模擬法測(cè)繪靜電場實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合課程思政教育的探討

朱華麗 唐貴平 黃小青 鄧小清

（長沙理工大學(xué) 湖南·長沙 410114）

0 引言

模擬法測(cè)繪靜電場是高等院校大學(xué)物理電磁學(xué)部分的重要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生認(rèn)真學(xué)習(xí)用模擬法描述和測(cè)繪靜電場分布的概念和方法，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量等勢(shì)線，描繪電場線，從而加深對(duì)靜電場強(qiáng)度、電勢(shì)和電勢(shì)差等概念的理解。[1]為了提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，已有一些文章對(duì)本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)進(jìn)行了一系列的討論，如靜電場描繪儀實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，[2,3]交流信號(hào)源的研制，[4]導(dǎo)電介質(zhì)的研究，[5]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理討論等。[6,7]這些文章主要是圍繞經(jīng)典教學(xué)展開，對(duì)于如何在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入課程思政教育的討論非常少。新形勢(shì)下，如何創(chuàng)新教育教學(xué)方式方法，將價(jià)值導(dǎo)向與知識(shí)導(dǎo)向相融合，切實(shí)將實(shí)驗(yàn)課程思政教育融入教學(xué)設(shè)計(jì)，弘揚(yáng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，值得我們深入思考。因此，在這一思想的引領(lǐng)下，本文基于模擬法測(cè)繪靜電場的實(shí)驗(yàn)，對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革進(jìn)行了如下探討。

1 課程教學(xué)過程

“課程思政”建設(shè)的基礎(chǔ)在于“課程”，沒有好的課程建設(shè)，“課程思政”功能就成為無源之水、無本之木。因此，教研室在長期實(shí)驗(yàn)教學(xué)積累的基礎(chǔ)上主編了“十二五”規(guī)劃教材，在模擬法測(cè)繪靜電場實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們探索了“三個(gè)（為）什么”的提問式教學(xué)法，按著講解的先后，將實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)操作及內(nèi)容有機(jī)串聯(lián)起來。

（1）一問“為什么要用模擬法測(cè)繪靜電場？”闡明實(shí)驗(yàn)的意義和背景。隨著靜電現(xiàn)象、應(yīng)用和防護(hù)的深入研究，常需要確定帶電體周圍的電場分布。它是了解電場中的一些物理現(xiàn)象或控制帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)所必需解決的問題，有利于科研和生產(chǎn)，例如用測(cè)量電子管、示波管、顯像管和電子顯微鏡等多種電子束管內(nèi)部電場的分布來研究其電極的形狀等。但是，用計(jì)算方法求解靜電場分布一般比較復(fù)雜和困難，而直接測(cè)量靜電場需要復(fù)雜的設(shè)備，對(duì)測(cè)量技術(shù)要求也很高，比如，當(dāng)測(cè)量儀器的探針進(jìn)入靜電場以后會(huì)引起靜電感應(yīng)，產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而破壞原有靜電場的分布。因此，直接法測(cè)繪靜電場是非常困難的，那我們就想能不能用間接法來測(cè)量呢？通過理論研究和實(shí)驗(yàn)證明，我們找到了一種間接測(cè)量的方法——模擬法來測(cè)繪靜電場。

（2）二問“用什么模擬靜電場？為什么可以這樣模擬？”解決本實(shí)驗(yàn)的原理問題，這一部分是重點(diǎn)講解內(nèi)容。由電磁學(xué)理論可知，電解質(zhì)中穩(wěn)恒電流的電流場與電介質(zhì)（或真空）中的靜電場具有相似性。選取同軸圓柱形電極具體說明電流場與靜電場的相似性，分別運(yùn)用靜電場和電流場理論推導(dǎo)靜電場和電流場當(dāng)中電勢(shì)分布規(guī)律的物理表達(dá)式，從而得到靜電場與電流場的電勢(shì)分布是相同的，可以通過模擬法進(jìn)行測(cè)繪的結(jié)論。其中，對(duì)于模擬條件的討論，教師需對(duì)照同軸圓柱面間靜電場示意圖和同軸電極的電流場示意圖詳細(xì)講解，以引導(dǎo)學(xué)生加深理解和正確應(yīng)用模擬法。指出須使用高內(nèi)阻電壓表或電位差計(jì)檢測(cè)電流場中各等電位點(diǎn)，測(cè)量支路不從電流場中取出電流，因而不影響電流的分布。這解決了直接測(cè)量靜電場時(shí)，探針的放入將產(chǎn)生感應(yīng)電荷而破壞靜電場原有分布的問題。

