新农科背景下毛细现象教学案例设计

李忠秀 熊新农 陆丹 孙文章

摘  要：针对农林院校大学物理课程教学缺乏农林生物类等专业特色，在新农科建设的多学科深度交叉融合背景下，该文以大学物理“毛细现象”知识点为例，根据教学内容和教学对象设计教学案例，营造农林生物教育情境，以期实现大学物理与专业的交叉融合，使学生充分意识到大学物理的研究方法和思维方式对后续专业课学习与研究的基础性和重要性作用，提高学生综合运用理论知识分析和解决问题的能力，提升教学质量。

关键词：新农科  大学物理  毛细现象  案例教学

中图分类号：G642                            文獻标识码：A文章编号：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《安吉共识》指出：开创农林教育新格局，走融合发展之路，打破固有学科边界，破除原有专业壁垒，推进农工、农理、农医、农文深度交叉融合创新发展，这一论述为新农科建设指明了方向。各农林高校也就“如何建设新农科，培养创新型农林人才”进行了许多新的研究、探索和实践[1-4]。教学案例的选取需要准确把握学生的学科内容和专业特点，以便让不同专业的学生能够了解到专业知识中的物理问题和物理模型[5]。为使学生充分认识大学物理知识和思维方法对农林生物类专业学生后续学习与研究的基础性和重要性作用，案例教学的实施不能看作案例+简单的理论解释的过程，教师应逐步启发学生建立起物理知识和专业知识、理论和实践的联系，引导学生对专业问题构建起物理模型，形成和增强物理思维能力。毛细现象是农科类大学物理中的重要内容，在实际的农林牧生产中有着广泛的应用。不过，这一知识点学生在中学阶段有所了解。因此，讲授过程中，要注意升华到微观解释和理论的定量分析层面上，进行合理的教学设计，营造合适的农林专业教育情境，渗透专业思想，融入学术应用，激发学生学习的动力和兴趣。

1  毛细现象知识点综述和学情分析

1.1 毛细现象知识点综述

毛细管是内径很细的管子，内径通长，液体能够在毛细管中上升或下降的现象，称为毛细现象。毛细现象是表面张力和润湿或不润湿现象共同作用的结果。

毛细现象在工程技术、农业生产和日常生活中都有着重要的作用。在工程技术中利用毛细现象可使润滑油通过孔隙进入机器零件中润滑机器。动物体内的微血管及植物体内的导管都可以视为很细的毛细管，故毛细现象在农学、生物学的研究中均起着很重要的作用。

首先从分子层面上对润湿、不润湿现象和接触角的概念进行微观分析。如图1所示，根据弯曲液面附加压强和流体静力学原理推导液体在毛细管中上升（或下降） 的高度的朱伦（Jurin）公式：

（1）（1）（

式中，r为毛细管半径;α为液体的表面张力系数，θ为接触角。公式表明毛细管中液面上升（或下降）的高度 h与液体的种类（决定于液体密度ρ和表面张力系数α）、组成毛细管的材料（由液体和毛细管决定接触角θ）及毛细管的内径r有关。在液体不润湿管壁的情况下，管内液面呈凸液面，接触角为钝角，，因此，表示管内液面下降的高度。

1.2 教学对象及教学目标分析

授课对象是农林、动科、生工学院各专业学生，入学成绩相对其他专业较高，基础较好，知识接受能力较强。班级整体学风良好，课堂参与度较高。

此知识点应使学生对毛细现象的理论熟练掌握，才能够在解决实际问题、分析相关现象以及进一步应用原理进行建模时驾轻就熟。从能力培养上，应突出农林生物教育情境的营造，通过对实例的定量分析，领会对实际问题进行抽象，构建物理模型这一物理方法，使学生深刻理解理论解释现象、指导实践，反过来实践验证理论这一物理思维，突出物理原理在农林生物专业上的应用意识。

