大學物理實驗“課程思政”的探索與實踐*
——以“金屬楊氏模量的測定”為例

唐洪法 陳 健 朱 純 陳國慶 楊太群 趙啟煬 郭森琪

(江南大學理學院 江蘇 無錫 214122)

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指出：“要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現全程育人、全方位育人”，提出“各類課程與思想政治理論課程同向同行，形成協同效應”[1].將思政之“鹽”融于課程之“湯”，將正確的價值追求和理想信念傳遞給學生，已經成為國內高校關注的熱點.

1 “課程思政”內涵

課程思政的根本任務就是立德樹人，其教學實踐主體為非思政課程[2]，其主要目標是以習近平新時代中國特色社會主義思想為指引，將立德樹人、思政教育融入人才培養全過程，推動馬克思主義基本原理、社會主義核心價值觀、中國優秀傳統文化等內容與專業知識講授的有機結合.

課程思政的具體建設內容包括深度挖掘各門課程中蘊含的思想政治教育資源，在課程內容中尋找與愛國情懷、法制意識、社會責任、文化自信、人文情懷、工程倫理、工匠精神等相關知識體系的“觸點”，通過修訂教學大綱、設計典型案例、創新教學方法、完善配套實踐等舉措推進課程教育教學改革.

2 大學物理實驗“課程思政”現狀

大學物理實驗是理工科大學生進入大學后必修的一門基礎課程，學生可以通過基礎性、綜合性和設計性實驗，獲得豐富的感性認識，在加深對物理概念、定理和定律理解的同時，還能培養學生的思維能力、動手能力、創新能力和科學素養[3]，完善學生的人生觀和價值觀，是課程思政教學的重要實踐陣地[4].

目前，大學物理實驗教學中，融入“課程思政”的主要及常用方法，是引入物理學史或中國科研前沿，強調物理思想、學習科學家勇于探索的精神，從而傳遞思想教育.在實踐中，一般以案例教學為主，一線教師通過對教學內容的設計、教學模式的設計，將“課程思政”滲透到課堂教學的各個環節，在學生的意識層面發揮了一定的作用[5,6].

3 “金屬楊氏模量的測定”思政元素挖掘與實踐

江南大學理學院物理實驗中心響應國家的號召，高度重視“課程思政”，積極探索與實踐，形成了具有江南特色的大學物理實驗課程思政教學改革模式.該模式的核心觀念是，課程思政不僅僅是提升學生的思想認識，還要將之落到實處，讓學生在實驗中思政，在思政中創新，在創新中樹人.本文以“金屬楊氏模量的測定”[7]為例，介紹江南大學理學院物理實驗中心在大學物理實驗課程中開展“課程思政”取得的立德樹人成果.

金屬楊氏模量是反映材料力學特性的一個重要物理參量.常見的“課程思政”通過介紹楊氏模量的不同測量方法，讓學生明白看待同一個問題可以從多個角度采用多種思維方式，而不能墨守成規[8].而我們實驗中心教師則強調實驗課程的特點，著眼于實際操作過程，充分挖掘“課程思政”元素，讓學生在發現問題、分析問題和解決問題的過程中，將大學物理實驗與思政內容充分融合，從而達到育人的根本目的.

3.1 協同合作培養學生集體主義精神

楊氏模量實驗需要一人在儀器處增減砝碼，一人在望遠鏡處讀數，本身就具有協同合作的思政元素.實際操作中，望遠鏡處讀數的學生發現，在增減砝碼改變金屬絲拉力的過程中，金屬絲容易發生晃動，導致讀數困難和測量不準；而增減砝碼的學生發現，由于光杠桿質量分布不均勻，容易傾倒而掉落或摔壞.針對這兩個實際問題，將學生分為兩組，讀數組負責解決金屬絲晃動問題，砝碼組負責解決光杠桿“頭重腳輕”的問題.這樣的分組能夠讓學生進一步體會不同角色的不同困難，學會換位思考，深度培養學生的合作精神和集體主義精神.最后，兩組學生分別對傳統楊氏模量實驗儀做了以下改進.

3.1.1 一種楊氏模量實驗儀防晃動裝置

一種楊氏模量實驗儀防晃動裝置，包括圓盤形砝碼托盤、限位桿、限位器、限位桿通孔等，如圖1(a)所示.其中，限位桿為長方體，通孔為與限位桿相配合的長方形通孔，限位桿的高度小于通孔的深度；限位桿的長與寬分別比通孔的長與寬短2～10 mm，限位桿能在限位器的通孔中上下自由移動，如圖1(b)所示.

需要說明的是，為達到最佳效果，限位桿為條形磁鐵，砝碼托盤為金屬材料，限位器為非金屬材料.

