《大學物理實驗》課程思政融合的探索及教學設計*

蘭 瀟，周厚兵，諶秀英

(廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004)

1 引言

2020 年5 月28 日教育部發布《高等學校課程思政建設指導綱要》，指出高校在培養人才的同時要做好思政教育工作，充分發揮德育作用，為祖國培養高質量人才。同年9 月，廣西教育廳印發的桂教高教76 號文件中，給出了廣西高校課程思政建設的具體實施建議，對于專業實驗實踐類課程要將“學習”與“思考”，“知識”與“行動”結合起來，增強學生的創新精神、創造意識和解決問題的實踐能力。因此，課程思政建設已成為當前國家對高校課程教學的新要求。

《大學物理實驗》是理工類學生所接觸的第一門實驗實踐類課程，通過該課程學生可以了解到物理學基礎知識的探究方法，并在實驗中加深對物理概念、公式、定理的理解，最終具備一定的實驗素養。同時物理學作為一門自然科學，還承擔著揭示客觀規律的責任，實驗過程中滲透著的科學探究方法、馬克思主義哲學、辯證法思想，對指導學生客觀的認識世界，培養學生分析問題與解決問題有著深遠的意義。傳統的實驗課程教學側重于考察學生對物理知識的理解和實驗操作能力，思政教育的融合程度不高，教學與教育呈現“質壁分離”的狀態，課堂僅用來傳授知識，教學變得形式化、工具化，如此長期以往會嚴重影響人才培養的質量。

為解決實驗課程缺乏思政教育功能這一問題，將思政元素融入實驗教學是實現新時代立德樹人的客觀需求。本文通過對《大學物理實驗》課程思政融合的方法進行深入探索，嘗試將“思政”元素全方位融入課堂，在智育中德育，在實踐操作中滲透思想道德教育，達到“全方位育人”的中國特色社會主義教育要求，有效提升物理實驗課程的教學質量，為后續課程改革提供參考。

2 教學設計理念

課程思政建設迫在眉睫，如何做到在教學中融入思政教育，讓學生能夠在實驗的過程中不畏困難、勇于探索、敢于創新，具備分析與解決問題的能力。我們主要基于以下幾個方向進行探索。

2.1 教育理念

大學物理實驗課程中涉及到的學科知識涵蓋了力、熱、電、光四個部分，主要表現為牛頓運動定律、機械振動、電路、交變電流、光的折射、干涉以及熱傳導的性質等[1]。這些理論知識在課程都有相對的實驗，例如牛頓第二定律的驗證、單擺測重力加速度；示波器的使用、交流電橋；光具組測基點、雙縫干涉實驗；測量金屬絲熱膨脹系數等。在教學中應加強學生對理論知識的理解，促進學生認識科學知識與實驗實踐的關系。且實驗的過程是一個分析與解決問題的過程，蘊含豐富的唯物辯證思想，在教學中可充分利用這一特點，把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合起來，逐步提高學生分析和解決問題的能力。

2.2 課程設計標準

課程設計標準為“兩性一度”，即高階性、創新性與挑戰度。其中高階性指培養學生解決常見物理問題的綜合能力與高級思維；創新性指形成具有探究性和個性化的學習成果；挑戰度指課程具備一定難度，對當下學生具有一定的挑戰性，以激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

2.3 思政要點

（1）改革開放以及中國特色社會主義制度優越性

物理學的發展體現改革開放的必要性與中國特色社會主義制度的優越性。目前我國已建成包括北京正負電子對撞機在內的22 座大科學裝置，還有其他16 座大科學裝置也在籌備建設當中。這些大科學裝置出產的一系列科技成果，促使工業的不斷革新、前沿科技的突破等一系列社會主義建設的成就，展示了我國科技的發展水平，充分體現了改革開放的必要性與中國特色社會主義制度的優越性。

（2）馬克思主義哲學

物理學中蘊含著豐富的馬克思主義哲學。例如認識論中曾指出實踐對認識的決定作用，人類通過實踐來認識世界，并且隨著不斷地實踐引發新的認識，最終利用認識去指導實踐，同時實踐也是檢驗認識是否正確的唯一標準。這與物理學的探究方法一致，都需要通過實驗去探究、去發現、去解釋客觀世界，再通過不斷地實驗去揭示其中所蘊含的“真理”，最后應用“真理”去改造、去建設社會。

（3）辯證法思想

物理學中滲透著辯證法思想。例如在唯物辯證法中有兩對范疇，原因與結果、現象與本質，在物理學中常可以看見它們的身影。在物體比熱容的測定實驗中，物質吸、放熱的快慢取決于物質的內在屬性，不同的屬性，體現不同的吸、放熱能力，而不同的吸、放熱能力也折射出不同的屬性，體現了其原因與結果的辯證關系。同時物質的吸、放熱是一種現象，屬于外在表現，而造成吸、放熱速度不同的本質原因,則是其內部屬性所在，體現了現象與本質的辯證關系。

