航海類院校大學(xué)物理課程應(yīng)用案例庫建立與教學(xué)實施探索

摘 要 在國家大力推進(jìn)新工科建設(shè)和教育信息化的大背景下，大學(xué)物理課建設(shè)應(yīng)服務(wù)于創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才培養(yǎng)，來應(yīng)對行業(yè)經(jīng)濟發(fā)展過程中面臨的各種系統(tǒng)性、復(fù)雜性、交叉性、綜合性新問題。文章以江蘇科技大學(xué)為例，結(jié)合船舶海洋專業(yè)特點，提出建立有針對性的實際應(yīng)用案例庫，將力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)等五大部分的理論知識與專業(yè)應(yīng)用緊密地聯(lián)系起來，并將案例庫分為基礎(chǔ)層、提高層和應(yīng)用層，以適應(yīng)不同層次學(xué)生的需求。研究結(jié)果表明，應(yīng)用案例庫的實施顯著提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 航海類院校；大學(xué)物理；應(yīng)用案例庫

中圖分類號：G424"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A""""" DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.35.045

Exploration on the Establishment and Teaching Implementation of Application Case Library for College Physics Courses in Maritime Universities

WANG Shuolin， CHANG Yunwei， HU Youyou

（Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang， Jiangsu 212100）

Abstract Against the backdrop of the country's vigorous promotion of new engineering construction and educational informatization， the construction of university physics courses should serve the cultivation of innovative， applied， and skilled talents to address various systemic， complex， cross cutting， and comprehensive new issues faced in the process of industry economic development. This article takes Jiangsu University of Science and Technology as an example and proposes the establishment of a targeted practical application case library based on the characteristics of the Ship and Ocean major. The theoretical knowledge of mechanics， electromagnetics， thermodynamics， optics， and modern physics is closely related to professional applications， and the case library is divided into a basic layer， an improvement layer， and an application layer to meet the needs of students at different levels. The research results indicate that the implementation of the application case library significantly improves students' learning outcomes and teaching quality.Keywords maritime colleges and universities; college physics; application case library

大學(xué)物理課程是高等學(xué)校理、工、農(nóng)、醫(yī)科類本科各專業(yè)學(xué)生必修的一門公共基礎(chǔ)課，其重要性不言而喻。該課程不僅是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和工程能力的重要環(huán)節(jié)，更是后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)[1-2]。隨著我國高等教育的普及和深化，國家對高等教育教學(xué)質(zhì)量提出了更高的要求，在國家大力推進(jìn)新工科建設(shè)和教育信息化的大背景下，培養(yǎng)創(chuàng)新型、應(yīng)用型、技能型人才是時代發(fā)展的必然要求[3]。這意味著人才培養(yǎng)必須多維融合，來應(yīng)對經(jīng)濟社會發(fā)展過程中面臨的各種系統(tǒng)性、復(fù)雜性、交叉性、綜合性新問題。公共基礎(chǔ)課在其中就起到“粘合劑”的作用，在教學(xué)過程中要敢于打破學(xué)科專業(yè)壁壘，促進(jìn)各學(xué)科專業(yè)間的交叉融合，而傳統(tǒng)“一刀切”的教學(xué)模式已無法滿足當(dāng)前多樣化的教學(xué)需求。

目前，國家級大學(xué)物理精品課程、一流課程已較為完備，但這些課程面向所有理、工、農(nóng)、醫(yī)科類專業(yè)學(xué)生，課程內(nèi)容單一，缺乏與實際應(yīng)用的結(jié)合，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而影響教學(xué)效果。此外，隨著新技術(shù)、新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)，對物理知識的應(yīng)用提出了新的要求。物理教學(xué)內(nèi)容必須與時俱進(jìn)，緊跟科技發(fā)展的步伐，學(xué)生在掌握基礎(chǔ)理論的同時還需將其應(yīng)用于解決實際問題，更好地培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力[4]。為了解決上述問題，本文提出在船舶海洋特色本科院校中，根據(jù)不同專業(yè)特點建立大學(xué)物理應(yīng)用案例庫，并利用這些案例庫開展有針對性的教學(xué)工作。以江蘇科技大學(xué)開設(shè)大學(xué)物理課程的新工科專業(yè)為例，建立與專業(yè)相關(guān)的應(yīng)用案例庫，分專業(yè)因材施教，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和理解能力，促進(jìn)教學(xué)內(nèi)容的多樣化，增強理論知識的應(yīng)用性，進(jìn)行教學(xué)改革的初步探索。