經過上述改進后，實驗前只需將條形磁鐵的一端吸附在砝碼托盤的下表面中心處，另一端伸入限位器的通孔中，調節限位器的位置，使限位桿能在通孔中上下自由移動，即可開始實驗.實驗時，托盤掛桿懸掛在金屬絲活動夾頭的下部，砝碼加在砝碼托盤的上面，即可解決金屬絲晃動問題，效果顯著，有利于提高實驗測量的準確性.

由于該改進中的限位器位于砝碼托盤的下方并且不與金屬絲及砝碼托盤接觸，因此能有效避免實驗過程中對實驗數據的影響.

3.1.2 一種改良型光杠桿裝置

一種改良型光杠桿裝置，包括基座、固定于基座上的平面鏡支架、可轉動設于平面鏡支架上的平面鏡、與基座連結的支撐桿，如圖2所示.其中，支撐桿為“T”字形，由橫桿、后撐腳、限位桿組成，后撐腳與限位桿分別垂直橫桿固定于橫桿尾端下部和上部；限位環為圓環形，限位環水平套設于限位桿上，限位桿位于限位環中心軸上，限位環通過連桿與限位環支架聯結固定.

圖2 一種改良型光杠桿裝置結構示意圖

該改良裝置通過限位桿與限位環的組合，限制了光杠桿的活動范圍，有效避免光杠桿向平面鏡一端傾倒掉落.限位桿的設置有利于光杠桿重心的后移，提高光杠桿的穩定性.該設計結構簡單，實用方便，有利于光杠桿的改良和防止儀器損壞，在實驗時也可直接將限位環固定在楊氏模量測量儀的立桿上.

3.2 融入專業鼓勵學生勇于鉆研創新

在儀器調整過程中，由于光路不可見等原因，不易在望遠鏡中找到由光杠桿上的平面鏡反射回來的標尺像，需要一人在光杠桿處調節平面鏡的角度，另一人在遠處調節望遠鏡觀察，或者一人在光杠桿和望遠鏡之間多次來回跑動調節，常常需要耗費大量時間，給實際測量帶來不便.學生完成實驗后，主動提出：可不可以獨立且方便地完成儀器的調整呢？教師及時抓住其中蘊含的思政元素，鼓勵學生結合自己所學專業，積極探究、勇于鉆研，最終機電專業的學生和光學專業的學生分別對傳統光杠桿進行了如下改進.

3.2.1 一種電動調節型光杠桿

一種電動調節型光杠桿，如圖3(a)、(b)所示，包括平面鏡、平面鏡支座、支座支撐片、金屬桿、平面鏡外殼，還包括設于平面鏡外殼內的平面鏡驅動裝置，以及控制開關.

平面鏡驅動裝置包括驅動電路、微型電機、傳動裝置等，如圖3(c)所示.控制開關、驅動電路、微型電機依次連接用于控制微型電機的轉動，此處微型電機選用雙向直流電機，其轉軸聯結傳動裝置，傳動裝置與平面鏡背面聯結用于控制平面鏡上下轉動.

圖3 一種電動調節型光杠桿裝置結構示意圖

此設計中，控制開關采用無線開關，實驗者只需一人在望遠鏡處通過按動控制開關，即可同時進行光杠桿鏡面傾斜角和望遠鏡的調整，避免了在光杠桿和望遠鏡之間頻繁多次來回調節，有利于簡化實驗操作，節省實驗時間.

3.2.2 一體型激光楊氏模量測定儀

一體型激光楊氏模量測定儀對傳統楊氏模量實驗儀的光杠桿和光路做了以下改進：如圖4(a)、(b)、(c)所示，用一字線激光器代替平面鏡，將T形架的后足尖放到夾住金屬絲的下夾頭上，兩前足尖放在底座平臺上，打開激光器電源，使激光器豎直向上發出一字形細光線，經平面鏡反射到圖4(d)中標尺的m處，一字線作為標尺的讀數標線，微調T形架的位置和激光器發出的一字光線的傾斜度，使一字線激光與標尺刻度線平行. 當金屬絲在拉力作用下發生微小伸長時，光杠桿后腳隨金屬絲夾頭下降，從而帶動激光器轉過一微小角度α，激光射向平面鏡的入射角也隨之轉動α，于是光線射到標尺的p處，由m和p的讀數差可測出光線在標尺上的移動距離N.

圖4 一體型激光楊氏模量測定儀結構示意圖

設光杠桿后足至兩前足連線的垂直距離為K，標尺到平面鏡的距離為D，由圖4(d)光路得

由此測得金屬絲的微小伸長為

一體型楊氏模量測定儀，不需要望遠鏡，能將利用光杠桿原理放大后的金屬絲的微小伸長量直接在楊氏模量實驗儀上讀出.由于采用上述一體化設計，結構簡單，可單人獨立方便地進行實驗，有利于簡化實驗操作，節省實驗空間和實驗時間.

