曹京曉,鞏曉陽,唐苗苗,李秋澤,李新忠

(河南科技大學 物理工程學院,河南 洛陽 471000)

近年來,以信息化教學為重心的教學改革嘗試成為熱點,如虛擬結(jié)合、網(wǎng)絡(luò)教學與線下實踐相融的大學物理實驗教學模式構(gòu)建[1]。同時設(shè)計開發(fā)新型實驗裝置拓寬學生知識面、提升實驗教學效果[2]。隨著電磁技術(shù)和高壓技術(shù)的發(fā)展,存在靜電場的電子器件越來越多,例如各種電子管、示波管、電子顯微鏡等。靜電場是相對坐標系靜止不動的帶電體在空間激發(fā)的。其空間分布與帶電體的幾何形狀、電荷空間分布及帶電體所處空間的介質(zhì)的導電性有關(guān)?；A(chǔ)物理實驗中靜電場的測量主要通過數(shù)學模擬法實現(xiàn)?；贛atlab的靜電場模擬實驗設(shè)計[3-4],利用Origin改進實驗操作方法[5],引入指數(shù)法、二元線性回歸法[6]及最小二乘法[7]分析數(shù)據(jù)及誤差,提高學生的能力。本文嘗試突破傳統(tǒng)靜電場測定中模擬方法的限制,基于分層教學模式[8],設(shè)計計算機模擬拓展實驗教學,引導學生加深對電場強度、電位等概念的理解,提高學生的學習興趣和解決實際問題的能力,激發(fā)學生的探索欲望,增強其創(chuàng)新意識和專業(yè)自信。

1 數(shù)學模擬法的限制

由于實際電子器件中電極的復(fù)雜性,通過計算得到靜電場的解析解一般是比較困難的[7]。靜電場中沒有電流,磁電式電壓表不會偏轉(zhuǎn),直接用電壓表去測量靜電場的電位也是困難的。但在無源區(qū)域內(nèi),靜電場與穩(wěn)恒電流場具有相似的空間分布,遵守近似的物理規(guī)律,在數(shù)學形式上也是相似的[9-12]。為了避開直接測量靜電場的困難,可設(shè)計一電流場,其電流分布與待測靜電場完全相同。通過直接測量電流場模擬繪制靜電場。

(1.1)

(1.2)

(2.1)

(2.2)

式(2.1)和(2.2)分別為穩(wěn)恒電流場的連續(xù)方程和環(huán)路定理,表明無源區(qū)域的無源穩(wěn)恒電流場也是無源、無旋場。比較式(1)和式(2)可知,當滿足相同的邊界條件時,兩式的解是相同的。因此,基于微分方程理論,可用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場。

相似不是相同。用穩(wěn)恒電流場模擬靜電場,受到以下限制:(1)穩(wěn)恒電流場中導電介質(zhì)分布與所模擬靜電場中的介質(zhì)分布相似;(2)靜電場帶電導體表面是等勢面,則穩(wěn)恒電流場中的導電體也應(yīng)是等勢面。模擬要求采用良導體做導電電極,采用均勻且小導電率的導電介質(zhì)。(3)測定導電介質(zhì)中的電勢時,保證探測電極支路中無電流通過。鑒于以上限制,穩(wěn)恒電流場模擬靜電場的典型范例為:同軸圓柱面、長平行極板、長直平行導線、劈尖條形電極和模擬聚焦電極[9-10]。

2 拓展實驗的分層教學設(shè)計

使用計算機技術(shù)模擬物理學問題可以加深學生對物理學相關(guān)概念的理解,幫助學生學習使用計算機做科學研究和探索創(chuàng)新的基本手段和基本方法。基于美國著名心理學家羅伯特·加涅的學習層級理論[8]和計算機模擬技術(shù)在物理學中的應(yīng)用[13],引入計算機模擬拓展實驗,對教學對象、教學目標、教學內(nèi)容、教學方法和教學評價進行分層設(shè)計,旨在突破傳統(tǒng)的靜電場測繪實驗教學中數(shù)學模擬法的限制,更好地激發(fā)學生的興趣和熱情,引導學生通過查閱資料、討論協(xié)作解決仿真問題,提高學生應(yīng)對未知問題的意識和信心。

