大學物理創新教學中課程思政的有效融入*
——以“光學儀器的分辨本領”為例

梁 敏 劉 靜 李照鑫 申慶徽 彭延東

(山東科技大學電子信息工程學院 山東 青島 266590)

1 引言

2016年12月，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調：要用好課堂教學這個主渠道，各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應[1].2020 年5 月，教育部頒發了《高等學校課程思政建設指導綱要》[2]，進一步明確了課程思政建設的總體目標和重點內容，對推進高校課程思政建設進行了整體設計.大學物理課程作為理工科學生一門重要的公共基礎課，能有效地提升學生的科學思維能力，在高校人才培養中發揮著十分重要的作用.同時大學物理課程內容中蘊含著廣博深刻的辯證唯物主義思想，利用大學物理進行課程思政教學具有無可比擬的優越性和可行性，無論是對提高課程教學質量，還是對解決“培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人”這個根本問題上，都有著十分重要的現實意義和深遠的歷史意義.

2020年9月，為推動全國高校教師提升教學創新能力、打造一流課程，中國高等教育學會決定于2021年舉行首屆全國高校教師教學創新大賽.教學創新改革中一個重要的目標是落實以人為本，強化人才培養的中心地位和本科教學的基礎地位，運用先進的教學理念，優化教學目標，設計教學內容，創新教學方法，改革考核方式，通過教學改革促進學習革命.在進行課程創新教學改革時，優化教學目標、重塑教學內容，又是課程內容創新的重中之重.結合當前課程思政的時代要求，教學內容中如何有機融入思政教育，是擺在課程創新面前的首要任務.

筆者參加了首屆全國高校教師教學創新大賽省級初賽，就參賽課程大學物理中選取了有關“光學儀器分辨本領”的內容，通過創新教學設計中將課程內容重塑并與課程思政有機融合，賦予知識點新的授課內容和教學模式.下面以本節教學設計為例，進一步討論如何在課程教學創新中體現思政教育.

2 課程設計及課程思政

2.1 課程設計

“光學儀器的分辨本領”一節選自大學物理課程中波動光學部分[3].通常在單縫夫瑯禾費衍射后，會進一步講授圓孔衍射，而圓孔衍射的一個重要應用就是在光學儀器中存在分辨率即分辨本領的問題.對于光學儀器分辨本領的問題，學生通常有所體會，比如日常生活中會接觸到“顯示器、照相機鏡頭的分辨率” 等概念，但對這部分知識的理論部分認知不深入，理解也不透徹.典型的光學儀器有望遠鏡、顯微鏡等，如何有效促進課程內容和思政內容有機融合，讓學生深刻理解其中的含義并牢牢掌握知識點內容，是本節教學設計的重點.

(1)課前設置自主學習任務

布置預習光學儀器分辨率知識；要求學生觀看在線課程相關知識點視頻；推送新華網 《從“中國天眼”看科技自立自強》[4]和光明網《“中國天眼之父”南仁東》[5]的專題新聞報道，引導學生思考為何要建造如此大尺寸的射電望遠鏡，引出對光學儀器分辨本領的思考.

(2)課程內容講授

通過復習回顧單縫夫瑯禾費衍射知識，介紹圓孔衍射相關知識.圓孔衍射圖樣中央有一個又大又亮的光斑，稱為艾里光斑，周圍是明暗相間的同心圓環.其中艾里光斑半徑對應的衍射角θ1滿足

(1)

式中λ為入射光波長，d為艾里光斑直徑，f為透鏡焦距，D為通光孔徑直徑.點光源經圓形孔徑后，由于衍射的影響，所成的像不是一個點而是一個明暗相間的圓形光斑.通過對兩個物點相對距離不同的3種情況分析其在光學儀器后所成的像斑能否被分辨，引出兩個物點能否被光學儀器所分辨的問題，指出光學儀器存在一個最小分辨的問題.進而介紹瑞利判據的判斷準則，即兩個強度相等的不相干的點光源(物點)，一個點光源的衍射圖樣的艾里光斑中心處剛好和另一點光源衍射圖樣的艾里光斑邊緣處重合，這時兩個點光源(或物點)恰為這一光學儀器所分辨.進一步的分析可知，滿足瑞利判據時的兩物點對光學儀器中心的張角為最小分辨角，其在數值上等于艾里光斑半徑對應的衍射角，由式(1)得最小分辨角

(2)

定義光學儀器分辨本領R為最小分辨角的倒數，即有

(3)

由式(3)可知，光學儀器分辨本領與儀器孔徑D成正比，與入射光波長λ成反比.

