新農(nóng)科背景下毛細(xì)現(xiàn)象教學(xué)案例設(shè)計(jì)

李忠秀 熊新農(nóng) 陸丹 孫文章

摘? 要：針對(duì)農(nóng)林院校大學(xué)物理課程教學(xué)缺乏農(nóng)林生物類等專業(yè)特色，在新農(nóng)科建設(shè)的多學(xué)科深度交叉融合背景下，該文以大學(xué)物理“毛細(xì)現(xiàn)象”知識(shí)點(diǎn)為例，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)對(duì)象設(shè)計(jì)教學(xué)案例，營(yíng)造農(nóng)林生物教育情境，以期實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理與專業(yè)的交叉融合，使學(xué)生充分意識(shí)到大學(xué)物理的研究方法和思維方式對(duì)后續(xù)專業(yè)課學(xué)習(xí)與研究的基礎(chǔ)性和重要性作用，提高學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)分析和解決問題的能力，提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：新農(nóng)科? 大學(xué)物理? 毛細(xì)現(xiàn)象? 案例教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2020）11（a）-0171-03

Case Design of Capillary Phenomenon Teaching under the Background of New Agricultural Science

LI Zhongxiu? XIONG Xinnong? LU dan? SUN Wenzhang

（College of Technology， Jiangxi Agricultural University， Nanchang， Jiangxi Province，330045? China）

Abstract： In view of the lack of agricultural and forestry biological characteristics in the teaching of College Physics in agricultural and forestry colleges， in the context of the deep interdisciplinary integration of new agricultural science construction， this paper takes the "capillary phenomenon" knowledge points of university physics as an example， designs teaching cases according to the teaching content and teaching objects， and creates the teaching situation of agricultural and forestry biology， so as to realize the cross integration of university physics and specialty and make students learn Students are fully aware of the basic and important role of college physics research methods and thinking mode for the follow-up professional courses learning and research， improve students' comprehensive ability to analyze and solve problems by using theoretical knowledge， and improve the quality of teaching.

Key Words： New agricultural; University physics; Capillary phenomenon; Case teaching

2019年6月28日《安吉共識(shí)》指出：開創(chuàng)農(nóng)林教育新格局，走融合發(fā)展之路，打破固有學(xué)科邊界，破除原有專業(yè)壁壘，推進(jìn)農(nóng)工、農(nóng)理、農(nóng)醫(yī)、農(nóng)文深度交叉融合創(chuàng)新發(fā)展，這一論述為新農(nóng)科建設(shè)指明了方向。各農(nóng)林高校也就“如何建設(shè)新農(nóng)科，培養(yǎng)創(chuàng)新型農(nóng)林人才”進(jìn)行了許多新的研究、探索和實(shí)踐[1-4]。教學(xué)案例的選取需要準(zhǔn)確把握學(xué)生的學(xué)科內(nèi)容和專業(yè)特點(diǎn)，以便讓不同專業(yè)的學(xué)生能夠了解到專業(yè)知識(shí)中的物理問題和物理模型[5]。為使學(xué)生充分認(rèn)識(shí)大學(xué)物理知識(shí)和思維方法對(duì)農(nóng)林生物類專業(yè)學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)與研究的基礎(chǔ)性和重要性作用，案例教學(xué)的實(shí)施不能看作案例+簡(jiǎn)單的理論解釋的過程，教師應(yīng)逐步啟發(fā)學(xué)生建立起物理知識(shí)和專業(yè)知識(shí)、理論和實(shí)踐的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)專業(yè)問題構(gòu)建起物理模型，形成和增強(qiáng)物理思維能力。毛細(xì)現(xiàn)象是農(nóng)科類大學(xué)物理中的重要內(nèi)容，在實(shí)際的農(nóng)林牧生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。不過，這一知識(shí)點(diǎn)學(xué)生在中學(xué)階段有所了解。因此，講授過程中，要注意升華到微觀解釋和理論的定量分析層面上，進(jìn)行合理的教學(xué)設(shè)計(jì)，營(yíng)造合適的農(nóng)林專業(yè)教育情境，滲透專業(yè)思想，融入學(xué)術(shù)應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)力和興趣。

1? 毛細(xì)現(xiàn)象知識(shí)點(diǎn)綜述和學(xué)情分析

1.1 毛細(xì)現(xiàn)象知識(shí)點(diǎn)綜述

毛細(xì)管是內(nèi)徑很細(xì)的管子，內(nèi)徑通長(zhǎng)，液體能夠在毛細(xì)管中上升或下降的現(xiàn)象，稱為毛細(xì)現(xiàn)象。毛細(xì)現(xiàn)象是表面張力和潤(rùn)濕或不潤(rùn)濕現(xiàn)象共同作用的結(jié)果。

