課程思政在電磁場(chǎng)與電磁波課堂教學(xué)中的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

宋玲玲，黃 文

(合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230601 )

“課程思政”是指以構(gòu)建全員、全程、全課程育人格局的形式，將各類(lèi)課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，把“立德樹(shù)人”作為教育的根本任務(wù)的一種綜合教育理念[1]. 教育部在《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》中指出，課程思政建設(shè)就是寓價(jià)值觀引導(dǎo)于知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)之中，幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀，是人才培養(yǎng)的應(yīng)有之義，更是必備內(nèi)容．教師要深入梳理專(zhuān)業(yè)課教學(xué)內(nèi)容，結(jié)合課程特點(diǎn)、思維方法和價(jià)值理念，深入挖掘課程思政元素，有機(jī)融入課程教學(xué)，達(dá)到潤(rùn)物無(wú)聲的育人效果[2].

電磁場(chǎng)與電磁波是電子、電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)必修的一門(mén)基礎(chǔ)理論課，該課程體系嚴(yán)謹(jǐn)、概念抽象、公式繁多，大部分學(xué)生對(duì)此望而生畏．而在電磁理論傳承中引入思政元素，不僅有利于破解教學(xué)難點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，還有利于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法和分析問(wèn)題的能力，樹(shù)立正確的人生觀、價(jià)值觀和世界觀.

靜電場(chǎng)的高斯定理表征了靜電場(chǎng)的通量特性，它的微分形式是靜電場(chǎng)的散度方程，因此理解并掌握靜電場(chǎng)的高斯定理，不僅有利于把握靜電場(chǎng)作為“場(chǎng)”這一特殊物質(zhì)的基本屬性，更對(duì)后續(xù)場(chǎng)域問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建至關(guān)重要．然而它涉及的知識(shí)點(diǎn)多，有電荷、電場(chǎng)、電通量、立體角、疊加原理等基本概念和定理，且知識(shí)點(diǎn)的抽象度及其之間的關(guān)聯(lián)度也是高居該課程的榜首，一直以來(lái)，它都被視為靜電學(xué)的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)[3-7]．本文以“靜電場(chǎng)的高斯定理”一節(jié)的課堂教學(xué)為例，詳細(xì)闡述了以教為主的教學(xué)設(shè)計(jì)、課程思政元素的融入及能力導(dǎo)向的教學(xué)策略，同時(shí)展現(xiàn)了專(zhuān)業(yè)課在育人的問(wèn)題上與思政課同向同行，形成育人的協(xié)同效應(yīng).

1 教學(xué)目標(biāo)及重難點(diǎn)

電磁場(chǎng)與電磁波開(kāi)設(shè)對(duì)象是電子科學(xué)技術(shù)專(zhuān)業(yè)二年級(jí)下的學(xué)生，數(shù)學(xué)方面具備矢量微積分運(yùn)算能力；物理方面已經(jīng)完成大學(xué)物理中電磁學(xué)部分的學(xué)習(xí)，知道電場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)線(xiàn)、電通量等基本物理概念，也學(xué)習(xí)了高斯定理，會(huì)利用高斯定理求解具有某種對(duì)稱(chēng)的場(chǎng)分布的場(chǎng)強(qiáng)大小．但高斯定理的由來(lái)及其物理內(nèi)涵，并不清晰.

依據(jù)學(xué)情分析，本堂課的教學(xué)目標(biāo)為：1) 掌握立體角的定義及計(jì)算方法；完成靜電場(chǎng)中閉合面上的電場(chǎng)強(qiáng)度通量的計(jì)算，運(yùn)用由特殊到一般的歸納演繹思想推證高斯定理[8]；2) 掌握高斯定理的物理內(nèi)涵；3) 應(yīng)用靜電場(chǎng)的高斯定理探索靜電場(chǎng)導(dǎo)體中的場(chǎng)源問(wèn)題；4) 引導(dǎo)學(xué)生多角度辯證看問(wèn)題，樹(shù)立正確的人生觀、價(jià)值觀和世界觀，并將個(gè)人發(fā)展融入到祖國(guó)的大發(fā)展中，不忘初心，方得始終(如圖1所示).

圖1 高斯定理的教學(xué)目標(biāo)制定過(guò)程

教學(xué)重點(diǎn)是高斯定理的證明、物理意義的闡述、定理的應(yīng)用；教學(xué)難點(diǎn)是高斯定理證明過(guò)程中立體角的意義及其度量方法.

