大學(xué)物理“課程思政”實(shí)踐*
——以“磁力”教學(xué)為例

2023-10-10 06:16:34白浪

物理通報(bào) 2023年10期

白浪

(攀枝花學(xué)院公共實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(jī)融合,以立德樹人為導(dǎo)向,以堅(jiān)定的政治方向?yàn)楹诵?以明確的德育內(nèi)涵和德育元素為主題的一種綜合教育理念[1].大學(xué)課程都具有傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力及價(jià)值塑造的功能,其中的價(jià)值塑造即是課程的思想政治教育功能.為深入貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會(huì)議上的講話精神[2],2020年教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》,文件要求高校課程要深入挖掘課程思政元素[3],有機(jī)融入課程教學(xué),達(dá)到潤物無聲的育人效果,要寓價(jià)值觀引導(dǎo)于知識(shí)傳授和能力培養(yǎng)之中,幫助學(xué)生塑造正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀.

大學(xué)的每一門課程都具有育人功能,每一位教師都負(fù)有育人責(zé)任[4].基于這種認(rèn)識(shí),課程思政建設(shè)要堅(jiān)持把立德樹人作為根本任務(wù),把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程.大學(xué)物理課程是理工科專業(yè)的一門公共基礎(chǔ)課程,內(nèi)容包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、相對(duì)論和量子力學(xué)等部分,是對(duì)客觀世界中時(shí)空、物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究,它蘊(yùn)含著豐富的思想政治教育資源,是開展課程思政實(shí)踐的重要課程.因此,大學(xué)物理的教學(xué)既要讓學(xué)生掌握物理學(xué)中的基本概念和原理,培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力,為后續(xù)的專業(yè)課程打下一個(gè)良好的基礎(chǔ),又要發(fā)揮課程的思政教育功能,落實(shí)立德樹人根本任務(wù),培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞纳鐣?huì)主義建設(shè)者和接班人.

本文以大學(xué)物理中磁力(洛倫茲力、安培力)章節(jié)的教學(xué)為例,依托超星學(xué)習(xí)通平臺(tái),采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)方法,融入思政教育元素,讓學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí),實(shí)現(xiàn)價(jià)值塑造.

2 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

2.1 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能目標(biāo)：掌握洛倫茲力公式,理解在均勻磁場(chǎng)中帶電粒子在洛倫茲力作用下的3種運(yùn)動(dòng)形式;會(huì)計(jì)算洛倫茲力作用下帶電粒子運(yùn)動(dòng)的半徑、周期、螺距等;掌握安培定律.

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

2.2 教學(xué)過程

課程教學(xué)采用線上線下相結(jié)合的混合式教學(xué)方法.教學(xué)團(tuán)隊(duì)在超星學(xué)習(xí)通平臺(tái)建設(shè)了豐富的學(xué)習(xí)資源和自主學(xué)習(xí)空間,通過線上線下相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了更加便捷的師生間交互和學(xué)生間交互,使得在線學(xué)習(xí)和課堂教學(xué)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ).

2.2.1 課前線上預(yù)習(xí)

課前,通過在線教學(xué)平臺(tái)發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)及對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)提出的要求.本次課預(yù)習(xí)要求閱讀教材相應(yīng)章節(jié),觀看教學(xué)視頻,思考以下問題:

洛倫茲力的矢量表達(dá)式是什么?洛倫茲力是否對(duì)帶電粒子做功?安培力的本質(zhì)是什么?

2.2.2 線下課堂教學(xué)

通過學(xué)習(xí)通或umu在線互動(dòng)平臺(tái),針對(duì)上一次課重點(diǎn)知識(shí)設(shè)置2～3道習(xí)題(可以是選擇、判斷或手寫拍照上傳等形式),檢驗(yàn)學(xué)生知識(shí)掌握情況,有重點(diǎn)地進(jìn)行復(fù)習(xí)講解.

課程思政點(diǎn)1：極光與洛倫茲力

思政目標(biāo):通過對(duì)極光現(xiàn)象的解釋,使學(xué)生科學(xué)客觀地看待問題,培養(yǎng)學(xué)生唯物主義思想.

向?qū)W生展示極光的圖片,從自然現(xiàn)象引入新課教學(xué).美麗的極光出現(xiàn)在南北極附近,是從古到今人們追逐的壯麗美景.向?qū)W生介紹人類對(duì)極光的認(rèn)知過程,因紐特人認(rèn)為極光是鬼神引導(dǎo)死者靈魂上天堂的火炬;原住民則視極光為神靈現(xiàn)身,深信快速移動(dòng)的極光會(huì)發(fā)出神靈在空中踏步的聲音,將取走人的靈魂,留下厄運(yùn);古時(shí)的芬蘭人相信,北極光是狐貍奔馳在凍土帶上摩擦產(chǎn)生的火花映射在天際.古時(shí)候的人,由于對(duì)自然的認(rèn)知比較有限,對(duì)于極光這樣的神奇現(xiàn)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(xué)生,應(yīng)當(dāng)是堅(jiān)定的唯物主義者,極光只是一個(gè)物理現(xiàn)象,它的形成其實(shí)與帶電粒子在磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力有關(guān).