（3）三問“靜電場的測(cè)繪方法是什么？”引入到教師演示和學(xué)生獨(dú)立操作。帶電體在其周圍空間所產(chǎn)生的電場可以用電場強(qiáng)度E和電勢(shì)U的空間分布來描述，更形象一點(diǎn)就是采用等勢(shì)面和電場線來描述電場。電場線是按空間各點(diǎn)電場強(qiáng)度的方向順次連成的曲線，等勢(shì)面是電場中電勢(shì)相等的各點(diǎn)所構(gòu)成的曲面。電場線與等勢(shì)面是相互正交的，有了等勢(shì)面的圖形就可以畫出電場線，反之亦然。我們所說的靜電場測(cè)量就是指測(cè)繪出靜電場中等勢(shì)面和電場線的分布圖形。因?yàn)閁是標(biāo)量，E是矢量，實(shí)驗(yàn)測(cè)量電勢(shì)比測(cè)定場強(qiáng)容易實(shí)現(xiàn)，所以先通過實(shí)驗(yàn)操作找出一系列的等勢(shì)點(diǎn)，繪出等勢(shì)線，再畫出電場線，從而表征靜電場分布。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容規(guī)定，原理推導(dǎo)時(shí)選用的同軸電纜的靜電場分布屬必測(cè)內(nèi)容，然后從平行軸電極、點(diǎn)與平板電極或聚焦電極三個(gè)電場分布中，選做1～2個(gè)靜電場，這些屬舉一反三、難度提升的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，用以加深學(xué)生對(duì)各種形狀的靜電場分布的認(rèn)識(shí)。

2 實(shí)驗(yàn)過程中的若干問題

2.1 同軸電纜等勢(shì)線半徑的確定

一般從同一條等勢(shì)線上的9個(gè)等勢(shì)點(diǎn)中選擇3個(gè)點(diǎn)（盡量互成120°）作三角形，通過三角形外接圓圓心的確定方法（任意兩邊的垂直平分線的交點(diǎn)）得到一個(gè)半徑，用同樣的方法再確定另兩個(gè)半徑后，最后求三個(gè)半徑的平均值。這種方法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差小，說明其與理論值很接近。

2.2 根據(jù)等勢(shì)線描繪電場線的方法或原則

基于以下三點(diǎn)描繪電場線：（1）電場線與等勢(shì)線相互垂直；（2）描繪的每一根電場線自正極出發(fā)匯入負(fù)極的過程應(yīng)保持連續(xù)和唯一的性質(zhì)；（3）等勢(shì)線越緊密的位置處，電場線也應(yīng)該越緊密，反之亦然。靜電場中電場線的疏密表示了電場的強(qiáng)弱，在模擬法中電流密度的大小也可用電流線的疏密來表示。[2]學(xué)生只要掌握了以上方法或原則，不管遇到形狀多復(fù)雜的靜電場，都可以在測(cè)繪出等勢(shì)線的基礎(chǔ)上描繪出電場線，從而表征出相應(yīng)靜電場的分布情況。

2.3 平行電極靜電場邊緣的等勢(shì)線嚴(yán)重畸變的問題

由于實(shí)驗(yàn)儀器采用的導(dǎo)電玻璃只能是有限尺寸的長方形，在導(dǎo)電玻璃邊緣處電流只可沿邊緣流動(dòng)，因此描繪出的等勢(shì)線必然與邊緣垂直，造成電場分布的嚴(yán)重畸變，這就是用有限大的模擬模型去模擬無限大的空間電場時(shí)必然會(huì)受到的“邊緣效應(yīng)”的影響。一般來說，不可能使用“無限大”的導(dǎo)電玻璃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以我們?nèi)绻獪p小這種畸變影響，需要人為地將導(dǎo)電玻璃的邊緣切割成電場線的形狀。

2.4 靜電場等勢(shì)線不對(duì)稱的原因

平行軸電極靜電場中等勢(shì)線不對(duì)稱主要是由于導(dǎo)電介質(zhì)與正負(fù)電極間的接觸電阻不等，造成等勢(shì)面向一側(cè)偏移。一般實(shí)驗(yàn)過程中都要通過調(diào)節(jié)電極螺母的松緊使接觸電阻消除，避免其影響描繪結(jié)果的對(duì)稱。[8]另外，導(dǎo)電薄膜有破損、薄膜厚度不均勻或?qū)щ娊橘|(zhì)導(dǎo)電率不均勻也有可能使等勢(shì)線測(cè)繪出現(xiàn)偏差。

除了以上問題，授課教師在課前要做好實(shí)驗(yàn)儀器的清理及檢修等預(yù)備工作，如盡量消除探針針尖氧化、導(dǎo)電膜破損、探針與導(dǎo)電介質(zhì)接觸面不充分、同步探針不在鉛垂位置等不利因素。鑒于個(gè)別儀器因使用頻率高導(dǎo)致不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，不苛求測(cè)量數(shù)據(jù)的精確，而是把實(shí)驗(yàn)存在的誤差原因留到課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告中分析討論，更有助于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)誤差。教師還應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生在線提交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析結(jié)果，對(duì)于計(jì)算機(jī)技能好的學(xué)生，還可以建議其利用計(jì)算機(jī)軟件（如Origin[7]或Matlab[9]）繪制等勢(shì)面和電場線，不僅使學(xué)生能認(rèn)識(shí)到學(xué)有所用，而且能促進(jìn)不同學(xué)科知識(shí)的融合，為今后的科研活動(dòng)打下初步的基礎(chǔ)。

