大学物理及实验的课程思政探索——以静电场部分为例

赵 俊，严 刚，田友伟

(南京邮电大学 理学院，江苏 南京 210023)

***总书记在全国高校思想政治工作会议[1]上强调，“提升思想政治教育亲和力和针对性，满足学生成长发展需求和期待，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应。”教育部在《高等学校课程思政建设指导纲要》[2]中也指出，课程思政建设就是寓价值观引导于知识传授和能力培养之中，帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观，是人才培养的应有之义，更是必备内容。

《大学物理》和《大学物理实验》是高等学校理工科本科生的必修基础课，授课范围广。该课程的教学在培养学生树立科学的世界观、增强学生分析问题和解决问题的能力、培养学生的探索精神和创新意识等方面具有重要作用。同时，大学物理及实验课程作为课程思政的重要阵地和平台，如何“守好这段渠，种好这片责任田”，是每一位大学物理及实验任课教师需要认真思考的课题，也是践行“立德树人”的历史使命[3]。

静电场相关知识是电磁学部分的基础和重难点内容，是将所学物理知识与实际应用紧密结合的典型案例，它紧密联系前沿重大科技进展、国民经济发展重大需求[4]。在静电场章节的理论和实验教学中实施课程思政，有助于提升学生学以致用的能力。本文以静电场相关章节为例，通过教学设计、教学实践、问卷调查等环节，将思政教育有机地融入到理论知识和实验教学中，从而培养学生追求真理、勇攀高峰的科学精神，热爱祖国、科学报国的责任感和使命感。

1.1 知识框图

静电场相关章节讲述真空中的静电场和静电场中的导体与电介质，这两章节的知识框图如图1所示，它直观描绘了静电场部分各知识点的脉络关系，其中静电场相关实验，有利于加深学生对理论知识的理解。

图1 静电场章节知识点框图

从真空中静止点电荷间的相互作用出发，引入了静电场的基本定律——库仑定律以及叠加原理，并沿两条主线：电荷在静电场中受力和静电场力做功，分别引入描述静电场基本属性的两个物理量：电场强度和电势。从电场强度的通量和环流的分析，重点阐述描述静电场基本属性(有源场和保守场)的两个定理：高斯定理和环路定理，其中高斯定理是本章的重点和难点。通过学习静电场与带电粒子的相互作用，推出导体的静电平衡条件以及静电场中导体的电学性质，其中静电场中导体的相关知识，也是本章的难点内容。最后介绍电介质的极化及介质中的高斯定理，电容器及其连接，导出电场能量的相关规律。

1.2 课程思政的实施

下面以大学物理静电场部分章节内容为例，介绍课程思政的具体实施过程。为保证教学质量，采用“课前预习”、“课上学习”以及“课后复习”的三位一体教学模式，重点落实每一个环节的衔接与互补，逐渐形成了以“价值引导、知识传授、能力培养”为导向，将辩证唯物主义世界观、科学思维方法和爱国主义情怀等思政教育元素有机融合的课程思政教学模式，如图2所示。

图2 静电场课程思政教育实施流程图

课前预习环节，要求学生参加我校慕课平台《大学物理》课程静电场部分的学习。针对每次新课，平台提供了20分钟的知识点讲授，学生可根据教材和视频资料，对本节课的重点内容有整体把握。慕课视频还提出了与本次内容相关的实际应用拓展思考题，学生可通过查阅资料尝试解答，这些预留的思考题也将在下次课前分组讨论展示，并计入平时成绩，以此激发学生的求知欲和探索积极性。比如在学习摩擦起电时，让学生观察演示实验，思考范式起电机、静电跳球、静电摆球以及静电除尘的工作原理。在预习教材、学习慕课和课后查阅资料的过程中，学生运用所学知识解决实际问题的能力就得到了提高和拓展，科学的思维方法也得到了锻炼和提升。

课上学习环节，在讲授知识的同时，深入挖掘思政元素，并将这些思政元素巧妙融入课堂教学中，课堂引入PPT截图如图3所示，无论是富兰克林的“风筝实验”，还是密里根油滴实验，还是尖端放电实验，都让学生领率了物理的魅力所在，增强了学生学习物理的兴趣。增加物理学家生平和物理前言科技的介绍，充分培养学生的思想道德情怀，在线答题则可以将思政元素和案例与学生进行及时有效互动，增强了课堂趣味性和生动性，也进一步培养了学生的科学思维方法和价值观。通过这种“润物细无声”的教育教学方法，让课程思政入眼、入脑、入心，从而提高思政育人效果[5]。

