新冠肺炎疫情下教書育人的探索與實踐

熊永紅，肖利霞，謝柏林，朱鴻亮，陳佳敏，董錫杰

(1.文華學(xué)院 基礎(chǔ)學(xué)部，湖北 武漢 430074;2.華中科技大學(xué) 物理學(xué)院，湖北 武漢 430074;3.武漢科技大學(xué) 應(yīng)用物理系，湖北 武漢 430065)

2020年春節(jié)一場突如其來的新冠肺炎疫情洶涌而至，武漢聚焦了全世界的目光，牽動著億萬人民的心. 一場沒有硝煙的戰(zhàn)爭，讓每個人都面臨嚴(yán)峻的考驗！科研實力雄厚的武漢高校迅速行動，集中多學(xué)科優(yōu)勢科研力量應(yīng)急攻關(guān)抗疫硬核科技，推動一線防控救治，為科學(xué)精準(zhǔn)防控提供科學(xué)支撐. 武漢大學(xué)聯(lián)合研究團隊開發(fā)的納米孔靶向測序方法，大大提高了核酸檢測結(jié)果的精確度；華中科技大學(xué)研發(fā)的基于人工智能技術(shù)的CT影像量化分析系統(tǒng)，使得檢測時間由0.5 h縮短至幾秒；華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院應(yīng)用超大規(guī)模計算機輔助篩選抗病毒藥物，找到5種可能對新冠病毒有效的抗病毒藥物. 2020年2月29日孫春蘭副總理到華中科技大學(xué)考察疫情防控攻關(guān)，強調(diào)“以科研攻關(guān)推動一線防控救治，依靠科學(xué)武器戰(zhàn)勝疫情”.

1 觸動心靈的教育才是好的教育

2019年3月18日上午，習(xí)總書記在京主持召開學(xué)校思想政治理論課教師座談會[1]，指出要堅持理論性和實踐性相統(tǒng)一，用科學(xué)理論培養(yǎng)人，重視思政課的實踐性，把思政小課堂同社會大課堂結(jié)合起來，教育引導(dǎo)學(xué)生立鴻鵠志，做奮斗者. 要堅持統(tǒng)一性和多樣性相統(tǒng)一，落實教學(xué)目標(biāo)、課程設(shè)置、教材使用、教學(xué)管理等方面的統(tǒng)一要求，又因地制宜、因時制宜、因材施教.

1.1 社會是終身教育的大課堂，災(zāi)難是人生歷練的大考場

疫情爆發(fā)后，華中科技大學(xué)、文華學(xué)院、武漢紡織大學(xué)、海軍工程大學(xué)等高校師生爭當(dāng)疫情防控志愿者，從事社區(qū)調(diào)查排查、入戶走訪、防控宣傳、生活保障等繁雜瑣事，默默值守在疫情防控第一線，全力保障封城后的武漢穩(wěn)定有序地運行，在為社會服務(wù)的過程中完善自我.

1.2 實事求是，勇于擔(dān)當(dāng)

早在春秋初期管仲說“謀于實，故能權(quán)與立，不可敵也”，揭示了實事求是的重要性. 伽利略不畏教廷強權(quán)，提倡實證求是精神，把物理現(xiàn)象和規(guī)律與數(shù)學(xué)結(jié)合起來，開創(chuàng)了實驗科學(xué)新紀(jì)元. 竺可楨曾在《科學(xué)方法與精神》一文中把求是精神解釋為“只知是非，不顧利害”. 求是精神是一種奮斗與犧牲精神. 憶往昔，一戰(zhàn)時期居里夫人[2-3]擔(dān)任法國紅十字會放射部主任，發(fā)明了“放射汽車”(裝有X光機和攝影暗室設(shè)備)作為流動的X光檢測站，她動員法國婦女聯(lián)合會發(fā)起捐贈，改裝了19輛“放射汽車”開赴前線，培訓(xùn)了一批X光技術(shù)員，為救治傷員建立了功勛. 看今朝，全國醫(yī)療突擊隊逆流而上，相關(guān)專業(yè)人員快速馳援湖北，在極短時間以中國速度創(chuàng)建了火神山醫(yī)院、雷神山醫(yī)院和方艙醫(yī)院，救治了數(shù)萬新冠肺炎患者，有效阻斷了疫情的進一步蔓延.

