夏丽莉　于肇贤　杨志耘

［摘 要］文章以位移电流教学为例，分析如何将课程思政融入大学物理教学过程。基于麦克斯韦在推广电磁场理论的过程中遇到的矛盾，文章运用演绎法引出位移电流的假说。问题的解决契合哲学中矛盾的普遍性和特殊性的思想，培养了学生辩证唯物主义世界观。运用演绎法说明位移电流提出的过程，以此培养学生严谨的科学研究习惯。

［关键词］大学物理; 课程思政; 位移电流

［中图分类号］ G642 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）02-0027-03

课程思政强调将各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把“立德树人”作为教育根本任务的一种综合教育理念[1-2]。

物理学是整个自然科学和工程技术科学的基础，其研究范围非常广泛，包括力学、热学、光学、电学、磁学、近代物理学等各个方面[3]。教师在教学过程中除了要夯实学生的基础知识，还要注重提高学生的学习能力和创新能力。如何在授课的过程中，结合课程思政，达到全面培养学生科学思维和提高学生的科学素质的目的，这也是大学物理教学的重点任务[4-6]。本文以位移电流教学为例，论述如何在大学物理课程教学中实施课程思政。

一、教学内容引入

首先，从生活中的电磁场理论引入位移电流的假说。引入内容如下：基于电磁场理论在生活中的应用非常普遍，小到我们生活中的日用品，大到工程、军工等领域。电场能量的应用非常普遍，位移电流的应用也很普遍。位移电流的教学对学生更好地掌握计算磁场能量的方法、理解位移电流的实际应用具有重要的作用，能够增强学生认知生活和理解实际现象物理本质的能力，也能够为学生处理物理学中特殊矛盾和一般矛盾提供研究方法和思路。通过对本内容的学习，学生可深度认识到位移电流的基本概念、特征，为掌握电磁场统一理论奠定重要的理论基础。

其次，由物理学史可知，麦克斯韦统一了电磁场理论，提出了麦克斯韦方程组。在这个理论提出的过程中，有两个重要的科学假说：感生电场假说和位移电流假说。这两个假说在电磁场统一理论中具有关键的作用。其重点介绍了位移电流提出的物理背景、位移电流方程的具体形式、位移电流的物理意义。其中位移电流涉及的电场变化和传导电流的关系是学生学习的难点。这部分内容的设计达到了授课的两个主要目的：一方面很好地复习了上节课的学习内容，知识点贯穿了电场和磁场两章的主要学习内容；另一方面，基于实际问题，激发了学生的学习兴趣，学生基于解决实际问题的目的去学习，学习目标明确，理论基础扎实，从而能够很好地理解和掌握本内容的学习重点和难点，这样的课堂质量和效果均在教师的可控范围内。

项目组从生活常见现象中挖掘问题，遵循“实际需要—提炼问题—解决问题—知识点反馈”的思路，由此引出问题的关键所在，通过对问题的分析，给出问题的数学模型，利用数学工具给出问题的解，然后赋予其物理意义，回归到物理问题本身。项目组从生活中的实际例子出发，教授学生从生活中发现问题，运用基本理论知识解释生活现象，引导学生学习如何解决生活中的实际问题。在此基础上，使学生能结合知识点，理解本课程所讲授的基本概念、基本思想和基本方法。这一设计实现了从生活走向物理的理念，也很好地激发了学生的探究欲。

通过对位移电流的学习，有利于学生形象地理解位移电流的来历，同时，能让学生初步领略前沿科学的魅力，并以此开阔学生的学术视野，对促进学生掌握理论知识和实际应用都具有深远的影响。

二、教学过程和课程思政

通过对稳恒磁场的环路定理和感应电场假说的讲授，帮助学生理解能量密度和位移电流的基本概念和特征。授课过程中遵循教学方法中的“实际需要—提炼问题—解决问题—知识点反馈”的结构与主线，让学生能够更好地掌握位移电流的相关知识点，提高学生在物理学习上的兴趣和热情。具体来说，本课程的授课思路如下：复习静电场和稳恒磁场的相关问题，重点复习稳恒磁场的结论，从而顺利引入磁场能量和位移电流的概念。

在麦克斯韦提出电磁场理论之前，已有的电磁理论可归结为5个方程[7-8]，分别为：

以上5个表达式的物理意义分别为：式（1）表示穿过电场中任一闭合曲面的电位移通量等于闭合曲面所包围的自由电荷的代数和，与极化电荷和闭合曲面外的电荷无关；式（2）说明在静电场中，电场强度沿任意闭合路径线积分等于零；式（3）表示通过磁场中任意闭合曲面的磁通量恒等于零；式（4）表示磁场强度沿着闭合路径的线积分等于该闭合路径所包围的传导电流的代数和；式（5）给出了回路中的感应电动势与通过回路所围面积的磁通量的变化关系。

通过复习，强调以上5个方程都是在特定的条件下得到的，因而有各自的适应范围。麦克斯韦以此为基础，从法拉第电磁感应定律出发，注意到变化的磁场能够产生电磁感应现象，因此提出了感生电场的概念，找到了电场和磁场的联系，即变化的磁场能够产生电场。当麦克斯韦将稳恒磁场的环路定理应用于非稳恒时出现了困难，为了克服这个困难，麦克斯韦通过提出位移电流的假说，将稳恒的环路定理应用于非稳恒中，找到了电场和磁场的另一种联系，即变化的电场产生磁场。结合普遍情况下静电场环路定理，麦克斯韦成功地建立了电磁场统一理论，预言了电磁波的存在，后被赫兹用实验证实。通过对以上内容的学习，使学生了解了位移电流的形成机理。

