模擬法測繪靜電場實驗教學結合課程思政教育的探討

朱華麗 唐貴平 黃小青 鄧小清

（長沙理工大學 湖南·長沙 410114）

0 引言

模擬法測繪靜電場是高等院校大學物理電磁學部分的重要實驗項目，實驗要求學生認真學習用模擬法描述和測繪靜電場分布的概念和方法，通過實驗測量等勢線，描繪電場線，從而加深對靜電場強度、電勢和電勢差等概念的理解。[1]為了提高實驗教學質量，已有一些文章對本實驗的教學進行了一系列的討論，如靜電場描繪儀實驗裝置的改進，[2,3]交流信號源的研制，[4]導電介質的研究，[5]實驗數據處理討論等。[6,7]這些文章主要是圍繞經典教學展開，對于如何在實驗教學中融入課程思政教育的討論非常少。新形勢下，如何創新教育教學方式方法，將價值導向與知識導向相融合，切實將實驗課程思政教育融入教學設計，弘揚社會主義核心價值觀，培養學生的科學精神，值得我們深入思考。因此，在這一思想的引領下，本文基于模擬法測繪靜電場的實驗，對大學物理實驗教學改革進行了如下探討。

1 課程教學過程

“課程思政”建設的基礎在于“課程”，沒有好的課程建設，“課程思政”功能就成為無源之水、無本之木。因此，教研室在長期實驗教學積累的基礎上主編了“十二五”規劃教材，在模擬法測繪靜電場實驗教學中，我們探索了“三個（為）什么”的提問式教學法，按著講解的先后，將實驗背景、實驗原理和實驗操作及內容有機串聯起來。

（1）一問“為什么要用模擬法測繪靜電場？”闡明實驗的意義和背景。隨著靜電現象、應用和防護的深入研究，常需要確定帶電體周圍的電場分布。它是了解電場中的一些物理現象或控制帶電粒子在電磁場中的運動所必需解決的問題，有利于科研和生產，例如用測量電子管、示波管、顯像管和電子顯微鏡等多種電子束管內部電場的分布來研究其電極的形狀等。但是，用計算方法求解靜電場分布一般比較復雜和困難，而直接測量靜電場需要復雜的設備，對測量技術要求也很高，比如，當測量儀器的探針進入靜電場以后會引起靜電感應，產生感應電荷，從而破壞原有靜電場的分布。因此，直接法測繪靜電場是非常困難的，那我們就想能不能用間接法來測量呢？通過理論研究和實驗證明，我們找到了一種間接測量的方法——模擬法來測繪靜電場。

（2）二問“用什么模擬靜電場？為什么可以這樣模擬？”解決本實驗的原理問題，這一部分是重點講解內容。由電磁學理論可知，電解質中穩恒電流的電流場與電介質（或真空）中的靜電場具有相似性。選取同軸圓柱形電極具體說明電流場與靜電場的相似性，分別運用靜電場和電流場理論推導靜電場和電流場當中電勢分布規律的物理表達式，從而得到靜電場與電流場的電勢分布是相同的，可以通過模擬法進行測繪的結論。其中，對于模擬條件的討論，教師需對照同軸圓柱面間靜電場示意圖和同軸電極的電流場示意圖詳細講解，以引導學生加深理解和正確應用模擬法。指出須使用高內阻電壓表或電位差計檢測電流場中各等電位點，測量支路不從電流場中取出電流，因而不影響電流的分布。這解決了直接測量靜電場時，探針的放入將產生感應電荷而破壞靜電場原有分布的問題。

（3）三問“靜電場的測繪方法是什么？”引入到教師演示和學生獨立操作。帶電體在其周圍空間所產生的電場可以用電場強度E和電勢U的空間分布來描述，更形象一點就是采用等勢面和電場線來描述電場。電場線是按空間各點電場強度的方向順次連成的曲線，等勢面是電場中電勢相等的各點所構成的曲面。電場線與等勢面是相互正交的，有了等勢面的圖形就可以畫出電場線，反之亦然。我們所說的靜電場測量就是指測繪出靜電場中等勢面和電場線的分布圖形。因為U是標量，E是矢量，實驗測量電勢比測定場強容易實現，所以先通過實驗操作找出一系列的等勢點，繪出等勢線，再畫出電場線，從而表征靜電場分布。

實驗內容規定，原理推導時選用的同軸電纜的靜電場分布屬必測內容，然后從平行軸電極、點與平板電極或聚焦電極三個電場分布中，選做1～2個靜電場，這些屬舉一反三、難度提升的實驗內容，用以加深學生對各種形狀的靜電場分布的認識。

2 實驗過程中的若干問題

2.1 同軸電纜等勢線半徑的確定

一般從同一條等勢線上的9個等勢點中選擇3個點（盡量互成120°）作三角形，通過三角形外接圓圓心的確定方法（任意兩邊的垂直平分線的交點）得到一個半徑，用同樣的方法再確定另兩個半徑后，最后求三個半徑的平均值。這種方法得到的實驗結果標準差小，說明其與理論值很接近。

2.2 根據等勢線描繪電場線的方法或原則

基于以下三點描繪電場線：（1）電場線與等勢線相互垂直；（2）描繪的每一根電場線自正極出發匯入負極的過程應保持連續和唯一的性質；（3）等勢線越緊密的位置處，電場線也應該越緊密，反之亦然。靜電場中電場線的疏密表示了電場的強弱，在模擬法中電流密度的大小也可用電流線的疏密來表示。[2]學生只要掌握了以上方法或原則，不管遇到形狀多復雜的靜電場，都可以在測繪出等勢線的基礎上描繪出電場線，從而表征出相應靜電場的分布情況。

