大学物理及实验的课程思政探索——以静电场部分为例_赵俊.pdf

第 35 卷第 6 期大学物理实验Vol35 No62022 年 12 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEDec2022收稿日期:2022-08-20基金项目:国家自然科学基金(62174088);南京邮电大学教学改革研究项目(JG00721JX100)*通讯联系人文章编号:1007-2934(2022)06-0137-06大学物理及实验的课程思政探索 以静电场部分为例赵俊*，严刚，田友伟(南京邮电大学 理学院，江苏 南京210023)摘要:以大学物理及实验课程中“静电场”部分为例设计探索课程思政教学，研究如何在各个教学环节有机融合思政教育，从而培养学生追求真理、勇攀高峰的科学精神，激发热爱祖国、科学报国的责任感和使命感。通过问卷调查，发现学生对目前实施的思政教学模式比较认可，但同时也存在着一些需要改进的地方。通过教学研讨和教学反思，提出了后续思政教育的改进措施。关键词:大学物理;物理实验;课程思政;静电场;探索实践中图分类号:G 642文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202206028习近平总书记在全国高校思想政治工作会议1 上强调，“提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。”教育部在 高等学校课程思政建设指导纲要2 中也指出，课程思政建设就是寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观，是人才培养的应有之义，更是必备内容。大学物理 和大学物理实验 是高等学校理工科本科生的必修基础课，授课范围广。该课程的教学在培养学生树立科学的世界观、增强学生分析问题和解决问题的能力、培养学生的探索精神和创新意识等方面具有重要作用。同时，大学物理及实验课程作为课程思政的重要阵地和平台，如何“守好这段渠，种好这片责任田”，是每一位大学物理及实验任课教师需要认真思考的课题，也是践行“立德树人”的历史使命3。静电场相关知识是电磁学部分的基础和重难点内容，是将所学物理知识与实际应用紧密结合的典型案例，它紧密联系前沿重大科技进展、国民经济发展重大需求4。在静电场章节的理论和实验教学中实施课程思政，有助于提升学生学以致用的能力。本文以静电场相关章节为例，通过教学设计、教学实践、问卷调查等环节，将思政教育有机地融入到理论知识和实验教学中，从而培养学生追求真理、勇攀高峰的科学精神，热爱祖国、科学报国的责任感和使命感。1静电场课程思政教学实施11知识框图静电场相关章节讲述真空中的静电场和静电场中的导体与电介质，这两章节的知识框图如图1 所示，它直观描绘了静电场部分各知识点的脉络关系，其中静电场相关实验，有利于加深学生对理论知识的理解。从真空中静止点电荷间的相互作用出发，引入了静电场的基本定律 库仑定律以及叠加原理，并沿两条主线:电荷在静电场中受力和静电场力做功，分别引入描述静电场基本属性的两个物理量:电场强度和电势。从电场强度的通量和环流的分析，重点阐述描述静电场基本属性(有源场和保守场)的两个定理:高斯定理和环路定理，其中高斯定理是本章的重点和难点。通过学习静电场与带电粒子的相互作用，推出导体的静电平衡条件以及静电场中导体的电学性质，其中静电场中导体的相关知识，也是本章的难点内容。最后介绍电介质的极化及介质中的高斯定理，电容器及其连接，导出电场能量的相关规律。图 1静电场章节知识点框图12课程思政的实施下面以大学物理静电场部分章节内容为例，介绍课程思政的具体实施过程。为保证教学质量，采用“课前预习”、“课上学习”以及“课后复习”的三位一体教学模式，重点落实每一个环节的衔接与互补，逐渐形成了以“价值引导、知识传授、能力培养”为导向，将辩证唯物主义世界观、科学思维方法和爱国主义情怀等思政教育元素有机融合的课程思政教学模式，如图 2 所示。