應用型本科院校大學物理課程思政教學設計及探索*
——以靜電場中的導體為例

宋 薇 李沉思 劉燕月 劉 瀟

(河南工學院理學部 河南 新鄉 453003)

1 引言

習近平總書記曾在2016年全國高校思想政治工作會議上強調，“要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人．”[1]2019年《中共教育部黨組關于教育系統學習貫徹黨的十九屆四中全會精神的通知》對此再次做出了指示，“全面貫徹黨的教育方針，推動習近平新時代中國特色社會主義思想進教材進課堂進學生頭腦，深化新時代學校思政課改革創新．”[2]2020年5月8日國家教育部發布了《高等學校課程思政建設指導綱要》，綱要中明確提出將思想政治教育內容始終貫穿于人才培養體系，從全方位推動高校課程思政教育系統構建，充分發揮好各門學科的思想教育功能，進一步提升高校人才培養品質．

河南工學院是一所省屬全日制普通本科院校，以工科專業為主，被評為河南省示范性應用技術類型本科高校．大學物理是一門面向我校理工科學生開設的公共必修課，通過對本課程的學習讓學生更加了解物理的基本知識；鍛煉學生分析問題、解決問題的綜合能力，并為后續課程奠定基礎．大學的學習生活是青年學生成長的關鍵時期，是校園和社會連接的紐帶，因此大學物理作為非常重要的公共必修課，融入思政元素顯得及時且必要．

而物理學是一門自然科學，通過科學研究、探討和分析自然界的基本規律，揭示物質、能量、空間與時間彼此之間的相互作用關系，可為工程技術奠定基礎，成為高新產業快速發展的動力與源泉，并蘊含著大量的思政元素．因此，大學物理課程中開展思政教育十分可行且具有特色優勢．

物理學的知識是長期的歷史積累，凝聚了眾多科學家的智慧．在現代物理學理論發展的過程中，蘊涵著物理學家在探求、發現自然現象并形成認識系統的理念、方式與技能上的創新，同時還有哲學、方法論和美學等人文學科的豐富內涵．因此，將大學物理和思政教育的有機結合可以使所有理工科專業學生全面受益．那么將大學物理的知識點深入挖掘出來并無痕地融入到課堂教學中去，引導學生樹立正確的三觀，是我們當下應該深入研究并系統探討的重要問題．本文以靜電場中的導體為例，設計教學過程將思政元素與知識點有機結合到一起．

2 靜電場中的導體與思政元素的結合

2.1 靜電感應現象

2.1.1 課程引入

同學們有沒有去過科技館？科技館內有各種科學實踐儀器和培訓實驗設備，可以讓參觀者親身體驗參與．其中有一個大球，當你用手觸及時，頭發就會飛起來，這是什么原理呢？另外還有一個用金屬絲織成的金屬籠，當參觀者進入籠內，工作人員接通高壓電源，籠體帶有高壓電，但是籠內的參觀者卻毫發無傷，如果用手貼在籠壁上，還可以體驗到清涼的電子風，那為什么加了高壓電在金屬籠上，人也不會觸電呢？

2.1.2 知識講解

有一導體使它處于電場中，導體中的電荷在電場的影響下出現了重新分配的現象就是靜電感應現象[3]．感應出來的電荷稱為感應電荷，感應電荷可以激發出附加電場，產生附加場強，與外電場的方向相反．當感應電荷所激發出來的附加場強與外電場的場強相等時，在導體內就沒有感應電荷做定向運動了，此時導體達到平衡狀態，稱為靜電平衡．當導體達到靜電平衡狀態時，因為在導體內部已經沒有了凈電荷的存在，那么電荷就只能分布到導體的表面上．

2.2 尖端放電現象

2.2.1 課程導入

避雷針是美國物理學家富蘭克林于1752年在費城利用電風箏實驗發明的．但是最早的避雷裝置卻出現在中國，1688年，一個法國旅行家曾寫過一本《中國新事》的書，在書中就有這樣的一段描述，“在中國屋頂的脊梁上，有一昂起龍頭，口吐著金屬舌頭，伸入空中，舌根連一鐵絲直達地底．”這樣就避免了建筑物遭到雷電的損害．更早期的正吻，龍頭魚身，有許多的尖端凸起，在雷電天也可以起到避雷的作用．如果追溯避雷裝置的起源，史料記載最早出現在我國的漢朝．這些都是我國古代勞動人民的智慧結晶，也充分體現了我國人民的創造精神！那么問題來了，避雷針為什么是尖的呢？它的避雷原理是什么呢？

2.2.2 知識講解與思政點融入

現有一導體正處于靜電平衡態狀態，在導體表面取一個極小的面積元ΔS，如圖1所示，接下來作一個閉合扁圓柱面為高斯面，ΔS與圓柱的上底面S1和下底面S2都平行，并于側面S3相垂直，由高斯定理可知

∮SE·dS=∮S1E·dS+∮S2E·dS+

∮S3E·dS=∮S1E·dS=

∮S1E·dS=ES1=EΔS

聯立以上兩式，可得

則

圖1 在靜電平衡導體表面取高斯面

由此推導結論可以知道，電場強度和電荷表面的面密度成正比關系，即曲率愈大的區域，亦即愈尖銳的區域，電荷的面密度就愈大，電場也就越強，從而產生尖端放電現象[3]．理論知識介紹完畢后，我們開始通過演示實驗來進一步證明尖端放電現象．由此可融入思政元素“實踐是檢驗真理的唯一標準”．本節課做的演示實驗名稱是旋轉的閃電．這個實驗是通過模擬雷雨天閃電的放電過程，在旋轉過程中尖端接觸可以看見明顯的電火花現象．

