何春鳳 段彬 王逍 王丹 張鳳琴

【摘要】總體教學(xué)設(shè)計遵從以學(xué)生為中心、以教學(xué)目標為導(dǎo)向的教學(xué)理念，按照BOPPPS模式（B導(dǎo)入-O目標-P前測-P參與-P 后測-S 總結(jié)）的策略實施教學(xué)計劃。以這種模式設(shè)計的教學(xué)案例在課堂實施后，課堂教學(xué)的效果、效率、效益得以提高。

【關(guān)鍵詞】BOPPPS模式? 靜電感應(yīng)? 靜電屏蔽? 大學(xué)物理

【基金項目】感謝吉林大學(xué)本科“創(chuàng)新示范課程”建設(shè)項目：基礎(chǔ)物理學(xué)“課程思政”學(xué)科育人示范項目（sk201915）給予的支持。

【中圖分類號】O441.1-4 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）06-0145-03

1.引言

《大學(xué)物理》中靜電平衡章節(jié)是電磁學(xué)部分的教學(xué)重點和難點，學(xué)生們不太容易理解。本文以BOPPPS模式設(shè)計了7.7節(jié)——靜電場中的導(dǎo)體一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，意在提高教學(xué)的效果，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，授課時間約30分鐘。

回顧描述電場的兩大物理量電場強度E和電勢U之間的關(guān)系，以及靜電場中普適的高斯定理?？谑鑫淖謨?nèi)容的同時，以板書形式給出兩個內(nèi)容的數(shù)學(xué)表達式：

2.教學(xué)過程

（1）導(dǎo)入B：以圖片結(jié)合問題式導(dǎo)入方式提出要講述的內(nèi)容，力圖生動有趣，以吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的好奇心及學(xué)習(xí)興趣。

本節(jié)來討論電場和導(dǎo)體之間的聯(lián)系。假設(shè)現(xiàn)在有一個人生活在一個鐵質(zhì)（導(dǎo)體）的房子里，屋子外邊有一個壞人拿著一個發(fā)電器，試圖在你的房子的周圍制造一個強電場并用這種強電場的方式來傷害你的話，他會不會成功？引出今天的主要授課內(nèi)容——靜電場中的導(dǎo)體問題，同時板書寫出：7.7 靜電場中的導(dǎo)體。

（2）目標O：多媒體給出本節(jié)內(nèi)容的重點難點。學(xué)習(xí)目標要從學(xué)生的角度出發(fā)，設(shè)定必須明確、適當、可達成、可測量。學(xué)習(xí)目標從知識目標、能力目標、情感價值目標和思政目標四個方面給出。知識目標：掌握靜電平衡的概念，導(dǎo)體處在靜電平衡下的表現(xiàn)特征;掌握靜電平衡導(dǎo)體表面電荷分布特點;了解靜電平衡現(xiàn)象在日常生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。能力目標：培養(yǎng)學(xué)生獨立解決問題的能力、理論聯(lián)系實際的能力和創(chuàng)新能力。情感與價值觀目標：將豐富深邃的物理世界以愉快的方式展現(xiàn)在學(xué)生面前，使學(xué)生體驗到科學(xué)精神，引起學(xué)生在心靈上的共鳴，產(chǎn)生學(xué)習(xí)動力，在給予學(xué)生愛國主義教育的同時，幫助學(xué)生樹立正確的辯證唯物主義世界觀，提高科學(xué)素質(zhì)。思政目標：傳遞堅定共產(chǎn)主義信仰。學(xué)生通過本次課要掌握導(dǎo)體處在電場中會發(fā)生什么變化，并掌握這種變化的特征。

