《大学物理》教学方法案例库简介
项目负责人简介：鱼海涛，西安科技大学理学院副教授。主持建设陕西省线上线下混合式一流本科课程、我校首批线上线下混合式一流本科课程、首批课程思政示范课及线下一流本科课程《大学物理》；主持陕西省新工科项目1项、校级教改项目5项；在CSSCI期刊《高等工程教育研究》发表论文1篇，其他刊物发表教研论文7篇；主编、副主编、参编教材各1部；获教育部在线教育研究中心智慧教学之星称号、陕西第四届本科高校课堂教学创新大赛三等奖、校课堂创新大赛一等奖、课堂教学质量奖、疫情期间本科在线教学典型案例等；获省级教学成果奖1项（第二完成人），校级教学成果奖2项。
案例库简介：本案例库建设相关案例20个，按照我校《大学物理》春季学期和秋季学期授课内容及顺序，设计相关教学案例，依次涵盖了质点力学、刚体力学、电场、磁场、热学、机械振动与波动、光学、量子力学等，并进行了相应的横纵向拓展。案例设计遵循由易到难、逐步推进的原则，并融入课程思政元素，为学生各方面能力发展搭脚手架，促进学生各方面能力长足发展。在设计时还注意到同一知识点的多案例设计，适配学生不同专业及学习兴趣，如案例1~7为刚体动量矩相关案例，但涉及领域不同，案例9~12为电磁学与力学的综合应用案例，但应用场景不同，形成融合思政、双语、翻转、项目式学习、MATLAB编程要素，实现低起点高目标的五位一体混合式教学。
案例选登：跳水运动员的入水姿态调整
摘要：通过我国运动健儿在各类国际赛事夺取金牌、为国争光的视频（课程思政），引导学生分析在采用不同跳水动作时的姿态调整问题，并引导学生思考事物因素之间的相互制约关系（课程思政），进一步讨论入水后的水花压制问题（拓展到流体力学的空泡动力学）。
关键词：动量矩守恒，姿态调整，跳水
背景信息
跳水是一项优美的水上运动，它是从高处用各种姿势跃入水中或是从跳水器械上起跳，在空中完成一定动作姿势，并以特定动作入水的运动。跳水作为重要的水上运动，在各类大型体育赛事中占有重要的一席之地。
案例正文
一、引言
中国跳水梦之队在继北京2008奥运会、2021东京奥运会后，在近日结束的2022国际泳联世锦赛包揽跳水项目全部13枚金牌，再一次捍卫“梦之队”的荣耀！在这夺目的成绩背后，少不了运动员们辛苦地训练，更离不开教练员们科学地指导，那么对于跳水运动员的空中旋转和入水水花压制问题，背后又有着怎样的物理规律呢？
二、案例要求
(一)自行搜索相关体育赛事视频，并观察运动员入水前的身体变化情况
(二)根据身体变化情况，寻求运动规律的描述
(三)对运动员身体进行建模，分别从定性及定量角度寻求物理规律解释现象
定性角度即利用科学理论解释说明运动员身体姿态与其运动之间的关系，定量角度则需要使用Tracker软件及MATLAB进行辅助计算，此部分为“五位一体”教学中的“一位”。
三、案例实施方案
(一)学生自由分组
针对动量矩守恒，本案例库还设计了猫真的有九条命吗、电影《冰雪公主》背后的物理、直升飞机尾翼作用、火星着陆器发射角，共5个相关案例供学生选择，每个案例均自成体系，但之间又有着相互联系，使学生能从不同角度应用分析动量矩守恒定律。
本案例为大学物理A(1)刚体力学的动量矩守恒部分设计，学生已接触过案例式教学，并具有一定的小组合作学习基础，在前述2次合作学习后，再次发布自由分组，由学生根据研究兴趣自行建组，每个动量矩相关案例为1组，每组3~5人。
(二)课前独立学习与思考
1.学生课前通过SPOC或MOOC方式独立学习动量矩守恒定律，并提醒学生思考其与动量守恒的区别与联系；
2.在上述学习基础上，分析思考本案例的解决方案。
(三)课前小组讨论与问题解决
1.学生在独立思考基础上，小组讨论建立更合理的模型；
2.在小组模型基础上，通过运动分析，应用动量矩守恒定律解释运动员从入水前的身体姿态调整问题；
