《大學(xué)物理》BOPPPS模式教學(xué)設(shè)計(jì)探討

何春鳳 段彬 王逍 王丹 張鳳琴

【摘要】總體教學(xué)設(shè)計(jì)遵從以學(xué)生為中心、以教學(xué)目標(biāo)為導(dǎo)向的教學(xué)理念，按照BOPPPS模式（B導(dǎo)入-O目標(biāo)-P前測(cè)-P參與-P 后測(cè)-S 總結(jié)）的策略實(shí)施教學(xué)計(jì)劃。以這種模式設(shè)計(jì)的教學(xué)案例在課堂實(shí)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(xiàng)目】感謝吉林大學(xué)本科“創(chuàng)新示范課程”建設(shè)項(xiàng)目：基礎(chǔ)物理學(xué)“課程思政”學(xué)科育人示范項(xiàng)目（sk201915）給予的支持。

【中圖分類(lèi)號(hào)】O441.1-4 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】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(diǎn)和難點(diǎn)，學(xué)生們不太容易理解。本文以BOPPPS模式設(shè)計(jì)了7.7節(jié)——靜電場(chǎng)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(dòng)力，授課時(shí)間約30分鐘。

回顧描述電場(chǎng)的兩大物理量電場(chǎng)強(qiáng)度E和電勢(shì)U之間的關(guān)系，以及靜電場(chǎng)中普適的高斯定理?？谑鑫淖謨?nèi)容的同時(shí)，以板書(shū)形式給出兩個(gè)內(nèi)容的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

2.教學(xué)過(guò)程

（1）導(dǎo)入B：以圖片結(jié)合問(wèn)題式導(dǎo)入方式提出要講述的內(nèi)容，力圖生動(dòng)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(lái)討論電場(chǎng)和導(dǎo)體之間的聯(lián)系。假設(shè)現(xiàn)在有一個(gè)人生活在一個(gè)鐵質(zhì)（導(dǎo)體）的房子里，屋子外邊有一個(gè)壞人拿著一個(gè)發(fā)電器，試圖在你的房子的周?chē)圃煲粋€(gè)強(qiáng)電場(chǎng)并用這種強(qiáng)電場(chǎng)的方式來(lái)傷害你的話，他會(huì)不會(huì)成功？引出今天的主要授課內(nèi)容——靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體問(wèn)題，同時(shí)板書(shū)寫(xiě)出：7.7 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體。

（2）目標(biāo)O：多媒體給出本節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)難點(diǎn)。學(xué)習(xí)目標(biāo)要從學(xué)生的角度出發(fā)，設(shè)定必須明確、適當(dāng)、可達(dá)成、可測(cè)量。學(xué)習(xí)目標(biāo)從知識(shí)目標(biāo)、能力目標(biāo)、情感價(jià)值目標(biāo)和思政目標(biāo)四個(gè)方面給出。知識(shí)目標(biāo)：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(diǎn);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(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力、理論聯(lián)系實(shí)際的能力和創(chuàng)新能力。情感與價(jià)值觀目標(biāo)：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(yàn)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(dòng)力，在給予學(xué)生愛(ài)國(guó)主義教育的同時(shí)，幫助學(xué)生樹(shù)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(biāo)：傳遞堅(jiān)定共產(chǎn)主義信仰。學(xué)生通過(guò)本次課要掌握導(dǎo)體處在電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生什么變化，并掌握這種變化的特征。

（3）前測(cè)P：前測(cè)部分的結(jié)果用來(lái)幫助教師了解學(xué)生對(duì)本知識(shí)點(diǎn)的興趣及先備知識(shí)，以便調(diào)整后續(xù)教學(xué)內(nèi)容的深度及進(jìn)度，讓課程的目標(biāo)更加聚焦。設(shè)置問(wèn)題：導(dǎo)體和絕緣體的本質(zhì)區(qū)別是什么？處于靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體會(huì)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(jìn)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(diǎn)：導(dǎo)體內(nèi)部存在可以自由移動(dòng)的電子。當(dāng)導(dǎo)體本身不帶電，也不受外電場(chǎng)作用時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的自由電子沒(méi)有宏觀的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體的各個(gè)部分呈現(xiàn)出電中性。多媒體給出圖3。