课前预习环节，要求学生参加我校慕课平台大学物理 课程静电场部分的学习。针对每次新课，平台提供了 20 分钟的知识点讲授，学生可根据教材和视频资料，对本节课的重点内容有整体把握。慕课视频还提出了与本次内容相关的实际应用拓展思考题，学生可通过查阅资料尝试解答，这些预留的思考题也将在下次课前分组讨论展示，并计入平时成绩，以此激发学生的求知欲和探索积极性。比如在学习摩擦起电时，让学生观察演示实验，思考范式起电机、静电跳球、静电摆球以及静电除尘的工作原理。在预习教材、学习慕课和课后查阅资料的过程中，学生运用所学知识解决实际问题的能力就得到了提高和拓展，科学的思维方法也得到了锻炼和提升。图 2静电场课程思政教育实施流程图课上学习环节，在讲授知识的同时，深入挖掘思政元素，并将这些思政元素巧妙融入课堂教学中，课堂引入 PPT 截图如图 3 所示，无论是富兰克林的“风筝实验”，还是密里根油滴实验，还是尖端放电实验，都让学生领率了物理的魅力所在，增强了学生学习物理的兴趣。增加物理学家生平和物理前言科技的介绍，充分培养学生的思想道德情怀，在线答题则可以将思政元素和案例与学生进行及时有效互动，增强了课堂趣味性和生动性，也进一步培养了学生的科学思维方法和价值观。通过这种“润物细无声”的教育教学方法，让课程思政入眼、入脑、入心，从而提高思政育人效果5。(1)讲授静电场相关知识点 有机融合思政元素。在讲授库仑定律时，引入“点电荷”这一理想模型，引导学生体会“马克思主义突出主要矛盾，忽略次要矛盾”的方法在解决物理问题中的具体应用，从思想上引领学生对这些抽象概念的理解;讲述点电荷与点电荷系关系、电场叠加原理与电势叠加原理时，可以引入“众人拾柴火焰高”的谚语，培养学生的团队协作精神;谈及电势计算时，可以通过点电荷的电势代数求和的方法求得点电荷系或是连续带电体的电势，其他条件不变时，正电荷越多则点电荷系的电势就越大，反之则越小，此性质正好与时下我国的抗疫精神融合起来，只有全国人民团结一致、齐心协力，才能最终831大学物理实验2022 年战胜新冠疫情;推导高斯定理时，从点电荷位于球面中心出发，给出电通量与球面内电荷量的关系，逐渐扩展到点电荷在任意封闭曲面内外以及点电荷系的情况，循序渐进，从特殊过渡到一般，最终得到静电场高斯定理，教学过程重点让学生理解循序渐进的科学思维方法，以及从量变到质变的事物发展变化的过程本质，正如晋代文学家左思潜心学习，深入观察，精心构思，最终成功著得三都赋。图 3课堂引入环节 PPT 截图展示(2)渗透科学思维方法。科学思维方法能帮助学生加深理解和透彻领悟物理规律，是实现大学物理及实验课程人才培养目标的有效手段6。静电场开篇引入了“正负两种电荷”，分析对比可得到正负电荷的不同性质，这便是通过对比得出结论的科学探究方法;在引入点电荷这一理想模型时，引导学生明确当带电体自身的几何形状、大小和电荷分布对带电体间的相互作用可以忽略时，就可以把该带电体当作点电荷对待，理想化方法是一种科学抽象思维方法，它考虑主要因素，忽略次要因素，从而揭示问题本质;在证明任意两条电场线永不相交时，用到了反证法，反证法在分析导体静电平衡条件和导体表面电荷分布规律时也同样用到;在推导静电场高斯定理时，从特殊到一般，循序渐进，归纳得出静电场的高斯定理公式，这里体现了归纳法在揭示普遍物理学规律中的应用。在教学过程中将物理科学思维方法教授给学生，既能激发学生学习自然科学的兴趣，又能提高课堂教学质量，培养学生的科学素养和开拓创新的能力。(3)培养辩证唯物主义世界观。很多大学物理和物理实验知识、物理思想及物理方法都和马克思主义哲学观点方法一致，将这些内容作为课程思政元素，可生动明确地对学生进行辩证唯物主义世界观和方法论的教育7。比如讲电场时，指出法拉第早期提出“场”的概念时，很少有人能理解“场”的本质，甚至很多人对法拉第的实验和理论嗤之以鼻。通过背景介绍，引导学生总结出场的物质性，提出“场”和“实物粒子”一样，都是客观真实存在的物质，这就是马克思主义唯物论中物质性的准确理解，同时也反映了任何事物的发展都是前进性和曲折性的统一，这正是马克思主义的唯物辩证法。