3.学生小组合作应用Tracker软件捕捉其运动，并对各部分质量分布进行合理建模，使用MATLAB计算各阶段动量矩，并对现象从定量角度进行解释；
4.根据讨论方案及仿真结果，制作课上展演PPT并进行预演。
(四)课上小组展示与讨论
1.课上通过前测，测试学生对动量矩守恒定律的掌握情况，并根据反馈进行着重分析讲解；
2.本案例组代表分别从定性及定量角度汇报案例分析结果，其他组在教师引导下提问并参与组间讨论；
3.其他组案例分享；
4.组间讨论与学习不同案例间存在的共性问题：动量矩守恒的实际生活与工程应用。
四、结语
本案例及电影《冰雪公主》背后的物理都是反映了动量矩守恒在运动上的应用，你还能找到其他与动量矩守恒相关的运动案例吗？
案例思考题
1.跳水运动除过入水前的姿态调整非常重要以外，入水后的水花压制同样也可以寻求物理理论支撑，请检索资料并尝试分析如何进行水花压制（启发：流体力学的空泡动力学）。
2.除过花样滑冰、跳水运动，请寻找其他运动案例，说明其亦满足动量矩守恒。
案例使用说明
适用范围：大学一年级第二学期理工科本科生。
配套教材：罗益民,吴烨.普通高等教育“十一五”国家级规划教材:大学物理（第四版）(上)[M].北京邮电大学出版社, 2019.
教学目的：
1.知识目标：动量矩守恒定律的拓展及应用；
2.能力目标：进一步培养学生小组合作的能力；资料检索的能力；建立合适模型进行分析问题解决问题的能力；应用基础理论解决实际问题的能力；应用现代工具MATLAB辅助建模分析的能力；
3.素质目标：事物间相互联系、相互制约哲学思想的渗透；通过中国梦之队刻苦训练为国争光的事迹，培养学生的爱国热情及报效祖国的信念。
要点提示：动量矩守恒定律。
教学建议：学生已有一定的案例式教学基础，因而逐步培养学生应用现代工具，如MATLAB等计算机软件辅助建模分析的能力。
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相关理论：
1.动量矩定理
2.动量矩定义
3.动量矩守恒条件
关键知识点：如何寻找动量矩守恒的条件，分析其动量矩守恒
关键能力点：
1.动量矩守恒定律的拓展应用能力；
2.学生小组合作的能力、资料检索的能力、建立合适模型进行分析问题解决问题的能力、应用基础理论解决实际问题的能力、应用现代工具MATLAB辅助建模分析的能力；
3.事物间相互联系、相互制约哲学思想的渗透，通过中国梦之队刻苦训练为国争光的事迹，培养学生的爱国热情及报效祖国的信念。
案例分析思路：
学生的基础不同，所建立的模型也有可能不同，因而模型不同所获得的结论也可能不一致。但基本上可以通过运动员入水前不同阶段的身体状态进行建模。此处以学生可能建立的模型，给出较为通用的案例分析思路：
1.快速旋转时，身体处于收缩状态，可以近似看做一个有厚度的圆盘绕中心的旋转（轴为非定轴）；
2.身体打开阶段，转速逐渐降低，将不同阶段的身体状态进行建模，可以应用平行轴定理进行身体不同状态下的转动惯量的计算；
3.通过对每阶段赋予旋转角速度（通过Tracker软件获取），寻求不变量（动量矩守恒）；
4.进一步通过计算机赋值计算，证明模型建立的合理性；
5.通过模型运动、视频之间的对应性，证明结论的正确性。
参考文献
[1]马文蔚,周雨青,解希顺.普通高等教育“十二五”国家级规划教材:物理学（第七版）(上)[M].高等教育出版社, 2020.
[2]https://baike.baidu.com/item/%E8%B7%B3%E6%B0%B4/708?fr=aladdin
[3]https://m.gmw.cn/baijia/2022-07/04/1303027306.html
