提升電介質(zhì)物理課程教學(xué)生動(dòng)性的探索與實(shí)踐

崔巍巍[1]，劉立柱，翁凌，王誠(chéng)，陸以杉

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提升電介質(zhì)物理課程教學(xué)生動(dòng)性的探索與實(shí)踐

崔巍巍[1]，劉立柱，翁凌，王誠(chéng)，陸以杉

（哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

針對(duì)電介質(zhì)物理課程多學(xué)科交叉性以及理論性強(qiáng)的特點(diǎn)，提出在授課過程中運(yùn)用多種教學(xué)方法相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)思想．即采用類比法并延伸類比前后照應(yīng)的方式組織教學(xué)內(nèi)容，通過與教學(xué)內(nèi)容相融合的方式維護(hù)課堂秩序，借助任務(wù)驅(qū)動(dòng)法鼓勵(lì)學(xué)生深入思考，通過角色扮演模擬物理過程等．實(shí)踐證明，這一改革措施提升了課堂教學(xué)生動(dòng)性，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高漲，教學(xué)效果良好．

電介質(zhì)物理；類比法；任務(wù)驅(qū)動(dòng)法

電介質(zhì)物理是以電介質(zhì)材料為研究對(duì)象的一門科學(xué)，是絕緣材料專業(yè)的基礎(chǔ)理論課和必修課．電介質(zhì)物理研究電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)、損耗以及擊穿與電介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、組成之間的關(guān)系，從而為生產(chǎn)和研究人員制造、選用和開發(fā)電介質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)[1-3]．高分子材料專業(yè)在大三開設(shè)電介質(zhì)物理課程，以促進(jìn)學(xué)生深入學(xué)習(xí)材料介電特性的微觀本質(zhì)，加深對(duì)溫度、電場(chǎng)、壓力和頻率等外界條件對(duì)材料介電特性影響的理解，為學(xué)生今后學(xué)習(xí)絕緣材料測(cè)試方法等相關(guān)課程打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)．

該課程涉及物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)和電氣學(xué)等多學(xué)科的交叉與融合，抽象概念較多，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往覺得枯燥難懂，容易產(chǎn)生畏難情緒，這種狀況在其它高校中也普遍存在．經(jīng)過多年的鉆研探討和教學(xué)實(shí)踐，在如何提升課堂教學(xué)的生動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生掌握電介質(zhì)物理概念和原理方面進(jìn)行了探討，積累了豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，取得了滿意的教學(xué)效果．

1 類比法的應(yīng)用

1.1 巧用類比導(dǎo)入教學(xué)內(nèi)容，揭示電介質(zhì)作用

類比法是根據(jù)兩種事物在某些特性上的相似，推理出他們?cè)诹硪恍┨匦陨弦部赡芟嗨频乃季S形式，作為直接有效的一種課堂教學(xué)方法，可以把復(fù)雜的物理問題變得簡(jiǎn)單易懂[4-5]．在物理新概念的得出，物理模型的建立，物理問題的理解上有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)．大學(xué)生的抽象思維能力較強(qiáng)，對(duì)教學(xué)的直觀性要求不那么高，但教師在課堂中采取生動(dòng)靈活的類比法組織教學(xué)內(nèi)容，借助生動(dòng)有趣、深入淺出的類比實(shí)例仍能有效激發(fā)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的興趣程度，從而提高授課效果．

課程緒論部分首次提出電介質(zhì)的概念時(shí)，學(xué)生對(duì)電介質(zhì)在電能傳輸存儲(chǔ)中的作用往往不太理解．此處采用類比的方法講解，將“電流”和“水流”類比，水流是水分子的定向流動(dòng)，電流是電荷的定向遷移，水流依靠堤壩（河床）來束縛流向，電流則依靠電介質(zhì)隔離在不同電位的導(dǎo)體之間束縛電流．將電介質(zhì)類比為堤壩，通過堤壩的作用去認(rèn)識(shí)電介質(zhì)的作用，就比較容易闡明原理了．