（3）前測P：前測部分的結(jié)果用來幫助教師了解學(xué)生對本知識點的興趣及先備知識，以便調(diào)整后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的深度及進度，讓課程的目標更加聚焦。設(shè)置問題：導(dǎo)體和絕緣體的本質(zhì)區(qū)別是什么？處于靜電場中的導(dǎo)體會發(fā)生變化，使得導(dǎo)體自身處于一種新的狀態(tài)，這就是靜電平衡狀態(tài)。什么是靜電平衡狀態(tài)呢？從導(dǎo)體的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)進行講解。多媒體給出導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖（如圖2）。

從導(dǎo)體內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)出發(fā)，以導(dǎo)體和絕緣體的本質(zhì)區(qū)別作為切入點：導(dǎo)體內(nèi)部存在可以自由移動的電子。當導(dǎo)體本身不帶電，也不受外電場作用時，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子沒有宏觀的運動，導(dǎo)體的各個部分呈現(xiàn)出電中性。多媒體給出圖3。

當導(dǎo)體置于外電場中時，導(dǎo)體內(nèi)的帶負電的自由電子在外電場的作用下會出現(xiàn)宏觀的定向運動，引起導(dǎo)體中的電荷重新分布，這就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象。由于靜電感應(yīng)作用，在導(dǎo)體表面會出現(xiàn)新的電荷，稱之為感應(yīng)電荷。感應(yīng)電荷的出現(xiàn)反過來會改變導(dǎo)體內(nèi)部和周圍的電場分布，直至導(dǎo)體中電荷宏觀運動停止，電荷分布達到新的平衡。我們把導(dǎo)體中沒有電荷做宏觀定向運動的狀態(tài)稱為靜電平衡狀態(tài)。

導(dǎo)體表面出現(xiàn)感應(yīng)電荷會激發(fā)一個與外電場方向相反的感應(yīng)電場'，導(dǎo)體中的電場是外電場和感應(yīng)電場的矢量和，即E=E0-E'。開始時E0>E'，自由電子會不斷地沿電場強度的反方向移動，使感應(yīng)電荷逐漸加多，感應(yīng)電場'隨之增大。那移動的過程什么時候停止呢？這個過程一直延續(xù)到感應(yīng)電場與外電場平衡，導(dǎo)體中的電=0為止。于是導(dǎo)體內(nèi)沒有電荷做定向運動，電場分布不隨時間變化，導(dǎo)體處于的狀態(tài)就叫作靜電平衡狀態(tài)了。多媒體給出靜電平衡的概念。板書給出靜電平衡條件：1. E內(nèi)=0

導(dǎo)體內(nèi)部沒有電場（問題式引申），那會不會有電力線存在呢？沒有。那外部的情況如何呢？直接給出結(jié)論：電荷分布在導(dǎo)體外表面，這些電荷產(chǎn)生的電力線的方向與導(dǎo)體表面處處垂直。（多媒體同時給出）板書給出：E外⊥S

用反證法給出證明。如果不是處處垂直的，也就是電力線的方向不是和表面的法線相同，該電力線在導(dǎo)體表面的方向上可以分解出一個分量，導(dǎo)體表面的電荷馬上會在該電場分量的作用下發(fā)生運動，就不再是靜電平衡狀態(tài)了。

結(jié)合板書電場和電勢關(guān)系公式，如果在導(dǎo)體內(nèi)部任意取兩點，a和b，考查這兩點的電勢差，選擇從a出發(fā)，經(jīng)過導(dǎo)體內(nèi)部到達b點的積分路徑，因為導(dǎo)體內(nèi)部的E處處為0，該積分必然等于0。則a點電勢和b點電勢的差值為0，a點電勢和b點電勢是相等的。即導(dǎo)體內(nèi)部任意一點的電勢都相等，即靜電場中導(dǎo)體是等勢體。多媒體和板書同時出示“等勢體”。

把不帶電導(dǎo)體放在電場中，大自然能毫不費力地瞬間做到這些，遵循所有的物理法則：確保導(dǎo)體內(nèi)部沒有任何的凈電荷;保證了導(dǎo)體內(nèi)部電場，處處為0;使得外部電場線無論在任何的位置，和導(dǎo)體相交的時候，都是垂直于表面。非常不可思議。（給學(xué)生情感和價值觀教育——尊重自然，樹立樸素正確的辯證唯物主義世界觀）

