张连庆 张辉 史博 韩佳佳 麻晓敏
摘要：由于大学物理中部分内容抽象理论性强，且不易借助演示实验来教学，仅借助传统的多媒体手段教学效果不理想。笔者基于智慧教室在课前、课中、课后3个环节将信息技术与大学物理教学深度融合，强化教学互动，提高教学效率，同时将前沿性、紧贴生活的实际应用性内容，以及将课程思政元素融入教学。通过上述措施，以期为基于智慧教室的信息化教学实践提供一定借鉴。
关键词：智慧教室;大学物理;黑体辐射;教学设计
Teaching Practice and Exploration of College Physics based on Wisdom Classroom
——Taking the Teaching Design of "Black-body Radiation" as an Example
ZHANG Lianqing ZHANG Hui SHI Bo HAN Jiajia
MA Xiaomin
（Section of Physics T&R， Department of Basic Sciences， PLA Army Academy of Artillery and Air Defense， Hefei， Anhui Province， 230031 China）
Abstract： Because part of the content in college Physics is abstract and theoretical， and it is not easy to teach with the help of demonstration experiment， the teaching effect is not ideal only with the help of traditional multimedia means. based on the wisdom classroom， the author deeply integrates information technology and college Physics teaching in the three links： before， during and after class， strengthens teaching interaction， improves teaching efficiency， and integrates cutting-edge， practical application content close to life and curriculum ideological and political elements into teaching. Through the above measures， we hope to provide some reference for the information-based teaching practice based on wisdom classroom.
Key Words： Wisdom classroom; College Physics; Black-body radiation; Teaching design
现阶段，不少高校教员虽制作了幻灯片利用了多媒体辅助教学，但教学手段并未实质改变，不过是将“粉笔加黑板”换成了“鼠标加大屏幕投影”的多媒体课堂灌输模式。这种教学仍以传统课堂教学方式——“传递—接受”式为主[1]，忽略了智慧化校园环境的应用，将现代化信息技术手段的运用拒之门外，其过多强调知识的讲授，缺乏与学生的深度互动与沟通，抑制了学生学习的主动性。
智慧教室是在物联网、云计算、大数据等新兴信息技术的推动下，教室信息化建设所呈现的最新形式，智慧教室主要由资源平台、交互电子白板、电子书包及其他相关辅助设备组成，是目前信息化教学环境的高级形态，智慧教室因其智能化、交互性成为高效的教学信息化工具[2]。