1" 大學(xué)物理課程應(yīng)用案例庫建立的必要性

江蘇科技大學(xué)作為一所以船舶海洋為特色的理工科高校，致力于服務(wù)國家海洋強國和科技強國戰(zhàn)略，突出“船舶、海洋、蠶桑”三大辦學(xué)特色，深入開展船舶與海工裝備制造等相關(guān)研究，努力建設(shè)國內(nèi)一流的造船大學(xué)。學(xué)校有十余個學(xué)院需開設(shè)大學(xué)物理課程，不同專業(yè)對物理知識的應(yīng)用側(cè)重點不同，因此，應(yīng)用案例庫能夠根據(jù)專業(yè)特點提供有針對性的教學(xué)內(nèi)容。例如，工程力學(xué)專業(yè)的學(xué)生可能需要更多關(guān)于力學(xué)的案例，而船舶與海洋工程專業(yè)的學(xué)生則需要同時關(guān)注力學(xué)和電磁學(xué)的應(yīng)用，海洋工程與技術(shù)專業(yè)的學(xué)生可能需要關(guān)注熱學(xué)和光學(xué)的應(yīng)用。大學(xué)物理課程是這些專業(yè)課程的基礎(chǔ)，根據(jù)不同專業(yè)的特點為每個專業(yè)量身定制案例，能夠有效避免理論知識與專業(yè)應(yīng)用之間出現(xiàn)斷層，更好地滿足不同專業(yè)學(xué)生的需求，有效地將物理知識應(yīng)用到各自的專業(yè)領(lǐng)域，為后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

此外，學(xué)生對課程內(nèi)容的興趣是影響學(xué)習(xí)效果的重要因素。通過實際案例的講解，學(xué)生能夠看到物理知識在實際生活和工程中的應(yīng)用，有助于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。比如，對于船舶與海洋工程專業(yè)的學(xué)生來說，在波動章節(jié)介紹多普勒效應(yīng)時，可以重點介紹聲吶技術(shù)的原理與應(yīng)用，并利用聲吶技術(shù)計算船舶前進(jìn)航速。這樣既增加了學(xué)習(xí)的趣味性、實用性，又有利于學(xué)生對物理抽象概念的理解，提高學(xué)習(xí)效果。

2" 應(yīng)用案例庫的構(gòu)建策略

2.1" 基于專業(yè)需求的案例庫內(nèi)容設(shè)計

應(yīng)用案例庫的內(nèi)容設(shè)計需要針對不同專業(yè)的需求，提供具有代表性的與課程理論知識相關(guān)的案例。這些案例應(yīng)涵蓋各專業(yè)在實際應(yīng)用中常見的問題，使學(xué)生能夠更好地理解和運用物理知識。

作為一所以船舶與海洋工程為特色的理工科大學(xué)，江蘇科技大學(xué)需要開設(shè)大學(xué)物理課程的主要有船舶與海洋工程、工程力學(xué)、電子信息工程、材料科學(xué)與工程、能源與動力工程等30余個專業(yè)。這些專業(yè)大學(xué)物理課程的教學(xué)任務(wù)統(tǒng)一由理學(xué)院教師承擔(dān)，不同專業(yè)對物理理論知識各有側(cè)重，需要深挖教材內(nèi)容和科研實例，將理論知識與專業(yè)應(yīng)用有機地融入課程體系當(dāng)中。例如①針對船舶與海洋工程專業(yè)的學(xué)生：在力學(xué)部分，通過計算水作用在大壩上的力及力矩幫助學(xué)生理解剛體力學(xué)的應(yīng)用。在光學(xué)部分，研究海洋環(huán)境中的光學(xué)現(xiàn)象，分析水下光傳輸和成像技術(shù)，幫助學(xué)生理解如何利用水下成像和光纖傳感技術(shù)監(jiān)測海洋環(huán)境。②針對工程力學(xué)專業(yè)的學(xué)生：在力學(xué)部分，通過研究齒輪傳動系統(tǒng)的受力情況，計算齒輪嚙合力和軸向力，并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計優(yōu)化。③針對材料科學(xué)與工程專業(yè)的學(xué)生：在光學(xué)部分，利用波動光學(xué)等厚干涉的知識，測量材料的膨脹系數(shù)、檢測薄膜材料的平整度。

