陳宏 武怡

【摘要】本文將問題引領(lǐng)式教學(xué)法引入大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)中，對(duì)靜電場中的導(dǎo)體這節(jié)課在教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)策略、教學(xué)方法 、教學(xué)準(zhǔn)備以及教學(xué)評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了深刻的教學(xué)反思，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】問題引領(lǐng)式;大學(xué)物理;靜電場;教學(xué)設(shè)計(jì)

引言：

以物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本思想、基本理論和方法為主體內(nèi)容的“大學(xué)物理”課程是我校學(xué)員的一門必修的公共基礎(chǔ)課[1]。涉及面非常廣泛，對(duì)教與學(xué)雙方都有一定的難度。要提高該門課程的教學(xué)質(zhì)量就需要教師針對(duì)課程的特點(diǎn)以及學(xué)生的特點(diǎn)采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生掌握課程的主要內(nèi)容。在日常的教學(xué)中，我們嘗試采用“問題引領(lǐng)式教學(xué)法”講授“大學(xué)物理”課程，以提高本課程的教學(xué)質(zhì)量。

問題引領(lǐng)式教學(xué)法是一種互動(dòng)式教學(xué)方法，其基本思想是以學(xué)生的原有的知識(shí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將教學(xué)目標(biāo)以適當(dāng)?shù)膯栴}形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生在“提出問題——分析問題——解決問題”的過程中，更好的掌握知識(shí)、鍛煉思維、培養(yǎng)能力的一種教學(xué)方式。[2]其中，“引領(lǐng)”意在充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用。

本文以“靜電場中的導(dǎo)體”這幾課的教學(xué)設(shè)計(jì)為例，闡述“問題引領(lǐng)式教學(xué)法”在“大學(xué)物理”教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本節(jié)課選自科學(xué)出版社出版，康穎教授主編、軍隊(duì)院校統(tǒng)編的普通高等教育“十一五”國家級(jí)規(guī)劃教材《大學(xué)物理》上下冊（第四版），“第9章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)”，“第1節(jié) 靜電場中的導(dǎo)體”。

1教學(xué)內(nèi)容的定位

“第9章 靜電場中的導(dǎo)體與電介質(zhì)”是繼“第8章 真空中的靜電場”之后的一章，實(shí)際上“真空”只不過是一種理想情況，實(shí)際電場中總會(huì)有導(dǎo)體或電介質(zhì)，導(dǎo)體和電介質(zhì)是實(shí)物物質(zhì)，靜電場是另一種形態(tài)的物質(zhì)，當(dāng)它們處在同一空間時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相互作用、相互影響。本章是在上一章學(xué)習(xí)過“靜電場中的高斯定理”、“靜電場的安培環(huán)路定理”的基礎(chǔ)上，來研究靜電場和導(dǎo)體相互影響的規(guī)律、靜電場和電介質(zhì)相互影響的規(guī)律兩部分內(nèi)容。[3]本章的內(nèi)容是上一章的延續(xù)，更是上一章內(nèi)容的深入。本章內(nèi)容不僅在靜電應(yīng)用方面有實(shí)用價(jià)值，而且在理論上也是以后學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。[3]

“靜電場中的導(dǎo)體”這節(jié)課主要研究靜電場中導(dǎo)體的靜電感應(yīng)現(xiàn)象，處于靜電平衡的條件、特點(diǎn)和性質(zhì)以及靜電平衡的重要應(yīng)用——靜電屏蔽。靜電屏蔽的原理在工業(yè)生產(chǎn)和軍事方面有著廣泛的應(yīng)用，它的應(yīng)用對(duì)于取得未來戰(zhàn)爭勝利具有非常重要的意義。

本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)是靜電感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體靜電平衡的條件，靜電平衡時(shí)電場強(qiáng)度、電勢和電荷的分布規(guī)律，空腔導(dǎo)體的靜電屏蔽。其中，靜電平衡的特點(diǎn)和性質(zhì)以及空腔導(dǎo)體是本節(jié)課教學(xué)的難點(diǎn)。

2學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)在前期的課程中學(xué)習(xí)了靜電場的有關(guān)知識(shí)，知道了靜電場中的高斯定理，會(huì)用高斯定理求解具有對(duì)稱性電場的電場強(qiáng)度。另外學(xué)生在高中的學(xué)習(xí)中已經(jīng)知道了導(dǎo)體的概念，知道了導(dǎo)體導(dǎo)電的原理是自由電荷的移動(dòng)。