2016年7月，教育部颁发《教育部关于中央部门所属高校深化教育教学改革的指导意见》，其中第五条明确规定“着力推进信息技术与教育教学深度融合”。当前，如何以智慧教室为依托，充分发挥其智能化和交互性的优势，强化教学互动，真正意义上做到“以教员为主导，以学员为主体，提升信息化教学质量”，这是当前高校教员必须要思考的问题。
笔者结合大学物理教学探索实践，在智慧教室环境下，充分利用现代化信息技术调动学员学习积极性和主动性，加强师生互动，“教书”的同时不忘“育人”，注重学员思维能力和综合素质的培养。下面以大学物理课程中的“黑体辐射”为例，通过对教学内容反复打磨做了以下的教学设计方案，以期为大学物理课程基于智慧教室的信息化教学实践提供一定借鉴。
1 总体设计思路
课前利用学院智慧教室将制作好的课件、录制的微课视频、参考资料等提前发送给学员，学员通过电子书包可实现课前学习，这样即可节省课堂教学时间又可锻炼学员自学能力[3]。
课堂中首先由二战时美日的冲绳岛战役及大家生活中常见的一个现象入手，开门见山提出两个思考题，触动学员思维神经激发探究热情。然后针对热辐射知识点，依次采用定性分析、智慧教室环境下互动探讨、定量研究的顺序对学员启发引导，逐步得出结论，并与课堂导入的思考题相呼应，让学员自己利用所学知识解决实际问题[4]。针对黑体辐射的基本规律，将实际案例（如医学利用红外成像图判断静脉曲张，军事中用红外夜视装备侦察等）引入课堂理论联系实际，并用智慧教室当堂发布问题，根据学员回答问题的在线数据分析及时调整教学进度。接着引导学员由黑体热辐射实验规律上升到理论，在从理论上寻找符合实验的函数式的过程中，依次按照症结出现、化解矛盾、新理论的誕生的顺次层层推进。最后围绕“热辐射与节能环保”引入课程思政，加强学员社会责任感的培养，教书不忘“立德树人”。
课后通过智慧教室爱课堂平台发布关于“黑体与黑洞”的线上探究题，教员线上对学员提交结果及时给予评价并答疑。
2 教学设计方案
2.1 课前——线上自主学习并完成预习题
课前通过智慧教室的爱课堂平台将制作好的课件、微课视频、参考资料线上推送给所建班级学员，学员通过电子书包可实现课前学习，并线上完成教员发布的课前预习题，具体内容如表1所示，教员通过课前学习的完成质量间接获悉学员的知识储备情况，以便对课程内容进度和深度进行调整[5，6]。
2.2 课堂引入——触动思维神经，激发学习兴趣
开门见山，介绍二战时美日冲绳岛战役及后期美军的新装备，播放有视觉冲击力的相关冲绳岛战役的动画，提出思考题一：冲绳岛战役中美军装备的红外夜视仪为何在漆黑的夜晚也能精准的锁定目标？。然后播放生活中随处可见的远处建筑物图片（如图1所示），提出思考题二：白天为什么从远处看建筑物窗口是黑色的？由冲绳岛战役及生活常见现象为着眼点，留下悬念，触动学员思维神经，激发学院的学习及探索热情。
2.3 热辐射
开尔文展望20世纪科学时指出“在物理学晴朗天空的远处，还飘着两朵令人不安的乌云”，正是这两朵乌云诱发了相对论和量子论的诞生，其中一朵乌云来自黑体热辐射实验，到底什么是热辐射什么是黑体呢？由此引出以下的教学内容。
2.3.1 定性分析
首先讲解“定性分析什么是热辐射？”并举例说明热辐射现象，例如，加热火炉时，开始只感觉到它发热不见发光，随着温度升高，它变成暗红色、红色，继续升温炉火变成青色的了，由此引出古代道士炼丹根据火焰颜色判断炼丹是否成功的典故，随之引出成语“炉火纯青”一词，挖掘该成语中所蕴含的物理热辐射的知识。文学元素的融入即可以提高大学物理课堂的生动性，又可以培养学员的发散思维能力，激发学员的兴趣[7]。
2.3.2 互动探讨