图3 课堂引入环节PPT截图展示

(1) 讲授静电场相关知识点 有机融合思政元素。在讲授库仑定律时，引入“点电荷”这一理想模型，引导学生体会“马克思主义突出主要矛盾，忽略次要矛盾”的方法在解决物理问题中的具体应用，从思想上引领学生对这些抽象概念的理解；
讲述点电荷与点电荷系关系、电场叠加原理与电势叠加原理时，可以引入“众人拾柴火焰高”的谚语，培养学生的团队协作精神；
谈及电势计算时，可以通过点电荷的电势代数求和的方法求得点电荷系或是连续带电体的电势，其他条件不变时，正电荷越多则点电荷系的电势就越大，反之则越小，此性质正好与时下我国的抗疫精神融合起来，只有全国人民团结一致、齐心协力，才能最终战胜新冠疫情；
推导高斯定理时，从点电荷位于球面中心出发，给出电通量与球面内电荷量的关系，逐渐扩展到点电荷在任意封闭曲面内外以及点电荷系的情况，循序渐进，从特殊过渡到一般，最终得到静电场高斯定理，教学过程重点让学生理解循序渐进的科学思维方法，以及从量变到质变的事物发展变化的过程本质，正如晋代文学家左思潜心学习，深入观察，精心构思，最终成功著得《三都赋》。

(2)渗透科学思维方法。科学思维方法能帮助学生加深理解和透彻领悟物理规律，是实现大学物理及实验课程人才培养目标的有效手段[6]。静电场开篇引入了“正负两种电荷”，分析对比可得到正负电荷的不同性质，这便是通过对比得出结论的科学探究方法；
在引入点电荷这一理想模型时，引导学生明确当带电体自身的几何形状、大小和电荷分布对带电体间的相互作用可以忽略时，就可以把该带电体当作点电荷对待，理想化方法是一种科学抽象思维方法，它考虑主要因素，忽略次要因素，从而揭示问题本质；
在证明任意两条电场线永不相交时，用到了反证法，反证法在分析导体静电平衡条件和导体表面电荷分布规律时也同样用到；
在推导静电场高斯定理时，从特殊到一般，循序渐进，归纳得出静电场的高斯定理公式，这里体现了归纳法在揭示普遍物理学规律中的应用。在教学过程中将物理科学思维方法教授给学生，既能激发学生学习自然科学的兴趣，又能提高课堂教学质量，培养学生的科学素养和开拓创新的能力。

(3)培养辩证唯物主义世界观。很多大学物理和物理实验知识、物理思想及物理方法都和马克思主义哲学观点方法一致，将这些内容作为课程思政元素，可生动明确地对学生进行辩证唯物主义世界观和方法论的教育[7]。比如讲电场时，指出法拉第早期提出“场”的概念时，很少有人能理解 “场”的本质，甚至很多人对法拉第的实验和理论嗤之以鼻。通过背景介绍，引导学生总结出场的物质性，提出“场”和“实物粒子”一样，都是客观真实存在的物质，这就是马克思主义唯物论中物质性的准确理解，同时也反映了任何事物的发展都是前进性和曲折性的统一，这正是马克思主义的唯物辩证法。在总结正负电荷时，指出这是马克思主义对立统一规律在物理学知识中的直接体现；
又如介绍静电场中的导体时，逐步分析得到静电平衡和静电屏蔽相关规律，并提出“如何防治静电”，又“如何利用静电”？播放视频，让学生了解生活中静电防治的实际案例：避雷针、高压线屏蔽、超高压工作服等；
生活中静电利用的实际案例：静电除尘、静电喷漆、静电复印等，让学生总结出“静电利用”思路为“先使空气电离，再让微粒带电、微粒受静电力而做定向运动”。引导学生分析对比，从物理知识到哲学思考，再到辩证唯物主义世界观，层层递进，把静电防治和静电利用的性质上升到辩证唯物主义的哲学高度：即任何事物都有两面性，要有效利用其有利的一面，而避免其不利的一面[8]。通过马克思主义哲学思想的渗透，可以让学生认识到在学习生活道路上难免会遇到挫折，但不要害怕，要经住风雨的考验，才能见到彩虹。

