问题引领式教学法在“大学物理”教学设计中的应用

陈宏 武怡

【摘要】本文将问题引领式教学法引入大学物理教学设计中，对静电场中的导体这节课在教学目标、教学策略、教学方法 、教学准备以及教学评价等方面进行了教学设计，并进行了深刻的教学反思，达到了预期的教学效果。

【关键词】问题引领式;大学物理;静电场;教学设计

引言：

以物理学的基础知识、基本思想、基本理论和方法为主体内容的“大学物理”课程是我校学员的一门必修的公共基础课[1]。涉及面非常广泛，对教与学双方都有一定的难度。要提高该门课程的教学质量就需要教师针对课程的特点以及学生的特点采用适当的教学方法，引导学生掌握课程的主要内容。在日常的教学中，我们尝试采用“问题引领式教学法”讲授“大学物理”课程，以提高本课程的教学质量。

问题引领式教学法是一种互动式教学方法，其基本思想是以学生的原有的知识结构为基础，将教学目标以适当的问题形式呈现在学生面前，使学生在“提出问题——分析问题——解决问题”的过程中，更好的掌握知识、锻炼思维、培养能力的一种教学方式。[2]其中，“引领”意在充分发挥教师的主导作用。

本文以“静电场中的导体”这几课的教学设计为例，阐述“问题引领式教学法”在“大学物理”教学设计中的应用。本节课选自科学出版社出版，康颖教授主编、军队院校统编的普通高等教育“十一五”国家级规划教材《大学物理》上下册（第四版），“第9章 静电场中的导体与电介质”，“第1节 静电场中的导体”。

1教学内容的定位

“第9章 静电场中的导体与电介质”是继“第8章 真空中的静电场”之后的一章，实际上“真空”只不过是一种理想情况，实际电场中总会有导体或电介质，导体和电介质是实物物质，静电场是另一种形态的物质，当它们处在同一空间时就会产生相互作用、相互影响。本章是在上一章学习过“静电场中的高斯定理”、“静电场的安培环路定理”的基础上，来研究静电场和导体相互影响的规律、静电场和电介质相互影响的规律两部分内容。[3]本章的内容是上一章的延续，更是上一章内容的深入。本章内容不仅在静电应用方面有实用价值，而且在理论上也是以后学习的重要基础。[3]

“静电场中的导体”这节课主要研究静电场中导体的静电感应现象，处于静电平衡的条件、特点和性质以及静电平衡的重要应用——静电屏蔽。静电屏蔽的原理在工业生产和军事方面有着广泛的应用，它的应用对于取得未来战争胜利具有非常重要的意义。

本节课的教学重点是静电感应现象，导体静电平衡的条件，静电平衡时电场强度、电势和电荷的分布规律，空腔导体的静电屏蔽。其中，静电平衡的特点和性质以及空腔导体是本节课教学的难点。

2学情分析

学生已经在前期的课程中学习了静电场的有关知识，知道了静电场中的高斯定理，会用高斯定理求解具有对称性电场的电场强度。另外学生在高中的学习中已经知道了導体的概念，知道了导体导电的原理是自由电荷的移动。

3教学目标的设计

根据物理学科的核心素养，结合以上对教学内容的定位、学情的分析，本节课的教学目标设计如下：

知识与技能：通过本节课的学习，使学生形成以下的物理观念，系统地掌握静电感应现象的概念，掌握静电场中导体静电平衡的条件及电荷分布规律，理解静电屏蔽的原理和应用;使学生初步具有现代物理观念，能用这些物理观念解释自然现象和解决实际问题。

过程与方法：通过本节课的学习，培养学生科学思维方式，了解静电平衡条件的探究过程，使学员具有科学探究意识，培养学员综合运用所学物理知识分析问题、解决实际问题的能力和独立获取知识的能力;认识了电荷分布规律的科学思想和方法，从而提高学员的科学素养以及综合素质，实现知识、能力与素质协调发展，为培养具有较强的创新精神和创新能力的高素质新型军事人才奠定基础。