2.3 平行電極靜電場邊緣的等勢線嚴重畸變的問題

由于實驗儀器采用的導電玻璃只能是有限尺寸的長方形，在導電玻璃邊緣處電流只可沿邊緣流動，因此描繪出的等勢線必然與邊緣垂直，造成電場分布的嚴重畸變，這就是用有限大的模擬模型去模擬無限大的空間電場時必然會受到的“邊緣效應”的影響。一般來說，不可能使用“無限大”的導電玻璃進行實驗，所以我們如果要減小這種畸變影響，需要人為地將導電玻璃的邊緣切割成電場線的形狀。

2.4 靜電場等勢線不對稱的原因

平行軸電極靜電場中等勢線不對稱主要是由于導電介質與正負電極間的接觸電阻不等，造成等勢面向一側偏移。一般實驗過程中都要通過調節電極螺母的松緊使接觸電阻消除，避免其影響描繪結果的對稱。[8]另外，導電薄膜有破損、薄膜厚度不均勻或導電介質導電率不均勻也有可能使等勢線測繪出現偏差。

除了以上問題，授課教師在課前要做好實驗儀器的清理及檢修等預備工作，如盡量消除探針針尖氧化、導電膜破損、探針與導電介質接觸面不充分、同步探針不在鉛垂位置等不利因素。鑒于個別儀器因使用頻率高導致不穩定的運行狀態，不苛求測量數據的精確，而是把實驗存在的誤差原因留到課后實驗報告中分析討論，更有助于學生理解實驗原理及實驗誤差。教師還應鼓勵學生在線提交實驗數據處理和分析結果，對于計算機技能好的學生，還可以建議其利用計算機軟件（如Origin[7]或Matlab[9]）繪制等勢面和電場線，不僅使學生能認識到學有所用，而且能促進不同學科知識的融合，為今后的科研活動打下初步的基礎。

3 在經典教學基礎上融入課程思政的幾點探索

3.1 引入物理學人物

我們的時代是電的時代，有許多物理學家對電磁學的發展做出了卓越的貢獻。其中，邁克爾·法拉第是英國物理學家、化學家，也是著名的自學成才的科學家。通過對靜電場的研究，法拉第把電力線的重要概念引入物理學，來解釋電、磁現象，為當代物理學中的許多研究開拓了道路。法拉第刻苦自學，從一個小學都沒念完的裝訂學徒工跨入世界第一流科學家的行列，法拉第的成長經歷說明，攀登科學高峰的路盡管崎嶇，但只要堅持不懈的努力，就可以到達頂峰。通過在開始講解實驗課內容前，簡要介紹科學家勵志成長的故事和對人類社會的貢獻，將學生的注意力引入物理實驗課堂，潛移默化地激勵學生刻苦鉆研，勇攀科學高峰，為中華民族乃至全人類的發展夯實基礎知識，提高專業素養。這部分課程思政教育放在教學內容1.1之前。

3.2 培養間接思維

模擬法是科研或工程技術中一種重要的實驗研究方法，屬于間接測量法。它是指不直接研究某物理現象或物理過程的本身，而是用與該物理現象或過程相似的模型來進行研究的一種方法。在講解模擬法時，簡單提及科學家用實驗模擬幾十億年前地球形成初期，大大小小的星球撞擊地殼表面形成許多凹凸，成功地論證了高山、海洋的形成原因。在科研中遇到直接解決不了的問題，我們會想到間接方法處理。那么，聯想到同學們日常學習和生活中如果遇到難題或難事，同樣需要我們積極應對，廣開思路、培養間接解決問題的思維方式，要相信“辦法總比困難多”。這部分課程思政教育放在教學內容1.1后。

3.3 “知行合一”的科學發展觀

通過實驗操作，記錄等勢點，繪出等勢線，畫出電場線，并進行數據處理和誤差分析。通過實驗得到同軸電纜靜電場各等勢線的半徑r后，在坐標紙上做lnr和Ur函數關系圖，驗證兩者的線性關系，這與原理推導出來的靜電場和電流場電勢分布規律相一致，這也就驗證了本實驗的原理——高斯定理。這說明，用理論可以指導實驗，而用實驗數據反過來又可以驗證所采用的的實驗原理，從而形成一個相互驗證、相輔相成的有效循環。從對整個實驗的貫穿，聯想到日常的學習、工作與生活，我們要注重理論結合實際，用理論指導實踐，用實踐證明理論，踐行“知行合一”的科學發展觀。而科學發展觀的學習重在“真知”，科學發展觀的實踐重在“善行”。我們要格物致知，同時通過實踐出真知。這部分課程思政教育放在教學內容1.3后。

3.4 發現“不對稱美”，提升理性思維

前面2.4已分析靜電場等勢線不對稱造成的原因和解決方法。結合課程思政，可以使學生對實驗的重要條件之一“電流場必須均勻，介質的導電率必須均勻”從理性—感性—提到更高的理性認識。同時，這種“不對稱美”從另一角度也可以對實驗課程帶來一些有意義的討論和影響。它可以培養學生善于發現問題的科學精神，增強學生多角度分析問題的理性思維，并提升學生解決實際問題的專業能力。

4 結束語

通過創新教學教育方式，探討將課程教學與課程思政教育有機結合的授課思路，不僅讓學生掌握實驗原理和實驗技能，引導學生積極思考，解決“怎么做”“為什么要這么做”“還可以怎么做”的問題，還要激發學生的科學精神和理性思維，并將其運用到實際中去，發揮實驗教學與課程思政教育的協同效應。