3教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)

根據(jù)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，結(jié)合以上對(duì)教學(xué)內(nèi)容的定位、學(xué)情的分析，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下：

知識(shí)與技能：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，使學(xué)生形成以下的物理觀念，系統(tǒng)地掌握靜電感應(yīng)現(xiàn)象的概念，掌握靜電場中導(dǎo)體靜電平衡的條件及電荷分布規(guī)律，理解靜電屏蔽的原理和應(yīng)用;使學(xué)生初步具有現(xiàn)代物理觀念，能用這些物理觀念解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題。

過程與方法：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維方式，了解靜電平衡條件的探究過程，使學(xué)員具有科學(xué)探究意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)員綜合運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)分析問題、解決實(shí)際問題的能力和獨(dú)立獲取知識(shí)的能力;認(rèn)識(shí)了電荷分布規(guī)律的科學(xué)思想和方法，從而提高學(xué)員的科學(xué)素養(yǎng)以及綜合素質(zhì)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力與素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展，為培養(yǎng)具有較強(qiáng)的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的高素質(zhì)新型軍事人才奠定基礎(chǔ)。

情感態(tài)度與價(jià)值觀：通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)員科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感，使學(xué)員能正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的本質(zhì);喚起學(xué)員學(xué)習(xí)和研究物理的好奇心以及求知欲;從科學(xué)研究過程中體驗(yàn)探索自然規(guī)律的艱辛和喜悅，培養(yǎng)學(xué)生敢于堅(jiān)持真理，勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神和實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，幫助學(xué)員建立辯證唯物主義世界觀。使學(xué)生能夠理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境的關(guān)系，熱愛自然，珍惜生命，具有保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。

4教學(xué)策略設(shè)計(jì)

4.1總體策略

重現(xiàn)物理現(xiàn)象，提出物理問題，引領(lǐng)教學(xué)內(nèi)容，抽象物理概念，創(chuàng)設(shè)問題情境，引領(lǐng)學(xué)生積極剖析物理原理，最后是聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，即用本節(jié)課所學(xué)物理知識(shí)解釋之前的物理現(xiàn)象或問題，聯(lián)系物理前沿知識(shí)及軍事應(yīng)用。也就是“提出問題——分析問題——解決問題”的教學(xué)思路。

4.2教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)：

4.2.1導(dǎo)入課程：

首先通過向?qū)W生舉出兩個(gè)人站在一個(gè)由金屬絲構(gòu)成的封閉的大網(wǎng)球中，用高壓電電擊金屬球的例子，從而提出問題，引入本節(jié)課課題：“金屬網(wǎng)加高壓，而金屬網(wǎng)中的人卻安然無恙，這是為什么呢？”帶著這個(gè)問題進(jìn)入本節(jié)課的教學(xué)過程。

4.2.2教學(xué)過程：

靜電感應(yīng)

（1） 靜電感應(yīng)現(xiàn)象

先讓學(xué)生回憶金屬導(dǎo)體的電結(jié)構(gòu)，適時(shí)的提出問題：“什么是靜電感應(yīng)現(xiàn)象？”

學(xué)生回答：“自由電子在電場作用下做宏觀定向運(yùn)動(dòng)，使導(dǎo)體上的電荷重新分布，在導(dǎo)體兩端面上出現(xiàn)等量異號(hào)的電荷，使導(dǎo)體上電荷重新分布的現(xiàn)象。”

（2） 靜電平衡

進(jìn)一步講解正是由于靜電感應(yīng)，而在導(dǎo)體兩端面出現(xiàn)正負(fù)電荷而使導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生一附加電場，其方向與外電場相反，敘述達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的過程，給出靜電平衡的概念，同時(shí)演示靜電平衡過程。

（3） 靜電平衡條件

在上問題的基礎(chǔ)上得到用電場強(qiáng)度描述的導(dǎo)體靜電平衡條件1，即 “達(dá)到靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)處處為零”，用公式表示為： 。再由上式和電勢差的定義，得出靜電平衡的導(dǎo)體內(nèi)部任意兩點(diǎn)間的電勢差為0，從而得到用電勢描述的導(dǎo)體靜電平衡條件2，即：“達(dá)到靜電平衡的導(dǎo)體是等勢體”。最后由電場線與等勢面垂直的性質(zhì)，得出“導(dǎo)體靜電平衡時(shí)導(dǎo)體外表面的場強(qiáng)處處垂直于外表面”的推論。