情感态度与价值观：通过本节课的学习，培养学员科学态度与责任感，使学员能正确认识科学的本质;唤起学员学习和研究物理的好奇心以及求知欲;从科学研究过程中体验探索自然规律的艰辛和喜悦，培养学生敢于坚持真理，勇于创新的科学精神和实事求是的科学态度，帮助学员建立辩证唯物主义世界观。使学生能够理解科学、技术、社会和环境的关系，热爱自然，珍惜生命，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感。

4教学策略设计

4.1总体策略

重现物理现象，提出物理问题，引领教学内容，抽象物理概念，创设问题情境，引领学生积极剖析物理原理，最后是联系实际应用，即用本节课所学物理知识解释之前的物理现象或问题，联系物理前沿知识及军事应用。也就是“提出问题——分析问题——解决问题”的教学思路。

4.2教学内容设计：

4.2.1导入课程：

首先通过向学生举出两个人站在一个由金属丝构成的封闭的大网球中，用高压电电击金属球的例子，从而提出问题，引入本节课课题：“金属网加高压，而金属网中的人却安然无恙，这是为什么呢？”带着这个问题进入本节课的教学过程。

4.2.2教学过程：

静电感应

（1） 静电感应现象

先让学生回忆金属导体的电结构，适时的提出问题：“什么是静电感应现象？”

学生回答：“自由电子在电场作用下做宏观定向运动，使导体上的电荷重新分布，在导体两端面上出现等量异号的电荷，使导体上电荷重新分布的现象。”

（2） 静电平衡

进一步讲解正是由于静电感应，而在导体两端面出现正负电荷而使导体内部产生一附加电场，其方向与外电场相反，叙述达到动态平衡的过程，给出静电平衡的概念，同时演示静电平衡过程。

（3） 静电平衡条件

在上问题的基础上得到用电场强度描述的导体静电平衡条件1，即 “达到静电平衡的导体内部场强处处为零”，用公式表示为： 。再由上式和电势差的定义，得出静电平衡的导体内部任意两点间的电势差为0，从而得到用电势描述的导体静电平衡条件2，即：“达到静电平衡的导体是等势体”。最后由电场线与等势面垂直的性质，得出“导体静电平衡时导体外表面的场强处处垂直于外表面”的推论。

这一推论用反证法来证明：假设导体已达到静电平衡，并假设场强与外表面不垂直，其夹角为θ，则电子将会在场强沿表面分量作用下定向移动，这与已达到的静电平衡矛盾。

（4） 导体上的电荷分布

设一实心导体，在导体内任取一点做闭合高斯面S，根据高斯定理，又因为静电平衡的导体，所以，可证得导体内无净电荷，净电荷都分布在导体的外表面。以此同时及时设问：“那么导体外表面附近空间的场强与导体表的面电荷密度有什么关系呢？”并提示学生这里可以建立一个高斯柱面，根据高斯定理求得。即：在导体表面附近任取一点P，过P点做一圆柱型高斯面，如图 1所示，根据高斯定理，得。可见，“导体外表面附近空间的场强与导体表的面电荷密度成正比”。

于是环环相扣，再次设问“既然导体表面附近的场强与导体表的面电荷密度成正比，那么导体表面的面电荷密度又与哪些因素有关呢？”从而过渡到第（5）个小问题——尖端放电。

（5） 尖端放电

展示尖端放电现象，并定性解释。“导体表现凸出而尖锐的地方，即曲率越大的尖端，电荷分布越密集，面电荷密度越大，则其附近的场强就越大强，随着电荷面密度的增大，场强逐渐增大，直至使周围的空气电离，产生放电，这种现象称为尖端放电现象。”

在这里不进行定量的讲解，只定性分析即可。因为定量的研究这个问题是比较复杂的，这不仅与导体的形状有关，还和它附近有什么样的其他带电体有关。

紧接着提出问题：“尖端放电的有什么弊端，如何避免尖端放电？”在学生回答的基础上并解释高压输电线表面光滑且半径不宜过小的原因。即“高压输电线附近发生的尖端放電会造成能量损耗， 需使输电线表面光滑， 以避免尖端放电。”