(4)分享物理学家生平 塑造科学精神。学生对物理学家有着天然的崇拜,物理学家的科学精神和科学态度对学生个人良好品德养成有着重要影响。静电场的开篇即介绍著名的库仑定律：在真空中两个点电荷之间的相互作用力与两点电荷所带的电量乘积成正比，与两者距离平方成反比。库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律，它使电学的研究从定性进入定量阶段，是电学史中的一块重要的里程碑。电荷的单位“库仑”就是以他的姓氏命名的。在介绍库仑定律公式时，教师可以给学生介绍库仑导出 “平方反比定律”的艰辛，其间设计了巧妙的扭秤实验，面对实验的偏差，仔细实验，反复测量，并对实验结果进行详细分析，找出误差产生的原因，进行修正，终于测定出带等量同种电荷的小球之间的斥力。库仑身上体现出的不畏艰险的奋斗精神、有根据的怀疑精神和小心求证的探索精神都深深感染着学生，和风细雨般在学生心中植下了不断奋进的科学精神的种子。在介绍避雷针和尖端放电现象时，重点分享“引雷入地”的科学家富兰克林的事迹。他为了证明闪电是一种放电现象，进行了著名的“风筝实验”。1752年7月的一个雷雨天，富兰克林冒着生命危险将一个系着长导线的风筝放进雷雨云中，并在金属末端拴上一把钥匙。当雷电产生时，他将手接近钥匙，手上有麻木感，好在这次闪电比较弱，他并没有受伤。通过制造避雷针，居民木制房屋和其他建筑得到了有效保护。富兰克林为了探索科学真理，不惧危险、勇于攀登、造福人类的伟大精神正是非常好的课程思政教育，通过介绍物理学家们的生平，让学生体会到科学研究的道路是艰苦卓绝的，而伟大的科学家都是百折不挠的，他们坚持不懈、求真务实、锲而不舍的科学研究精神值得每个人学习。

(5)激发爱国主义情怀。大学物理及实验课程教学时，结合课程内容及时地把这些先进科技发展引入课堂，通过我国科学家的科学贡献和新时期我国在科技领域的伟大进展激发学生的爱国主义情怀，增强学生的民族自豪感和自信心。讲到静电屏蔽效应时，提出问题：为何不管空腔导体外静电场如何改变，腔内电场一直为零？引导学生根据静电平衡条件积极思考并分析出原因：导体内含有大量可以自由运动的电荷，它们能随着外加电场的变化而重新分布，产生附加电场，从而使得空腔内电场始终为零。此处可以拓展到不管国际环境如何变化，都应该始终保持初心，为实现中华民族伟大复兴和国家繁荣昌盛而不断努力。这种自然而然的类比激发了学生心中的家国情怀，起到了“立德树人”的作用。静电屏蔽效应还可以引申出我国在高端制造业领域领先世界的一张“名片”——特高压输电技术。我国的特高压输电是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、输送距离最远、技术水平最先进的特高压输电工程。这些思政元素的引入无疑提升了学生的民族自信心和爱国情怀，弘扬了科学报国的光荣传统，并能引导学生把个人理想融入国家发展中，不畏艰险，勇于创新。

课后复习环节，首先为了巩固课堂所学，要求学生及时复习教材和课件上的知识点，并完成相关课后作业。同时，考虑到大学物理及实验课程有限的课堂学时，每次课所包含的思政教育不可能太长，不能影响正常新课知识点的教学进度，所以给学生推荐了中国慕课平台上的优质开放课程——吉林大学张汉壮教授的《物理学导论》，该课程包含丰富的课程思政的内容，正好可以作为拓展和补充，比如在学习外电场作用下静电感应现象及导体表明感应电荷分布规律时，发现：导体表面附近的电场与导体表面的曲率成正比，这就是尖端放电的原理。开放课程《物理学导论》中则给出静电转轮和静电滚筒的实物演示实验，让学生清晰直观地了解了尖端放电的物理本质，加深了他们对新课知识点的理解和把握。除此以外，为了和课前预习构成呼应，将学生分成若干小组，同学们可自主选择本学期课前预习预留的问题，并选代表在下次课前做展示汇报，汇报的成绩计入平时成绩，学生的课堂展示汇报PPT截图如图4所示。这种教学尝试得到了同学们的积极响应和参与，不仅锻炼了学生的口头表达能力，而且还提升了他们分析问题和解决问题的能力，真正将培养学生的知识目标和能力目标落到实处。

(演示图片来自吉林大学张汉壮教授慕课《物理学导论》)

2.1 问卷调查

2021-2022学年第二学期，面向我校计算机学院软件工程专业B210315-18班119名学生，设计并实施了价值引导、知识传授和能力培养的课前预习、课上学习和课后复习的“三位一体”的教学模式，并将课程思政教育有机融合在了教学过程的每一个环节中。在本学期末，针对静电场相关章节的思政教学效果，设计了一个反馈调查，目的不在于评判学生对于融于物理课程中思政元素掌握了多少，而是为了了解学生对这种教育模式的认可程度，并且希望能通过问卷调查了解学生对教学模式的意见与建议。