既然通过上述定性分析教学可知任何物体在任何温度下都在发射电磁波，那教员也在不停发射电磁波，于是利用智慧教室当堂下发讨论题：裸眼为什么看不见教员辐射的电磁波？鼓励学员以弹幕的形式发送答案，也可以用智慧教室的挑人、抢答功能请学员回答[8]。通过智慧化校园环境下教学信息化手段的运用，可以活跃课堂气氛，调动学员主动学习的积极性，提高教学的互动性。
2.3.3 定量研究
“前面只是定性分析了热辐射，如何定量描述物体热辐射的本领？”对于这一问题不应直接给出结论，而是应先请学员思考下加热物体到不同温度发光颜色不同，说明同一物体在不同温度下辐射的能量相同吗？同一物体在同一温度下10min内和1h内辐射能量相同吗？相同条件下，在不同波段范围内辐射的能量相同吗？一步步逐渐引导学员得出辐射能和哪些因素有关，进而为了定量地表明物体热辐射的规律，需要引入几个物理量：单色辐射出射度（单色辐出度） 、总辐射出射度（辐出度） 。物体热辐射不仅依赖温度，还和物体材料性质有关。有没有一类物体辐射本领不依赖于组成 成分呢？于是逐渐引出一个理想模型—黑体模型，以此作为热辐射研究的标准物体。绝对黑体在自然界不存在，如何找到近似黑体的物体呢？接着引出开有小孔的空腔近似看做黑体。
2.3.4 与前呼应
思考题一：白天为什么从远处看建筑物窗口是黑色的？针对课堂一开始的思考题一，请学员讨论并给出解释。这样可以与课堂引入的问题前后呼应，教学设计紧凑。通过思考题使学员理解远处看带有窗口的建筑物实际就是一近似黑体。从身边常见现象入手，理论联系实际，将“黑体”这一抽象的模型具体化，加深学员对教学内容的理解。
2.4 黑体辐射的基本规律
借助于空腔型黑体进行测量，可得到黑体不同温度下的能谱曲线。分析这些实验曲线可以得到如图2所示的黑体辐射的两条基本规律：斯特藩—玻尔兹曼定律、维恩位移定律。
2.4.1 实验定律的实际应用
从多方面讨论黑体辐射的两条基本规律应用，理论联系实际，开阔知识视野，培养学员综合应用能力。
（1）测高温：先让学员思考太阳温度如何测量？接着如图3得出通过测量太阳的谱线分布，根据峰值波长由维恩定律，就可估算出T。类似地金属冶炼炉内的高温也可以用这种方法测量。
（2）医学应用：如图4所示，人体各部分区域温度热辐射存在差异，通过热像仪转换成可见光图象，通过比较可以帮助医生诊断病情。
（3）军事侦察：如图5所示，借助带有热成像仪的武器可以看到隐蔽在树丛中的人员，使依靠自然的伪装完全失效。
根据黑体辐射的基本规律，请学员讨论回答课堂一开始引入的思考题二“冲绳岛战役中美军装备的红外夜视仪为何在漆黑的夜晚也能精准的锁定目标？”加强师生互动，并与前面的问题相呼应。
2.4.2 利用智慧教室的及时性检测学习效果
课堂上由智慧教室发布思考题如图6所示，该题不仅要求学员会用黑体辐射规律公式，还要求有一定的基本知识储备如估算动物、炮弹，导弹的大致温度，培养学员灵活应用基本概念和基本规律，利用所学理论知识分析和解决复杂问题的能力。
课堂上通过智慧教室对学员答题结果数据分析、学员答题过程界面监控掌握学情，以便教员对课程进度进行调整，学员也可利用智慧教室的互动性，以弹幕的形式提出疑问以便及时得到解答。
2.5 普朗克的能量子假说和黑体辐射公式
教师应首先提出问题：黑体热辐射两条实验规律（斯特藩—玻尔兹曼定律、维恩位移定律）——找到了，实验曲线——画出来了。再上升到理论，但黑体辐射两基本规律都没有涉及單色辐射强度的具体函数形式。如何从理论上找到符合实验的函数式？
2.5.1 症结出现
许多理论物理学家如维恩、瑞利、金斯等为此做了艰苦地努力，但最终都失败了。维恩公式和瑞利-金斯公式都是用经典物理学的方法来研究热辐射所得的结果，都与实验结果不符，如图7所示，尤其按照按瑞利-金斯公式，当0时，M（T）∞，完全与实验结果不符，物理学史上称为“紫外灾难”。“紫外灾难”明显地暴露了经典物理学的缺陷，而理论上却找不出错误，引导学员发现症结。
2.5.2 化解矛盾
