問題引領式教學法在“大學物理”教學設計中的應用

陳宏 武怡

【摘要】本文將問題引領式教學法引入大學物理教學設計中，對靜電場中的導體這節課在教學目標、教學策略、教學方法 、教學準備以及教學評價等方面進行了教學設計，并進行了深刻的教學反思，達到了預期的教學效果。

【關鍵詞】問題引領式;大學物理;靜電場;教學設計

引言：

以物理學的基礎知識、基本思想、基本理論和方法為主體內容的“大學物理”課程是我校學員的一門必修的公共基礎課[1]。涉及面非常廣泛，對教與學雙方都有一定的難度。要提高該門課程的教學質量就需要教師針對課程的特點以及學生的特點采用適當的教學方法，引導學生掌握課程的主要內容。在日常的教學中，我們嘗試采用“問題引領式教學法”講授“大學物理”課程，以提高本課程的教學質量。

問題引領式教學法是一種互動式教學方法，其基本思想是以學生的原有的知識結構為基礎，將教學目標以適當的問題形式呈現在學生面前，使學生在“提出問題——分析問題——解決問題”的過程中，更好的掌握知識、鍛煉思維、培養能力的一種教學方式。[2]其中，“引領”意在充分發揮教師的主導作用。

本文以“靜電場中的導體”這幾課的教學設計為例，闡述“問題引領式教學法”在“大學物理”教學設計中的應用。本節課選自科學出版社出版，康穎教授主編、軍隊院校統編的普通高等教育“十一五”國家級規劃教材《大學物理》上下冊（第四版），“第9章 靜電場中的導體與電介質”，“第1節 靜電場中的導體”。

1教學內容的定位

“第9章 靜電場中的導體與電介質”是繼“第8章 真空中的靜電場”之后的一章，實際上“真空”只不過是一種理想情況，實際電場中總會有導體或電介質，導體和電介質是實物物質，靜電場是另一種形態的物質，當它們處在同一空間時就會產生相互作用、相互影響。本章是在上一章學習過“靜電場中的高斯定理”、“靜電場的安培環路定理”的基礎上，來研究靜電場和導體相互影響的規律、靜電場和電介質相互影響的規律兩部分內容。[3]本章的內容是上一章的延續，更是上一章內容的深入。本章內容不僅在靜電應用方面有實用價值，而且在理論上也是以后學習的重要基礎。[3]

“靜電場中的導體”這節課主要研究靜電場中導體的靜電感應現象，處于靜電平衡的條件、特點和性質以及靜電平衡的重要應用——靜電屏蔽。靜電屏蔽的原理在工業生產和軍事方面有著廣泛的應用，它的應用對于取得未來戰爭勝利具有非常重要的意義。

本節課的教學重點是靜電感應現象，導體靜電平衡的條件，靜電平衡時電場強度、電勢和電荷的分布規律，空腔導體的靜電屏蔽。其中，靜電平衡的特點和性質以及空腔導體是本節課教學的難點。

2學情分析

學生已經在前期的課程中學習了靜電場的有關知識，知道了靜電場中的高斯定理，會用高斯定理求解具有對稱性電場的電場強度。另外學生在高中的學習中已經知道了導體的概念，知道了導體導電的原理是自由電荷的移動。

3教學目標的設計

根據物理學科的核心素養，結合以上對教學內容的定位、學情的分析，本節課的教學目標設計如下：

知識與技能：通過本節課的學習，使學生形成以下的物理觀念，系統地掌握靜電感應現象的概念，掌握靜電場中導體靜電平衡的條件及電荷分布規律，理解靜電屏蔽的原理和應用;使學生初步具有現代物理觀念，能用這些物理觀念解釋自然現象和解決實際問題。

過程與方法：通過本節課的學習，培養學生科學思維方式，了解靜電平衡條件的探究過程，使學員具有科學探究意識，培養學員綜合運用所學物理知識分析問題、解決實際問題的能力和獨立獲取知識的能力;認識了電荷分布規律的科學思想和方法，從而提高學員的科學素養以及綜合素質，實現知識、能力與素質協調發展，為培養具有較強的創新精神和創新能力的高素質新型軍事人才奠定基礎。

情感態度與價值觀：通過本節課的學習，培養學員科學態度與責任感，使學員能正確認識科學的本質;喚起學員學習和研究物理的好奇心以及求知欲;從科學研究過程中體驗探索自然規律的艱辛和喜悅，培養學生敢于堅持真理，勇于創新的科學精神和實事求是的科學態度，幫助學員建立辯證唯物主義世界觀。使學生能夠理解科學、技術、社會和環境的關系，熱愛自然，珍惜生命，具有保護環境、節約資源、促進可持續發展的責任感。

4教學策略設計

4.1總體策略

重現物理現象，提出物理問題，引領教學內容，抽象物理概念，創設問題情境，引領學生積極剖析物理原理，最后是聯系實際應用，即用本節課所學物理知識解釋之前的物理現象或問題，聯系物理前沿知識及軍事應用。也就是“提出問題——分析問題——解決問題”的教學思路。

4.2教學內容設計：

4.2.1導入課程：

首先通過向學生舉出兩個人站在一個由金屬絲構成的封閉的大網球中，用高壓電電擊金屬球的例子，從而提出問題，引入本節課課題：“金屬網加高壓，而金屬網中的人卻安然無恙，這是為什么呢？”帶著這個問題進入本節課的教學過程。