1.3 拓展空間，勇于實踐

為響應(yīng)教育部“停課不停教、停課不停學(xué)”的號召，高校教師各盡所能，實事求是，結(jié)合本校的教學(xué)實際情況，統(tǒng)籌制定疫情防控期間教學(xué)實施方案. 教師在線上講解物理實驗的基礎(chǔ)知識、方法和技術(shù)，用仿真實驗和宅+自主設(shè)計實驗作為物理實驗教學(xué)的有效補充. 教指委為師生提供豐富的在線物理實驗教學(xué)資源，騰訊、超星等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開發(fā)了信息暢通、使用便捷、功能齊全的線上教學(xué)平臺和課堂，眾多高校都給出了有自己特色的“宅+實驗”方案和SPOC+移動端的混合式教學(xué)模式，探索出疫情特殊時期線上物理實驗教學(xué)的新途徑[4].

1.4 宅家重溫經(jīng)典，自主設(shè)計實驗

1583年，伽利略[5]在比薩教堂里注意到懸燈的擺動，隨后用線懸銅球做實驗，研究了“單擺”的運動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了等時性原理. 宅+“擺”可就地取材，自由發(fā)揮，例如：單擺、扭擺、三線擺、電磁擺、混沌擺，也可用不同方法來研究“擺”. 1609年伽利略聽說荷蘭眼鏡工人發(fā)明了觀賞的望遠鏡，他就地取材用風(fēng)琴管和凸凹透鏡研制成伽利略望遠鏡，經(jīng)不斷改進后，用來觀察日月星辰，開創(chuàng)了天文觀測學(xué). 學(xué)生可以宅+設(shè)計簡易的望遠鏡、顯微鏡、分光實驗等. 華中師范大學(xué)、海軍工程大學(xué)、文華學(xué)院等一批湖北高校也給出了符合本校實情的宅家實驗方案.

1.5 突破時空局限，用好仿真資源

華中科技大學(xué)生命學(xué)院結(jié)合疫情教學(xué)，在虛擬仿真共享平臺開設(shè)新型冠狀病毒核酸檢測虛擬實驗和膜片鉗實驗，從而虛擬實現(xiàn)核酸檢測虛流程：交叉創(chuàng)新3D模擬膜片鉗實驗技術(shù). 文華學(xué)院開設(shè)虛實融合的物理諾貝爾獎經(jīng)典實驗，以邁克耳孫干涉、光電效應(yīng)、黑體輻射、LED特性、塞曼效應(yīng)等諾貝爾物理學(xué)獎得主設(shè)計的經(jīng)典實驗，為學(xué)生重溫經(jīng)典提供學(xué)習(xí)平臺. 武漢科技大學(xué)物理實驗中心實現(xiàn)了基礎(chǔ)物理實驗線上教學(xué)，同時結(jié)合本校鋼鐵冶金特色，開設(shè)了用于鋼鐵檢測的X射線光電子能譜仿真實驗和X射線衍射物相分析實驗. 武漢大學(xué)采用先進的虛擬放射源和數(shù)字化多道等技術(shù)，開發(fā)了康普頓散射諾貝爾獎仿真實驗，解決了實驗高危性問題. 華中師范大學(xué)物理實驗中心開發(fā)了量子密鑰分發(fā)虛擬仿真實驗.

2 以科學(xué)精神為指引重溫經(jīng)典，探尋脈絡(luò)，開拓創(chuàng)新

著名教育家任鴻雋先生在《科學(xué)精神論》中講到，科學(xué)精神即是“尋求真理而已”. 科學(xué)精神作為科學(xué)研究的不竭動力，它表達的是敢于堅持科學(xué)思想的勇氣和不斷探求真理的意識，其內(nèi)涵非常豐富. 實事求是是科學(xué)精神的內(nèi)在表現(xiàn)，懷疑與批判精神、實證與求是精神、寬容與創(chuàng)新精神等是科學(xué)精神的外在表現(xiàn). 縱觀物理學(xué)的發(fā)展史，科學(xué)家設(shè)計的經(jīng)典實驗為我們展示了極其豐富的科學(xué)思想內(nèi)涵，提示了提出問題、分析問題和解決問題的途徑和方法.

