這4個環節完成教學內容.

2剛體的平衡條件案例教學設計

2.1　介紹案例，提出問題

案例1： 引人注目的上屆奧運冠軍、69公斤級男子舉重的石智勇在比賽中途因傷退出，4年的辛苦和等待功虧一簣.2008年北京奧運會，中國選手在舉重項目所參加的9項比賽中，一舉拿下8枚金牌、1枚銀牌.然而，骨科專家透露，在獎牌背后，是幾乎每個舉重運動員都身負不同程度傷病，其中尤以腰傷為首，而腰椎、脊柱不穩定反過來會直接影響比賽發揮.問題： ① 舉重運動員腰部運動創傷發生的原因？② 腰部損傷如何預防？

案例2： 人體搬重物時，如圖1所示，應該采取哪種姿勢？

圖　1

對上述問題分析之前，如圖2所示，首先提出思考：

圖　2

2.2　分析案例，組織討論

圖　3

圖　4

圖　5

圖　6

課前導讀內容： 人體脊柱的基本結構和基本功能如圖3～圖5.提出問題： 分析人在雙腳直立，雙臂下垂，向前彎腰，手提重物時，作用在第5腰椎和脊柱上的力.然后通過建立理想化物理模型(如圖6)： 把脊柱抽象為一個下端鉸接在腰-骶椎間盤上的剛體(直桿)，對其進行受力分析，解答案例所提問題.

2.3　應用理論，審視案例

剛體的平衡條件∑Fi=0 (靜力平衡方程)

∑MOi=0(轉動平衡方程)

應用這些條件來分析人體處于平衡狀態時各部位受力，假設脊柱軸線與水平的夾角θ為30°，人體重量為W，則

聯立求解得

Fe≈2.5W,FRx=2.38W,FRy=1.37W

2.4　評價總結，形成體系

通過上面的分析可以看出，骶骨作用在腰骶椎間盤處的作用力FR與水平線間的夾角為29°55′，與脊柱軸線的夾角僅為5′，力的大小為整個體重的2.74倍.該力在椎間盤上產生的正壓力為2.74Wcos5′=2.74W，幾乎等于作用力FR本身，是個很大的力.對于50kg的人，這個力大約等于137kg.

如果手提的重物為體重的20%，即上述中的W2由0.2W到0.4W，其他條件不變，按上述方法計算可得FR=4.07W.這表明手提重物雖僅為體重W的1/5，可骶骨對脊柱的作用力就由2.74W變為4.07W，增加了1.3W，原因是重物對于骶骨處有很大的力臂.例如，質量為50kg的人，提10kg的重物時，作用在腰-骶椎間盤上的力大約等于204kg，這樣巨大的作用力壓在腰椎上，使椎間盤壓縮，時間稍長，就會感到腰痛，處在長時間的壓力作用下，可能會使椎間盤脫出或突出，壓迫脊神經、神經根或刺激關節面，導致疼痛和肌肉痙攣，肌肉痙攣反過來引起椎間盤受到更大的壓迫，從而造成惡性循環.

3拓展與延伸

從上面的力學分析知，人體腰部脊柱的損傷發生與下列因素有關.針對這些因素采取相應的措施，有助于腰傷的預防.

(1) 負荷量大小，即阻力大小： 要根據自身身體機能情況，不應勉強承受較大負荷，尤其是在身體處于疲勞狀態下，不要突然增加負荷.

(2) 阻力臂大小，與軀干姿勢有關.腰-骶椎間盤的壓力FR除來自體重和重物外，還來自骶棘肌力Fe，而骶棘肌力又取決于提物的姿勢.提鈴時，要想減小骶棘肌力，最有效和最合理的措施是盡可能地減小軀干的重力和重物對腰-骶椎間盤的阻力臂，亦即盡可能增大θ角.因此，從動作上看，提重物時，應采取挺胸別腰的直背姿勢(圖1(B))，而不應采取弓腰姿勢(圖1(A)).

(3) 腰背肌力量.加強背伸肌特別是骶棘肌的力量，使其更加粗壯，能承受更大負荷.

4教學體會

將理論與案例結合，通過案例教學模式的探索與實踐，使我們體會到：

(1) 根據教學內容選擇案例并用于醫學物理課堂教學，有利于從問題出發，激發學生主動學習的積極性，加強了基礎學科與臨床學科的聯系和結合，提高學生的綜合素質和創新實踐能力.

(2) 在理論分析與公式推導的過程中，根據研究對象的特性抽象出其力學模型，并在此基礎上，應用基本理論與方法可以得到相對簡潔的解決該類問題的方法與途徑，有助于培養學生分析問題的能力和建立模型的能力，有助于學生理解和掌握基本理論(定理或方程)的適用范圍.

(3) 通過多個階段的案例分析實踐過程，使理論來源于實踐，應用于實踐，在實踐中強化理論的應用和理解.

(4) 通過對問題的拓展延伸，理論聯系實際，

融知識傳授、能力培養、素質教育于一體，適應了新世紀人才培養目標的要求.

5教學困難與應對

客觀地講，案例課堂的完成對老師和學生都富有挑戰性，花費了很多的時間和精力，傳統的教學課時是遠遠不夠的.比如我院《醫用物理教學大綱》要求“生物力學基礎”這章授課學時為3課時，而采用案例教學要用到5課時，其中2課時用于“作用在骨骼上的力”的學習，將物理理論與人體力學相結合.為了克服課時不足的困難，我們往往采取如下措施： (1)鑒于醫學院學生課程多，為減輕學生負擔，對于課前導讀內容，教師提供學習資料，要求學生課前完成.(2)減少以往物理例題的講解，專注于探討物理知識在醫學上的應用.(3)對簡單易懂、與中學重復的知識將在課前布置問題，引導學生自學，對自學內容我們將在課上通過問題提問或進行短時間的(10分鐘)章節小測驗來考察，并且記錄為平時成績.當然，案例教學實施過程中還有很多的困難要克服，但我們堅信只要堅持就會有收獲，也希望大家多提寶貴建議，共同完善案例課堂.

參考文獻

[1]宋海珍,王愛華, 趙彤帆,等.“保守系統平衡位置微振動”案例教學的探討與實踐[J].物理與工程,2014,24(1):48-54.

[2]王翀,梁猛,楊祎．一種創新實踐教學模式[J]．實驗室研究與探索,2011,30(7):152-154.

[3]吳軍,胡先志.用案例研究來培養教師的教育技術能力[J].教學與管理,2006,(24):39-40.

[4]陳仲本,況明星. 醫用物理學[M]. 北京:高等教育出版社, 2010.

[5]王光昶,張建煒,陳濤,等.案例教學法在醫學物理學教學中的應用[J].西北醫學教育,2008,(6): 1136-1138.

[6]周雨青,張玉萍,懂科.大學物理教學中引入“案例教學”模式的實踐[J].中國大學教育,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

基金項目:揚州大學教改課題(揚州大學科研基金)項目編號YZUJX2014-30B.

作者簡介:2015-01-19 趙新麗，女，講師，主要從事大學物理及實驗的教學工作.xlzhao@yzu.edu.cn