在大學物理課程教學中實施課程思政的探索

夏麗莉　于肇賢　楊志耘

［摘 要］文章以位移電流教學為例，分析如何將課程思政融入大學物理教學過程。基于麥克斯韋在推廣電磁場理論的過程中遇到的矛盾，文章運用演繹法引出位移電流的假說。問題的解決契合哲學中矛盾的普遍性和特殊性的思想，培養了學生辯證唯物主義世界觀。運用演繹法說明位移電流提出的過程，以此培養學生嚴謹的科學研究習慣。

［關鍵詞］大學物理; 課程思政; 位移電流

［中圖分類號］ G642 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 2095-3437（2023）02-0027-03

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

物理學是整個自然科學和工程技術科學的基礎，其研究范圍非常廣泛，包括力學、熱學、光學、電學、磁學、近代物理學等各個方面[3]。教師在教學過程中除了要夯實學生的基礎知識，還要注重提高學生的學習能力和創新能力。如何在授課的過程中，結合課程思政，達到全面培養學生科學思維和提高學生的科學素質的目的，這也是大學物理教學的重點任務[4-6]。本文以位移電流教學為例，論述如何在大學物理課程教學中實施課程思政。

一、教學內容引入

首先，從生活中的電磁場理論引入位移電流的假說。引入內容如下：基于電磁場理論在生活中的應用非常普遍，小到我們生活中的日用品，大到工程、軍工等領域。電場能量的應用非常普遍，位移電流的應用也很普遍。位移電流的教學對學生更好地掌握計算磁場能量的方法、理解位移電流的實際應用具有重要的作用，能夠增強學生認知生活和理解實際現象物理本質的能力，也能夠為學生處理物理學中特殊矛盾和一般矛盾提供研究方法和思路。通過對本內容的學習，學生可深度認識到位移電流的基本概念、特征，為掌握電磁場統一理論奠定重要的理論基礎。

其次，由物理學史可知，麥克斯韋統一了電磁場理論，提出了麥克斯韋方程組。在這個理論提出的過程中，有兩個重要的科學假說：感生電場假說和位移電流假說。這兩個假說在電磁場統一理論中具有關鍵的作用。其重點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變化和傳導電流的關系是學生學習的難點。這部分內容的設計達到了授課的兩個主要目的：一方面很好地復習了上節課的學習內容，知識點貫穿了電場和磁場兩章的主要學習內容；另一方面，基于實際問題，激發了學生的學習興趣，學生基于解決實際問題的目的去學習，學習目標明確，理論基礎扎實，從而能夠很好地理解和掌握本內容的學習重點和難點，這樣的課堂質量和效果均在教師的可控范圍內。

項目組從生活常見現象中挖掘問題，遵循“實際需要—提煉問題—解決問題—知識點反饋”的思路，由此引出問題的關鍵所在，通過對問題的分析，給出問題的數學模型，利用數學工具給出問題的解，然后賦予其物理意義，回歸到物理問題本身。項目組從生活中的實際例子出發，教授學生從生活中發現問題，運用基本理論知識解釋生活現象，引導學生學習如何解決生活中的實際問題。在此基礎上，使學生能結合知識點，理解本課程所講授的基本概念、基本思想和基本方法。這一設計實現了從生活走向物理的理念，也很好地激發了學生的探究欲。

通過對位移電流的學習，有利于學生形象地理解位移電流的來歷，同時，能讓學生初步領略前沿科學的魅力，并以此開闊學生的學術視野，對促進學生掌握理論知識和實際應用都具有深遠的影響。

二、教學過程和課程思政

通過對穩恒磁場的環路定理和感應電場假說的講授，幫助學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方法中的“實際需要—提煉問題—解決問題—知識點反饋”的結構與主線，讓學生能夠更好地掌握位移電流的相關知識點，提高學生在物理學習上的興趣和熱情。具體來說，本課程的授課思路如下：復習靜電場和穩恒磁場的相關問題，重點復習穩恒磁場的結論，從而順利引入磁場能量和位移電流的概念。

在麥克斯韋提出電磁場理論之前，已有的電磁理論可歸結為5個方程[7-8]，分別為：

以上5個表達式的物理意義分別為：式（1）表示穿過電場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和，與極化電荷和閉合曲面外的電荷無關；式（2）說明在靜電場中，電場強度沿任意閉合路徑線積分等于零；式（3）表示通過磁場中任意閉合曲面的磁通量恒等于零；式（4）表示磁場強度沿著閉合路徑的線積分等于該閉合路徑所包圍的傳導電流的代數和；式（5）給出了回路中的感應電動勢與通過回路所圍面積的磁通量的變化關系。