討論完導(dǎo)體本身不帶電，處于外電場時的情況后，如果假設(shè)讓導(dǎo)體本身帶電，那這些電荷在導(dǎo)體上會如何分布呢？（問題式引入，由簡單到復(fù)雜）以最簡單的紅色實心鋼制導(dǎo)體為例（選擇紅色心模型，一方面符合人體的生理實際，另一方面主要是傳遞擁有堅定的共產(chǎn)主義信仰的情感教育信息），從外部引入正電荷q。讓這個導(dǎo)體心帶電，電荷最終會停在什么位置？電荷會去哪里？給出4個選項。

A.電荷會均勻分布在整個實體上。

B.所有的電荷會集中在某一點。

C.電荷會均勻分布在導(dǎo)體外表面。

D.以上3個答案都不對。

（4）參與式學(xué)習(xí)： 讓學(xué)生參與到學(xué)習(xí)活動中來，以加深學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的理解及印象，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。參與式學(xué)習(xí)中通過和同學(xué)的竊竊私語和討論也培養(yǎng)學(xué)生的語言表達能力、溝通能力及合作能力等素養(yǎng)。以提問學(xué)生方式進行講解，以便集中學(xué)生的注意力。選C選項的學(xué)生可以給到70分（滿分100）。電荷的確只是在外表面的，但是不是均勻分布。告知學(xué)生后邊課程會闡述（為后續(xù)內(nèi)容打下伏筆）。導(dǎo)體處在自身電荷形成的電場中，穩(wěn)定時必然處于靜電平衡狀態(tài)。

用反證法證明。首先錯誤地假設(shè)一種可能，如果由于某種原因，電荷自己在導(dǎo)體內(nèi)部停下來了。在導(dǎo)體內(nèi)部任意位置選擇一個封閉的高斯面，由于導(dǎo)體內(nèi)部的電場處處為0，由高斯公式，矢量E點乘ds的積分應(yīng)該是0，則選擇的高斯面內(nèi)部的電荷必然為0。高斯定理，立刻否定了內(nèi)部有電荷的可能性，即所有電荷只能分布在外表面。（由簡到難，遞進式引入問題，模型進一步復(fù)雜）再次以提問學(xué)生方式進行。

現(xiàn)在把心模型更加真實化為中空的導(dǎo)體心。在與簡單模型相同的條件下，在導(dǎo)體上電荷會怎么分布？導(dǎo)體內(nèi)表面會有電荷存在嗎？解答：利用高斯定理，給出導(dǎo)體內(nèi)部和內(nèi)表面都不可能有電荷。即不管是實心的導(dǎo)體還是中空的導(dǎo)體兩種情況內(nèi)部電場處處都是0。內(nèi)部不會有任何的電荷，整個心（包括中空的地方）是等勢體。如果假設(shè)有人可以處于心模型的中空腔內(nèi)部，在空間外邊把導(dǎo)體帶電量增加，導(dǎo)體里邊的人能夠感知的到外部電荷電量或者外部電場的變化嗎？（請同學(xué)集體回答，參與式教學(xué)）。給出肯定的結(jié)論為不能。

解釋：外部電場不管發(fā)生了什么變化，這種變化只能在外表面上得以體現(xiàn)。在內(nèi)部，也就導(dǎo)體的內(nèi)表面是看不見，感知不到的，即內(nèi)部的人被屏蔽了。總結(jié)引出靜電屏蔽的概念。多媒體給出靜電屏蔽應(yīng)用圖片，見圖4。