不仅如此，尖端放电也是有可利用的一面，相反的问题被提出：“尖端放电的有可利用的一面吗？请举列说明。”在学生回答的基础上解释避雷针的原理，即“避雷针是利用尖端放电， 将集中的高空电荷通过接地装置泄入大地，以免建筑物等遭雷击。”

空腔导体

设问“实心导体静电平衡时具有上述的性质，那么，一个空心的导体球壳静电平衡后，又具有哪些性质呢？”由此过渡到第2个大问题。

（1）内部无带电体的空腔

设有一内部没有带电体的空腔。由于空腔导体静电平衡应满足上述静电平衡的条件和电荷分布规律，即：“导体内部场强处处为零，导体是等势体，导体表面是等势面;导体表面附近的场强（电场线）处处与外表面垂直，导体内无电荷，电荷都分布在导体外表面。”我们在这里只需要根据高斯定理分别来说明空腔内场强也处处为零，电势处处相等，空腔和空腔内表面均无电荷分布。综上，即可得出空腔内物体不受外场影响，起到了静电屏蔽的作用的结论。并演示法拉第圆筒试验，证明腔内表面无电荷。

（2）内部有带电体的空腔

首先，根据高斯定理，再结合导体内可证明“空腔内表面感应出与带电体等量异号的电荷。”所以在腔内一定存在由正电荷指向负电荷的电场线，所以腔内又根据电荷守恒定律可知空腔内外表面电荷量总和等于球壳原来带电量。即： ，得空腔外表面带电量为，因此空腔外有电场，空腔内带电体对空腔外是有影响的。

而当空腔外表面接地时，外表面上的感应电荷被导入地下，整个空腔成为零电势体。表明腔内的电场线终止于内表面，而对外部没有影响，这样腔外的物体不受内场影响，这样也可以起到静电屏蔽的作用，即“一个接地的空腔导体可以隔离腔内外静电场的相互影响”。

在此前呼后应回到最初的问题：“金属网加高压，而金属网中的人却安然无恙，这是为什么呢？”学生回答：“因为静电屏蔽的作用。”举例：“雷雨天，汽车用不用躲避雷电呢？汽车本身也成为了静电屏蔽室。

进一步举出实例譬如：在精密仪器外面加上金属网或金属外壳做成的外罩;为使高压设备不影响其他仪器设备的正常工作，可以把它的金属外壳接地;高压输电线路的维修和检测工作中工作人员穿着的屏蔽服以及玩转特斯拉线圈的人身着的金属衣。让学员用本节课所学来解释现象，达到培养学员“提出问题——分析问题——解决问题”的能力目标。

4.3教学方法设计：

教学形式采用课堂教学——大班教学;教学模式采用问题引领式、启发探究式教学法;教学手段采用传统教学与多媒体教学相结合、网络课程;科学方法采用观察法、实验法、归纳法。

5教学流程

教学流程如图2所示：

6教学评价

通过本次课的讲授，大部分学生很好的掌握静电感应现象的概念，掌握静电场中导体静电平衡的条件及电荷分布规律，理解静电屏蔽的原理和应用;同时学生运用所学物理知识分析、解决实际问题的能力也有所提高，独立获取知识的能力得以进一步提高;通过本次课的学习，学员进一步领略到了物理学的美学价值，领略到了自然界之美，培养了学生实事求是的科学态度。

参考文献：

[1]陈宏.以学情分析为基础的“等倾干涉”教学设计[J].物理通报，2019，6，13-16.

[2]李晓英，李恒杰，魏祥林，吴丽珍.问题引领式教学设计在“电力电子技术”微课中的应用浅析[J]. 教育教学论坛，2018，8，197-198.

[3]康颖. 大学物理（第四版） [M]. 北京：科学出版社，2015.232.

项目：武警工程大学基础基金项目：WJY201901 “BiFeO3 掺杂铌酸钾钠基无铅压电陶瓷研究”