2 教學(xué)策略設(shè)計(jì)

“授之以魚(yú)不如授之以漁”，在知識(shí)傳承中注重知識(shí)自身邏輯的分析和梳理，引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生思考及知識(shí)遷徙的能力，這是課程組一直以來(lái)秉持的教學(xué)理念．如圖2所示，本節(jié)課將通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考、類(lèi)比、歸納、推理，讓學(xué)生體會(huì)靜電場(chǎng)的有源性這一知識(shí)點(diǎn)的形成與應(yīng)用過(guò)程．教學(xué)過(guò)程將按照先行組織策略設(shè)計(jì)為：“引”→“立”→“破”→“拓”→“結(jié)”5個(gè)環(huán)節(jié)，依次展開(kāi)教學(xué)活動(dòng)．其中，“引”“立”“破”三者完成了電荷是靜電場(chǎng)的通量源這一知識(shí)點(diǎn)(高斯定理的物理內(nèi)涵)的論證過(guò)程；而“拓”展現(xiàn)了高斯定理的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)由此及彼、知識(shí)的遷徙；“結(jié)”既是對(duì)本課內(nèi)容總結(jié)，也引申到下節(jié)課的知識(shí)要點(diǎn)，為下節(jié)課做好鋪墊.

圖2 高斯定理的教學(xué)設(shè)計(jì)

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 問(wèn)題引入

展示電荷產(chǎn)生電場(chǎng)的圖片，借助于矢量線(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察電場(chǎng)空間分布特征，構(gòu)建電場(chǎng)的物理圖像，并提出問(wèn)題：“電場(chǎng)是電荷產(chǎn)生的這一結(jié)論，如何給出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)證明？”，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)機(jī)．進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生從場(chǎng)論出發(fā)，回顧舊知識(shí)——場(chǎng)源分布?xì)w于通量和環(huán)量的計(jì)算，而靜電場(chǎng)的環(huán)量恒為0．由此闡明課堂教學(xué)目標(biāo)——計(jì)算靜電場(chǎng)對(duì)閉合曲面的電通量，探尋靜電場(chǎng)的場(chǎng)源.

3.2 推證過(guò)程

3.2.1 特殊的場(chǎng)通量計(jì)算

特殊的場(chǎng)——場(chǎng)域中只有一個(gè)點(diǎn)電荷，任取一閉合曲面，場(chǎng)通量計(jì)算表達(dá)式為

(1)

將這一過(guò)程分解成5個(gè)步驟：

① 點(diǎn)電荷q(位于坐標(biāo)原點(diǎn)，選用球坐標(biāo)系)在空間任一點(diǎn)激發(fā)的場(chǎng)強(qiáng)表達(dá)式E，并指出R是電荷源點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)的距離，eR為空間位矢R的單位矢量；

“示范引領(lǐng)”——大手筆打造東莞文明亮點(diǎn)。為推動(dòng)文明創(chuàng)建工作以點(diǎn)帶面，縮小城鄉(xiāng)創(chuàng)建差距，解決基層創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)偏低的問(wèn)題，東莞市迅速啟動(dòng)“九個(gè)一百”基層文明示范工程，著力擴(kuò)點(diǎn)拓面和標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)建，在全市打造百個(gè)文明示范村（社區(qū)）、百條示范路街、百個(gè)志愿服務(wù)示范站點(diǎn)、百個(gè)示范企業(yè)、百個(gè)示范市場(chǎng)、百個(gè)示范小區(qū)、百個(gè)示范窗口、百個(gè)示范學(xué)校、百個(gè)文明家庭。目前全市建成9類(lèi)文明示范項(xiàng)目950個(gè)，并在此基礎(chǔ)上不斷總結(jié)提煉創(chuàng)建工作經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)，組織市內(nèi)區(qū)間交流和市外區(qū)域交流，探索建立市內(nèi)結(jié)對(duì)幫扶創(chuàng)建機(jī)制，不斷提升文明創(chuàng)建水平。

② 借助于電場(chǎng)線(xiàn)，將靜電場(chǎng)的空間分布顯化，如發(fā)光的太陽(yáng)；

③ 在場(chǎng)域中取任意閉合曲面S包圍的點(diǎn)電荷，電場(chǎng)強(qiáng)度通量計(jì)算公式為：Φe=∮SE·dS；其中dS為曲面上任一點(diǎn)P處的有向曲面微元，方向如圖3箭頭所示；

圖3 特殊的電場(chǎng)中閉合曲面上通量計(jì)算的過(guò)程解析

⑤ 結(jié)合物理模型，對(duì)積分微元進(jìn)行分析．有向曲面dS與單位矢量eR的點(diǎn)乘，表示有向面元dS在空間位矢R方向上的投影，這個(gè)投影與空間位矢的距離平方的比值，即為有向面元dS對(duì)點(diǎn)電荷q(位于原點(diǎn))所張開(kāi)的立體角dΩ(如圖4所示)，即