介紹洛倫茲力一般表達(dá)式,引導(dǎo)學(xué)生思考洛倫茲力的性質(zhì),并結(jié)合力學(xué)原理探討帶電粒子在均勻磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的3種形式,再通過演示實(shí)驗(yàn)視頻向?qū)W生直觀展示電子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

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

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出一般情況下,運(yùn)動(dòng)的帶電粒子會(huì)繞著磁感線運(yùn)動(dòng),不會(huì)橫向偏離太遠(yuǎn),引出磁約束現(xiàn)象.

課程思政點(diǎn)2:磁約束——核彈與可控?zé)岷朔磻?yīng)

思政目標(biāo):通過展示中國在熱核反應(yīng)研究領(lǐng)域的成就,讓學(xué)生產(chǎn)生對(duì)社會(huì)主義制度深深的自信,明確自身的責(zé)任感和使命感,激發(fā)學(xué)生的愛國熱情、民族自豪感,同時(shí)要讓“科技強(qiáng)國、創(chuàng)新興邦”的理念根植于學(xué)生心中.

教師引入:同學(xué)們都觀看了2019年的國慶閱兵吧?“東風(fēng)快遞,使命必達(dá)”,說的就是壓軸出場(chǎng)的東風(fēng)41洲際戰(zhàn)略核導(dǎo)彈,具有射程遠(yuǎn)、威力大的特點(diǎn),是我國戰(zhàn)略核力量的重要支撐,這就不得不提到兩彈元?jiǎng)住嚰谙仍菏?1950年,鄧稼先不顧親朋好友的阻攔,放棄國外的高薪職業(yè),回國參與國家建設(shè),隱姓埋名28年,帶隊(duì)研發(fā)了中國的第一顆原子彈和氫彈.老一輩科學(xué)家和建設(shè)者的“艱苦奮斗、勇于創(chuàng)新、團(tuán)結(jié)協(xié)作、無私奉獻(xiàn)”的精神正是我們需要學(xué)習(xí)的.

在和平年代,核彈更多的起的是戰(zhàn)略威懾的作用.由于核反應(yīng)放出的巨大能量,核電站在世界能源舞臺(tái)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(xiàn)在的核電站是以原子核的裂變反應(yīng)為基礎(chǔ)的,產(chǎn)生的放射性廢物處理比較困難,而且因?yàn)榘l(fā)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(duì)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(fā)生聚變核反應(yīng)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(yōu)點(diǎn),它的原料儲(chǔ)量極其豐富,“燃燒”每單位質(zhì)量的燃料釋放出的能量非常大.但要想在地球上和平地實(shí)現(xiàn)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(huì)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(chǎng)可以約束它們,讓它們懸浮起來.在平直均勻的磁場(chǎng)中,粒子受洛倫茲力將沿著磁場(chǎng)方向做螺旋線運(yùn)動(dòng),想要讓核燃料等離子體無限運(yùn)動(dòng)下去,我們可以制造一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng),這就是托卡馬克裝置.

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)超高溫等離子體的長脈沖約束,我國科學(xué)家在研發(fā)“東方超環(huán)”托卡馬克裝置,全部采用鈮鈦超導(dǎo)材料繞制.這些線圈工作在-269 ℃的超低溫中,從而進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)能夠產(chǎn)生約束等離子體的強(qiáng)磁場(chǎng)并保持足夠長的時(shí)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(huán)在世界上首次實(shí)現(xiàn)了5×107℃等離子體持續(xù)放電101.2 s的高約束運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了從60 s到100 s量級(jí)的跨越[5].2020年4月,東方超環(huán)在1×108℃超高溫度下運(yùn)行了近10 s,創(chuàng)造了新的紀(jì)錄.2020年12月4日在成都雙流,新一代先進(jìn)磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置中國環(huán)流器二號(hào)(HL-2M)裝置成功放電,等離子體離子溫度可達(dá)到1.5×108℃.中國在可控?zé)岷朔磻?yīng)研究中成就斐然,已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平[6].

課程思政點(diǎn)3:安培力演示實(shí)驗(yàn)

思政目標(biāo):通過演示實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的熱愛,培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力,有意識(shí)培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)、勤于思考的良好品質(zhì).

教師從安培力是大量同方向運(yùn)動(dòng)的帶電粒子受到洛倫茲力集體體現(xiàn)出發(fā),推導(dǎo)出安培力公式.

提出實(shí)驗(yàn)問題:準(zhǔn)備一個(gè)由銅線作成的心形線圈,一節(jié)1.5 V電池,電池下方放置一釹鐵硼磁鐵(可導(dǎo)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(chǎn)生什么現(xiàn)象?線圈的旋轉(zhuǎn)方向是順時(shí)針還是逆時(shí)針?

圖1 安培力演示實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)完成演示實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論,再由安培定律解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.然后繼續(xù)探討一般情況安培力的計(jì)算方法及性質(zhì),舉例講解其應(yīng)用.

2.2.3 課后作業(yè)及復(fù)習(xí)

為了鞏固課堂學(xué)習(xí)效果,課后要求和督促學(xué)生按時(shí)完成本節(jié)知識(shí)點(diǎn)的網(wǎng)上測(cè)試和課后作業(yè),并通過調(diào)查問卷了解學(xué)生們對(duì)課程內(nèi)容的掌握程度,根據(jù)學(xué)生反饋合理安排復(fù)習(xí).

3 總結(jié)