這一推論用反證法來證明：假設(shè)導(dǎo)體已達(dá)到靜電平衡，并假設(shè)場強(qiáng)與外表面不垂直，其夾角為θ，則電子將會(huì)在場強(qiáng)沿表面分量作用下定向移動(dòng)，這與已達(dá)到的靜電平衡矛盾。

（4） 導(dǎo)體上的電荷分布

設(shè)一實(shí)心導(dǎo)體，在導(dǎo)體內(nèi)任取一點(diǎn)做閉合高斯面S，根據(jù)高斯定理，又因?yàn)殪o電平衡的導(dǎo)體，所以，可證得導(dǎo)體內(nèi)無凈電荷，凈電荷都分布在導(dǎo)體的外表面。以此同時(shí)及時(shí)設(shè)問：“那么導(dǎo)體外表面附近空間的場強(qiáng)與導(dǎo)體表的面電荷密度有什么關(guān)系呢？”并提示學(xué)生這里可以建立一個(gè)高斯柱面，根據(jù)高斯定理求得。即：在導(dǎo)體表面附近任取一點(diǎn)P，過P點(diǎn)做一圓柱型高斯面，如圖 1所示，根據(jù)高斯定理，得?？梢?，“導(dǎo)體外表面附近空間的場強(qiáng)與導(dǎo)體表的面電荷密度成正比”。

于是環(huán)環(huán)相扣，再次設(shè)問“既然導(dǎo)體表面附近的場強(qiáng)與導(dǎo)體表的面電荷密度成正比，那么導(dǎo)體表面的面電荷密度又與哪些因素有關(guān)呢？”從而過渡到第（5）個(gè)小問題——尖端放電。

（5） 尖端放電

展示尖端放電現(xiàn)象，并定性解釋?！皩?dǎo)體表現(xiàn)凸出而尖銳的地方，即曲率越大的尖端，電荷分布越密集，面電荷密度越大，則其附近的場強(qiáng)就越大強(qiáng)，隨著電荷面密度的增大，場強(qiáng)逐漸增大，直至使周圍的空氣電離，產(chǎn)生放電，這種現(xiàn)象稱為尖端放電現(xiàn)象。”

在這里不進(jìn)行定量的講解，只定性分析即可。因?yàn)槎康难芯窟@個(gè)問題是比較復(fù)雜的，這不僅與導(dǎo)體的形狀有關(guān)，還和它附近有什么樣的其他帶電體有關(guān)。

緊接著提出問題：“尖端放電的有什么弊端，如何避免尖端放電？”在學(xué)生回答的基礎(chǔ)上并解釋高壓輸電線表面光滑且半徑不宜過小的原因。即“高壓輸電線附近發(fā)生的尖端放電會(huì)造成能量損耗， 需使輸電線表面光滑， 以避免尖端放電?！?/p>

不僅如此，尖端放電也是有可利用的一面，相反的問題被提出：“尖端放電的有可利用的一面嗎？請(qǐng)舉列說明?！痹趯W(xué)生回答的基礎(chǔ)上解釋避雷針的原理，即“避雷針是利用尖端放電， 將集中的高空電荷通過接地裝置泄入大地，以免建筑物等遭雷擊?！?/p>

空腔導(dǎo)體

設(shè)問“實(shí)心導(dǎo)體靜電平衡時(shí)具有上述的性質(zhì)，那么，一個(gè)空心的導(dǎo)體球殼靜電平衡后，又具有哪些性質(zhì)呢？”由此過渡到第2個(gè)大問題。

（1）內(nèi)部無帶電體的空腔

設(shè)有一內(nèi)部沒有帶電體的空腔。由于空腔導(dǎo)體靜電平衡應(yīng)滿足上述靜電平衡的條件和電荷分布規(guī)律，即：“導(dǎo)體內(nèi)部場強(qiáng)處處為零，導(dǎo)體是等勢體，導(dǎo)體表面是等勢面;導(dǎo)體表面附近的場強(qiáng)（電場線）處處與外表面垂直，導(dǎo)體內(nèi)無電荷，電荷都分布在導(dǎo)體外表面。”我們在這里只需要根據(jù)高斯定理分別來說明空腔內(nèi)場強(qiáng)也處處為零，電勢處處相等，空腔和空腔內(nèi)表面均無電荷分布。綜上，即可得出空腔內(nèi)物體不受外場影響，起到了靜電屏蔽的作用的結(jié)論。并演示法拉第圓筒試驗(yàn)，證明腔內(nèi)表面無電荷。