圖4 立體角與通量計(jì)算

(2)

顯然，式(1)的核心計(jì)算就是式(2)在閉合曲面上的積分，它是本次課的教學(xué)難點(diǎn)，包含三個(gè)關(guān)鍵求解要點(diǎn)：1)立體角dΩ的定義和度量方法；2)決定立體角大小、正負(fù)的因素分析；3)任意閉合曲面S對(duì)點(diǎn)電荷q所張立體角的大?。髦v教師將借助于類(lèi)比法及課程思政元素的引入來(lái)逐一破解三個(gè)難點(diǎn).

首先，采用類(lèi)比教學(xué)法，引入學(xué)生熟知的平面角圖形、定義公式，便于學(xué)生抓住立體角結(jié)構(gòu)特征，對(duì)曲面積分微元建立起具象認(rèn)知，破解了第一個(gè)要點(diǎn).

其次，引導(dǎo)學(xué)生觀察并發(fā)現(xiàn)曲面dS對(duì)空間O點(diǎn)(點(diǎn)電荷q)立體角的大小取決于O點(diǎn)的位置，O點(diǎn)位置不同，O點(diǎn)到曲面的距離R及其方向eR都會(huì)發(fā)生變化．這一結(jié)果與北宋蘇軾的名句“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同”的立意如出一轍．詩(shī)詞引入是課程思政設(shè)計(jì)之一，不僅給理工科課堂增添了詩(shī)情畫(huà)意，還激發(fā)學(xué)生熱愛(ài)中華文化，增強(qiáng)文化自信．而這一知識(shí)點(diǎn)本身也蘊(yùn)含了本節(jié)課一個(gè)重要思政元素——學(xué)會(huì)多角度看問(wèn)題.

圖5 立體角的正負(fù)

第三個(gè)要點(diǎn)：對(duì)于閉合曲面S來(lái)說(shuō)，定點(diǎn)O在面內(nèi)，曲面上任一有向面元dS與空間位矢R的夾角始終是銳角，即它對(duì)定點(diǎn)O(點(diǎn)電荷q)所張開(kāi)的立體角微元始終為正，則整個(gè)閉合曲面對(duì)定點(diǎn)電荷所張開(kāi)的立體角將達(dá)到最大值，即為4π；若定點(diǎn)O在面外，曲面上任一面元dS與空間位矢R的夾角有銳角，也有鈍角，這樣閉合曲面對(duì)固定點(diǎn)(點(diǎn)電荷)所張立體角為0；這一結(jié)論導(dǎo)致了靜電場(chǎng)對(duì)閉合曲面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量與面內(nèi)電荷的具體位置無(wú)關(guān).

(4)

該知識(shí)點(diǎn)所蘊(yùn)含的思政元素就是習(xí)近平總書(shū)記所主張的“不忘初心，方得始終”．把這個(gè)定點(diǎn)O視為每個(gè)人的初心，這個(gè)閉合曲面為實(shí)現(xiàn)這一初心過(guò)程中遇到所有的困難、抉擇、挫折等等．如果每一次，定點(diǎn)到曲面的位矢方向始終與曲面方向大致相同，你的選擇始終與你的初心保持一致，最后你的結(jié)果是圓滿(mǎn)的；如果你的選擇不能與你的初心一致，最后往往是留有遺憾的．思政元素與知識(shí)點(diǎn)有機(jī)契合，不僅便于學(xué)生掌握知識(shí)要點(diǎn)，還達(dá)到了潤(rùn)物無(wú)聲的育人效果.

3.2.2 一般的場(chǎng)通量計(jì)算

3.3 物理內(nèi)涵

至此，由引、立、破三個(gè)環(huán)節(jié)已構(gòu)成了知識(shí)閉環(huán)體系，讓學(xué)生從計(jì)算、推導(dǎo)、分析靜電場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度通量的過(guò)程中體會(huì)靜電場(chǎng)的有源性這一知識(shí)點(diǎn)的形成.