1.2 延伸類比前后照應(yīng)，揭示樹枝本質(zhì)

課程最后一章關(guān)于“樹枝化”的介紹中，將前面提到的電介質(zhì)與堤壩的類比進(jìn)行延伸，與緒論部分前后照應(yīng)，在輔助學(xué)生理解樹枝本質(zhì)的方面取得了令人滿意的效果．此處，電介質(zhì)中的樹枝與堤壩中的螞蟻穴相類比，從形態(tài)上，兩者都是空心通道；從作用效果上看，“千里之堤，潰于蟻穴”，螞蟻穴的產(chǎn)生不會(huì)導(dǎo)致堤壩立刻絕堤，但長(zhǎng)時(shí)間的作用下，會(huì)導(dǎo)致堤壩的破壞；樹枝的危害與螞蟻穴類似，它的產(chǎn)生不會(huì)立即導(dǎo)致絕緣介質(zhì)的擊穿，在電場(chǎng)的長(zhǎng)期持續(xù)作用下，樹枝狀微通道順著電場(chǎng)方向貫穿整個(gè)電介質(zhì)材料，才會(huì)導(dǎo)致?lián)舸?，?yán)重威脅電氣設(shè)備、開關(guān)器件和絕緣套管的運(yùn)行安全．經(jīng)過在形態(tài)和作用效果兩方面的相似之處的類比，學(xué)生很容易明白電介質(zhì)材料的作用和樹枝化的影響．可見，生動(dòng)的類比對(duì)于抽象概念的理解最直接也最有效，有著事半功倍的效果．

2 靈活運(yùn)用教學(xué)內(nèi)容維護(hù)課堂秩序，讓“低頭族”抬頭

電介質(zhì)物理的教學(xué)過程中涉及到高等數(shù)學(xué)的微分積分計(jì)算，材料的微觀極化損耗機(jī)制的空間想象，熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)的聯(lián)系等內(nèi)容，學(xué)生感覺枯燥乏味，課堂上經(jīng)常出現(xiàn)玩手機(jī)的“低頭族”另外還有一些說話、睡覺和聽音樂的現(xiàn)象．教師不得不騰出時(shí)間和精力維持課堂秩序．有時(shí)甚至在上課之前將手機(jī)收繳上來，這樣反復(fù)的中斷，教師經(jīng)常面臨在有限學(xué)時(shí)內(nèi)無法完成教學(xué)任務(wù)的問題．

在教學(xué)過程中，進(jìn)行了將對(duì)大學(xué)課堂秩序的硬性維護(hù)轉(zhuǎn)化為與教學(xué)內(nèi)容相融合的教學(xué)嘗試，讓學(xué)生們能從思想上充分理解教師的良苦用心，從而積極配合教學(xué)方法的改革．

在介紹熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)關(guān)系時(shí)，通過波爾茲曼關(guān)系式將熱力學(xué)中的熵和統(tǒng)計(jì)力學(xué)中的熱力學(xué)幾率聯(lián)系在一起，，．其中：分別為第種狀態(tài)的粒子數(shù)；為系統(tǒng)的總粒子數(shù)，．

熱力學(xué)幾率的定義是一個(gè)宏觀狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的微觀狀態(tài)的數(shù)目，為理解玻爾茲曼關(guān)系式，列舉了這樣一個(gè)例子，以班級(jí)學(xué)生上課為例，那么宏觀狀態(tài)就是高分子2013級(jí)82個(gè)學(xué)生在上課，對(duì)應(yīng)很多的微觀狀態(tài)是有的學(xué)生在記筆記，有的學(xué)生在回答問題，有的學(xué)生在聽課，有的學(xué)生在玩手機(jī)，有的學(xué)生在發(fā)呆等很多種微觀狀態(tài)．

