應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理課程思政教學(xué)設(shè)計(jì)及探索*
——以靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體為例

宋 薇 李沉思 劉燕月 劉 瀟

(河南工學(xué)院理學(xué)部 河南 新鄉(xiāng) 453003)

1 引言

習(xí)近平總書記曾在2016年全國高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)，“要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人．”[1]2019年《中共教育部黨組關(guān)于教育系統(tǒng)學(xué)習(xí)貫徹黨的十九屆四中全會(huì)精神的通知》對(duì)此再次做出了指示，“全面貫徹黨的教育方針，推動(dòng)習(xí)近平新時(shí)代中國特色社會(huì)主義思想進(jìn)教材進(jìn)課堂進(jìn)學(xué)生頭腦，深化新時(shí)代學(xué)校思政課改革創(chuàng)新．”[2]2020年5月8日國家教育部發(fā)布了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，綱要中明確提出將思想政治教育內(nèi)容始終貫穿于人才培養(yǎng)體系，從全方位推動(dòng)高校課程思政教育系統(tǒng)構(gòu)建，充分發(fā)揮好各門學(xué)科的思想教育功能，進(jìn)一步提升高校人才培養(yǎng)品質(zhì)．

河南工學(xué)院是一所省屬全日制普通本科院校，以工科專業(yè)為主，被評(píng)為河南省示范性應(yīng)用技術(shù)類型本科高校．大學(xué)物理是一門面向我校理工科學(xué)生開設(shè)的公共必修課，通過對(duì)本課程的學(xué)習(xí)讓學(xué)生更加了解物理的基本知識(shí)；鍛煉學(xué)生分析問題、解決問題的綜合能力，并為后續(xù)課程奠定基礎(chǔ)．大學(xué)的學(xué)習(xí)生活是青年學(xué)生成長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，是校園和社會(huì)連接的紐帶，因此大學(xué)物理作為非常重要的公共必修課，融入思政元素顯得及時(shí)且必要．

而物理學(xué)是一門自然科學(xué)，通過科學(xué)研究、探討和分析自然界的基本規(guī)律，揭示物質(zhì)、能量、空間與時(shí)間彼此之間的相互作用關(guān)系，可為工程技術(shù)奠定基礎(chǔ)，成為高新產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的動(dòng)力與源泉，并蘊(yùn)含著大量的思政元素．因此，大學(xué)物理課程中開展思政教育十分可行且具有特色優(yōu)勢(shì)．

物理學(xué)的知識(shí)是長(zhǎng)期的歷史積累，凝聚了眾多科學(xué)家的智慧．在現(xiàn)代物理學(xué)理論發(fā)展的過程中，蘊(yùn)涵著物理學(xué)家在探求、發(fā)現(xiàn)自然現(xiàn)象并形成認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的理念、方式與技能上的創(chuàng)新，同時(shí)還有哲學(xué)、方法論和美學(xué)等人文學(xué)科的豐富內(nèi)涵．因此，將大學(xué)物理和思政教育的有機(jī)結(jié)合可以使所有理工科專業(yè)學(xué)生全面受益．那么將大學(xué)物理的知識(shí)點(diǎn)深入挖掘出來并無痕地融入到課堂教學(xué)中去，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的三觀，是我們當(dāng)下應(yīng)該深入研究并系統(tǒng)探討的重要問題．本文以靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體為例，設(shè)計(jì)教學(xué)過程將思政元素與知識(shí)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合到一起．

2 靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體與思政元素的結(jié)合

2.1 靜電感應(yīng)現(xiàn)象

2.1.1 課程引入

同學(xué)們有沒有去過科技館？科技館內(nèi)有各種科學(xué)實(shí)踐儀器和培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以讓參觀者親身體驗(yàn)參與．其中有一個(gè)大球，當(dāng)你用手觸及時(shí)，頭發(fā)就會(huì)飛起來，這是什么原理呢？另外還有一個(gè)用金屬絲織成的金屬籠，當(dāng)參觀者進(jìn)入籠內(nèi)，工作人員接通高壓電源，籠體帶有高壓電，但是籠內(nèi)的參觀者卻毫發(fā)無傷，如果用手貼在籠壁上，還可以體驗(yàn)到清涼的電子風(fēng)，那為什么加了高壓電在金屬籠上，人也不會(huì)觸電呢？