3.4 應(yīng)用拓展

在大學(xué)物理中，高斯定理是求解對(duì)稱(chēng)性場(chǎng)分布的便捷方法[7-8,12-16]，反復(fù)的題型訓(xùn)練讓學(xué)生忽視了高斯定理自身的物理內(nèi)涵——描述靜電場(chǎng)一定范圍內(nèi)場(chǎng)與場(chǎng)源的關(guān)系．而這一點(diǎn)，恰恰是需要在電磁場(chǎng)與電磁波的課程中所強(qiáng)調(diào)的．在這一環(huán)節(jié)，主講教師連續(xù)設(shè)計(jì)了兩道關(guān)于靜電場(chǎng)中導(dǎo)體內(nèi)部是否有自由電荷的問(wèn)題．并借助于雨課堂投放到每一位同學(xué)的手機(jī)端口，請(qǐng)大家通過(guò)投稿、彈幕線(xiàn)上參與，互動(dòng)答題，共同思考.

3.5 小結(jié)引申

課堂教學(xué)至此結(jié)束.

4 實(shí)施效果

課程結(jié)束后，通過(guò)學(xué)銀在線(xiàn)對(duì)我校19級(jí)集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)行了教學(xué)效果的問(wèn)卷調(diào)查. 圍繞教學(xué)目標(biāo)的知識(shí)、能力、情感三個(gè)層次提出了5個(gè)問(wèn)題，學(xué)生可以進(jìn)行多選.有108名學(xué)生參與問(wèn)卷調(diào)查，其中有91人次(占總?cè)藬?shù)84.26%)表示掌握了電磁場(chǎng)的知識(shí)，抓住了高斯定理中場(chǎng)與場(chǎng)源的本質(zhì)含義，對(duì)靜電場(chǎng)的有源性有了具體、理性的認(rèn)知．有71人次(占總?cè)藬?shù)65.74%)表示學(xué)會(huì)了從“場(chǎng)”的角度分析、計(jì)算靜電場(chǎng)．有62人次(占總?cè)藬?shù)57.41%)表示邏輯思維能力得以訓(xùn)練．有46人次(占總?cè)藬?shù)42.59%)表示喚醒其主動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)，學(xué)會(huì)從特殊到一般來(lái)研究一個(gè)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了能力傳承和訓(xùn)練．有55人次(占總?cè)藬?shù)50.93%)表示通過(guò)課程學(xué)習(xí)樹(shù)立了積極向上的“三觀”(圖6).

圖6 教學(xué)效果問(wèn)卷情況一覽圖

5 結(jié)語(yǔ)

本次課堂教學(xué)采用以教為主的教學(xué)模式，從熟悉的圖片開(kāi)始，引導(dǎo)學(xué)生以“場(chǎng)”的角度重新審視電場(chǎng)，提出一個(gè)貌似簡(jiǎn)單的問(wèn)題“為什么說(shuō)電荷就是激發(fā)電場(chǎng)的源呢？”直接導(dǎo)向本次課教學(xué)主旨，并在后續(xù)的教學(xué)活動(dòng)中，這種啟發(fā)式的引導(dǎo)無(wú)所不在．學(xué)生圍繞靜電場(chǎng)的場(chǎng)源進(jìn)行思考，計(jì)算、分析靜電場(chǎng)中閉合曲面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量，參與到靜電場(chǎng)是有源場(chǎng)這一知識(shí)點(diǎn)的形成與獲取的過(guò)程中，最終得到了高斯定理，揭示了它的物理內(nèi)涵，解決了開(kāi)篇的問(wèn)題，使學(xué)生真正掌握了高斯定理．同時(shí)，在教學(xué)過(guò)程中，引入的課程思政元素，不僅使抽象的知識(shí)具體了起來(lái)，而且呈現(xiàn)出3個(gè)層次的認(rèn)知高度，實(shí)現(xiàn)了“在價(jià)值傳播中凝練知識(shí)底蘊(yùn)，在知識(shí)傳播中實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)”的育人思想.

站在“兩個(gè)一百年”的歷史交匯點(diǎn)，全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家新征程即將開(kāi)啟．教育教學(xué)改革征途漫漫，實(shí)現(xiàn)“為黨育人、為國(guó)育才”的目標(biāo)惟有奮斗．在接下來(lái)的“電磁場(chǎng)與電磁波”課程教育教學(xué)工作實(shí)踐中，將以習(xí)近平總書(shū)記關(guān)于教育的重要論述精神為引領(lǐng)，圍繞立德樹(shù)人根本任務(wù)，落實(shí)好《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，充分發(fā)揮專(zhuān)業(yè)課教師“主力軍”、專(zhuān)業(yè)課教學(xué)“主戰(zhàn)場(chǎng)”、專(zhuān)業(yè)課課堂“主渠道”的作用，努力打造具有家國(guó)情懷的課程思政系列案例，不斷提高課程思政建設(shè)能力，為新時(shí)代高質(zhì)量人才培養(yǎng)體系建設(shè)提供強(qiáng)力支撐.