（2）內(nèi)部有帶電體的空腔

首先，根據(jù)高斯定理，再結(jié)合導(dǎo)體內(nèi)可證明“空腔內(nèi)表面感應(yīng)出與帶電體等量異號(hào)的電荷?！彼栽谇粌?nèi)一定存在由正電荷指向負(fù)電荷的電場線，所以腔內(nèi)又根據(jù)電荷守恒定律可知空腔內(nèi)外表面電荷量總和等于球殼原來帶電量。即： ，得空腔外表面帶電量為，因此空腔外有電場，空腔內(nèi)帶電體對(duì)空腔外是有影響的。

而當(dāng)空腔外表面接地時(shí)，外表面上的感應(yīng)電荷被導(dǎo)入地下，整個(gè)空腔成為零電勢體。表明腔內(nèi)的電場線終止于內(nèi)表面，而對(duì)外部沒有影響，這樣腔外的物體不受內(nèi)場影響，這樣也可以起到靜電屏蔽的作用，即“一個(gè)接地的空腔導(dǎo)體可以隔離腔內(nèi)外靜電場的相互影響”。

在此前呼后應(yīng)回到最初的問題：“金屬網(wǎng)加高壓，而金屬網(wǎng)中的人卻安然無恙，這是為什么呢？”學(xué)生回答：“因?yàn)殪o電屏蔽的作用?！迸e例：“雷雨天，汽車用不用躲避雷電呢？汽車本身也成為了靜電屏蔽室。

進(jìn)一步舉出實(shí)例譬如：在精密儀器外面加上金屬網(wǎng)或金屬外殼做成的外罩;為使高壓設(shè)備不影響其他儀器設(shè)備的正常工作，可以把它的金屬外殼接地;高壓輸電線路的維修和檢測工作中工作人員穿著的屏蔽服以及玩轉(zhuǎn)特斯拉線圈的人身著的金屬衣。讓學(xué)員用本節(jié)課所學(xué)來解釋現(xiàn)象，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)員“提出問題——分析問題——解決問題”的能力目標(biāo)。

4.3教學(xué)方法設(shè)計(jì)：

教學(xué)形式采用課堂教學(xué)——大班教學(xué);教學(xué)模式采用問題引領(lǐng)式、啟發(fā)探究式教學(xué)法;教學(xué)手段采用傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)相結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)課程;科學(xué)方法采用觀察法、實(shí)驗(yàn)法、歸納法。

5教學(xué)流程

教學(xué)流程如圖2所示：

6教學(xué)評(píng)價(jià)

通過本次課的講授，大部分學(xué)生很好的掌握靜電感應(yīng)現(xiàn)象的概念，掌握靜電場中導(dǎo)體靜電平衡的條件及電荷分布規(guī)律，理解靜電屏蔽的原理和應(yīng)用;同時(shí)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)分析、解決實(shí)際問題的能力也有所提高，獨(dú)立獲取知識(shí)的能力得以進(jìn)一步提高;通過本次課的學(xué)習(xí)，學(xué)員進(jìn)一步領(lǐng)略到了物理學(xué)的美學(xué)價(jià)值，領(lǐng)略到了自然界之美，培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳宏.以學(xué)情分析為基礎(chǔ)的“等傾干涉”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理通報(bào)，2019，6，13-16.

[2]李曉英，李恒杰，魏祥林，吳麗珍.問題引領(lǐng)式教學(xué)設(shè)計(jì)在“電力電子技術(shù)”微課中的應(yīng)用淺析[J]. 教育教學(xué)論壇，2018，8，197-198.

[3]康穎. 大學(xué)物理（第四版） [M]. 北京：科學(xué)出版社，2015.232.

項(xiàng)目：武警工程大學(xué)基礎(chǔ)基金項(xiàng)目：WJY201901 “BiFeO3 摻雜鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷研究”