毛細(xì)現(xiàn)象在工程技術(shù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中都有著重要的作用。在工程技術(shù)中利用毛細(xì)現(xiàn)象可使?jié)櫥屯ㄟ^孔隙進(jìn)入機(jī)器零件中潤(rùn)滑機(jī)器。動(dòng)物體內(nèi)的微血管及植物體內(nèi)的導(dǎo)管都可以視為很細(xì)的毛細(xì)管，故毛細(xì)現(xiàn)象在農(nóng)學(xué)、生物學(xué)的研究中均起著很重要的作用。

首先從分子層面上對(duì)潤(rùn)濕、不潤(rùn)濕現(xiàn)象和接觸角的概念進(jìn)行微觀分析。如圖1所示，根據(jù)彎曲液面附加壓強(qiáng)和流體靜力學(xué)原理推導(dǎo)液體在毛細(xì)管中上升（或下降） 的高度的朱倫（Jurin）公式：

（1）（1）（

式中，r為毛細(xì)管半徑;α為液體的表面張力系數(shù)，θ為接觸角。公式表明毛細(xì)管中液面上升（或下降）的高度 h與液體的種類（決定于液體密度ρ和表面張力系數(shù)α）、組成毛細(xì)管的材料（由液體和毛細(xì)管決定接觸角θ）及毛細(xì)管的內(nèi)徑r有關(guān)。在液體不潤(rùn)濕管壁的情況下，管內(nèi)液面呈凸液面，接觸角為鈍角，，因此，表示管內(nèi)液面下降的高度。

1.2 教學(xué)對(duì)象及教學(xué)目標(biāo)分析

授課對(duì)象是農(nóng)林、動(dòng)科、生工學(xué)院各專業(yè)學(xué)生，入學(xué)成績(jī)相對(duì)其他專業(yè)較高，基礎(chǔ)較好，知識(shí)接受能力較強(qiáng)。班級(jí)整體學(xué)風(fēng)良好，課堂參與度較高。

此知識(shí)點(diǎn)應(yīng)使學(xué)生對(duì)毛細(xì)現(xiàn)象的理論熟練掌握，才能夠在解決實(shí)際問題、分析相關(guān)現(xiàn)象以及進(jìn)一步應(yīng)用原理進(jìn)行建模時(shí)駕輕就熟。從能力培養(yǎng)上，應(yīng)突出農(nóng)林生物教育情境的營(yíng)造，通過對(duì)實(shí)例的定量分析，領(lǐng)會(huì)對(duì)實(shí)際問題進(jìn)行抽象，構(gòu)建物理模型這一物理方法，使學(xué)生深刻理解理論解釋現(xiàn)象、指導(dǎo)實(shí)踐，反過來實(shí)踐驗(yàn)證理論這一物理思維，突出物理原理在農(nóng)林生物專業(yè)上的應(yīng)用意識(shí)。

1.3 教學(xué)重難點(diǎn)分析

無論是對(duì)自然現(xiàn)象的解釋，還是現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和設(shè)計(jì)都應(yīng)溯源于基礎(chǔ)理論，才能事半功倍，有本可依。另外，大學(xué)物理的理論是獨(dú)立的，其應(yīng)用可輻射自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域和學(xué)科，在教學(xué)中不可舍本逐末，因此毛細(xì)現(xiàn)象的微觀解釋和朱倫公式的應(yīng)用是該知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)重點(diǎn)。

從實(shí)際問題中抽象構(gòu)建出物理模型應(yīng)作為該章節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)。如何從現(xiàn)實(shí)中復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)中抽象出簡(jiǎn)化的物理模型，對(duì)一些條件如何取舍，從而構(gòu)建出實(shí)踐與理論之間的橋梁，這是對(duì)物理理論學(xué)習(xí)的一種升華。

2? 毛細(xì)現(xiàn)象的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想和教學(xué)方法

遵循建構(gòu)主義思想，按照“現(xiàn)象—物理理論—農(nóng)業(yè)實(shí)踐和應(yīng)用”的認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，突出啟發(fā)式和案例法教學(xué)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體性和教師的主導(dǎo)性。通過創(chuàng)設(shè)情境和農(nóng)林生物學(xué)科專業(yè)教育素材的融入學(xué)生專業(yè)，滲透學(xué)術(shù)思想，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，增強(qiáng)教學(xué)過程的互動(dòng)性。

