提升电介质物理课程教学生动性的探索与实践

崔巍巍[1]，刘立柱，翁凌，王诚，陆以杉



提升电介质物理课程教学生动性的探索与实践

崔巍巍[1]，刘立柱，翁凌，王诚，陆以杉

（哈尔滨理工大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

针对电介质物理课程多学科交叉性以及理论性强的特点，提出在授课过程中运用多种教学方法相结合的教学设计思想．即采用类比法并延伸类比前后照应的方式组织教学内容，通过与教学内容相融合的方式维护课堂秩序，借助任务驱动法鼓励学生深入思考，通过角色扮演模拟物理过程等．实践证明，这一改革措施提升了课堂教学生动性，学生的学习热情高涨，教学效果良好．

电介质物理；类比法；任务驱动法

电介质物理是以电介质材料为研究对象的一门科学，是绝缘材料专业的基础理论课和必修课．电介质物理研究电介质的极化、电导、损耗以及击穿与电介质的结构、组成之间的关系，从而为生产和研究人员制造、选用和开发电介质提供科学依据[1-3]．高分子材料专业在大三开设电介质物理课程，以促进学生深入学习材料介电特性的微观本质，加深对温度、电场、压力和频率等外界条件对材料介电特性影响的理解，为学生今后学习绝缘材料测试方法等相关课程打下坚实的理论基础．

该课程涉及物理学、化学、材料学、电子学和电气学等多学科的交叉与融合，抽象概念较多，学生在学习过程中往往觉得枯燥难懂，容易产生畏难情绪，这种状况在其它高校中也普遍存在．经过多年的钻研探讨和教学实践，在如何提升课堂教学的生动性，激发学生的学习兴趣，引导学生掌握电介质物理概念和原理方面进行了探讨，积累了丰富的教学经验，取得了满意的教学效果．

1 类比法的应用

1.1 巧用类比导入教学内容，揭示电介质作用

类比法是根据两种事物在某些特性上的相似，推理出他们在另一些特性上也可能相似的思维形式，作为直接有效的一种课堂教学方法，可以把复杂的物理问题变得简单易懂[4-5]．在物理新概念的得出，物理模型的建立，物理问题的理解上有其得天独厚的优势．大学生的抽象思维能力较强，对教学的直观性要求不那么高，但教师在课堂中采取生动灵活的类比法组织教学内容，借助生动有趣、深入浅出的类比实例仍能有效激发学生对课程内容的兴趣程度，从而提高授课效果．

课程绪论部分首次提出电介质的概念时，学生对电介质在电能传输存储中的作用往往不太理解．此处采用类比的方法讲解，将“电流”和“水流”类比，水流是水分子的定向流动，电流是电荷的定向迁移，水流依靠堤坝（河床）来束缚流向，电流则依靠电介质隔离在不同电位的导体之间束缚电流．将电介质类比为堤坝，通过堤坝的作用去认识电介质的作用，就比较容易阐明原理了．

1.2 延伸类比前后照应，揭示树枝本质

课程最后一章关于“树枝化”的介绍中，将前面提到的电介质与堤坝的类比进行延伸，与绪论部分前后照应，在辅助学生理解树枝本质的方面取得了令人满意的效果．此处，电介质中的树枝与堤坝中的蚂蚁穴相类比，从形态上，两者都是空心通道；从作用效果上看，“千里之堤，溃于蚁穴”，蚂蚁穴的产生不会导致堤坝立刻绝堤，但长时间的作用下，会导致堤坝的破坏；树枝的危害与蚂蚁穴类似，它的产生不会立即导致绝缘介质的击穿，在电场的长期持续作用下，树枝状微通道顺着电场方向贯穿整个电介质材料，才会导致击穿，严重威胁电气设备、开关器件和绝缘套管的运行安全．经过在形态和作用效果两方面的相似之处的类比，学生很容易明白电介质材料的作用和树枝化的影响．可见，生动的类比对于抽象概念的理解最直接也最有效，有着事半功倍的效果．

2 灵活运用教学内容维护课堂秩序，让“低头族”抬头

电介质物理的教学过程中涉及到高等数学的微分积分计算，材料的微观极化损耗机制的空间想象，热力学和统计力学的联系等内容，学生感觉枯燥乏味，课堂上经常出现玩手机的“低头族”另外还有一些说话、睡觉和听音乐的现象．教师不得不腾出时间和精力维持课堂秩序．有时甚至在上课之前将手机收缴上来，这样反复的中断，教师经常面临在有限学时内无法完成教学任务的问题．

在教学过程中，进行了将对大学课堂秩序的硬性维护转化为与教学内容相融合的教学尝试，让学生们能从思想上充分理解教师的良苦用心，从而积极配合教学方法的改革．

在介绍热力学和统计力学关系时，通过波尔兹曼关系式将热力学中的熵和统计力学中的热力学几率联系在一起，，．其中：分别为第种状态的粒子数；为系统的总粒子数，．

热力学几率的定义是一个宏观状态所对应的微观状态的数目，为理解玻尔兹曼关系式，列举了这样一个例子，以班级学生上课为例，那么宏观状态就是高分子2013级82个学生在上课，对应很多的微观状态是有的学生在记笔记，有的学生在回答问题，有的学生在听课，有的学生在玩手机，有的学生在发呆等很多种微观状态．

