大學物理“課程思政”實踐*
——以“磁力”教學為例

白 浪

(攀枝花學院公共實驗教學中心 四川 攀枝花 617000)

1 引言

“課程思政”不是指一門或一類特定課程,而是將各類課程與思想政治教育有機融合,以立德樹人為導向,以堅定的政治方向為核心,以明確的德育內涵和德育元素為主題的一種綜合教育理念[1].大學課程都具有傳授知識、培養能力及價值塑造的功能,其中的價值塑造即是課程的思想政治教育功能.為深入貫徹落實習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上的講話精神[2],2020年教育部印發《高等學校課程思政建設指導綱要》,文件要求高校課程要深入挖掘課程思政元素[3],有機融入課程教學,達到潤物無聲的育人效果,要寓價值觀引導于知識傳授和能力培養之中,幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀.

大學的每一門課程都具有育人功能,每一位教師都負有育人責任[4].基于這種認識,課程思政建設要堅持把立德樹人作為根本任務,把思想政治工作貫穿教育教學全過程.大學物理課程是理工科專業的一門公共基礎課程,內容包括力學、熱學、電磁學、光學、相對論和量子力學等部分,是對客觀世界中時空、物質結構、物質相互作用和物質運動規律的研究,它蘊含著豐富的思想政治教育資源,是開展課程思政實踐的重要課程.因此,大學物理的教學既要讓學生掌握物理學中的基本概念和原理,培養學生分析解決問題的能力,為后續的專業課程打下一個良好的基礎,又要發揮課程的思政教育功能,落實立德樹人根本任務,培養德才兼備的社會主義建設者和接班人.

本文以大學物理中磁力(洛倫茲力、安培力)章節的教學為例,依托超星學習通平臺,采用線上線下相結合的混合式教學方法,融入思政教育元素,讓學生在掌握知識的同時,實現價值塑造.

2 教學設計與實踐

2.1 教學目標

知識與技能目標：掌握洛倫茲力公式,理解在均勻磁場中帶電粒子在洛倫茲力作用下的3種運動形式;會計算洛倫茲力作用下帶電粒子運動的半徑、周期、螺距等;掌握安培定律.

思政目標:通過物理原理解釋自然現象,使學生客觀看待物質世界,培養學生辯證唯物主義思想;介紹我國對核彈和熱核聚變的研究歷程及取得的成就,培養學生制度自信,提升家國情懷,民族自豪感;通過課堂演示實驗直觀展示物理定律,培養學生熱愛科學、勤于思考的精神.

2.2 教學過程

課程教學采用線上線下相結合的混合式教學方法.教學團隊在超星學習通平臺建設了豐富的學習資源和自主學習空間,通過線上線下相結合,實現了更加便捷的師生間交互和學生間交互,使得在線學習和課堂教學的優勢互補.

2.2.1 課前線上預習

課前,通過在線教學平臺發布學習任務及對學生預習提出的要求.本次課預習要求閱讀教材相應章節,觀看教學視頻,思考以下問題:

洛倫茲力的矢量表達式是什么?洛倫茲力是否對帶電粒子做功?安培力的本質是什么?

2.2.2 線下課堂教學

通過學習通或umu在線互動平臺,針對上一次課重點知識設置2～3道習題(可以是選擇、判斷或手寫拍照上傳等形式),檢驗學生知識掌握情況,有重點地進行復習講解.

課程思政點1：極光與洛倫茲力

思政目標:通過對極光現象的解釋,使學生科學客觀地看待問題,培養學生唯物主義思想.

向學生展示極光的圖片,從自然現象引入新課教學.美麗的極光出現在南北極附近,是從古到今人們追逐的壯麗美景.向學生介紹人類對極光的認知過程,因紐特人認為極光是鬼神引導死者靈魂上天堂的火炬;原住民則視極光為神靈現身,深信快速移動的極光會發出神靈在空中踏步的聲音,將取走人的靈魂,留下厄運;古時的芬蘭人相信,北極光是狐貍奔馳在凍土帶上摩擦產生的火花映射在天際.古時候的人,由于對自然的認知比較有限,對于極光這樣的神奇現象,只能簡單地去崇拜,或者歸于神跡顯靈.但是作為理工科的大學生,應當是堅定的唯物主義者,極光只是一個物理現象,它的形成其實與帶電粒子在磁場中受到的洛倫茲力有關.

介紹洛倫茲力一般表達式,引導學生思考洛倫茲力的性質,并結合力學原理探討帶電粒子在均勻磁場中運動的3種形式,再通過演示實驗視頻向學生直觀展示電子在磁場中受到洛倫茲力后的運動規律.

解釋極光現象：極光是一種絢麗多彩的等離子體現象,其發生是由于太陽發出的帶電粒子流(太陽風)進入地球磁場,被地球磁場俘獲,圍繞地球磁感線做螺旋線運動,一部分帶電粒子在地球南北兩極附近地區的高空與地球大氣層碰撞,夜間出現的燦爛美麗的光輝.

引導學生總結出一般情況下,運動的帶電粒子會繞著磁感線運動,不會橫向偏離太遠,引出磁約束現象.