2.1.2 知識(shí)講解

有一導(dǎo)體使它處于電場(chǎng)中，導(dǎo)體中的電荷在電場(chǎng)的影響下出現(xiàn)了重新分配的現(xiàn)象就是靜電感應(yīng)現(xiàn)象[3]．感應(yīng)出來的電荷稱為感應(yīng)電荷，感應(yīng)電荷可以激發(fā)出附加電場(chǎng)，產(chǎn)生附加場(chǎng)強(qiáng)，與外電場(chǎng)的方向相反．當(dāng)感應(yīng)電荷所激發(fā)出來的附加場(chǎng)強(qiáng)與外電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)相等時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)就沒有感應(yīng)電荷做定向運(yùn)動(dòng)了，此時(shí)導(dǎo)體達(dá)到平衡狀態(tài)，稱為靜電平衡．當(dāng)導(dǎo)體達(dá)到靜電平衡狀態(tài)時(shí)，因?yàn)樵趯?dǎo)體內(nèi)部已經(jīng)沒有了凈電荷的存在，那么電荷就只能分布到導(dǎo)體的表面上．

2.2 尖端放電現(xiàn)象

2.2.1 課程導(dǎo)入

避雷針是美國物理學(xué)家富蘭克林于1752年在費(fèi)城利用電風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)發(fā)明的．但是最早的避雷裝置卻出現(xiàn)在中國，1688年，一個(gè)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?shù)募沽荷希幸话浩瘕堫^，口吐著金屬舌頭，伸入空中，舌根連一鐵絲直達(dá)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(xiàn)在我國的漢朝．這些都是我國古代勞動(dòng)人民的智慧結(jié)晶，也充分體現(xiàn)了我國人民的創(chuàng)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(shí)講解與思政點(diǎn)融入

現(xiàn)有一導(dǎo)體正處于靜電平衡態(tài)狀態(tài)，在導(dǎo)體表面取一個(gè)極小的面積元ΔS，如圖1所示，接下來作一個(gè)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(cè)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(lián)立以上兩式，可得

則

圖1 在靜電平衡導(dǎo)體表面取高斯面

由此推導(dǎo)結(jié)論可以知道，電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷表面的面密度成正比關(guān)系，即曲率愈大的區(qū)域，亦即愈尖銳的區(qū)域，電荷的面密度就愈大，電場(chǎng)也就越強(qiáng)，從而產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象[3]．理論知識(shí)介紹完畢后，我們開始通過演示實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步證明尖端放電現(xiàn)象．由此可融入思政元素“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”．本節(jié)課做的演示實(shí)驗(yàn)名稱是旋轉(zhuǎn)的閃電．這個(gè)實(shí)驗(yàn)是通過模擬雷雨天閃電的放電過程，在旋轉(zhuǎn)過程中尖端接觸可以看見明顯的電火花現(xiàn)象．

接下來完成學(xué)以致用環(huán)節(jié)——讓學(xué)生用尖端放電現(xiàn)象解釋高壓輸電過程中出現(xiàn)的電暈現(xiàn)象．所謂的電暈現(xiàn)象是指晚上或天色陰暗時(shí)，可看到高壓輸電線周圍籠罩著一圈光圈，它是帶電導(dǎo)線微弱的尖端放電結(jié)果．產(chǎn)生的電暈現(xiàn)象會(huì)耗費(fèi)巨大的電能，尤其是長(zhǎng)距離輸電．所以有必要采用高壓輸電技術(shù)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(shù)”，目前中國所掌握的特高壓輸電技術(shù)是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的技術(shù)，且電壓級(jí)別也最高，最高電壓可達(dá)1 100 kV，且輸送量最大,輸送距離也最遠(yuǎn)．這都是在黨中央的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下集中辦大事的成效，同時(shí)也彰顯了中國特色社會(huì)主義制度的優(yōu)越性．中國共產(chǎn)黨立足人民立場(chǎng)，依靠集中力量、組織動(dòng)員群眾辦大事辦好事辦實(shí)事，才取得了一個(gè)又一個(gè)偉大成就．

2.3 靜電屏蔽

2.3.1 課程導(dǎo)入

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

2.3.2 知識(shí)講解與思政點(diǎn)融入

有一空腔導(dǎo)體如果保持在靜電平衡狀態(tài)，則由于導(dǎo)體內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度處處為零，根據(jù)高斯定理推導(dǎo)可知電荷只能分布在空腔導(dǎo)體的外表面上．因?yàn)榭涨粚?dǎo)體內(nèi)部既沒有凈電荷也不受外界電荷的作用，就等于把空腔導(dǎo)體的外部“保護(hù)”起來了，所以這個(gè)現(xiàn)象叫做靜電屏蔽現(xiàn)象．靜電屏蔽的作用在于可以有效隔斷內(nèi)外電場(chǎng)間的影響，由此可融入思政元素引導(dǎo)學(xué)生理解隔離方法是控制新冠肺炎的最有效方法之一．面對(duì)突如其來的新冠肺炎，我國政府動(dòng)用舉國力量，全力診斷和治療感染者．這場(chǎng)抗疫阻擊戰(zhàn)，體現(xiàn)了中國政府的科學(xué)治理能力，體現(xiàn)中國人民團(tuán)結(jié)奉獻(xiàn)精神．同時(shí)中西方疫情防控經(jīng)驗(yàn)表明，中國共產(chǎn)黨所擁有的無比強(qiáng)大的領(lǐng)導(dǎo)力以及我國特色社會(huì)主義體制所具備的顯著優(yōu)越性，是有效對(duì)抗國際風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)、提升我國政府管理效率的根本保證．