2.1 教學對象分層

引導本校光電專業(yè)學生對其學習興趣、學習動機等物理科學素養(yǎng)和物理實踐能力進行評估?；谧栽傅脑瓌t,學生自行組合成實驗組。實驗組進行分層設(shè)計。分層等級由低到高依次為基礎(chǔ)組、過渡組和進階組。各層級學生的特點如表1。不同層級的學生可以互相學習、互通交流,以促進科學素養(yǎng)的提升和科學能力的提高。

表1 各層級學生特點

2.2 教學目標分層

教學目標體現(xiàn)了人才培養(yǎng)方向,對教學活動產(chǎn)生深遠影響。基于不同層級學生的特點和差異性,實驗教學目標的設(shè)計融入思政元素,分為基礎(chǔ)層面教學目標、過渡層面教學目標和進階層面教學目標?；A(chǔ)層面上,使學生了解基本的計算機模擬手段,加深對微積分、電場強度和電位等物理概念的理解,拓寬涉及靜電場問題的知識面和科學視野;過渡層面上,基于基礎(chǔ)層面的教學目標,引導學生完成簡單帶電體系的建模并進行仿真,對仿真結(jié)果進行分析探索,深入理解靜電場及其規(guī)律,提高學生的學習興趣和探索熱情;進階層面上,在過渡層面教學目標的基礎(chǔ)上,鼓勵學生嘗試較復(fù)雜的帶電體系建模及仿真,提高學生解決實際問題的能力和創(chuàng)新素養(yǎng)。

2.3 教學內(nèi)容分層

根據(jù)心理學家維果茨基的“最近發(fā)展區(qū)”理論[8],每個學生的發(fā)展水平都包含現(xiàn)有發(fā)展水平和即將達到的發(fā)展水平?，F(xiàn)有發(fā)展水平是學生當前獨立解決問題的水平。即將達到的發(fā)展水平是學生目前無法獨立解決,但通過教師指導或團隊協(xié)作可以解決問題的發(fā)展水平。最近發(fā)展區(qū)介于現(xiàn)有發(fā)展水平和即將達到的發(fā)展水平之間,是發(fā)展的必經(jīng)階段。為了達到期望的教學效果,基于最近發(fā)展區(qū)理論,針對不同層級學生的特點,在不同層級教學目標的指導下,遵從由易到難、循序漸進、逐層提高的原則設(shè)計教學內(nèi)容。

在基礎(chǔ)層級,主要涉及的教學內(nèi)容有:(1)介紹靜電場仿真環(huán)境(https://phet.colorado.edu/zh_CN/)及其使用方法;(2)演示單個點電荷的建模及仿真模擬,如圖1所示,引導學生思考與仿真結(jié)果相關(guān)的基本概念和規(guī)律,如點電荷模型、試探電荷模型、電場強度、電位和高斯定理等,啟發(fā)學生解決物理問題時創(chuàng)建物理圖象的思維方式;(3)鼓勵學生仿真點電荷組的靜電場,如圖2-3所示,理解靜電場的矢量疊加原理;(4)引入微積分的理念,引導學生構(gòu)建簡單的連續(xù)帶電體系,如一根帶電線(如圖4)、多根帶電線、帶電圓環(huán)等,體會微積分思想在分析和解決傳統(tǒng)的一維或二維對稱性帶電體系的靜電場問題中的作用。