在总结正负电荷时，指出这是马克思主义对立统一规律在物理学知识中的直接体现;又如介绍静电场中的导体时，逐步分析得到静电平衡和静电屏蔽相关规律，并提出“如何防治静电”，又“如何利用静电”?播放视频，让学生了解生活中静电防治的实际案例:避雷针、高压线屏蔽、超高压工作服等;生活中静电利用的实际案例:静电除尘、静电喷漆、静电复印等，让学生总结出“静电利用”思路为“先使空气电离，再让微粒带电、微粒受静电力而做定向运动”。引导学931第 6 期赵俊，等:大学物理及实验的课程思政探索生分析对比，从物理知识到哲学思考，再到辩证唯物主义世界观，层层递进，把静电防治和静电利用的性质上升到辩证唯物主义的哲学高度:即任何事物都有两面性，要有效利用其有利的一面，而避免其不利的一面8。通过马克思主义哲学思想的渗透，可以让学生认识到在学习生活道路上难免会遇到挫折，但不要害怕，要经住风雨的考验，才能见到彩虹。(4)分享物理学家生平 塑造科学精神。学生对物理学家有着天然的崇拜，物理学家的科学精神和科学态度对学生个人良好品德养成有着重要影响。静电场的开篇即介绍著名的库仑定律:在真空中两个点电荷之间的相互作用力与两点电荷所带的电量乘积成正比，与两者距离平方成反比。库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律，它使电学的研究从定性进入定量阶段，是电学史中的一块重要的里程碑。电荷的单位“库仑”就是以他的姓氏命名的。在介绍库仑定律公式时，教师可以给学生介绍库仑导出“平方反比定律”的艰辛，其间设计了巧妙的扭秤实验，面对实验的偏差，仔细实验，反复测量，并对实验结果进行详细分析，找出误差产生的原因，进行修正，终于测定出带等量同种电荷的小球之间的斥力。库仑身上体现出的不畏艰险的奋斗精神、有根据的怀疑精神和小心求证的探索精神都深深感染着学生，和风细雨般在学生心中植下了不断奋进的科学精神的种子。在介绍避雷针和尖端放电现象时，重点分享“引雷入地”的科学家富兰克林的事迹。他为了证明闪电是一种放电现象，进行了著名的“风筝实验”。1752 年 7 月的一个雷雨天，富兰克林冒着生命危险将一个系着长导线的风筝放进雷雨云中，并在金属末端拴上一把钥匙。当雷电产生时，他将手接近钥匙，手上有麻木感，好在这次闪电比较弱，他并没有受伤。通过制造避雷针，居民木制房屋和其他建筑得到了有效保护。富兰克林为了探索科学真理，不惧危险、勇于攀登、造福人类的伟大精神正是非常好的课程思政教育，通过介绍物理学家们的生平，让学生体会到科学研究的道路是艰苦卓绝的，而伟大的科学家都是百折不挠的，他们坚持不懈、求真务实、锲而不舍的科学研究精神值得每个人学习。(5)激发爱国主义情怀。大学物理及实验课程教学时，结合课程内容及时地把这些先进科技发展引入课堂，通过我国科学家的科学贡献和新时期我国在科技领域的伟大进展激发学生的爱国主义情怀，增强学生的民族自豪感和自信心。讲到静电屏蔽效应时，提出问题:为何不管空腔导体外静电场如何改变，腔内电场一直为零?引导学生根据静电平衡条件积极思考并分析出原因:导体内含有大量可以自由运动的电荷，它们能随着外加电场的变化而重新分布，产生附加电场，从而使得空腔内电场始终为零。此处可以拓展到不管国际环境如何变化，都应该始终保持初心，为实现中华民族伟大复兴和国家繁荣昌盛而不断努力。这种自然而然的类比激发了学生心中的家国情怀，起到了“立德树人”的作用。静电屏蔽效应还可以引申出我国在高端制造业领域领先世界的一张“名片”特高压输电技术。我国的特高压输电是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。这些思政元素的引入无疑提升了学生的民族自信心和爱国情怀，弘扬了科学报国的光荣传统，并能引导学生把个人理想融入国家发展中，不畏艰险，勇于创新。(演示图片来自吉林大学张汉壮教授慕课 物理学导论)图 4学生分组汇报 PPT 展示课后复习环节，首先为了巩固课堂所学，要求学生及时复习教材和课件上的