用公式來計(jì)算，情況（1）中熵取得最大值，情況（2）中熵取得最小值，熵簡(jiǎn)單來說就是“混亂程度”，熵值越大就越混亂，反之則越有秩序．體系自發(fā)的總是朝著熵增加的方向進(jìn)行，對(duì)于課堂，如果不另做功，施加影響而是順其發(fā)展，就會(huì)導(dǎo)致課堂越來越混亂，影響學(xué)生們的正常學(xué)習(xí)，因此教師需要花費(fèi)一定的時(shí)間和精力來維持課堂秩序，學(xué)生們也需要自我克制，自我管理保持良好的聽課狀態(tài)．

這種將維持課堂秩序與教學(xué)內(nèi)容相融合的教學(xué)方法，既不中斷教學(xué)，又不浪費(fèi)學(xué)時(shí)；使學(xué)生明確理解了抽象的定義，又使學(xué)生們認(rèn)識(shí)到維持課堂秩序的必要性和根本目的，從內(nèi)心深處對(duì)教師維持課堂秩序給予充分的理解．對(duì)自己應(yīng)該怎樣保持良好的聽課狀態(tài)有了深刻的認(rèn)識(shí)，最大限度地調(diào)動(dòng)了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的自主性，有效地維持了學(xué)生的適宜行為，在多方面起到了有益促進(jìn)作用，提升了教學(xué)效果．

3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)法打破課本限制，加深對(duì)損耗的理解

任務(wù)驅(qū)動(dòng)法教學(xué)是教師通過給學(xué)生布置探究性的學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考及解決問題，學(xué)生借助查閱資料，對(duì)知識(shí)體系進(jìn)行整理．在此過程中鍛煉學(xué)生分析問題、獨(dú)立探索的能力，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)自主意識(shí)的一種方式[6]．在介紹電介質(zhì)的損耗一章時(shí)可以利用該方法幫助學(xué)生強(qiáng)化對(duì)電介質(zhì)損耗過程的理解．在介紹完損耗的產(chǎn)生會(huì)對(duì)介質(zhì)材料絕緣性造成危害后，給學(xué)生布置任務(wù)，讓大家思考“是不是介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生損耗就是毫無意義，能否把損耗的特性運(yùn)用起來，為人類生產(chǎn)生活服務(wù)．”從教師講述轉(zhuǎn)到讓學(xué)生自主思考的環(huán)節(jié)，可以帶動(dòng)學(xué)生課下主動(dòng)學(xué)習(xí)的熱情，引導(dǎo)學(xué)生從損耗的微觀機(jī)理去了解電介質(zhì)損耗的應(yīng)用．例如：利用損耗機(jī)理可以解決塑料制品的焊接問題．塑料通常是絕緣體，不能利用直接通電的方式使其內(nèi)部加熱，即使利用間接加熱也是從外部進(jìn)行，熱量很難傳至內(nèi)部．而利用高頻磁場(chǎng)使分子相互摩擦產(chǎn)生熱量的電介質(zhì)損耗過程，從內(nèi)部對(duì)塑料均勻加熱，使兩塑膠件分子之間相互滲透粘合在一起，達(dá)到焊接效果．通過搜集資料，完成任務(wù)，學(xué)生更加深入理解電介質(zhì)的損耗就是電場(chǎng)作用下分子轉(zhuǎn)向相互之間摩擦而產(chǎn)生熱量的過程．