以多媒體、板書、演示實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式進(jìn)行課堂教學(xué)呈現(xiàn)，主要運(yùn)用：多媒體—— 教學(xué)情境導(dǎo)入和營(yíng)造農(nóng)業(yè)特色;講授法—— 注重物理理論推導(dǎo)的嚴(yán)謹(jǐn)性;演示實(shí)驗(yàn)—— 增強(qiáng)學(xué)生對(duì)毛細(xì)現(xiàn)象的表觀印象;案例和例題—— 結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，引發(fā)思考和討論，活躍課堂氣氛。

2.2 與專業(yè)關(guān)聯(lián)案例的選取及物理模型構(gòu)建

融入農(nóng)林生物類教育素材于課堂，將增強(qiáng)課堂的吸引力與學(xué)習(xí)物理的積極性。能反映毛細(xì)現(xiàn)象應(yīng)用的農(nóng)業(yè)背景和案例較多，在選擇過程中，應(yīng)優(yōu)先選擇與專業(yè)緊密關(guān)聯(lián)的案例。比如，如何保持土壤水分是農(nóng)學(xué)院各專業(yè)（農(nóng)學(xué)、園藝、茶學(xué)、植保和種子科學(xué)與工程等專業(yè)）學(xué)生在專業(yè)學(xué)習(xí)中會(huì)遇到的一個(gè)重要問題，下面就土壤中的懸著水進(jìn)行分析，去繁就簡(jiǎn)，抽象出物理模型。

土壤顆粒之間自然構(gòu)成許多彎曲的可看作毛細(xì)管的縫隙，懸著水兩端均與大氣相通，外部壓強(qiáng)均為大氣壓。同時(shí)，水能潤(rùn)濕土壤，所以懸著水的上、下兩端面均是凹形液面。這樣就把現(xiàn)實(shí)問題抽象成了物理理論模型。下面應(yīng)用這一模型進(jìn)行分析，當(dāng)上端凹液面的曲率半徑RA小于下端凹液面B的曲率半徑RB時(shí)，上、下兩端凹液面所產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)之差與毛管懸著水的重力相平衡。毛細(xì)管懸著水不動(dòng)，即：

則毛細(xì)管懸著水柱的高度為：

超過此高度的水將在重力作用下滲漏。

懸著水還會(huì)因環(huán)境溫度變化而發(fā)生移動(dòng)。例如晚間土壤表面層溫度迅速下降，如果A點(diǎn)溫度比B點(diǎn)低，A點(diǎn)的表面張力系數(shù)增大比增大要大得多，因此兩端面的附加壓強(qiáng)發(fā)生變化，其結(jié)果懸著水就由溫度高的B處向溫度低的A處移動(dòng)，因此拂曉時(shí)常見到的土壤表層水分比平常多。

3? 結(jié)語(yǔ)

在毛細(xì)現(xiàn)象教學(xué)中，基于學(xué)生專業(yè)導(dǎo)向，引入符合其專業(yè)背景和特點(diǎn)的教學(xué)案例，既豐富了教學(xué)內(nèi)容，又增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的動(dòng)力，尤其在新農(nóng)科背景下開展大學(xué)物理案例教學(xué)，有利于大學(xué)物理與農(nóng)林生物類專業(yè)的深度交叉融合，有利于物理理論和專業(yè)實(shí)踐的相互促進(jìn)，有利于開拓學(xué)生的學(xué)術(shù)視野和創(chuàng)新理念的形成。

參考文獻(xiàn)

[1] 賈貴儒，何志巍，劉玉穎.新農(nóng)科與物理學(xué)[J].物理與工程，2019，29（6）：116-121.

[2] 周建華，顏悅.新農(nóng)科建設(shè)與廣東高等農(nóng)業(yè)教育發(fā)展[J].高等農(nóng)業(yè)教育，2019（4）：12-17.

[3] 周雨青，張玉萍，董科.大學(xué)物理教學(xué)中引入“案例教學(xué)”模式的實(shí)踐[J].中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2011（10）：52-54.

[4] 謝知，陳麗敏，林斯樂.農(nóng)林類本科物理教學(xué)改革與實(shí)踐探索[J].教育現(xiàn)代化，2018，5（23）：78-80.

[5] 吳方平，楊軍，章曦，等.大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容與專業(yè)關(guān)聯(lián)研究[J].科技資訊，2019，17（21）：164，166.

[6] 鄭國(guó)輝.對(duì)農(nóng)林生科類專業(yè)的大學(xué)物理課程教學(xué)的幾點(diǎn)思考[J].教育現(xiàn)代化，2020，7（16）：138-139.

[7] 鄧海東.農(nóng)科院校大學(xué)物理理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探索[J].高教學(xué)刊，2015（11）：50-51.