胡永正

(中國消防救援學院物理教研室 北京 102202)

1 引言

課程思想政治(思政)教育是習近平新時代中國特色社會主義思想指導高等教育高質量發(fā)展的新方略[1].高校思政工作關系到高校培養(yǎng)什么樣的人、如何培養(yǎng)人以及為誰培養(yǎng)人這個根本問題[1].為培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設者和接班人，教育部在2018年提出強化課程思政，在每一門課程中有機融入思政元素，形成思政教育與專業(yè)教學相結合、同向同行的育人格局[2].中共中央辦公廳、國務院辦公廳在2019年印發(fā)《關于深化新時代學校思想政治理論課改革創(chuàng)新的若干意見》，強調把思政教育貫穿于人才培養(yǎng)，推進高校課程思政建設，發(fā)揮好課程的育人作用[3].教育部在2020年印發(fā)《高等學校課程思政建設指導綱要》[4]，根據(jù)學科專業(yè)的優(yōu)勢和特色，深度挖掘專業(yè)知識中所蘊含的精神內涵[4].中共北京市委教育工作委員會 北京市教育委員會在2021年印發(fā)《全面推進北京高等學校課程思政建設工作方案》[5].方案指出將課程思政建設融入課堂教學全過程，作為教學評價和教學大綱的重要內容，落實到教材編審、教案課件、教學大綱、課程目標設計各方面，貫穿于課堂授課、學生討論、作業(yè)和考試各環(huán)節(jié)[5].

大學物理課程教學中，要把科學精神的培養(yǎng)與馬克思主義立場觀點方法的教育相結合，注重科學倫理的教育和科學思維方法的訓練[4].現(xiàn)在大學物理思政建設尚處在起步階段，修訂相關教學大綱，把課程思政的建設融入課程大綱.物理學以分析問題、解決問題的基本方法為內容，使學生掌握基本物理規(guī)律，提高學生的邏輯思維能力、抽象思維能力[6].同時通過課程思政建設，進行理論學習、培養(yǎng)學生辯證唯物主義世界觀、科學素質和科學思維方法，幫助學生增強愛國主義觀念并建立辯證唯物主義世界觀.本文以“帶電粒子在電場和磁場中的運動”課程思政設計為例，通過結合國外和我們國家物理科學家的故事和優(yōu)秀品質，進行大學物理知識的學習，把課程思政融入課堂教學建設.使物理課堂成為立德樹人的重要陣地.

2 教材和學情分析

“帶電粒子在電場和磁場中的運動”是出自馬文蔚等改編、高等教育出版社出版的《物理學》第六版教材中第七章恒定磁場這一章.課程的主要內容是通過帶電粒子在電磁場中的運動規(guī)律，引出電磁場中電荷的實際應用.經(jīng)過高中階段的學習，學生已初步掌握帶電粒子在電場和磁場中運動的基本知識.大學階段的學生形象思維能力強，易于接受新鮮的事物.但受經(jīng)歷與知識積累水平所限，學生對本節(jié)理解會有一定的困難.

3 教學目標和重難點

教學目標：理解洛倫茲力公式，并能熟練應用它計算運動電荷在磁場中受的力；會用洛倫茲力分析霍爾效應和磁塞的工作原理；通過國內科研進展介紹，培養(yǎng)科學精神、文化自信和愛國主義情懷.

教學重點：利用洛倫茲力計算螺旋線運動.

教學難點：帶電粒子在非勻強磁場中的運動.

4 教學方法和策略

教法：講授法；問答法.通過師生互動，讓學生掌握帶電粒子在電磁場中的運動規(guī)律.

學法：討論學習法；小組合作學習法.學生分組討論，相互帶動，讓學生之間互相學習，取長補短.

5 教學活動設計

5.1 以視頻導入 以疑促學

導入：一段帶電粒子在磁場中轉向運動的視頻.視頻導入，激發(fā)學生興趣，為進一步學習奠定基礎.

提出問題：為什么帶電粒子能在里面做轉向運動呢？今天，讓我們學習帶電粒子在電場和磁場中的運動，來破解這個秘密.

回顧知識，溫故知新：運動電荷在磁場中將受到磁力的作用，我們稱此力為洛倫茲力，其表達式為：Fm=qv×B注意該式中，若q>0，則Fm與v×B方向相同；若q<0，則Fm與v×B的方向相反.該式還表明，F(xiàn)m總是與v垂直，故Fm只能改變v的方向，而不能改變它的大小，所以洛倫茲力對運動電荷永遠不作功.由洛倫茲力入手，抓住主要問題.重視學生的初學體驗，將疑問作為課堂生長點.

5.2 帶電粒子在勻強磁場中的運動

掌握運動電荷在磁場中以下幾種情況的規(guī)律，通過不同磁場環(huán)境，了解帶電粒子的運動特點.

(1)在勻強磁場中，帶電粒子的初速度v⊥B，做勻速圓周運動.

1)回旋半徑和回旋頻率

2)回旋加速器

在上述情況中，T與v無關，即等周期性，可據(jù)此設計回旋加速器.在研究原子核的結構時，需要有幾百萬、幾千萬甚至幾千億電子伏能量的帶電粒子來轟擊它們，使它們產(chǎn)生核反應.要使帶電粒子獲得這樣高的能量，一種可能的途徑是在電場和磁場的共同作用下，使粒子經(jīng)過多次加速來達到目的.基于此，第一臺回旋加速器是美國物理學家勞倫斯于1932年研制成功的，可將質子和氘核加速到1 MeV的能量.為此，1939年勞倫斯獲諾貝爾物理學獎.

通過這個例子，讓學生學習從理論到技術再到應用的科學過程，充分說明科學是推動人類進步的強大力量.

