在大學(xué)物理課程教學(xué)中實(shí)施課程思政的探索

夏麗莉　于肇賢　楊志耘

［摘 要］文章以位移電流教學(xué)為例，分析如何將課程思政融入大學(xué)物理教學(xué)過程。基于麥克斯韋在推廣電磁場(chǎng)理論的過程中遇到的矛盾，文章運(yùn)用演繹法引出位移電流的假說。問題的解決契合哲學(xué)中矛盾的普遍性和特殊性的思想，培養(yǎng)了學(xué)生辯證唯物主義世界觀。運(yùn)用演繹法說明位移電流提出的過程，以此培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究習(xí)慣。

［關(guān)鍵詞］大學(xué)物理; 課程思政; 位移電流

［中圖分類號(hào)］ G642 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］ 2095-3437（2023）02-0027-03

課程思政強(qiáng)調(diào)將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)，把“立德樹人”作為教育根本任務(wù)的一種綜合教育理念[1-2]。

物理學(xué)是整個(gè)自然科學(xué)和工程技術(shù)科學(xué)的基礎(chǔ)，其研究范圍非常廣泛，包括力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、近代物理學(xué)等各個(gè)方面[3]。教師在教學(xué)過程中除了要夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)知識(shí)，還要注重提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力。如何在授課的過程中，結(jié)合課程思政，達(dá)到全面培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和提高學(xué)生的科學(xué)素質(zhì)的目的，這也是大學(xué)物理教學(xué)的重點(diǎn)任務(wù)[4-6]。本文以位移電流教學(xué)為例，論述如何在大學(xué)物理課程教學(xué)中實(shí)施課程思政。

一、教學(xué)內(nèi)容引入

首先，從生活中的電磁場(chǎng)理論引入位移電流的假說。引入內(nèi)容如下：基于電磁場(chǎng)理論在生活中的應(yīng)用非常普遍，小到我們生活中的日用品，大到工程、軍工等領(lǐng)域。電場(chǎng)能量的應(yīng)用非常普遍，位移電流的應(yīng)用也很普遍。位移電流的教學(xué)對(duì)學(xué)生更好地掌握計(jì)算磁場(chǎng)能量的方法、理解位移電流的實(shí)際應(yīng)用具有重要的作用，能夠增強(qiáng)學(xué)生認(rèn)知生活和理解實(shí)際現(xiàn)象物理本質(zhì)的能力，也能夠?yàn)閷W(xué)生處理物理學(xué)中特殊矛盾和一般矛盾提供研究方法和思路。通過對(duì)本內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生可深度認(rèn)識(shí)到位移電流的基本概念、特征，為掌握電磁場(chǎng)統(tǒng)一理論奠定重要的理論基礎(chǔ)。

其次，由物理學(xué)史可知，麥克斯韋統(tǒng)一了電磁場(chǎng)理論，提出了麥克斯韋方程組。在這個(gè)理論提出的過程中，有兩個(gè)重要的科學(xué)假說：感生電場(chǎng)假說和位移電流假說。這兩個(gè)假說在電磁場(chǎng)統(tǒng)一理論中具有關(guān)鍵的作用。其重點(diǎn)介紹了位移電流提出的物理背景、位移電流方程的具體形式、位移電流的物理意義。其中位移電流涉及的電場(chǎng)變化和傳導(dǎo)電流的關(guān)系是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。這部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)達(dá)到了授課的兩個(gè)主要目的：一方面很好地復(fù)習(xí)了上節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，知識(shí)點(diǎn)貫穿了電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩章的主要學(xué)習(xí)內(nèi)容；另一方面，基于實(shí)際問題，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生基于解決實(shí)際問題的目的去學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)目標(biāo)明確，理論基礎(chǔ)扎實(shí)，從而能夠很好地理解和掌握本內(nèi)容的學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)，這樣的課堂質(zhì)量和效果均在教師的可控范圍內(nèi)。

項(xiàng)目組從生活常見現(xiàn)象中挖掘問題，遵循“實(shí)際需要—提煉問題—解決問題—知識(shí)點(diǎn)反饋”的思路，由此引出問題的關(guān)鍵所在，通過對(duì)問題的分析，給出問題的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)學(xué)工具給出問題的解，然后賦予其物理意義，回歸到物理問題本身。項(xiàng)目組從生活中的實(shí)際例子出發(fā)，教授學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)問題，運(yùn)用基本理論知識(shí)解釋生活現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何解決生活中的實(shí)際問題。在此基礎(chǔ)上，使學(xué)生能結(jié)合知識(shí)點(diǎn)，理解本課程所講授的基本概念、基本思想和基本方法。這一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從生活走向物理的理念，也很好地激發(fā)了學(xué)生的探究欲。

通過對(duì)位移電流的學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生形象地理解位移電流的來歷，同時(shí)，能讓學(xué)生初步領(lǐng)略前沿科學(xué)的魅力，并以此開闊學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，對(duì)促進(jìn)學(xué)生掌握理論知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用都具有深遠(yuǎn)的影響。