通過復習，強調以上5個方程都是在特定的條件下得到的，因而有各自的適應范圍。麥克斯韋以此為基礎，從法拉第電磁感應定律出發，注意到變化的磁場能夠產生電磁感應現象，因此提出了感生電場的概念，找到了電場和磁場的聯系，即變化的磁場能夠產生電場。當麥克斯韋將穩恒磁場的環路定理應用于非穩恒時出現了困難，為了克服這個困難，麥克斯韋通過提出位移電流的假說，將穩恒的環路定理應用于非穩恒中，找到了電場和磁場的另一種聯系，即變化的電場產生磁場。結合普遍情況下靜電場環路定理，麥克斯韋成功地建立了電磁場統一理論，預言了電磁波的存在，后被赫茲用實驗證實。通過對以上內容的學習，使學生了解了位移電流的形成機理。

假設有穩恒回路（見圖1），Ic是傳導電流，取包圍電流的閉合曲線L，繞向與電流成右螺旋關系，以環路為邊界做曲面S1和S2，由環路定理有關系且關系成立，即由式（6）和式（7）得出結論：穩恒電流條件下磁場強度的環路積分與閉合回路的邊界面S無關。通過連續電路的電流分析：穩恒磁場的環路積分與閉合回路曲面S無關。

項目組在電路中加上電容器，放電和充電過程是非穩恒情況（見圖2），同樣取曲面S1和S2，當S2包住電容器一個極板時，右端為零。通過對電容器電路的電流分析得出結論：穩恒磁場環路定理對非穩恒電流不適用。

分析：問題是在推廣到非穩恒時出現的，那么穩恒和非穩恒的辯證關系是什么？

思政點：穩恒是非穩恒的特例，如果把穩恒看作特殊矛盾，非穩恒看作普遍矛盾，這就涉及到哲學中的矛盾的普遍性和矛盾的特殊性之間的關系。即“矛盾的普遍性寓于矛盾的特殊性之中，并通過特殊性表現出來，沒有特殊性就沒有普遍性。”。

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

其中D為電位移矢量，其如何和電場聯系呢？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時間導數和傳導電流等效。麥克斯韋把右側稱之為位移電流，即

引入位移電流，具體公式如下：

考慮到電位移矢量和場強及極化強度的關系[D=][ε0E+P]，有如下結論

其中[ε0]為真空中的電容率，真空中P=0，式（11）第一項是電場的變化率，第二項是由電荷的極化產生的物理效應，根據真空中的情況，即P=0，從而得到位移電流密度是變化的電場引起的。可以得到結論：位移電流密度是變化的電場引起的。所以麥克斯韋提出的位移電流假說是變化的電場激發了有旋磁場。

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

其中[jC]為傳導電流密度，[H]為磁場強度。

思政點：本課程采用的研究方法是演繹法，演繹法是現代科學中常用的一種科學方法，是在提出假說的過程中，演繹出推論，在實驗檢驗和修正中得出結論的一種研究方法[3]。演繹法具有三個特點：傳承性、釋疑性、預言性。結合式（12），項目組逐個分析演繹法的特點。傳承性：位移電流為零時回到了穩恒電場的情況，肯定了穩恒磁場環路定理的正確性；釋疑性：整個過程解釋了穩恒的結論，以及推廣到非穩恒情況的不適應的問題；預言性：基于位移電流假設的一般情況的磁場環路定理預言了電磁波的存在。

課程基本知識的總結：根據位移電流的物理意義，具體說明位移電流和傳導電流的區別聯系，他們都是電流，都能激發磁場，但是兩者產生的機理不同，位移電流是由變化的電場產生的，傳導電流是由電荷的定向移動產生的。兩者在熱效應方面也不同，位移電流不產生焦耳熱，傳導電流由于電子與晶格的碰撞，具有焦耳熱。

三、結論

本文以大學物理課程中的位移電流教學為例，具體設計了如何在教學過程中融入課程思政，主要有兩個思政點，其一是哲學中矛盾的普遍性和特殊性之間轉化的思想；其二是學習物理學中重要的研究方法——演繹法。希望在教學過程中，以此培養學生辯證唯物主義世界觀和嚴謹的科學研究習慣，從而在大學物理課程中兼顧基礎理論教學和“立德樹人”的“雙成教育”目標。

［ 參 考 文 獻 ］

[1] 習近平在全國高校思想政治工作會議上強調： 把思想政治工作貫穿教育教學全過程開創我國高等教育事業發展新局面[EB/OL].（2016-12-09）[2021-07-10].http：//

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

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

[3] 陳穎聰. 大學物理[M]. 北京：北京理工大學出版社， 2016.

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

[5] 夏雄平，曹雪麗，卓亞琦，等. “大學物理”課程教學中的思政教育探究[J].科教導刊（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物理課程實施課程思政的特色優勢研究[J]. 高教學刊， 2019（21）： 61-63.

[7] 陳信義. 大學物理學教程[M]. 北京：清華大學出版社， 2005.

[8] 張三慧.大學物理學[M]. 北京：清華大學出版社， 2011.

［責任編輯：張 雷］