課程思政點2:磁約束——核彈與可控熱核反應

思政目標:通過展示中國在熱核反應研究領域的成就,讓學生產生對社會主義制度深深的自信,明確自身的責任感和使命感,激發學生的愛國熱情、民族自豪感,同時要讓“科技強國、創新興邦”的理念根植于學生心中.

教師引入:同學們都觀看了2019年的國慶閱兵吧?“東風快遞,使命必達”,說的就是壓軸出場的東風41洲際戰略核導彈,具有射程遠、威力大的特點,是我國戰略核力量的重要支撐,這就不得不提到兩彈元勛——鄧稼先院士.1950年,鄧稼先不顧親朋好友的阻攔,放棄國外的高薪職業,回國參與國家建設,隱姓埋名28年,帶隊研發了中國的第一顆原子彈和氫彈.老一輩科學家和建設者的“艱苦奮斗、勇于創新、團結協作、無私奉獻”的精神正是我們需要學習的.

在和平年代,核彈更多的起的是戰略威懾的作用.由于核反應放出的巨大能量,核電站在世界能源舞臺上顯示了巨大的威力,只要極少的核燃料就可獲得巨大的能量.但是,現在的核電站是以原子核的裂變反應為基礎的,產生的放射性廢物處理比較困難,而且因為發展史上一些大事故,比如切諾爾貝利事故和福島核電站核泄漏事故,讓人們對核電站心有余悸.所以裂變能仍不能長久地解決我們面臨的能源問題.唯有一種完全嶄新的能源——原子核的聚變能才是人類未來最理想的新能源.它是輕原子核(氫的同位素氘和氚)發生聚變核反應合成較重的原子核(比如氦),并放出能量.它具有許多其他能源都無可比擬的令人神往的突出優點,它的原料儲量極其豐富,“燃燒”每單位質量的燃料釋放出的能量非常大.但要想在地球上和平地實現可控氘氚核聚變,這就需要將核燃料加熱到1×108℃以上,分子也會電離形成等離子體.地球上沒有任何一種材料能夠承載1×108℃的高溫,不過利用磁場可以約束它們,讓它們懸浮起來.在平直均勻的磁場中,粒子受洛倫茲力將沿著磁場方向做螺旋線運動,想要讓核燃料等離子體無限運動下去,我們可以制造一個環形磁場,這就是托卡馬克裝置.

為了實現對超高溫等離子體的長脈沖約束,我國科學家在研發“東方超環”托卡馬克裝置,全部采用鈮鈦超導材料繞制.這些線圈工作在-269 ℃的超低溫中,從而進入超導態能夠產生約束等離子體的強磁場并保持足夠長的時間,從而大幅提升裝置性能.一邊是1×108℃的超高溫等離子體,另一邊是-269 ℃的超低溫線圈,二者之間最近距離,只隔了短短1 m左右.2017年,東方超環在世界上首次實現了5×107℃等離子體持續放電101.2 s的高約束運行,實現了從60 s到100 s量級的跨越[5].2020年4月,東方超環在1×108℃超高溫度下運行了近10 s,創造了新的紀錄.2020年12月4日在成都雙流,新一代先進磁約束核聚變實驗研究裝置中國環流器二號(HL-2M)裝置成功放電,等離子體離子溫度可達到1.5×108℃.中國在可控熱核反應研究中成就斐然,已經達到世界先進水平[6].

課程思政點3:安培力演示實驗

思政目標:通過演示實驗激發學生對科學的熱愛,培養學生分析和解決問題的能力,有意識培養學生熱愛科學、勤于思考的良好品質.

教師從安培力是大量同方向運動的帶電粒子受到洛倫茲力集體體現出發,推導出安培力公式.

提出實驗問題:準備一個由銅線作成的心形線圈,一節1.5 V電池,電池下方放置一釹鐵硼磁鐵(可導電,上方為南極,下方為北極),如果將線圈套入電池,如圖1所示,將產生什么現象?線圈的旋轉方向是順時針還是逆時針?

圖1 安培力演示實驗

現場完成演示實驗得出結論,再由安培定律解釋實驗現象.然后繼續探討一般情況安培力的計算方法及性質,舉例講解其應用.

2.2.3 課后作業及復習

為了鞏固課堂學習效果,課后要求和督促學生按時完成本節知識點的網上測試和課后作業,并通過調查問卷了解學生們對課程內容的掌握程度,根據學生反饋合理安排復習.

3 總結

本次課程將原來的教學內容重組、優化,在教學中融入“課程思政”內容.在教學過程中圍繞“知識傳授與立德樹人并行”理念,根據教學內容的特點,選擇合適的思政元素和教學方式開展課堂教學,將思政教育和教學內容有機融合,做到順其自然,潤物無聲,不過多說教.采用用物理知識解釋生活和自然現象、介紹科學家事跡、中國科技進步以及科技小實驗等方法,將辯證唯物主義精神、學科精神、創新精神、工匠精神和家國情懷等思政內容滲透到教學的各個環節中,實現課程價值塑造、知識傳授、能力培養 “三位一體”的協同育人功能.