3 思政教學(xué)過程中的方法和手段

本教學(xué)環(huán)節(jié)中將采取教師授課法、自主學(xué)習(xí)法、問題導(dǎo)向法、案例教學(xué)法、實(shí)踐探索法、互動(dòng)法和演示實(shí)驗(yàn)法等多種教學(xué)方法結(jié)合并用，并在每一段教學(xué)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(shí)點(diǎn)為例詳細(xì)闡述一下本課程的教學(xué)方法．

課前在學(xué)習(xí)通上發(fā)布本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)和學(xué)生學(xué)習(xí)任務(wù)單，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)法預(yù)習(xí)本節(jié)課的內(nèi)容．預(yù)習(xí)可培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和獨(dú)立思考能力，提高課堂學(xué)習(xí)效率，開拓學(xué)生的學(xué)習(xí)思路，增強(qiáng)記憶效果．通過觀看富蘭克林發(fā)明避雷針的錄像，能夠啟發(fā)學(xué)生們勇敢思考和尋求真相的科學(xué)研究精髓，培養(yǎng)學(xué)生精益求精、一絲不茍的工匠精神．

課上通過互動(dòng)法進(jìn)行舊知梳理，以此來掌握學(xué)生對(duì)已有知識(shí)的掌握情況．接下來通過問題引導(dǎo)法提出問題，“避雷針為什么是尖的?”引發(fā)學(xué)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(dòng)人民的智慧結(jié)晶，也充分體現(xiàn)了我國人民的偉大創(chuàng)新和創(chuàng)造精神．創(chuàng)造創(chuàng)新精神是一個(gè)國家和民族發(fā)展壯大的重要不竭力量，同時(shí)也是當(dāng)代大學(xué)生所應(yīng)該擁有的基本素質(zhì)．由此可引導(dǎo)學(xué)生在未來的學(xué)習(xí)生活中要發(fā)揮主觀能動(dòng)性，用創(chuàng)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(jié)的基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)(尖端放電)并結(jié)合視頻演示法(電風(fēng)實(shí)驗(yàn))來加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的了解與掌握情況．由于物理學(xué)是一門與實(shí)驗(yàn)強(qiáng)相關(guān)的學(xué)科，而物理學(xué)的大部分公式、定律、定理都是通過實(shí)驗(yàn)得到的，所以課堂上會(huì)采用演示實(shí)驗(yàn)法對(duì)尖端放電進(jìn)行模擬．一方面充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)的興趣和熱情，增強(qiáng)了師生之間的交流，活躍了教學(xué)氛圍，有利于提高學(xué)生的主觀積極性和參與度；另一方面也可以培養(yǎng)學(xué)生堅(jiān)持“實(shí)事求是”追求真理的科學(xué)精神．最后通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)法發(fā)布思考題，讓學(xué)生們學(xué)以致用解釋高壓輸電時(shí)的電暈現(xiàn)象．展示我國在高壓輸電技術(shù)的巨大成果——研發(fā)了全世界最先進(jìn)的特高壓發(fā)輸電技術(shù)，其電壓等級(jí)最高,可達(dá)1 100 kV，輸出容量最大，輸出距離最遠(yuǎn)．這些都是在中國共產(chǎn)黨的集中統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，運(yùn)用凝聚力量辦大事的成果，同時(shí)也體現(xiàn)了社會(huì)主義制度的優(yōu)越性．最后采用小組討論法,通過學(xué)生講解和教師點(diǎn)評(píng)的方式讓學(xué)生們完全掌握本節(jié)課的重難點(diǎn)內(nèi)容．

4 結(jié)論

大學(xué)物理是理工科專業(yè)學(xué)生在大學(xué)階段需要學(xué)習(xí)和掌握的一門通識(shí)必修課，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、特性、相互作用以及運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；理解現(xiàn)代物理學(xué)常識(shí)在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用；了解物理學(xué)史、相關(guān)科技前沿知識(shí)．培養(yǎng)學(xué)生具備利用物理學(xué)方法分析和解決復(fù)雜問題的綜合能力以及自主探究、勇于創(chuàng)新和團(tuán)隊(duì)協(xié)作的能力．并對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)精神、職業(yè)素養(yǎng)、社會(huì)責(zé)任等價(jià)值觀的教育，激發(fā)學(xué)生的擔(dān)當(dāng)意識(shí)和愛國情懷，建立科學(xué)辯證唯物主義世界觀，樹立“科技報(bào)國、科技強(qiáng)國”的遠(yuǎn)大理想．