接下來完成學以致用環節——讓學生用尖端放電現象解釋高壓輸電過程中出現的電暈現象．所謂的電暈現象是指晚上或天色陰暗時，可看到高壓輸電線周圍籠罩著一圈光圈，它是帶電導線微弱的尖端放電結果．產生的電暈現象會耗費巨大的電能，尤其是長距離輸電．所以有必要采用高壓輸電技術來減少電能的損失．由此也可融入思政元素“特高壓輸電技術”，目前中國所掌握的特高壓輸電技術是當今世界上最先進的技術，且電壓級別也最高，最高電壓可達1 100 kV，且輸送量最大,輸送距離也最遠．這都是在黨中央的統一領導下集中辦大事的成效，同時也彰顯了中國特色社會主義制度的優越性．中國共產黨立足人民立場，依靠集中力量、組織動員群眾辦大事辦好事辦實事，才取得了一個又一個偉大成就．

2.3 靜電屏蔽

2.3.1 課程導入

靜電現象在我們的日常生活中經常發生．如果我們穿的是用化纖原料制成的內衣或毛絨衣褲，當入睡前脫去這些衣服時，會聽到輕輕的“噼噼啪啪”響聲，若是熄燈后脫去這些衣服，還會看到閃爍的小火花．日常生活中的這些靜電現象也許無關重要，但是如果這些火花發生在易燃易爆的地方(如飛機、艦船或彈藥庫、油料庫等處)，火災及爆炸事故就極易發生[4]．

2.3.2 知識講解與思政點融入

有一空腔導體如果保持在靜電平衡狀態，則由于導體內部的電場強度處處為零，根據高斯定理推導可知電荷只能分布在空腔導體的外表面上．因為空腔導體內部既沒有凈電荷也不受外界電荷的作用，就等于把空腔導體的外部“保護”起來了，所以這個現象叫做靜電屏蔽現象．靜電屏蔽的作用在于可以有效隔斷內外電場間的影響，由此可融入思政元素引導學生理解隔離方法是控制新冠肺炎的最有效方法之一．面對突如其來的新冠肺炎，我國政府動用舉國力量，全力診斷和治療感染者．這場抗疫阻擊戰，體現了中國政府的科學治理能力，體現中國人民團結奉獻精神．同時中西方疫情防控經驗表明，中國共產黨所擁有的無比強大的領導力以及我國特色社會主義體制所具備的顯著優越性，是有效對抗國際風險挑戰、提升我國政府管理效率的根本保證．

3 思政教學過程中的方法和手段

本教學環節中將采取教師授課法、自主學習法、問題導向法、案例教學法、實踐探索法、互動法和演示實驗法等多種教學方法結合并用，并在每一段教學過程中，精心挖掘育人素材，無痕融入思政元素．以尖端放電知識點為例詳細闡述一下本課程的教學方法．

課前在學習通上發布本節課的教學設計和學生學習任務單，學生通過自主學習法預習本節課的內容．預習可培養學生自學能力和獨立思考能力，提高課堂學習效率，開拓學生的學習思路，增強記憶效果．通過觀看富蘭克林發明避雷針的錄像，能夠啟發學生們勇敢思考和尋求真相的科學研究精髓，培養學生精益求精、一絲不茍的工匠精神．

課上通過互動法進行舊知梳理，以此來掌握學生對已有知識的掌握情況．接下來通過問題引導法提出問題，“避雷針為什么是尖的?”引發學生思考，并介紹我國古代建筑物上避雷裝置的起源，最早可追溯到漢朝，這是我國古代勞動人民的智慧結晶，也充分體現了我國人民的偉大創新和創造精神．創造創新精神是一個國家和民族發展壯大的重要不竭力量，同時也是當代大學生所應該擁有的基本素質．由此可引導學生在未來的學習生活中要發揮主觀能動性，用創新的思維和方法去分析和解決問題．接下來，通過講授法來闡述本節的基礎理論知識點(尖端放電)并結合視頻演示法(電風實驗)來加強學生對理論基礎知識點的了解與掌握情況．由于物理學是一門與實驗強相關的學科，而物理學的大部分公式、定律、定理都是通過實驗得到的，所以課堂上會采用演示實驗法對尖端放電進行模擬．一方面充分調動了學生對學習的興趣和熱情，增強了師生之間的交流，活躍了教學氛圍，有利于提高學生的主觀積極性和參與度；另一方面也可以培養學生堅持“實事求是”追求真理的科學精神．最后通過任務驅動法發布思考題，讓學生們學以致用解釋高壓輸電時的電暈現象．展示我國在高壓輸電技術的巨大成果——研發了全世界最先進的特高壓發輸電技術，其電壓等級最高,可達1 100 kV，輸出容量最大，輸出距離最遠．這些都是在中國共產黨的集中統一領導下，運用凝聚力量辦大事的成果，同時也體現了社會主義制度的優越性．最后采用小組討論法,通過學生講解和教師點評的方式讓學生們完全掌握本節課的重難點內容．

4 結論

大學物理是理工科專業學生在大學階段需要學習和掌握的一門通識必修課，通過本課程的學習，使學生了解自然界物質的基本結構、特性、相互作用以及運動的規律；理解現代物理學常識在實際生產生活中的應用；了解物理學史、相關科技前沿知識．培養學生具備利用物理學方法分析和解決復雜問題的綜合能力以及自主探究、勇于創新和團隊協作的能力．并對學生進行科學精神、職業素養、社會責任等價值觀的教育，激發學生的擔當意識和愛國情懷，建立科學辯證唯物主義世界觀，樹立“科技報國、科技強國”的遠大理想．