2.2" 案例庫的分類與分層設(shè)計

為了滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣，案例庫設(shè)計分為基礎(chǔ)層、提高層和應(yīng)用層，每個層次側(cè)重于不同的教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容深度，同時提供各專業(yè)典型案例的共享，以促進(jìn)學(xué)生對大學(xué)物理理論知識應(yīng)用的自主探索和理解[5]。①基礎(chǔ)層：適合所有學(xué)生，重點講解基本概念和原理。包括本專業(yè)在力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等方面的基礎(chǔ)案例。②提高層：適合學(xué)有余力的學(xué)生，注重理論的深度和廣度。包括復(fù)雜的理論分析和與專業(yè)相關(guān)的高級應(yīng)用案例。③應(yīng)用層：結(jié)合實際問題，培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維。包括跨學(xué)科和實際工程問題案例，鼓勵學(xué)生綜合運用所學(xué)知識解決實際問題。通過分層設(shè)計和案例共享，學(xué)生可以根據(jù)自身對知識的掌握情況和個人興趣，有針對性地選擇和深入學(xué)習(xí)與各專業(yè)相關(guān)的大學(xué)物理理論知識，從而提高學(xué)習(xí)效果和實際應(yīng)用能力。

2.3" 案例庫的更新與維護(hù)

為保證案例庫內(nèi)容的前沿性和實用性，定期對案例庫進(jìn)行更新和維護(hù)，需要采取以下具體措施。①定期引入最新科研成果和技術(shù)開發(fā)，使之融會貫通。例如，納米材料在材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的應(yīng)用、新能源技術(shù)在能源領(lǐng)域的創(chuàng)新以及人工智能技術(shù)在智能制造方面的應(yīng)用等，都可以成為案例庫中的新內(nèi)容。②收集學(xué)生、教師對案例庫內(nèi)容的反饋意見，并據(jù)此對案例進(jìn)行修訂和更新。③建立與科研單位、企業(yè)、行業(yè)協(xié)會的合作關(guān)系，獲取更多工程實際案例及技術(shù)問題。這樣可以確保案例庫內(nèi)容的真實性和實用性，以便更好地解決實際問題。④建立教師和學(xué)生的交流平臺，促進(jìn)案例庫中典型案例和教學(xué)經(jīng)驗的分享和討論。通過在線論壇、研討會、學(xué)術(shù)交流會議等多種形式，鼓勵教師和學(xué)生積極參與，共同探討案例教學(xué)的有效方法和應(yīng)用策略。這些具體措施的實施不僅有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗和學(xué)習(xí)效果，還有助于大學(xué)物理課程教學(xué)改革的持續(xù)推進(jìn)。

3" 大學(xué)物理課程建設(shè)的實踐案例與效果評估

3.1" 不同專業(yè)教學(xué)案例分享

針對船舶與海洋工程專業(yè)，在課程中融入與專業(yè)應(yīng)用相關(guān)的案例。在講授牛頓定律時，通過對航母攔阻索攔阻力的計算，幫助學(xué)生理解和運用牛頓運動定律、能量守恒等基本力學(xué)原理，為該專業(yè)學(xué)生日后解決本專業(yè)航道相關(guān)設(shè)計打好基礎(chǔ)。

針對電子信息工程專業(yè)，在電磁學(xué)部分講解電磁感應(yīng)原理和電磁場傳播特性在無線充電系統(tǒng)中的應(yīng)用。學(xué)生需要根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律分析無線充電器的工作原理，計算其感應(yīng)電動勢。該案例幫助學(xué)生理解和應(yīng)用電磁感應(yīng)的基本原理，增強該專業(yè)學(xué)生解決實際工程問題的能力。

針對材料科學(xué)與工程專業(yè)，在光學(xué)部分介紹激光加工技術(shù)在材料表面處理中的應(yīng)用實例。介紹激光的產(chǎn)生、傳播和與材料相互作用的原理，講解激光切割和焊接的基本原理。將物理學(xué)理論知識與前沿科技產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，在開拓材料專業(yè)學(xué)生視野的同時，也能夠幫助學(xué)生理解光學(xué)相關(guān)知識，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.2" 教學(xué)效果評估