二、教學(xué)過程和課程思政

通過對(duì)穩(wěn)恒磁場(chǎng)的環(huán)路定理和感應(yīng)電場(chǎng)假說的講授，幫助學(xué)生理解能量密度和位移電流的基本概念和特征。授課過程中遵循教學(xué)方法中的“實(shí)際需要—提煉問題—解決問題—知識(shí)點(diǎn)反饋”的結(jié)構(gòu)與主線，讓學(xué)生能夠更好地掌握位移電流的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，提高學(xué)生在物理學(xué)習(xí)上的興趣和熱情。具體來說，本課程的授課思路如下：復(fù)習(xí)靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)的相關(guān)問題，重點(diǎn)復(fù)習(xí)穩(wěn)恒磁場(chǎng)的結(jié)論，從而順利引入磁場(chǎng)能量和位移電流的概念。

在麥克斯韋提出電磁場(chǎng)理論之前，已有的電磁理論可歸結(jié)為5個(gè)方程[7-8]，分別為：

以上5個(gè)表達(dá)式的物理意義分別為：式（1）表示穿過電場(chǎng)中任一閉合曲面的電位移通量等于閉合曲面所包圍的自由電荷的代數(shù)和，與極化電荷和閉合曲面外的電荷無關(guān)；式（2）說明在靜電場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度沿任意閉合路徑線積分等于零；式（3）表示通過磁場(chǎng)中任意閉合曲面的磁通量恒等于零；式（4）表示磁場(chǎng)強(qiáng)度沿著閉合路徑的線積分等于該閉合路徑所包圍的傳導(dǎo)電流的代數(shù)和；式（5）給出了回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與通過回路所圍面積的磁通量的變化關(guān)系。

通過復(fù)習(xí)，強(qiáng)調(diào)以上5個(gè)方程都是在特定的條件下得到的，因而有各自的適應(yīng)范圍。麥克斯韋以此為基礎(chǔ)，從法拉第電磁感應(yīng)定律出發(fā)，注意到變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，因此提出了感生電場(chǎng)的概念，找到了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的聯(lián)系，即變化的磁場(chǎng)能夠產(chǎn)生電場(chǎng)。當(dāng)麥克斯韋將穩(wěn)恒磁場(chǎng)的環(huán)路定理應(yīng)用于非穩(wěn)恒時(shí)出現(xiàn)了困難，為了克服這個(gè)困難，麥克斯韋通過提出位移電流的假說，將穩(wěn)恒的環(huán)路定理應(yīng)用于非穩(wěn)恒中，找到了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的另一種聯(lián)系，即變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。結(jié)合普遍情況下靜電場(chǎng)環(huán)路定理，麥克斯韋成功地建立了電磁場(chǎng)統(tǒng)一理論，預(yù)言了電磁波的存在，后被赫茲用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。通過對(duì)以上內(nèi)容的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解了位移電流的形成機(jī)理。

假設(shè)有穩(wěn)恒回路（見圖1），Ic是傳導(dǎo)電流，取包圍電流的閉合曲線L，繞向與電流成右螺旋關(guān)系，以環(huán)路為邊界做曲面S1和S2，由環(huán)路定理有關(guān)系且關(guān)系成立，即由式（6）和式（7）得出結(jié)論：穩(wěn)恒電流條件下磁場(chǎng)強(qiáng)度的環(huán)路積分與閉合回路的邊界面S無關(guān)。通過連續(xù)電路的電流分析：穩(wěn)恒磁場(chǎng)的環(huán)路積分與閉合回路曲面S無關(guān)。

項(xiàng)目組在電路中加上電容器，放電和充電過程是非穩(wěn)恒情況（見圖2），同樣取曲面S1和S2，當(dāng)S2包住電容器一個(gè)極板時(shí)，右端為零。通過對(duì)電容器電路的電流分析得出結(jié)論：穩(wěn)恒磁場(chǎng)環(huán)路定理對(duì)非穩(wěn)恒電流不適用。

分析：?jiǎn)栴}是在推廣到非穩(wěn)恒時(shí)出現(xiàn)的，那么穩(wěn)恒和非穩(wěn)恒的辯證關(guān)系是什么？

思政點(diǎn)：穩(wěn)恒是非穩(wěn)恒的特例，如果把穩(wěn)恒看作特殊矛盾，非穩(wěn)恒看作普遍矛盾，這就涉及到哲學(xué)中的矛盾的普遍性和矛盾的特殊性之間的關(guān)系。即“矛盾的普遍性寓于矛盾的特殊性之中，并通過特殊性表現(xiàn)出來，沒有特殊性就沒有普遍性?！薄?/p>

問題的根源在于傳導(dǎo)電流在極板間中斷了，傳導(dǎo)電流雖然中斷了，但是極板放電的過程中，電荷是變化的，變化的電荷會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)。從電容器放電過程可以看出（見圖3），傳導(dǎo)電流是單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的電量。以下公式體現(xiàn)了傳導(dǎo)電流Ic和極板的面電荷密度[σ]的聯(lián)系。