3.3 關注細節激發學生精益求精的意識

前述改進設計提高了金屬楊氏模量測定實驗的效率和穩定性，激發了學生的學習熱情和創新動力，也增強了合作意識，提升了專業認可度.俗話說：“逆水行舟，不進則退”，而用物理學的語言來表達，“順水行舟，不進則退”更為恰當.我們的教師在這樣的氛圍中，又挖掘了新的思政資源：科學研究是永無止境的.如何將這個實驗做到精益求精呢？最佳答案，就是關注細節.在這個過程中，引導學生應用組合和對比的創新思維，開發了如下設計.

3.3.1 一種組合式砝碼盤砝碼箱

拉伸法測金屬楊氏彈性模量實驗中，由于所使用砝碼帶有缺口，其重心偏離砝碼幾何中心，當多個砝碼堆疊時，砝碼很容易因重心不穩而傾倒掉落.另外，該實驗所用砝碼隨意堆疊在實驗室的地上，實驗者一不小心就會碰倒砝碼，實驗過程中還有可能被砝碼絆倒.以上因素造成該實驗的安全隱患.

學生通過組合的創新思維，設計開發了一種用于楊氏彈性模量實驗的安全、防掉落砝碼盤砝碼箱.如圖5(a)所示，砝碼盤包括托盤、掛桿、砝碼護罩.托盤為凸臺形，由底盤和砝碼臺同軸固定聯結構成，砝碼臺的直徑等于砝碼的直徑.砝碼護罩為圓形瓶蓋狀，砝碼護罩上表面中心套設在掛桿上可沿掛桿上下移動，砝碼護罩的內徑略大于砝碼臺的直徑，砝碼護罩的高度可調.在實際作品中，砝碼護罩采用側壁為可伸縮波紋管，側壁邊緣設有拉手，上下拉動拉手可調節側壁的高度.

圖5 一種組合式砝碼盤砝碼箱結構示意圖

如圖5(b)所示，砝碼箱包括底板、側板和立板，底板、側板和立板均為長方形，底板與側板構成“U”形箱體.立板用于掛設砝碼，立板的高度大于等于砝碼的缺口長度，厚度小于等于砝碼的缺口寬度.存放砝碼時，將每個砝碼的缺口沿立板高度方向自上而下插設在立板上即可.砝碼箱還設有提手，提手兩端分別與兩塊側板的上端聯結.

上述設計中砝碼護罩的設置，可將砝碼全部罩設在砝碼護罩內，有利于防止砝碼從砝碼盤上掉落.砝碼箱的設置，可將砝碼統一掛設在砝碼箱內，有利于實驗器材的規范放置和實驗室整潔，同時防止砝碼隨意堆放帶來的安全隱患.該設計通過砝碼、砝碼盤和砝碼箱的有機組合，有效避免砝碼掉落，其結構簡單，實用方便，有利于實驗的順利進行和杜絕安全隱患.

3.3.2 一種激光鏡面對比光杠桿

傳統楊氏模量測量裝置中采用平面鏡作為光杠桿，我們的創新設計中采用了激光光杠桿，這兩個獨立的裝置在實驗過程中各有什么樣的優缺點？對實驗結果有什么的影響呢？

為了解決上述問題，學生設計了一種激光鏡面對比光杠桿，達到一次實驗中同時利用鏡面光杠桿和激光光杠桿進行實驗測量的目的，很好地體現了對比的創新思維.

該設計主要包括支架、平面鏡、激光器和撐桿，其特征是：支架為“凹”形，平面鏡位于支架的凹形口內并通過第一螺桿與支架轉動連結，一字線激光器(線寬小于1 mm)通過第二螺桿與支架的側面轉動連結，支架底部設有支撐片，支架中部下方設有一通孔，撐桿一端與支架相連，撐桿另一端設有支撐腳，如圖6所示.

圖6 一種激光鏡面對比光杠桿結構示意圖

上述設計，能同時實現鏡面光杠桿和激光光杠桿的測量功能，實際使用時，將支撐腳支撐在待測物體表面，將支架的支撐片支撐在平臺上，即可利用光杠桿放大原理，同時用鏡面光杠桿和激光光杠桿測量物體的微小長度變化.

4 結束語

自中心開展“課程思政”的教學改革與實踐以來，僅“金屬楊氏彈性模量的測定”這一實驗，就指導學生撰寫并申請專利11項，已授權9項；參加江蘇省大學生物理及實驗科技作品創新競賽及全國大學生物理實驗競賽(創新賽)項目3項，獲特等獎1項，一等獎1項，優秀獎1項.在這個過程中，教師不僅傳授了物理學知識，培養學生發現問題、分析問題、解決問題的能力，更是讓學生增強了文化自信、提升了專業素養、培育了人文情懷.

“師者，所以傳道授業解惑也”.作為新時代的大學物理實驗教師，我們應該具備知識傳授、能力培養和價值引領有機結合的教育理念，還應該將正確積極的人生觀、價值觀和世界觀引入學生的內心，使學生在專業成才的同時，精神成人.