在效果評估方面，對比實施課程應(yīng)用案例庫建設(shè)前后的教學(xué)質(zhì)量評價、學(xué)生滿意度調(diào)查、教師專業(yè)發(fā)展等多元化評價內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對理論知識的掌握程度、學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)新思維和實踐能力均有明顯提升。通過問卷和課堂反饋，學(xué)生普遍反映針對專業(yè)的應(yīng)用案例能夠很好地將理論知識應(yīng)用于實際工程中，學(xué)習(xí)興趣和理解能力大幅提高。與科研機構(gòu)和企業(yè)的合作，不僅豐富了案例庫的內(nèi)容，也推動了教師在科研和教學(xué)方面的專業(yè)發(fā)展。案例庫的分類與分層次教學(xué)使得不同基礎(chǔ)的學(xué)生都能在適合自己的層次上學(xué)習(xí)，提高了教學(xué)的針對性和有效性。基礎(chǔ)層學(xué)生對基本概念和原理的掌握更加牢固，提高層學(xué)生在理論理解和應(yīng)用上有了更大的提升，應(yīng)用層學(xué)生在實際問題解決和創(chuàng)新能力上得到了鍛煉。如圖1所示，我校2022級和2023級工科專業(yè)學(xué)生大學(xué)物理期末平均成績較2019―2021級總平均成績均有5分左右的提升。

圖1 實施應(yīng)用案例庫前后大學(xué)物理期末平均成績柱狀圖

圖2給出了2019―2021級與2022級，2023級大學(xué)物理期末成績各分?jǐn)?shù)段人數(shù)占比的餅狀圖，從圖中可以看出在實施應(yīng)用案例庫后90―100高分段學(xué)生占比提高了近6%，同時不及格學(xué)生占比顯著減少。另外，應(yīng)用案例庫實施前，大多數(shù)學(xué)生的成績分布在60―79分段，約占70%；而在實施了案例庫之后，學(xué)生的期末成績則更多分布在70-89分段。同時，成績在80―89分的學(xué)生比例顯著提高，2022級和2023級分別比2019―2021級提高了10.94%和11.54%，說明實施應(yīng)用案例庫后學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有了明顯的提升。

圖2 實施應(yīng)用案例庫前后大學(xué)物理期末成績

各分?jǐn)?shù)段人數(shù)占比餅狀圖

4" 結(jié)論

本研究在船舶海洋特色本科院校建立大學(xué)物理課程應(yīng)用案例庫，并根據(jù)不同專業(yè)特點因材施教，取得了顯著的教學(xué)效果。在引入應(yīng)用案例庫中與專業(yè)相關(guān)的應(yīng)用案例后，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度顯著提高，學(xué)習(xí)效果明顯改善，教學(xué)質(zhì)量得到了大幅提升。然而，課程應(yīng)用案例庫建設(shè)是一項長期而系統(tǒng)的工程，仍需在實踐中持續(xù)探索和完善，未來可以進(jìn)一步探索案例庫的動態(tài)更新機制，以及案例庫在其他課程中的應(yīng)用，推動高等教育教學(xué)改革的深入發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 李樺.構(gòu)建應(yīng)用型本科院校工科大學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)初探[D].上海：上海師范大學(xué)，2008.

[2] 馬泰，張昕.應(yīng)用技術(shù)型大學(xué)物理課程建設(shè)研究[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（引文版）教育科學(xué)，2023（1）：65-68.

[3] 劉英，許梁，陳銅.新工科大學(xué)物理教學(xué)探究[J].科教導(dǎo)刊，2023（23）：62-64.

[4] 樓宇麗，王曉琴，王敏，等.新時代背景下大學(xué)物理課程一體化建設(shè)實踐與探索[J].高教學(xué)刊，2022，8（32）：94-97.

[5] 楊先衛(wèi)，陳秋紫，趙小云，等.構(gòu)建“跨情境融合”的大學(xué)物理立體化教學(xué)體系的探索與實踐[J].物理通報，2024，43（1）：2-6.