其中D為電位移矢量，其如何和電場(chǎng)聯(lián)系呢？可以由高斯定理得到電位移矢量和面電荷密度相等，即[D=σ]，兩極板間的電位移矢量對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)和傳導(dǎo)電流等效。麥克斯韋把右側(cè)稱之為位移電流，即

引入位移電流，具體公式如下：

考慮到電位移矢量和場(chǎng)強(qiáng)及極化強(qiáng)度的關(guān)系[D=][ε0E+P]，有如下結(jié)論

其中[ε0]為真空中的電容率，真空中P=0，式（11）第一項(xiàng)是電場(chǎng)的變化率，第二項(xiàng)是由電荷的極化產(chǎn)生的物理效應(yīng)，根據(jù)真空中的情況，即P=0，從而得到位移電流密度是變化的電場(chǎng)引起的?？梢缘玫浇Y(jié)論：位移電流密度是變化的電場(chǎng)引起的。所以麥克斯韋提出的位移電流假說是變化的電場(chǎng)激發(fā)了有旋磁場(chǎng)。

從以上分析可以看出，雖然傳導(dǎo)電流終止在電容器的極板上，但是極板間的電場(chǎng)的變化延續(xù)了傳導(dǎo)電流的作用，也就是說傳導(dǎo)電流和位移電流是連續(xù)的，稱之為全電流。從而得到普遍意義下的磁場(chǎng)的環(huán)路定理：

其中[jC]為傳導(dǎo)電流密度，[H]為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

思政點(diǎn)：本課程采用的研究方法是演繹法，演繹法是現(xiàn)代科學(xué)中常用的一種科學(xué)方法，是在提出假說的過程中，演繹出推論，在實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和修正中得出結(jié)論的一種研究方法[3]。演繹法具有三個(gè)特點(diǎn)：傳承性、釋疑性、預(yù)言性。結(jié)合式（12），項(xiàng)目組逐個(gè)分析演繹法的特點(diǎn)。傳承性：位移電流為零時(shí)回到了穩(wěn)恒電場(chǎng)的情況，肯定了穩(wěn)恒磁場(chǎng)環(huán)路定理的正確性；釋疑性：整個(gè)過程解釋了穩(wěn)恒的結(jié)論，以及推廣到非穩(wěn)恒情況的不適應(yīng)的問題；預(yù)言性：基于位移電流假設(shè)的一般情況的磁場(chǎng)環(huán)路定理預(yù)言了電磁波的存在。

課程基本知識(shí)的總結(jié)：根據(jù)位移電流的物理意義，具體說明位移電流和傳導(dǎo)電流的區(qū)別聯(lián)系，他們都是電流，都能激發(fā)磁場(chǎng)，但是兩者產(chǎn)生的機(jī)理不同，位移電流是由變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的，傳導(dǎo)電流是由電荷的定向移動(dòng)產(chǎn)生的。兩者在熱效應(yīng)方面也不同，位移電流不產(chǎn)生焦耳熱，傳導(dǎo)電流由于電子與晶格的碰撞，具有焦耳熱。

三、結(jié)論

本文以大學(xué)物理課程中的位移電流教學(xué)為例，具體設(shè)計(jì)了如何在教學(xué)過程中融入課程思政，主要有兩個(gè)思政點(diǎn)，其一是哲學(xué)中矛盾的普遍性和特殊性之間轉(zhuǎn)化的思想；其二是學(xué)習(xí)物理學(xué)中重要的研究方法——演繹法。希望在教學(xué)過程中，以此培養(yǎng)學(xué)生辯證唯物主義世界觀和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究習(xí)慣，從而在大學(xué)物理課程中兼顧基礎(chǔ)理論教學(xué)和“立德樹人”的“雙成教育”目標(biāo)。

［ 參 考 文 獻(xiàn) ］

[1] 習(xí)近平在全國高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)： 把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面[EB/OL].（2016-12-09）[2021-07-10].http：//

dangjian.people.com.cn/n1 /2016/1209/c117092-28936962.html？ivk_sa=1021577k.

[2] 習(xí)近平主持召開學(xué)校思想政治理論課教師座談會(huì)[EB/OL].（2019-03-18）[2021-07-10].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-03/18/content_5374831.htm.

[3] 陳穎聰. 大學(xué)物理[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社， 2016.

[4] 戴曄，白麗華，張萌穎，等.“課程思政”在大學(xué)物理教學(xué)中的探索與實(shí)踐[J].大學(xué)教育， 2019（8）： 84-86.

[5] 夏雄平，曹雪麗，卓亞琦，等. “大學(xué)物理”課程教學(xué)中的思政教育探究[J].科教導(dǎo)刊（上旬刊）， 2018（34）： 113-114.

[6] 陳真英，謝冰，謝文彬，等. 立德樹人格局下大學(xué)物理課程實(shí)施課程思政的特色優(yōu)勢(shì)研究[J]. 高教學(xué)刊， 2019（21）： 61-63.

[7] 陳信義. 大學(xué)物理學(xué)教程[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2005.

[8] 張三慧.大學(xué)物理學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2011.

［責(zé)任編輯：張 雷］