圖1 點電荷在空間激發(fā)的靜電場

圖2 兩點電荷在空間激發(fā)的靜電場

圖3 電偶極子在空間激發(fā)的靜電場

圖4 有限長帶電線在空間激發(fā)的靜電場

在過渡層級,引導學生查閱資料、互相討論,基于靜電場仿真環(huán)境構(gòu)建個性化的、較復(fù)雜的一維或二維帶電體系,模擬其靜電場空間分布,并對結(jié)果進行分析和討論。向?qū)W生指出上述仿真環(huán)境的限制:所建帶電體系模型只能是一維或二維分布,仿真結(jié)果只能給出靜電場的二維空間分布。以此為出發(fā)點,引發(fā)學生思考,激發(fā)學生進行三維帶電體系建模及靜電場模擬仿真的探索意識。

在進階層級,針對靜電場仿真環(huán)境的限制,指導學生自主學習、分組討論,利用商業(yè)軟件CST進行個性化三維帶電體系建模,完成仿真模擬并對結(jié)果進行分析討論,圖5為均勻帶電金屬球及其空間激發(fā)的靜電場。對模擬仿真的限制問題的探討和解決具有開放性特點,有效激發(fā)了學生的好奇心和主觀能動性,提高其解決實際問題的能力,培養(yǎng)其勇于探索的科學精神。

通過教學內(nèi)容的分層設(shè)計,不同層級的學生在理解基本概念和解決實際問題方面的能力有一定的提升,將潛在的發(fā)展水平變?yōu)楝F(xiàn)有發(fā)展水平,獲得個人發(fā)展。

圖5 均勻帶電金屬球在空間激發(fā)的靜電場

2.4 教學方法分層

在分層教學模式框架下,完成教學實踐時教師采用的教學方法必然存在層級差別。在基礎(chǔ)層級,通過講解和演示對學生進行基本計算機模擬能力和方法的訓練。根據(jù)教師的演示,學生進行簡單帶電體系的建模和模擬仿真,分析結(jié)果揭示帶電體系的靜電場特性,加深對電場強度、電位概念的理解。在過渡層級,教師采用演示與問題導向的混合教學方式激發(fā)學生的學習興趣,引導學生解決典型帶電體系的靜電場問題、增強專業(yè)自信。在進階層級,教師采用問題導向的教學方式,引導學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題,提高其物理科學素養(yǎng)和實踐能力。此層級教師的地位有明顯的弱化。占主導地位的學生通過自主學習、組內(nèi)及組間探討獲取新的計算機知識和仿真環(huán)境,完成較復(fù)雜帶電體系的建模及仿真模擬,并對結(jié)果進行分析和討論,體驗探索的成就感,激活創(chuàng)新意識。

2.5 教學評價分層

實驗教學評價在整個教學實踐活動中起著重要的作用。傳統(tǒng)的評價主要由教師完成,缺少學生的參與,很難激發(fā)其主觀能動性。計算機模擬拓展實驗的教學評價在保留教師評價維度的基礎(chǔ)上,增加同層級組內(nèi)成員的他評維度和自評維度。他評涉及實驗過程中個體與組內(nèi)成員溝通和討論等方面。自評涉及個體在實驗過程中的學習態(tài)度、實驗完成度及自我感悟等方面。師評、自評和他評的三維實驗評價體系合理、公正、科學,有效提高學生的學習興趣和學習熱情,增強物理科學素養(yǎng)和實踐能力,刺激創(chuàng)新思維的萌生。

3 結(jié) 論

在傳統(tǒng)的模擬法測繪靜電場實驗中,通常用穩(wěn)恒電流場模擬描繪有相同數(shù)學形式的靜電場。這種數(shù)學模擬法受到一定的限制,無法隨意推廣。本文基于本校光電科專業(yè)特點和分層教學模式,融入思政元素,對計算機模擬拓展實驗在教學的對象、目標、內(nèi)容、方法和評價方面進行分層設(shè)計,充分發(fā)揮了學生的主觀能動性,提高其物理科學素養(yǎng)和實踐能力,培養(yǎng)其勇于探索的科學精神,增強專業(yè)自信。