2.4 課程切入點

（1）物理學科背景知識

物理學是一門以實驗為基礎的學科，一切發現與結論都依賴于一定的實驗基礎，且物理學上的三次重大發現直接影響著世界的三次工業革命，可見物理學科的背景知識是非常豐富的。在教學中可以挖掘實驗相關的背景知識，讓學生穿越到相應的時代背景之下，體會科學家們追求真理的過程與執著的探索精神。例如在牛頓環測透鏡曲率半徑的實驗中，可以將牛頓環現象的發現作為背景知識引入，培養學生勇于探索真理、不畏艱難的精神。

（2）中國近代物理發展簡史

在教學中，引入一些中國近代物理發展簡史，把國家歷史、人民利益、民族興衰結合起來，引導學生正確認識自己身上擔負的時代責任和歷史使命，為偉大的中國夢貢獻青春的力量。例如在電子束磁聚焦及電子荷質比（e/m）的測定實驗中，可以引入中國物理學史上第一批博士李耀邦的論文《以密立根方法利用圓體球粒測e 定值》，由此讓學生體會其歷史意義，感受使命與擔當。

（3）物理學在生活生產中的應用

物理學作為一門自然科學，在解釋世界的同時，也在推動著世界的發展。在大學物理實驗課程的教學中，可以根據這一特點，將一些與之相關的生活、生產中的應用結合起來，融入到教學中去。例如在示波器的使用實驗中，可以展示用示波器檢修電器的方法，及示波器在手機、電腦等電子產品生產中的作用，引導學生學以致用，將理論知識融入到創新創造中去，為祖國事業的蓬勃發展加薪助燃。

3 課程思政融合的教學設計

3.1 學情分析

3.2 教學設計舉例

（一）實驗項目之《單擺測重力加速度》

在該實驗中，教學設計理念如表1 所示，涉及課前預習、教學實施及課后拓展3 個環節。在課前預習方面通過搜集相關資料拓展實驗的背景知識，融入人文素養、方法論的思政元素；在教學實施方面通過解讀實驗原理與強調實驗真實性，融入專業前沿、科學故事和務實求真的思政元素；在課后拓展方面通過布置設計性實驗，融入知行合一、學以致用的思政元素。具體的思政元素體現在：

表1 單擺測重力加速度教學設計

（1）思政元素之人文素養、方法論

在課前預習部分引入其他兩種測量重力加速度的方法：伽利略斜面實驗與阿特伍德機。“伽利略斜面實驗原理圖”如圖1 所示，伽利略的斜面實驗是最便捷的測量重力加速度的方法之一（見公式1），其中蘊含知識、方法、技能等人文素養，將其引入教學可以達到培養學生科學精神的目的。

圖1 伽利略斜面實驗原理圖

此外，還可以引入阿特伍德機的工作原理來拓展學生的知識面，“阿特伍德機及原理圖”如圖2 所示，它由滑輪、輕繩以及兩個質量不同的重物組成，輕繩跨過滑輪且兩端分別懸掛重物，運用力學知識的簡單推導即可計算出重力加速度[2,3]，如公式（2）—（7）所示。在用阿特伍德機測量重力加速度的過程中，利用到了剛體轉動等知識，體現了物理探究的方法，將其引入教學可以達到培養學生科學精神的目的。

圖2 阿特伍德機及原理圖

（2）思政元素之專業前沿

在教學實施部分展示：“地球物理學家——翁文波”、“重力探油”、“秋明油田”的圖片（見圖3）。翁文波院士是我國重力探測隊隊長，繪制了臺灣地區重力異常圖，利用“重力探油”的方法幫助臺灣地區探測汽油藏。同時該方法在俄羅斯第三大油田秋明油田的探測中也取得了明顯的成效，我國由此得以進軍俄羅斯石油市場。通過引入“重力探油”這一專業前沿，以達到引導學生學以致用、科技報國的作用。

圖3 從左至右分別為地球物理學家——翁文波、重力探油、秋明油田（圖片來自網絡）

（3）思政元素之科學故事

在教學實施部分展示“伽利略與擺的等時性”的圖片（如圖4 所示）。大學時期的伽利略有一次在教堂進行禮拜儀式時，點燈人無意間觸動的燭臺引起了他的注意，他發現燭臺的擺動似乎存在某種“特殊規律”，于是他在觀察燭臺擺動的同時按住了自己的脈搏來計數，經過多次實驗，最終證實了擺的等時性原理[4]。通過引入伽利略的科學故事，從而達到引導學生善于實驗觀察、科學探究的目的。