将部分同学对“本学期开展的思政教育(物理学史和科学家生平以及科学家精神等)的看法和建议”的反馈调查结果总结如下：班级绝大部分同学持认可和支持的态度，都很赞同本学期实施的将“物理学史和科学家生平”等思政元素融入日常教学工作的模式，认为“提高了自身综合素养，也激发了同学们对大学物理及实验的学习兴趣”、“懂得了物理学家们是探索科学规律的先驱者，物理是一门真正探索宇宙规律的学科，这是物理学最吸引我的地方”、“增加物理发展史等内容增强课堂的趣味性，让我更加投入到物理课堂学习中来”、“提高了课堂内容的丰富程度，也提高了我的课堂专注度”、“思政引入让看到物理冰冷公式背后的故事，让课堂变得多元化，让感受到了物理学的温度”、“物理发展背景和科学家的生平，激发了我学习物理的兴趣，有利于我对物理知识的认识和把握，还有利于激发新时代大学生的爱国主义情怀”等等。当然，也有小部分物理学习基础薄弱的同学不赞同这种教学模式，认为“引入思政元素进课堂浪费了宝贵的学习新知识的时间”，“要掌握的大学物理及实验知识不能消化，所以对物理学史和科学家生平等不感兴趣”、“有关物理学发展背景等人文性质的知识在期末考试中不考核，不用花时间学习”等。线下也和这些同学做了深入沟通交流，鼓励基础薄弱的同学转换学习观念、提高学习效率，对于学习中存在的问题要及时通过问老师、问同学、查阅资料等途径解决。同时，教师在课堂上也更加关注这些学生的课堂表现，及时给予帮助，真正让这部分学生能体会到思政育人在大学物理学习中的重要性。

2.2 教学反思

教师在大学物理及实验课程教学过程中引入思政教育，不能过于刻意，应当做到“随风潜入夜，润物细无声”。课程育人就是要把辩证唯物主义世界观、正确的认识论、思想品德、家国情怀、勇攀科学高峰的精神等如雨露润物般被学生有机吸收，和学生的专业知识、兴趣、爱好融合，才能达到“立德树人”的目标[9]。回望以上思政教学过程，教学团队反复锤炼如何将思政元素巧妙地有机融合于“课前预习”、“课上学习”和“课后复习”三个教学环节，积极思考如何才能实现“价值引导”、“知识传授”和“能力培养”的完美结合，并开展教学研讨，及时改进后续思政教学方法。针对教学团队的讨论反思和学生意见反馈，形成以下改进措施：

(1)课程思政应该因材施教，逐步提炼服务于不同专业的思政模式。针对不同专业的学生，在思政元素的选取上，要有所区别和取舍，特别在引入知识点相关科技前沿动态时，应当尽可能选取与学生专业息息相关的国际科技前沿，使之能更加贴合学生的专业人才培养目标，从而使学生通过大学物理和物理实验专业基础课的学习，在思政教育的春风化雨的滋润下，在心底牢牢树立投身专业建设、报效祖国的决心；

(2)教师自身应当积极参加国内开展的课程思政研讨会议和培训课程，通过与其他高校教师的沟通与交流，取长补短，提升自身思政教学水平。继续优化课程设计，力求自然和谐、润物无声地加入思政元素，继续深入挖掘大学物理及实验课程中的思政元素，顺应时代发展，追踪国内外物理学发展动态，逐步扩充课程思政案例库；

(3)在进行思政教学时，建议适当将物理学家生平的介绍拓展成为他们在推导某个物理规律过程中遇到困难以及如何解决的案例，通过这些真实案例的分享，学生对物理公式和定律会有更加深入的理解，对所学物理知识和思政元素也会有更深刻的认识；
在学期末考核中适当增加思政相关的物理学发展史的考核，激发学生学习动力和兴趣；
鼓励和指导学生积极参加各种大学生创新竞赛和大学物理实验竞赛，通过不断探索和实践，让学生感受科技的力量和学术的魅力，充分调动学生学以致用的内驱力，真正实现“润物无声”的思政育人目标。

本文以大学物理及实验课程中的静电场相关章节为思政教学案例，通过实施“价值引导、知识传授和能力培养”的课前预习、课上学习和课后复习的“三位一体”的教学模式，在教学过程每一个环节中有机融合了课程思政教育，从而培养学生追求真理、勇攀高峰的科学精神，激发热爱祖国、科学报国的责任感和使命感。通过学生的问卷调查反馈情况来看，学生对在静电场教学中实施的思政教学模式很认可，获得了较高的满意度，但同时也存在着一些问题和需要改进的地方。通过分析学生的意见和建议，以及教学团队成员间的教学研讨和反思，总结得出了后续思政教育的改进措施和方向。在接下来的大学物理及实验课程思政建设中，团队将以******关于教育的重要论述精神为引领，围绕立德树人根本任务，落实好《高等学校课程思政建设指导纲要》，秉承“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”的精神理念，借由精巧的思政教学设计，结合不同的思政教学手段，努力实现“教书”与“育人”的相互促进。

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