2.1 霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)[6]的發(fā)現(xiàn)，蘊涵著諸多科學(xué)素養(yǎng)元素：大膽質(zhì)疑、小心求證、勤于思辨、反復(fù)實踐.

霍爾在霍普金斯大學(xué)讀研時注意到，麥克斯韋在《電磁學(xué)》中寫道：在導(dǎo)線中，電流的本身完全不受磁鐵接近或其他電流的影響. 而愛德朗(瑞典)于1878年發(fā)表在《哲學(xué)雜志》上的論文《單極感應(yīng)》中明確指出：磁鐵作用在固態(tài)導(dǎo)體中的電流上，恰如作用在自由運動的導(dǎo)體上一樣. 霍爾帶著疑問請教導(dǎo)師羅蘭教授，他在導(dǎo)師的支持下，以此作為研究生課題，通過精心設(shè)計實驗和深入研究，最終獲得成功，研究結(jié)果于1879年發(fā)表在《美國數(shù)學(xué)學(xué)報》[7]. 100多年后馮·克利青發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)[8-9]，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，隨后崔琦、蘇克林和施特默發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)[10]，于1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎. 量子自旋霍爾效應(yīng)、量子反常霍爾效應(yīng)和石墨烯中的異常量子霍爾效應(yīng)等霍爾家族的新成員也相繼問世，張首晟、薛其坤、方忠、曹原等學(xué)者在這些方面做出了突出貢獻.

用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元器件被廣泛應(yīng)用于汽車和日常生活. 學(xué)生可以利用霍爾效應(yīng)的原理和霍爾器件的特性，通過檢測磁場變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵觯瑴y量位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等，并可將這些變量進行二次變換測量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等. 學(xué)生可以借助于智能手機中的磁傳感器進行宅+自主設(shè)計性實驗的探究.

2.2 邁克耳孫干涉實驗

邁克耳孫干涉實驗[6]可謂經(jīng)典實驗的代表，蘊涵實證與求是精神和追求卓越的科學(xué)態(tài)度.

為了證明以太的存在，邁克耳孫[11]與莫雷合作，反復(fù)實驗，不斷提高儀器的靈敏度. 1887年，他們用改進的干涉儀，花了5天時間，仔細(xì)地觀察地球沿軌道與靜止以太之間的相對運動，結(jié)果仍然是否定的. 最終宣布了以太否定性實驗，為狹義相對論的建立鋪平了道路. 邁克耳孫因在發(fā)明精密光學(xué)儀器、光譜學(xué)和度量學(xué)方面所做出的杰出貢獻，榮獲1907年度諾貝爾物理學(xué)獎，愛因斯坦贊譽他為“科學(xué)界的藝術(shù)家”. 根據(jù)邁克耳孫干涉儀的原理，科學(xué)家設(shè)計出了具有超高靈敏度(10-22)的引力波探測器LIGO. 2017年度諾貝爾物理學(xué)獎授予Rainer Weiss， Kip S. Thorne和Barry C. Barish，用以表彰他們在引力波研究方面的貢獻[12].

學(xué)生可以自主搭建各種類型的干涉儀，或改進廢舊的邁克耳孫干涉儀，用于不同的物理量的測量，例如：微小長度、波長、磁致伸縮、壓電系數(shù)、空氣的折射率、透明液體的折射率、透明介質(zhì)(固體)的折射率、熱膨脹系數(shù)、楊氏模量、傅里葉變換光譜等.

2.3 黑體輻射實驗

引發(fā)“紫外災(zāi)難”的黑體(熱)輻射實驗[6,13-14]，蘊涵求實與求是、寬容與創(chuàng)新的科學(xué)精神.