當(dāng)導(dǎo)體置于外電場(chǎng)中時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的帶負(fù)電的自由電子在外電場(chǎng)的作用下會(huì)出現(xiàn)宏觀的定向運(yùn)動(dòng)，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(huì)出現(xiàn)新的電荷，稱(chēng)之為感應(yīng)電荷。感應(yīng)電荷的出現(xiàn)反過(guò)來(lái)會(huì)改變導(dǎo)體內(nèi)部和周?chē)碾妶?chǎng)分布，直至導(dǎo)體中電荷宏觀運(yùn)動(dòng)停止，電荷分布達(dá)到新的平衡。我們把導(dǎo)體中沒(méi)有電荷做宏觀定向運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)稱(chēng)為靜電平衡狀態(tài)。

導(dǎo)體表面出現(xiàn)感應(yīng)電荷會(huì)激發(fā)一個(gè)與外電場(chǎng)方向相反的感應(yīng)電場(chǎng)'，導(dǎo)體中的電場(chǎng)是外電場(chǎng)和感應(yīng)電場(chǎng)的矢量和，即E=E0-E'。開(kāi)始時(shí)E0>E'，自由電子會(huì)不斷地沿電場(chǎng)強(qiáng)度的反方向移動(dòng)，使感應(yīng)電荷逐漸加多，感應(yīng)電場(chǎng)'隨之增大。那移動(dòng)的過(guò)程什么時(shí)候停止呢？這個(gè)過(guò)程一直延續(xù)到感應(yīng)電場(chǎng)與外電場(chǎng)平衡，導(dǎo)體中的電=0為止。于是導(dǎo)體內(nèi)沒(méi)有電荷做定向運(yùn)動(dòng)，電場(chǎng)分布不隨時(shí)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(shū)給出靜電平衡條件：1. E內(nèi)=0

導(dǎo)體內(nèi)部沒(méi)有電場(chǎng)（問(wèn)題式引申），那會(huì)不會(huì)有電力線存在呢？沒(méi)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(shí)給出）板書(shū)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(gè)分量，導(dǎo)體表面的電荷馬上會(huì)在該電場(chǎng)分量的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，就不再是靜電平衡狀態(tài)了。

結(jié)合板書(shū)電場(chǎng)和電勢(shì)關(guān)系公式，如果在導(dǎo)體內(nèi)部任意取兩點(diǎn)，a和b，考查這兩點(diǎn)的電勢(shì)差，選擇從a出發(fā)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)體內(nèi)部到達(dá)b點(diǎn)的積分路徑，因?yàn)閷?dǎo)體內(nèi)部的E處處為0，該積分必然等于0。則a點(diǎn)電勢(shì)和b點(diǎn)電勢(shì)的差值為0，a點(diǎn)電勢(shì)和b點(diǎn)電勢(shì)是相等的。即導(dǎo)體內(nèi)部任意一點(diǎn)的電勢(shì)都相等，即靜電場(chǎng)中導(dǎo)體是等勢(shì)體。多媒體和板書(shū)同時(shí)出示“等勢(shì)體”。

把不帶電導(dǎo)體放在電場(chǎng)中，大自然能毫不費(fèi)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(méi)有任何的凈電荷;保證了導(dǎo)體內(nèi)部電場(chǎng)，處處為0;使得外部電場(chǎng)線無(wú)論在任何的位置，和導(dǎo)體相交的時(shí)候，都是垂直于表面。非常不可思議。（給學(xué)生情感和價(jià)值觀教育——尊重自然，樹(shù)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(chǎng)時(shí)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(huì)如何分布呢？（問(wèn)題式引入，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜）以最簡(jiǎn)單的紅色實(shí)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(shí)際，另一方面主要是傳遞擁有堅(jiān)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(gè)導(dǎo)體心帶電，電荷最終會(huì)停在什么位置？電荷會(huì)去哪里？給出4個(gè)選項(xiàng)。

A.電荷會(huì)均勻分布在整個(gè)實(shí)體上。

B.所有的電荷會(huì)集中在某一點(diǎn)。

C.電荷會(huì)均勻分布在導(dǎo)體外表面。

D.以上3個(gè)答案都不對(duì)。

（4）參與式學(xué)習(xí)： 讓學(xué)生參與到學(xué)習(xí)活動(dòng)中來(lái)，以加深學(xué)生對(duì)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(guò)和同學(xué)的竊竊私語(yǔ)和討論也培養(yǎng)學(xué)生的語(yǔ)言表達(dá)能力、溝通能力及合作能力等素養(yǎng)。以提問(wèn)學(xué)生方式進(jìn)行講解，以便集中學(xué)生的注意力。選C選項(xiàng)的學(xué)生可以給到70分（滿(mǎn)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(huì)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(chǎng)中，穩(wěn)定時(shí)必然處于靜電平衡狀態(tài)。