2.2 課程思政元素融入

望遠鏡和顯微鏡都是常見的光學儀器，在實際應用中提高望遠鏡和顯微鏡的分辨本領有不同的方式，且應用中蘊含著豐富的課程思政元素，下面具體說明.

(1)射電望遠鏡與“中國天眼”

對望遠鏡系統而言，入射光波長不可選擇，若要提高望遠鏡的分辨本領，通常選擇增大光學儀器通光孔徑的方法.光學望遠鏡觀測的是可見光范圍內的波長，受天氣影響比較嚴重.目前世界上最大的太空望遠鏡是哈勃望遠鏡，其主鏡直徑達到了2.4 m，這樣可以提高望遠鏡的分辨本領，因此哈勃望遠鏡能夠拍攝到清晰度非常高的宇宙天體照片.但是制作大尺寸的光學透鏡工藝復雜、造價不菲.

射電望遠鏡系統不能像光學望遠鏡那樣靠眼睛觀測，而是采用雷達探測的方法研究來自宇宙間無線電波段的電磁輻射，無線電輻射不受大氣層顯著影響而能到達地面，且由于無線電波可以穿過可見光不能穿過的塵霧，因此射電望遠鏡觀測的電磁波不受氣象條件的影響，白天夜晚都可以觀測，具有全天候工作的能力；且由于波長長，不受星際和星系塵埃云的阻擋，因而大大擴展了人類對宇宙空間的觀測范圍.

“中國天眼”又稱為FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope)，是500 m口徑球面射電望遠鏡的簡稱.它位于貴州省平塘縣，由中國科學院國家天文臺主導建設，是目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡[4].與光學望遠鏡類似，若要提高射電望遠鏡的分辨本領，同樣要求增大望遠鏡的孔徑.這樣我們就能理解國家為何耗費巨大的人力物力建造大尺寸的射電望遠鏡FAST，呼應課程引入階段提出的思考問題，同時指出大尺寸射電望遠鏡還可以獲得更高的探測靈敏度.

課程思政切入點：“中國天眼”項目從選址到建設完成歷經22年，是由中國天文學家南仁東先生主導并帶領團隊完成.南仁東被稱為“中國天眼之父”，是項目的發起者和項目主要負責人，他20多年嘔心瀝血、不懈奮斗.南仁東先生于2017年9月因病逝世，之后被追授“時代楷模”和“人民科學家”等榮譽稱號[5].南仁東先生留給我們的不僅是“中國天眼”這項偉大工程，更是留給我們“南仁東精神”這樣的寶貴財富.通過播放紀錄片視頻展示南仁東先生獻身科學的事跡，鼓勵學生學習南仁東先生愛國敬業、不忘初心、淡泊名利、鞠躬盡瘁的精神，激發學生愛國情懷，激勵學生投身中華民族的偉大復興.

(2)電子顯微鏡與新冠病毒

對顯微鏡系統而言，它的鏡筒孔徑不宜太大，因此主要依靠減小入射光波長的方式提高分辨本領.

可見光波的波長范圍為390～760 nm，即使選取波長較短的紫光，較波長較長的紅光而言，其分辨本領也僅能夠提高1倍左右.順著電磁波譜往短波長方向看, 紫外光的波長比可見光短，在390～130 nm 范圍.用紫外線作照明源，石英玻璃透鏡聚焦成像的紫外線顯微鏡其分辨本領比可見光顯微鏡提高1倍.電子顯微鏡則是利用了電子的波動性，其波長比光的波長短，用電子束代替光束，從而使其分辨本領較光學顯微鏡提高大約1 000倍.電子顯微鏡比光學顯微鏡更精密，能夠觀察到光學顯微鏡觀察不到的尺度范圍.