假设有稳恒回路（见图1），Ic是傳导电流，取包围电流的闭合曲线L，绕向与电流成右螺旋关系，以环路为边界做曲面S1和S2，由环路定理有关系且关系成立，即由式（6）和式（7）得出结论：稳恒电流条件下磁场强度的环路积分与闭合回路的边界面S无关。通过连续电路的电流分析：稳恒磁场的环路积分与闭合回路曲面S无关。

项目组在电路中加上电容器，放电和充电过程是非稳恒情况（见图2），同样取曲面S1和S2，当S2包住电容器一个极板时，右端为零。通过对电容器电路的电流分析得出结论：稳恒磁场环路定理对非稳恒电流不适用。

分析：问题是在推广到非稳恒时出现的，那么稳恒和非稳恒的辩证关系是什么？

思政点：稳恒是非稳恒的特例，如果把稳恒看作特殊矛盾，非稳恒看作普遍矛盾，这就涉及到哲学中的矛盾的普遍性和矛盾的特殊性之间的关系。即“矛盾的普遍性寓于矛盾的特殊性之中，并通过特殊性表现出来，没有特殊性就没有普遍性。”。

问题的根源在于传导电流在极板间中断了，传导电流虽然中断了，但是极板放电的过程中，电荷是变化的，变化的电荷会产生变化的电场。从电容器放电过程可以看出（见图3），传导电流是单位时间内通过某一截面的电量。以下公式体现了传导电流Ic和极板的面电荷密度[σ]的联系。

其中D为电位移矢量，其如何和电场联系呢？可以由高斯定理得到电位移矢量和面电荷密度相等，即[D=σ]，两极板间的电位移矢量对时间导数和传导电流等效。麦克斯韦把右侧称之为位移电流，即

引入位移电流，具体公式如下：

考虑到电位移矢量和场强及极化强度的关系[D=][ε0E+P]，有如下结论

其中[ε0]为真空中的电容率，真空中P=0，式（11）第一项是电场的变化率，第二项是由电荷的极化产生的物理效应，根据真空中的情况，即P=0，从而得到位移电流密度是变化的电场引起的。可以得到结论：位移电流密度是变化的电场引起的。所以麦克斯韦提出的位移电流假说是变化的电场激发了有旋磁场。

从以上分析可以看出，虽然传导电流终止在电容器的极板上，但是极板间的电场的变化延续了传导电流的作用，也就是说传导电流和位移电流是连续的，称之为全电流。从而得到普遍意义下的磁场的环路定理：

其中[jC]为传导电流密度，[H]为磁场强度。

思政点：本课程采用的研究方法是演绎法，演绎法是现代科学中常用的一种科学方法，是在提出假说的过程中，演绎出推论，在实验检验和修正中得出结论的一种研究方法[3]。演绎法具有三个特点：传承性、释疑性、预言性。结合式（12），项目组逐个分析演绎法的特点。传承性：位移电流为零时回到了稳恒电场的情况，肯定了稳恒磁场环路定理的正确性；释疑性：整个过程解释了稳恒的结论，以及推广到非稳恒情况的不适应的问题；预言性：基于位移电流假设的一般情况的磁场环路定理预言了电磁波的存在。

课程基本知识的总结：根据位移电流的物理意义，具体说明位移电流和传导电流的区别联系，他们都是电流，都能激发磁场，但是两者产生的机理不同，位移电流是由变化的电场产生的，传导电流是由电荷的定向移动产生的。两者在热效应方面也不同，位移电流不产生焦耳热，传导电流由于电子与晶格的碰撞，具有焦耳热。

三、结论

本文以大学物理课程中的位移电流教学为例，具体设计了如何在教学过程中融入课程思政，主要有两个思政点，其一是哲学中矛盾的普遍性和特殊性之间转化的思想；其二是学习物理学中重要的研究方法——演绎法。希望在教学过程中，以此培养学生辩证唯物主义世界观和严谨的科学研究习惯，从而在大学物理课程中兼顾基础理论教学和“立德树人”的“双成教育”目标。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 习近平在全国高校思想政治工作会议上强调： 把思想政治工作贯穿教育教学全过程开创我国高等教育事业发展新局面[EB/OL].（2016-12-09）[2021-07-10].http：//

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

[2] 习近平主持召开学校思想政治理论课教师座谈会[EB/OL].（2019-03-18）[2021-07-10].http：//www.gov.cn/xinwen/2019-03/18/content_5374831.htm.

[3] 陈颖聪. 大学物理[M]. 北京：北京理工大学出版社， 2016.

[4] 戴晔，白丽华，张萌颖，等.“课程思政”在大学物理教学中的探索与实践[J].大学教育， 2019（8）： 84-86.

[5] 夏雄平，曹雪丽，卓亚琦，等. “大学物理”课程教学中的思政教育探究[J].科教导刊（上旬刊）， 2018（34）： 113-114.

[6] 陳真英，谢冰，谢文彬，等. 立德树人格局下大学物理课程实施课程思政的特色优势研究[J]. 高教学刊， 2019（21）： 61-63.

[7] 陈信义. 大学物理学教程[M]. 北京：清华大学出版社， 2005.

[8] 张三慧.大学物理学[M]. 北京：清华大学出版社， 2011.

［责任编辑：张 雷］