圖4 伽利略與擺的等時性（圖片來自網絡）

（4）思政元素之務實求真

在教學實施環節引入“舍恩事件”始末，即2001 年科學家舍恩宣布制造出最小的納米晶體管，一時間轟動世界，期間美國100 多家實驗室重復舍恩的實驗，都無法得到相同的結果，但卻無人質疑他，直至他將同一份圖表在三篇不相關的論文中使用，其偽造數據的真相才被揭露出來，“舍恩事件”由此成為物理學史上最惡劣的學術造假事件。在單擺測量重力加速度實驗中，為盡可能減少測量誤差，小球的擺動周期需要重復多次測量，要求學生客觀真實的記錄實驗結果。通過引入“舍恩事件”，可以達到培養學生在實驗過程中務實求真，重視并遵守道德規范的效果。

（5）思政元素之知行合一、學以致用

在課后拓展的環節，要求學生自制單擺，利用智能手機等，設計實驗來測量重力加速度，從而達到知行合一、學以致用的目的。

（二）實驗項目之《牛頓第二定律的驗證》

在該實驗中，教學設計理念如表2 所示，涉及課前預習、教學實施及課后拓展3 個環節。在課前預習方面通過搜集實驗的背景知識來加深學生對牛頓第二定律的認識，融入方法論的思政元素；在教學實施方面通過分析一些牛頓力學的案例，融入了科技強國、家國意識的思政元素；在課后拓展方面通過布置設計性實驗，融入知行合一、學以致用的思政元素。具體的思政元素體現在：

表2 牛頓第二定律的驗證教學設計

（1）思政元素之方法論

在課前預習部分引入牛頓第二定律的發現過程，“伽利略”、“牛頓”、“恩特斯·馬赫”的圖片（見）。世界上第一個發現力與加速度之間存在關系的人是伽利略，他在否定亞里士多德“力是維持物體運動狀態的原因”時，認為力與加速度之間應該存在著某種特殊關系，但是當時的條件讓他無法探究加速度與力之間的定量關系[5]。而牛頓繼承了伽利略的觀點，經過深入研究，1684 年牛頓在手稿《論物體的運動》、《原理》中提出作用力與加速的力（加速度）的比值等于動量與速度之比

而物體的動量又是質量與速度的乘積

由此可得牛頓第二定律的微分形式為物體所受合外力等于其動量對時間的變化率

而 牛頓第二定律現在最常見的表達式是由恩特斯·馬赫提出，他認為物體所受合外力為其質量與加速度的乘積

這一表達式更簡潔直觀，有利于牛頓力學的普及與應用[5]。在教學中引入牛頓第二定律的發現過程，以達到培養學生科學探究精神的效果。

圖5 從左至右分別為伽利略、牛頓、恩特斯·馬赫（圖片來自網絡）

（2）思政元素之科技強國

在教學實施部分展示“天宮二號”圖片（如圖6 天宮二號所示）。天宮二號的升空蘊含著豐富的動力學原理，其中天宮二號要達到第一宇宙速度，就必須依靠強大加速度，而這個過程充分利用了牛頓第二定律。天宮二號的升空實現了我國的“飛天夢”，為我國建立太空站奠定了技術支持，為我國開發和利用太空資源打下基礎，與此同時也展示了我國航天事業的發展水平，體現了大國實力與大國擔當。教學中通過引入航天案例，以達到引導學生科技報國的效果。

圖6 天宮二號（圖片來自網絡）

（3）思政元素之家國意識

在教學實施中展示“火神山醫院”圖片（見圖7）。新冠疫情出現初期，在中國共產黨的正確領導下，全國上下一盤棋，匯聚最大的合力，以極大的加速度10 天建成火神山醫院、18 天建成雷神山醫院，成功打贏這場抗疫阻擊戰[6]，充分體現了社會主義制度的優越性。在教學中通過實例來講解合力與加速度的辯證關系，以達到培養學生家國情懷的目的。

圖7 火神山醫院（圖片來自網絡）

（4）思政元素之知行合一、學以致用

在課后拓展的環節，要求學生利用鐵絲、卷尺、小球等常見物品，設計實驗來驗證牛頓第二定律，以達到知行合一、學以致用的目的。

4 總結與展望

本文主要探討了《大學物理實驗》課程思政融合的潛在途徑，著力于在教學中結合馬克思主義哲學，培養學生的科學精神，促進學生認識理論與實踐之間的辯證關系，提高學生分析與解決問題的能力。在教學活動中，我們主要從課前預習、教學實施、課后拓展三個方面將思政元素融入各教學環節當中。體現在：引用背景知識對涉及的知識點進行拓展延伸，培養學生的科學探究精神；在實驗原理講解過程中插入專業前沿，培養學生科技報國的愛國主義情懷；在實驗操作過程中強化學生實事求是的意識，培養道德規范；在課后拓展環節增加一些設計性實驗，培養學生知行合一、學以致用的能力。課程思政建設是一項長期且非常有意義的工作，對于《大學物理實驗》這門課程，還有很多有價值的思政元素值得深入挖掘，需要后續持續探索及完善，從而有效提升育人質量。