3 在經(jīng)典教學(xué)基礎(chǔ)上融入課程思政的幾點(diǎn)探索

3.1 引入物理學(xué)人物

我們的時(shí)代是電的時(shí)代，有許多物理學(xué)家對(duì)電磁學(xué)的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。其中，邁克爾·法拉第是英國物理學(xué)家、化學(xué)家，也是著名的自學(xué)成才的科學(xué)家。通過對(duì)靜電場的研究，法拉第把電力線的重要概念引入物理學(xué)，來解釋電、磁現(xiàn)象，為當(dāng)代物理學(xué)中的許多研究開拓了道路。法拉第刻苦自學(xué)，從一個(gè)小學(xué)都沒念完的裝訂學(xué)徒工跨入世界第一流科學(xué)家的行列，法拉第的成長經(jīng)歷說明，攀登科學(xué)高峰的路盡管崎嶇，但只要堅(jiān)持不懈的努力，就可以到達(dá)頂峰。通過在開始講解實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容前，簡要介紹科學(xué)家勵(lì)志成長的故事和對(duì)人類社會(huì)的貢獻(xiàn)，將學(xué)生的注意力引入物理實(shí)驗(yàn)課堂，潛移默化地激勵(lì)學(xué)生刻苦鉆研，勇攀科學(xué)高峰，為中華民族乃至全人類的發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，提高專業(yè)素養(yǎng)。這部分課程思政教育放在教學(xué)內(nèi)容1.1之前。

3.2 培養(yǎng)間接思維

模擬法是科研或工程技術(shù)中一種重要的實(shí)驗(yàn)研究方法，屬于間接測(cè)量法。它是指不直接研究某物理現(xiàn)象或物理過程的本身，而是用與該物理現(xiàn)象或過程相似的模型來進(jìn)行研究的一種方法。在講解模擬法時(shí)，簡單提及科學(xué)家用實(shí)驗(yàn)?zāi)M幾十億年前地球形成初期，大大小小的星球撞擊地殼表面形成許多凹凸，成功地論證了高山、海洋的形成原因。在科研中遇到直接解決不了的問題，我們會(huì)想到間接方法處理。那么，聯(lián)想到同學(xué)們?nèi)粘W(xué)習(xí)和生活中如果遇到難題或難事，同樣需要我們積極應(yīng)對(duì)，廣開思路、培養(yǎng)間接解決問題的思維方式，要相信“辦法總比困難多”。這部分課程思政教育放在教學(xué)內(nèi)容1.1后。

3.3 “知行合一”的科學(xué)發(fā)展觀

通過實(shí)驗(yàn)操作，記錄等勢(shì)點(diǎn)，繪出等勢(shì)線，畫出電場線，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和誤差分析。通過實(shí)驗(yàn)得到同軸電纜靜電場各等勢(shì)線的半徑r后，在坐標(biāo)紙上做lnr和Ur函數(shù)關(guān)系圖，驗(yàn)證兩者的線性關(guān)系，這與原理推導(dǎo)出來的靜電場和電流場電勢(shì)分布規(guī)律相一致，這也就驗(yàn)證了本實(shí)驗(yàn)的原理——高斯定理。這說明，用理論可以指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，而用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反過來又可以驗(yàn)證所采用的的實(shí)驗(yàn)原理，從而形成一個(gè)相互驗(yàn)證、相輔相成的有效循環(huán)。從對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的貫穿，聯(lián)想到日常的學(xué)習(xí)、工作與生活，我們要注重理論結(jié)合實(shí)際，用理論指導(dǎo)實(shí)踐，用實(shí)踐證明理論，踐行“知行合一”的科學(xué)發(fā)展觀。而科學(xué)發(fā)展觀的學(xué)習(xí)重在“真知”，科學(xué)發(fā)展觀的實(shí)踐重在“善行”。我們要格物致知，同時(shí)通過實(shí)踐出真知。這部分課程思政教育放在教學(xué)內(nèi)容1.3后。

3.4 發(fā)現(xiàn)“不對(duì)稱美”，提升理性思維

前面2.4已分析靜電場等勢(shì)線不對(duì)稱造成的原因和解決方法。結(jié)合課程思政，可以使學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的重要條件之一“電流場必須均勻，介質(zhì)的導(dǎo)電率必須均勻”從理性—感性—提到更高的理性認(rèn)識(shí)。同時(shí)，這種“不對(duì)稱美”從另一角度也可以對(duì)實(shí)驗(yàn)課程帶來一些有意義的討論和影響。它可以培養(yǎng)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問題的科學(xué)精神，增強(qiáng)學(xué)生多角度分析問題的理性思維，并提升學(xué)生解決實(shí)際問題的專業(yè)能力。

4 結(jié)束語

通過創(chuàng)新教學(xué)教育方式，探討將課程教學(xué)與課程思政教育有機(jī)結(jié)合的授課思路，不僅讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)技能，引導(dǎo)學(xué)生積極思考，解決“怎么做”“為什么要這么做”“還可以怎么做”的問題，還要激發(fā)學(xué)生的科學(xué)精神和理性思維，并將其運(yùn)用到實(shí)際中去，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課程思政教育的協(xié)同效應(yīng)。