1.3 教学重难点分析

无论是对自然现象的解释，还是现实应用和设计都应溯源于基础理论，才能事半功倍，有本可依。另外，大学物理的理论是独立的，其应用可辐射自然科学的各个领域和学科，在教学中不可舍本逐末，因此毛细现象的微观解释和朱伦公式的应用是该知识点的教学重点。

从实际问题中抽象构建出物理模型应作为该章节的教学难点。如何从现实中复杂的现实中抽象出简化的物理模型，对一些条件如何取舍，从而构建出实践与理论之间的桥梁，这是对物理理论学习的一种升华。

2  毛细现象的教学设计

2.1 教学设计指导思想和教学方法

遵循建构主义思想，按照“现象—物理理论—农业实践和应用”的认知规律进行设计，突出启发式和案例法教学在课堂教学中的应用，强调学生的主体性和教师的主导性。通过创设情境和农林生物学科专业教育素材的融入学生专业，渗透学术思想，促进学生学习的积极性，增强教学过程的互动性。

以多媒体、板书、演示实验结合的方式进行课堂教学呈现，主要运用：多媒体—— 教学情境导入和营造农业特色;讲授法—— 注重物理理论推导的严谨性;演示实验—— 增强学生对毛细现象的表观印象;案例和例题—— 结合专业特点进行设计，引发思考和讨论，活跃课堂气氛。

2.2 与专业关联案例的选取及物理模型构建

融入农林生物类教育素材于课堂，将增强课堂的吸引力与学习物理的积极性。能反映毛细现象应用的农业背景和案例较多，在选择过程中，应优先选择与专业紧密关联的案例。比如，如何保持土壤水分是农学院各专业（农学、园艺、茶学、植保和种子科学与工程等专业）学生在专业学习中会遇到的一个重要问题，下面就土壤中的悬着水进行分析，去繁就简，抽象出物理模型。

土壤颗粒之间自然构成许多弯曲的可看作毛细管的缝隙，悬着水两端均与大气相通，外部压强均为大气压。同时，水能润湿土壤，所以悬着水的上、下两端面均是凹形液面。这样就把现实问题抽象成了物理理论模型。下面应用这一模型进行分析，当上端凹液面的曲率半径RA小于下端凹液面B的曲率半径RB时，上、下两端凹液面所产生的附加压强之差与毛管悬着水的重力相平衡。毛细管悬着水不动，即：

则毛细管悬着水柱的高度为：

超过此高度的水将在重力作用下渗漏。

悬着水还会因环境温度变化而发生移动。例如晚间土壤表面层温度迅速下降，如果A点温度比B点低，A点的表面张力系数增大比增大要大得多，因此两端面的附加压强发生变化，其结果悬着水就由温度高的B处向温度低的A处移动，因此拂晓时常见到的土壤表层水分比平常多。

3  结语

在毛细现象教学中，基于学生专业导向，引入符合其专业背景和特点的教学案例，既丰富了教学内容，又增强了学生学习大学物理的动力，尤其在新农科背景下开展大学物理案例教学，有利于大学物理与农林生物类专业的深度交叉融合，有利于物理理论和专业实践的相互促进，有利于开拓學生的学术视野和创新理念的形成。

参考文献

[1] 贾贵儒，何志巍，刘玉颖.新农科与物理学[J].物理与工程，2019，29（6）：116-121.

[2] 周建华，颜悦.新农科建设与广东高等农业教育发展[J].高等农业教育，2019（4）：12-17.

[3] 周雨青，张玉萍，董科.大学物理教学中引入“案例教学”模式的实践[J].中国大学教学，2011（10）：52-54.

[4] 谢知，陈丽敏，林斯乐.农林类本科物理教学改革与实践探索[J].教育现代化，2018，5（23）：78-80.

[5] 吴方平，杨军，章曦，等.大学物理教学内容与专业关联研究[J].科技资讯，2019，17（21）：164，166.

[6] 郑国辉.对农林生科类专业的大学物理课程教学的几点思考[J].教育现代化，2020，7（16）：138-139.

[7] 邓海东.农科院校大学物理理论及实验教学改革与探索[J].高教学刊，2015（11）：50-51.