症结出现，如何破解呢？针对这一问题，普朗克认为一个在全波段都正确的公式应该以维恩公式为短波极限，以瑞利-金斯公式为长波极限。如何去找这样的一个公式呢？为了解决上述困难，普朗克利用内插法将适用于短波范围的维恩公式和适用于长波范围的瑞利-金斯公式衔接起来，在1900年提出了一个新的公式，即黑體辐射公式，实验物理学家鲁本斯把它同最新的实验结果比较，发现在全波段与实验结果惊人符合。
2.5.3 新理论的诞生
黑体辐射公式在全波段都与实验很好吻合，从理论上找到符合实验的函数式的任务似乎完成了，但是暴露了经典物理学缺陷的“紫外灾难”的困惑还未实质性解决。普朗克意识到若仅仅是一个侥幸推测出来的内插公式，其价值只能是有限的，必须寻找这个公式的理论根据。于是普朗克打破了经典物理学中能量连续的观念，大胆提出了能量的量子化假设，利用能量量子化假设，从理论上重新推出了这个与实验吻合的非常好的普朗克公式，这是物理学史上第一次提出了量子的概念。
“幽谷弹琴伴孤影，高山流水觅知音。”若将普朗克比作“俞伯牙”，那爱因斯坦就是他的知音“钟子期”，事实上第一个认识到普朗克假说的伟大意义的是爱因斯坦，课堂中将以上中国文学元素融入教学，丰富教学内容，加强对学员的人文熏陶。
2.6 拓展研究——课程思政
如图8所示，实验测得白炽灯钨丝表面及太阳表面的单色辐出度和频率的关系曲线，由图知在太阳发的光中可见光占相当大的成分，而钨丝发的光中可见光极少，向学员提问：钨丝辐射能量主要集中在哪？引导学员得出结论：白炽灯钨丝表面绝大部分辐射能量在红外区域，用于发热，浪费能源。再让学员思考图8给人们的启示是什么？白炽灯必须淘汰，紧接着顺其自然地让学员围绕节能环保展开探讨。通过以上问题的探讨，将热辐射与节能环保联系起来，不仅教书，更要育人，以知识为载体，培养学员“节能环保”的社会责任感和使命感，提高学员的综合素质[9]。
2.7 课后探究——黑体与黑洞
由北京时间2019年4月10日21时人类首张黑洞照片问世，提出“什么是黑洞？黑体与黑洞的区别？”，将此问题通过智慧教室发送给学员作为课后探究题，要求学员通过电子书包将答案传送到智慧教室的爱课堂平台，教员再及时给予评价。通过该问题的设置在教学中可巧妙地融入与教学有关的国内外最新研究动态，即丰富了课程内容又牢牢抓住学员兴趣点激发了探索热情，同时又赋予了课程内容前沿及时代气息。
3结语
以上是笔者结合多年的教学探索实践，基于智慧教室所进行的黑体辐射教学设计，其有以下3个方面特点：第一，课前、课中、课后3个环节充分融入智慧教室手段，调动学生学习的积极性、主动性和探索热情，利用智慧教室即时反馈系统及时了解学员学习情况，灵活调整教学内容和进度，借助信息技术与大学物理教学的深度融合强化教学互动，提高教学效率，真正意义上做到“以教员为主导，以学员为主体，提升信息化教学质量”;第二，教学中并不是直接给出各知识结论，而是由现象或问题入手，环环相扣一步一步启发引导学员得出结论，注重揭示知识形成过程，从教学思想上改革创新;教学设计中改变纯理论知识灌输式传统模式，加入了红外军事侦察、医学病变检测等实际应用，将理论与应用相结合，开阔知识视野、培养综合应用能力;第三，教学设计中借助知识形成过程展现思维方法、弘扬人文精神，激发学员探索精神、创新欲望，以及敢于向旧观念挑战的精神。教学中贯穿对学员社会责任感、正确价值观的培养，自然引入“课程思政”，“教书”更要“育人”。
参考文献
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[9]姚星星，陈水桥，郑远，等.物理实验课程中“课程思政”融合式教学模式建设与探索[J].大学物理实验，2021，34（2）：106-110.
基金项目：陆军炮兵防空兵学院2020年院自主立项项目（项目编号：PFXY200101019）
作者简介：张连庆（1984.01-），女，汉族，安徽六安人，陆军炮兵防空兵学院基础部物理教研室讲师，硕士，研究方向：大学物理教学及军事教育训练研究