用反證法證明。首先錯(cuò)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(lái)了。在導(dǎo)體內(nèi)部任意位置選擇一個(gè)封閉的高斯面，由于導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)處處為0，由高斯公式，矢量E點(diǎn)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(jiǎn)到難，遞進(jìn)式引入問(wèn)題，模型進(jìn)一步復(fù)雜）再次以提問(wèn)學(xué)生方式進(jìn)行。

現(xiàn)在把心模型更加真實(shí)化為中空的導(dǎo)體心。在與簡(jiǎn)單模型相同的條件下，在導(dǎo)體上電荷會(huì)怎么分布？導(dǎo)體內(nèi)表面會(huì)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(shí)心的導(dǎo)體還是中空的導(dǎo)體兩種情況內(nèi)部電場(chǎng)處處都是0。內(nèi)部不會(huì)有任何的電荷，整個(gè)心（包括中空的地方）是等勢(shì)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(chǎng)的變化嗎？（請(qǐng)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?zhuān)和獠侩妶?chǎng)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(jiàn)，感知不到的，即內(nèi)部的人被屏蔽了?？偨Y(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(jiàn)圖4。

通訊電纜和有線電視信號(hào)線外面包的鉛皮或者金屬絲，作用是屏蔽外界各種擾動(dòng)，使內(nèi)部傳輸?shù)男盘?hào)不受干擾。為什么高壓線上的工作人員可以安全作業(yè)？因?yàn)楦邏簬щ娮鳂I(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(dāng)心情不好的時(shí)候，不想接電話，還不想關(guān)機(jī)，可以怎么辦呀？找個(gè)導(dǎo)體盒子把手機(jī)裝進(jìn)去，這樣呼叫手機(jī)的人永遠(yuǎn)聽(tīng)見(jiàn)“您撥打的用戶(hù)暫時(shí)無(wú)法接聽(tīng)”。（ 學(xué)生情感和價(jià)值觀教育——積極陽(yáng)光的心態(tài)）

實(shí)踐環(huán)節(jié)：課程設(shè)計(jì)“用事實(shí)說(shuō)話”的教學(xué)環(huán)節(jié)。物理是實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，當(dāng)場(chǎng)用演示實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jī)放在導(dǎo)體盒子里，信號(hào)中斷，打開(kāi)盒子信號(hào)立即回復(fù)，用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證半導(dǎo)體收音機(jī)真的被屏蔽。

解答課程開(kāi)端提出的問(wèn)題（課程設(shè)計(jì)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(gè)人肯定是沒(méi)學(xué)過(guò)物理，因?yàn)閮?nèi)部永遠(yuǎn)都不會(huì)有電場(chǎng)的，外電場(chǎng)被導(dǎo)體房子屏蔽掉了。

（5）總結(jié)S：（遞進(jìn)式引入問(wèn)題，模型更進(jìn)一步復(fù)雜，同時(shí)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(dòng)性同時(shí)，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(chǎng)的變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外電場(chǎng)的屏蔽，我們叫作外屏蔽。

（6）后測(cè)：后測(cè)的目的是驗(yàn)收學(xué)習(xí)成果。后測(cè)題目設(shè)置與前測(cè)對(duì)應(yīng)，題目難度加深，起到引發(fā)學(xué)生思考的主動(dòng)學(xué)習(xí)效果。如果人攜帶一只貓進(jìn)入導(dǎo)體內(nèi)部，顯然貓和人一樣，是感知不到外邊電場(chǎng)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(kāi)，讓二者處在導(dǎo)體內(nèi)部不同位置，這個(gè)時(shí)候相當(dāng)于人在導(dǎo)體內(nèi)部不同位置放置等量異號(hào)電荷，空腔內(nèi)部因?yàn)橛须姾傻某霈F(xiàn)，內(nèi)部空間的電場(chǎng)就發(fā)生了變化。引入問(wèn)題，處在導(dǎo)體外邊的人會(huì)感知內(nèi)部電場(chǎng)的變化嗎？外邊的人是不是也會(huì)被屏蔽呢？會(huì)不會(huì)產(chǎn)生所謂的內(nèi)屏蔽呢？亦或進(jìn)一步，如果要實(shí)現(xiàn)內(nèi)部、外部的電場(chǎng)同時(shí)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(jì)的《大學(xué)物理》教學(xué)計(jì)劃在課堂實(shí)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(shí)在生活當(dāng)中的應(yīng)用，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)：

[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(jì)——以“動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)”為例[J].湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2021（2）：83-88.

作者簡(jiǎn)介：

何春鳳（1980年-），女，滿(mǎn)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。