通訊電纜和有線電視信號線外面包的鉛皮或者金屬絲，作用是屏蔽外界各種擾動，使內(nèi)部傳輸?shù)男盘柌皇芨蓴_。為什么高壓線上的工作人員可以安全作業(yè)？因為高壓帶電作業(yè)用金屬絲編織的屏蔽服，可以起到屏蔽的作用。最后以輕松愉快的口吻給出：如果當心情不好的時候，不想接電話，還不想關(guān)機，可以怎么辦呀？找個導(dǎo)體盒子把手機裝進去，這樣呼叫手機的人永遠聽見“您撥打的用戶暫時無法接聽”。（ 學(xué)生情感和價值觀教育——積極陽光的心態(tài)）

實踐環(huán)節(jié)：課程設(shè)計“用事實說話”的教學(xué)環(huán)節(jié)。物理是實驗的學(xué)科，當場用演示實驗驗證今天的教學(xué)內(nèi)容——靜電屏蔽。把正在接收節(jié)目的半導(dǎo)體收音機放在導(dǎo)體盒子里，信號中斷，打開盒子信號立即回復(fù)，用實驗驗證半導(dǎo)體收音機真的被屏蔽。

解答課程開端提出的問題（課程設(shè)計首尾呼應(yīng)）。如果想傷害你的人明知道你在鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)的房子，還企圖用這種方式傷害你，那么這個人肯定是沒學(xué)過物理，因為內(nèi)部永遠都不會有電場的，外電場被導(dǎo)體房子屏蔽掉了。

（5）總結(jié)S：（遞進式引入問題，模型更進一步復(fù)雜，同時留有懸念，激發(fā)學(xué)生興趣，增加預(yù)習(xí)學(xué)習(xí)的主動性同時，引出下次課的內(nèi)容）以圖片方式做小結(jié)，如圖5。導(dǎo)體的空腔內(nèi)部是中空的情況，人站在導(dǎo)體內(nèi)部，感受不到外電場的變化，實現(xiàn)了對外電場的屏蔽，我們叫作外屏蔽。

（6）后測：后測的目的是驗收學(xué)習(xí)成果。后測題目設(shè)置與前測對應(yīng)，題目難度加深，起到引發(fā)學(xué)生思考的主動學(xué)習(xí)效果。如果人攜帶一只貓進入導(dǎo)體內(nèi)部，顯然貓和人一樣，是感知不到外邊電場的變化的。如果導(dǎo)體空腔內(nèi)的人拿梳子給貓梳理毛發(fā)，然后讓梳子和貓分開，讓二者處在導(dǎo)體內(nèi)部不同位置，這個時候相當于人在導(dǎo)體內(nèi)部不同位置放置等量異號電荷，空腔內(nèi)部因為有電荷的出現(xiàn)，內(nèi)部空間的電場就發(fā)生了變化。引入問題，處在導(dǎo)體外邊的人會感知內(nèi)部電場的變化嗎？外邊的人是不是也會被屏蔽呢？會不會產(chǎn)生所謂的內(nèi)屏蔽呢？亦或進一步，如果要實現(xiàn)內(nèi)部、外部的電場同時都被屏蔽，即全屏蔽的話，用什么樣的方法處理才能夠?qū)崿F(xiàn)呢？作為作業(yè)布置給學(xué)生。

3.結(jié)論

綜上所述，以BOPPPS模式策略設(shè)計的《大學(xué)物理》教學(xué)計劃在課堂實施后，提高了學(xué)生的課堂參與度，激發(fā)了學(xué)生的好奇心，讓學(xué)生理解了所學(xué)知識在生活當中的應(yīng)用，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

參考文獻：

[1]胡森，劉丹.BOPPPS教學(xué)模式下大學(xué)物理線上課堂的教學(xué)設(shè)計——以“動生電動勢”為例[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報，2021（2）：83-88.

作者簡介：

何春鳳（1980年-），女，滿族，黑龍江人，博士研究生，副教授，研究方向：上轉(zhuǎn)換發(fā)光及其在激光領(lǐng)域的應(yīng)用。