課程思政切入點：當物理學與生物學結合，我們得以通過顯微鏡等成像技術看到細胞、病毒、分子等細微結構成分.近50年來，電子顯微鏡的發展為生物醫學的研究打開了不一樣的視窗，在2020年新冠疫情爆發初期對病毒形態結構的了解上起到了關鍵作用.病毒尺寸比較小，一般要用放大倍數超過萬倍的電子顯微鏡才能看到.2020年1月中國微生物組數據中心發布了新冠病毒在電子顯微鏡下的圖像；2020年2月美國國家過敏與傳染病研究所在網站公布了新冠病毒在電子顯微鏡下的一組圖像.病毒是微小的感染性斑點，由包裹在蛋白質外殼中的DNA或RNA組成，通過掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡獲取新冠病毒的基本圖像.課程中引入電子顯微鏡觀察到新冠病毒圖樣的最近研究的相關科技成果，結合當前抗疫形勢和階段性成果進行講授，堅定學生們戰勝病毒的信念.

(3)中國古詩詞中蘊含的物理原理

在課堂討論環節，給出一句學生十分熟悉的古詩,“天街小雨潤如酥，草色遙看近卻無.”古詩選自唐代詩人韓愈的《早春呈水部張十八員外二首》一詩，描寫了早春時節的景色.就詩中的這句“草色遙看近卻無”，以小組討論的形式，引導學生利用分辨本領的相關知識理解這句詩背后蘊含的物理原理(圖1).學生通過小組討論分析得出：遠看早春草地上的稀疏小草，由于眼睛的分辨本領有限，并不能清楚分辨，遠遠望去一片郁郁蔥蔥，即看到的是模糊一片的“草色”；走近之后，小草之間對眼睛的張角大于眼睛的最小分辨角，很容易分辨出一棵棵小草，通過眼睛觀察到草地上小草清晰可辨，小草下裸露的土地顏色明顯，即是草色“近卻無”.

圖1 課堂討論——古詩詞中蘊含的物理原理

課程思政切入點：教學設計中利用新學習的知識解釋古詩句描述的場景，不但加深了學生對知識的理解和思考，還進一步弘揚了中國傳統文化，增強了學生的民族自豪感.同時引導學生養成善于觀察、勤于思考的良好習慣.

3 結束語

本文以大學物理課程中“光學儀器的分辨本領”一節為例，詳細討論了如何在大學物理課程創新教學中有機融入課程思政.光學儀器的分辨本領應用中，望遠鏡和顯微鏡是兩種典型的光學儀器，在分析了如何提高它們的分辨本領的基礎上，順勢舉出“中國天眼”的案例，引導學生分析其背后的物理本質，介紹“中國天眼之父”南仁東院士的感人事跡，弘揚老一輩科學家胸懷祖國的愛國精神和淡泊名利的奉獻精神.顯微鏡對生物醫學研究方面的貢獻功不可沒，介紹光學顯微鏡和電子顯微鏡的發展歷史和特點，指出電子顯微鏡具有更高的分辨本領，可以觀察到更小的病毒結構，在新冠疫情爆發初期，幫助科研工作者快速獲得病毒的清晰結構，為全球公共防御疫情、戰勝病毒提供了有力幫助.在課堂討論中設置小組討論問題，啟發學生利用新知識解釋中國古詩句中描寫的景象，提高學生學習興趣的同時，加強了學生對中國傳統文化的理解和傳承，增強民族自豪感.

課程思政在創新教學中作為一個重要組成部分，既承擔著教書育人的責任，同時也與課程內容互為支撐，相得益彰.思政教學應該結合課程特點找準切入點，有針對性地開展思政教學，將知識傳授和價值引領有機結合，真正做到用好課堂教學這個主渠道，實現立德樹人這一根本目標.