4.2.2教學過程：

靜電感應

（1） 靜電感應現象

先讓學生回憶金屬導體的電結構，適時的提出問題：“什么是靜電感應現象？”

學生回答：“自由電子在電場作用下做宏觀定向運動，使導體上的電荷重新分布，在導體兩端面上出現等量異號的電荷，使導體上電荷重新分布的現象。”

（2） 靜電平衡

進一步講解正是由于靜電感應，而在導體兩端面出現正負電荷而使導體內部產生一附加電場，其方向與外電場相反，敘述達到動態平衡的過程，給出靜電平衡的概念，同時演示靜電平衡過程。

（3） 靜電平衡條件

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

這一推論用反證法來證明：假設導體已達到靜電平衡，并假設場強與外表面不垂直，其夾角為θ，則電子將會在場強沿表面分量作用下定向移動，這與已達到的靜電平衡矛盾。

（4） 導體上的電荷分布

設一實心導體，在導體內任取一點做閉合高斯面S，根據高斯定理，又因為靜電平衡的導體，所以，可證得導體內無凈電荷，凈電荷都分布在導體的外表面。以此同時及時設問：“那么導體外表面附近空間的場強與導體表的面電荷密度有什么關系呢？”并提示學生這里可以建立一個高斯柱面，根據高斯定理求得。即：在導體表面附近任取一點P，過P點做一圓柱型高斯面，如圖 1所示，根據高斯定理，得。可見，“導體外表面附近空間的場強與導體表的面電荷密度成正比”。

于是環環相扣，再次設問“既然導體表面附近的場強與導體表的面電荷密度成正比，那么導體表面的面電荷密度又與哪些因素有關呢？”從而過渡到第（5）個小問題——尖端放電。

（5） 尖端放電

展示尖端放電現象，并定性解釋。“導體表現凸出而尖銳的地方，即曲率越大的尖端，電荷分布越密集，面電荷密度越大，則其附近的場強就越大強，隨著電荷面密度的增大，場強逐漸增大，直至使周圍的空氣電離，產生放電，這種現象稱為尖端放電現象。”

在這里不進行定量的講解，只定性分析即可。因為定量的研究這個問題是比較復雜的，這不僅與導體的形狀有關，還和它附近有什么樣的其他帶電體有關。

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？”在學生回答的基礎上并解釋高壓輸電線表面光滑且半徑不宜過小的原因。即“高壓輸電線附近發生的尖端放電會造成能量損耗， 需使輸電線表面光滑， 以避免尖端放電。”

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？請舉列說明。”在學生回答的基礎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。”

空腔導體

設問“實心導體靜電平衡時具有上述的性質，那么，一個空心的導體球殼靜電平衡后，又具有哪些性質呢？”由此過渡到第2個大問題。

（1）內部無帶電體的空腔

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

（2）內部有帶電體的空腔

首先，根據高斯定理，再結合導體內可證明“空腔內表面感應出與帶電體等量異號的電荷。”所以在腔內一定存在由正電荷指向負電荷的電場線，所以腔內又根據電荷守恒定律可知空腔內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，空腔內帶電體對空腔外是有影響的。

而當空腔外表面接地時，外表面上的感應電荷被導入地下，整個空腔成為零電勢體。表明腔內的電場線終止于內表面，而對外部沒有影響，這樣腔外的物體不受內場影響，這樣也可以起到靜電屏蔽的作用，即“一個接地的空腔導體可以隔離腔內外靜電場的相互影響”。

在此前呼后應回到最初的問題：“金屬網加高壓，而金屬網中的人卻安然無恙，這是為什么呢？”學生回答：“因為靜電屏蔽的作用。”舉例：“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。

進一步舉出實例譬如：在精密儀器外面加上金屬網或金屬外殼做成的外罩;為使高壓設備不影響其他儀器設備的正常工作，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特斯拉線圈的人身著的金屬衣。讓學員用本節課所學來解釋現象，達到培養學員“提出問題——分析問題——解決問題”的能力目標。

4.3教學方法設計：

教學形式采用課堂教學——大班教學;教學模式采用問題引領式、啟發探究式教學法;教學手段采用傳統教學與多媒體教學相結合、網絡課程;科學方法采用觀察法、實驗法、歸納法。

5教學流程

教學流程如圖2所示：

6教學評價

通過本次課的講授，大部分學生很好的掌握靜電感應現象的概念，掌握靜電場中導體靜電平衡的條件及電荷分布規律，理解靜電屏蔽的原理和應用;同時學生運用所學物理知識分析、解決實際問題的能力也有所提高，獨立獲取知識的能力得以進一步提高;通過本次課的學習，學員進一步領略到了物理學的美學價值，領略到了自然界之美，培養了學生實事求是的科學態度。

參考文獻：

[1]陳宏.以學情分析為基礎的“等傾干涉”教學設計[J].物理通報，2019，6，13-16.

[2]李曉英，李恒杰，魏祥林，吳麗珍.問題引領式教學設計在“電力電子技術”微課中的應用淺析[J]. 教育教學論壇，2018，8，197-198.

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

項目：武警工程大學基礎基金項目：WJY201901 “BiFeO3 摻雜鈮酸鉀鈉基無鉛壓電陶瓷研究”