用公式来计算，情况（1）中熵取得最大值，情况（2）中熵取得最小值，熵简单来说就是“混乱程度”，熵值越大就越混乱，反之则越有秩序．体系自发的总是朝着熵增加的方向进行，对于课堂，如果不另做功，施加影响而是顺其发展，就会导致课堂越来越混乱，影响学生们的正常学习，因此教师需要花费一定的时间和精力来维持课堂秩序，学生们也需要自我克制，自我管理保持良好的听课状态．

这种将维持课堂秩序与教学内容相融合的教学方法，既不中断教学，又不浪费学时；使学生明确理解了抽象的定义，又使学生们认识到维持课堂秩序的必要性和根本目的，从内心深处对教师维持课堂秩序给予充分的理解．对自己应该怎样保持良好的听课状态有了深刻的认识，最大限度地调动了学生课堂学习的自主性，有效地维持了学生的适宜行为，在多方面起到了有益促进作用，提升了教学效果．

3 任务驱动法打破课本限制，加深对损耗的理解

任务驱动法教学是教师通过给学生布置探究性的学习任务，引导学生主动思考及解决问题，学生借助查阅资料，对知识体系进行整理．在此过程中锻炼学生分析问题、独立探索的能力，是提高学生学习自主意识的一种方式[6]．在介绍电介质的损耗一章时可以利用该方法帮助学生强化对电介质损耗过程的理解．在介绍完损耗的产生会对介质材料绝缘性造成危害后，给学生布置任务，让大家思考“是不是介质在电场的作用下产生损耗就是毫无意义，能否把损耗的特性运用起来，为人类生产生活服务．”从教师讲述转到让学生自主思考的环节，可以带动学生课下主动学习的热情，引导学生从损耗的微观机理去了解电介质损耗的应用．例如：利用损耗机理可以解决塑料制品的焊接问题．塑料通常是绝缘体，不能利用直接通电的方式使其内部加热，即使利用间接加热也是从外部进行，热量很难传至内部．而利用高频磁场使分子相互摩擦产生热量的电介质损耗过程，从内部对塑料均匀加热，使两塑胶件分子之间相互渗透粘合在一起，达到焊接效果．通过搜集资料，完成任务，学生更加深入理解电介质的损耗就是电场作用下分子转向相互之间摩擦而产生热量的过程．

4 正负电荷“角色扮演”，激发学生学习热情

在激发学生的课堂参与热情方面，借鉴文科教学中常采用的“分角色扮演”教学环节．结合课程的实际教学内容，在介绍电介质的极化和损耗过程时，组织学生通过“角色扮演”游戏理解物理过程．与文科课程中扮演人物类似，让学生扮演正电荷和负电荷，２个学生一组就结合成了一个电偶极子，让他们来模拟电场变化时偶极子的响应过程．无外电场时，加上恒定外电场时，外电场变化时，以及电场变化频率较低和较快时，作为组成偶极子的正负电荷应该怎样运动．当电场频率变化加快时，学生们就会更加频繁地转圈，消耗了体能，变累，此时和学生点明这就是能量的损耗，电偶极子发生类似的过程，电能以热能的形式损耗掉了．这样学生对电介质的极化和损耗过程有了更深刻更完整的认识，游戏结束后，大家都很兴奋，学生对角色扮演非常感兴趣．与坐在座位上被动接受学习不同，在参与角色扮演的过程中学生往往主动投入、主动参与，从中获得成就感和满足感．教师可以以学生积极参与角色扮演为契机，将学生的参与热情迁移到其它形式的课堂教学中，学习的积极性明显提高．

通过校内教学管理部门和学生评教双重机制对本课程的教学效果的评价显示，本课程讲解条理清晰，深入浅出，学生学习兴趣浓厚，学习效果好，评价结果优秀．

综上所述，电介质物理课程理论性强，概念抽象，导致该门课程不易讲授．采用多种教学方法相结合的方式，科学地组织教学内容，创造良好的教学环境，将晦涩难懂的理论尽量讲解得生动有趣，引导学生主动思考，有效地激发学生的学习兴趣，调动学生学习的积极性．校内教学管理部门和学生的评教结果表明，本课程教学效果优秀，已成为本专业学生最喜欢的课程之一．

[1] 李盛涛，钟力生，刘辅宜，等．由电介质物理教学与科研50年看电气绝缘学科发展[J]．电气电子教学学报，2011（S1）：18-24

[2] 沈宗洋，骆雯琴．材料物理专业电介质物理课程本科教学改革探讨[J]．长春教育学院学报，2013，29（11）：88-89

[3] 刘宏伟，尹丽娟．电介质复介电常数的教学和实验[J]．电气电子教学学报，2015，37（2）：42-44

[4] 皮小力，尹社会．类比法在刚体力学教学中的应用[J]．高师理科学刊，2008，28（4）：105-107

[5] 张清．类比法在大学物理教学中的应用[J]．安徽工业大学学报，2002，19（2）：107-108

[6] 叶秀芳，胡晓洪，刘弋潞．物理化学实验的任务驱动教学模式探索研究[J]．广东化工，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

哈尔滨理工大学教育教学研究项目（220140001）

崔巍巍（1980-），女，吉林舒兰人，讲师，博士，从事静电纺丝、聚合物薄膜等研究．E-mail：cuiww5448@126.com