4 正負(fù)電荷“角色扮演”，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情

在激發(fā)學(xué)生的課堂參與熱情方面，借鑒文科教學(xué)中常采用的“分角色扮演”教學(xué)環(huán)節(jié)．結(jié)合課程的實(shí)際教學(xué)內(nèi)容，在介紹電介質(zhì)的極化和損耗過程時(shí)，組織學(xué)生通過“角色扮演”游戲理解物理過程．與文科課程中扮演人物類似，讓學(xué)生扮演正電荷和負(fù)電荷，２個(gè)學(xué)生一組就結(jié)合成了一個(gè)電偶極子，讓他們來模擬電場(chǎng)變化時(shí)偶極子的響應(yīng)過程．無外電場(chǎng)時(shí)，加上恒定外電場(chǎng)時(shí)，外電場(chǎng)變化時(shí)，以及電場(chǎng)變化頻率較低和較快時(shí)，作為組成偶極子的正負(fù)電荷應(yīng)該怎樣運(yùn)動(dòng)．當(dāng)電場(chǎng)頻率變化加快時(shí)，學(xué)生們就會(huì)更加頻繁地轉(zhuǎn)圈，消耗了體能，變累，此時(shí)和學(xué)生點(diǎn)明這就是能量的損耗，電偶極子發(fā)生類似的過程，電能以熱能的形式損耗掉了．這樣學(xué)生對(duì)電介質(zhì)的極化和損耗過程有了更深刻更完整的認(rèn)識(shí)，游戲結(jié)束后，大家都很興奮，學(xué)生對(duì)角色扮演非常感興趣．與坐在座位上被動(dòng)接受學(xué)習(xí)不同，在參與角色扮演的過程中學(xué)生往往主動(dòng)投入、主動(dòng)參與，從中獲得成就感和滿足感．教師可以以學(xué)生積極參與角色扮演為契機(jī)，將學(xué)生的參與熱情遷移到其它形式的課堂教學(xué)中，學(xué)習(xí)的積極性明顯提高．

通過校內(nèi)教學(xué)管理部門和學(xué)生評(píng)教雙重機(jī)制對(duì)本課程的教學(xué)效果的評(píng)價(jià)顯示，本課程講解條理清晰，深入淺出，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，學(xué)習(xí)效果好，評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)秀．

綜上所述，電介質(zhì)物理課程理論性強(qiáng)，概念抽象，導(dǎo)致該門課程不易講授．采用多種教學(xué)方法相結(jié)合的方式，科學(xué)地組織教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)造良好的教學(xué)環(huán)境，將晦澀難懂的理論盡量講解得生動(dòng)有趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性．校內(nèi)教學(xué)管理部門和學(xué)生的評(píng)教結(jié)果表明，本課程教學(xué)效果優(yōu)秀，已成為本專業(yè)學(xué)生最喜歡的課程之一．

[1] 李盛濤，鐘力生，劉輔宜，等．由電介質(zhì)物理教學(xué)與科研50年看電氣絕緣學(xué)科發(fā)展[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011（S1）：18-24

[2] 沈宗洋，駱雯琴．材料物理專業(yè)電介質(zhì)物理課程本科教學(xué)改革探討[J]．長(zhǎng)春教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，29（11）：88-89

[3] 劉宏偉，尹麗娟．電介質(zhì)復(fù)介電常數(shù)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)[J]．電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015，37（2）：42-44

[4] 皮小力，尹社會(huì)．類比法在剛體力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]．高師理科學(xué)刊，2008，28（4）：105-107

[5] 張清．類比法在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用[J]．安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19（2）：107-108

[6] 葉秀芳，胡曉洪，劉弋潞．物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)模式探索研究[J]．廣東化工，2014，41（15）：273-274

Exploration and practice on enhancement the teaching vitality for the course of dielectric physics

CUI Wei-wei，LIU Li-zhu，WENG Ling，WANG Cheng，LU Yi-shan

（School of Materials Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China）

Dielectric physics has the characteristics of multi discipline crossing and deep theory. In order to enhance the vitality for the course of dielectric physics，proposes an instructional design idea based on combination various teaching methods. In this idea，analogy is used and extended to the subsequent content in the teaching process， teaching content is flexible applied to keep the classes in order，task-driven approach is used to encourage deep thought，role-play is used to simulate physical processes. The practice proves that the teaching vitality and the students' learning enthusiasm has been improved effectively.

dielectric physics；analogy method；task- driven approach

1007-9831（2016）02-0090-03

O487∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.02.026

2015-11-25

哈爾濱理工大學(xué)教育教學(xué)研究項(xiàng)目（220140001）

崔巍?。?980-），女，吉林舒蘭人，講師，博士，從事靜電紡絲、聚合物薄膜等研究．E-mail：cuiww5448@126.com