(2)在勻強磁場中，帶電粒子的初速度v與磁感應強度B斜交成角，做螺旋線運動.

帶電粒子將同時參與平行于磁場方向的勻速直線運動和垂直于磁場方向的勻速圓周運動，兩個運動的合成將使粒子沿等距螺旋線向前運動.

5.3 帶電粒子在非均勻磁場中的運動

通過帶電粒子在非均勻磁場中運動可以解釋開頭視頻中的物理現(xiàn)象.

(2)磁約束裝置稱為磁塞，也稱為磁鏡

因為熱核聚變反應是在約幾百萬K以上高溫下進行的，此時物質處于等離子體狀態(tài).在幾百萬K以上高溫下任何固體容器早已熔毀，因此人們采用磁約束裝置把等離子體約束在一定范圍內.據(jù)中央廣播電視總臺中國之聲《全國新聞聯(lián)播》報道，有“人造太陽”之稱的中國全超導托卡馬克核聚變實驗裝置2021年5月28日取得重大突破，成功實現(xiàn)可重復的1.2×108℃,101 s和1.6×108℃,20 s等離子體運行，將1×108℃，20 s的原紀錄延長了5倍，創(chuàng)造了新的世界紀錄[7].為我國核聚變發(fā)電奠定了堅實的物理和工程基礎.

通過事例，引導學生展開討論，自然把課程思政融入知識學習中：我國雖然在科技領域還有卡脖子技術有待突破，但我國科技進步也有目共睹，各個領域都有突破，甚至一些指標已經(jīng)達到世界第一.所以我們這代人，不應妄自菲薄，要對自己的祖國有信心，堅持不忘初心、繼續(xù)前進，堅持中國特色社會主義道路自信、理論自信、制度自信、文化自信.除此之外，我們也要認識到技術的重要性，科學不等于技術，科學與技術并重，堅持發(fā)揚工匠精神，打造大國重器.

(3)范艾侖輻射帶

地球磁場就是一個兩極強、中間弱的天然磁約束裝置，它使來自宇宙空間的帶電粒子在兩磁極之間來回振蕩.質子層和電子層，這兩個帶電層的粒子數(shù)密度約105～ 1014個/cm3.罩在地球上空的這兩個帶電粒子層稱為范艾侖(Van Allen )輻射帶.引導同學們探討為什么目前只有地球適合人類生存，讓大家意識到愛護地球，保護環(huán)境的重要性.

5.4 帶電粒子在電磁場中運動的實例

帶電粒子在電場和磁場中所受的力；運動電荷在電磁場中受的力——洛倫茲關系式支配.

(1)霍爾效應

(2)介紹我國霍爾效應領域的突破

2013年，由清華大學薛其坤院士領銜、清華大學物理系和中科院物理研究所組成的實驗團隊從實驗上首次觀測到量子反?；魻栃猍8].諾貝爾物理獎得主、清華大學高等研究院名譽院長楊振寧教授評價其為本土實驗室首次“諾貝爾獎級的發(fā)現(xiàn)”.該環(huán)節(jié)意在引導學生感受我國的科學進步，體會祖國科技的蓬勃發(fā)展.建立對我們國家的信心，青年學生在祖國是大有作為的.在實驗中，通過團隊合作開花結果，引導大家認識到團隊精神的重要性.

5.5 總結

本節(jié)課主要介紹了帶電粒子在電場和磁場中的運動.通過勻強磁場和非勻強磁場的運動特點及應用，來感受物理規(guī)律的應用之美，通過對我國科技進展的介紹，來感受祖國的科學與技術的進步，增強愛國情懷，增強對自己和祖國未來發(fā)展的信心.

6 結合章節(jié)特點 深入發(fā)掘課程思政元素

大學物理的課程思政建設貫穿于課堂授課、教案課件等各環(huán)節(jié).結合每章的教學知識特點提高課程思政內涵融入課堂教學的水平.

以《物理學》下冊為例[9]，“振動”和“波動”這兩章主要研究簡諧振動、機械波及其波的干涉、衍射等內容，思政融入點可從規(guī)律性引入，引導學生要守規(guī)則，培養(yǎng)學生遵紀守法的精神品質；“光學”這一章的主要內容為光的干涉、衍射和偏振的介紹，可引導學生努力進取，突破難關，產(chǎn)生“1+1>2”的效果，培養(yǎng)團隊精神；“氣體動理論”這一章主要內容物質的微觀模型及能量均分定理等，通過宏觀現(xiàn)象和微觀理論的學習，能夠使得學生掌握學習的方法，培養(yǎng)學生如何正確看待宏觀的社會現(xiàn)象，從而有助于學生建立正確的世界觀、人生觀和價值觀；“熱力學基礎”這一章主要內容是熱力學相關定律，通過學習知道永動機不可實現(xiàn)，讓學生知道沒有一勞永逸的事，生活要不斷進取，活到老學到老.“相對論”這一章主要是對狹義相對論的概念和原理進行介紹，通過相對論的歷史背景和創(chuàng)立過程介紹，引導學生運用馬克思辯證的觀點看待問題和解決問題.“量子物理”這一章主要內容為近代的量子理論知識，引導學生不要迷信權威，突破思想桎梏，解放思想.

7 結論

在講課過程中，把思政元素融入知識的講授，揭示物理知識背后的故事、科學精神和努力專研的態(tài)度，感悟科學發(fā)現(xiàn)的偶然性和必然性.在課程教學中把科學精神的培養(yǎng)與馬克思主義立場觀點方法的應用相結合，注重物理思維的培養(yǎng)，踐行實事求是的科學態(tài)度，有利于形成尊重原創(chuàng)，努力創(chuàng)新的社會環(huán)境，激發(fā)社會創(chuàng)造力.