熱輻射是19世紀(jì)科學(xué)家們研究的熱點，以致量子論的嬰兒注定要從這里誕生. 1790年皮克泰提出熱輻射問題，把它從熱傳導(dǎo)中區(qū)別開，把熱輻射作為物理學(xué)研究的對象. 1800年赫謝耳首次探測到天體的紅外輻射，發(fā)現(xiàn)了紅外線. 1850年梅隆尼提出在熱輻射中存在可見光部分. 1859年基爾霍夫從理論上導(dǎo)入了輻射本領(lǐng)、吸收本領(lǐng)和黑體概念. 1861年他進一步指出，在一定溫度下用不透光的壁包圍起來的空腔中的熱輻射等同于黑體的熱輻射. 1879年斯特藩從實驗中總結(jié)出了黑體輻射的輻射本領(lǐng)與物體絕對溫度四次方成正比的結(jié)論. 1884年玻耳茲曼對上述結(jié)論給出了嚴(yán)格的理論證明. 1888年韋伯提出了波長與絕對溫度之積為定值. 1893年維恩從理論上進行了證明. 1896年維恩推導(dǎo)出黑體輻射譜的函數(shù)形式，該公式與實驗數(shù)據(jù)比較，在短波區(qū)域符合得很好，但在長波部分出現(xiàn)系統(tǒng)偏差. 為表彰維恩在熱輻射研究方面的卓越貢獻，1911年授予他諾貝爾物理學(xué)獎[12]. 1900年瑞利從能量按自由度均分定律出發(fā)，推出了黑體輻射的能量分布公式，即瑞利-金斯公式，該公式在長波部分與實驗數(shù)據(jù)較相符，但在短波部分卻出現(xiàn)了無窮值，嚴(yán)重背離實驗結(jié)果，被稱之為“紫外災(zāi)難”. 1900年普朗克[15-16]在分析維恩公式和瑞利-金斯公式的基礎(chǔ)上，推出了著名的黑體輻射公式，該公式在全波段都與實驗數(shù)據(jù)符合得很好！同時普朗克提出“量子”假設(shè)：對一定頻率ν的電磁輻射，物體只能以hν為單位吸收或發(fā)射. 1905年愛因斯坦[17]用普朗克的量子假設(shè)成功地解釋了光電效應(yīng). 1913年尼爾斯·玻爾[18]在他的原子結(jié)構(gòu)學(xué)說中也使用了這一概念. 因得到愛因斯坦和玻爾的支持，普朗克的能量不連續(xù)性概念才被人們廣泛接受. 1918年普朗克因黑體輻射和量子假設(shè)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎，1921年愛因斯坦因光電效應(yīng)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎，1922年玻爾因原子結(jié)構(gòu)和原子輻射的研究榮獲諾貝爾物理學(xué)獎. 黑體輻射和光電效應(yīng)等現(xiàn)象引導(dǎo)人們發(fā)現(xiàn)了光的波粒二重性，開辟了建立量子力學(xué)的途徑.

利用熱輻射原理制作的溫度計，不僅在抗擊非典和新冠病毒疫情防控中大顯神威，而且廣泛用于產(chǎn)品的三維溫度分布檢測，指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計和優(yōu)化. 紅外成像技術(shù)，不僅可以用于氣象衛(wèi)星云圖的拍攝、天文觀測、地球紅外拍攝及彗星等天體拍攝，還廣泛用于環(huán)境監(jiān)測和無損檢測. 紅外技術(shù)也廣泛應(yīng)用于刑偵和軍事領(lǐng)域，如紅外制導(dǎo)、紅外夜視裝備系統(tǒng)等.

3 結(jié)束語

“學(xué)為人師，行為世范”是北師大校訓(xùn)，也是物理實驗課程思政的核心元素之一. 教師應(yīng)以身作則，因勢利導(dǎo)講述身邊涌現(xiàn)出的抗擊疫情的感人故事，鼓勵學(xué)生戰(zhàn)勝恐懼，積極參與疫情防控，在為社會和人民服務(wù)的過程中完善自我. 教師以培養(yǎng)學(xué)生成為德才兼?zhèn)涞娜藶榧喝危趥魇谥R的同時，引導(dǎo)學(xué)生重溫經(jīng)典，閱讀原著，注重科學(xué)精神和為人之道的傳授，言傳身教、耳濡目染地影響學(xué)生，啟發(fā)學(xué)生自主思考，以春風(fēng)化雨、潤物無聲的方式，實現(xiàn)全方位育人.