基于“三位一體”目標的力學一流課程的內涵建設與改革實踐

劉冬梅　董科　梁穎　劉文彪　周雨青

關鍵詞 力學課程;一流課程;課程思政;育人育才

物理學是人類在探索自然奧秘的過程中，通過認知的積累而形成的科學，是其他自然科學和工程技術的基礎。在物理學發展過程中所形成的一系列的科學世界觀和方法論，深刻影響著人類對物質世界的基本認識、思維方式和社會生活，是人類文明發展的思想基石，在人才的科學素質培養中具有重要的作用。

物理學最初是從對力學運動規律的研究發展起來的，它是通過嚴密的歸納和演繹，運用微積分及微分方程等數學工具，建立起來的統領經典力學的系統理論體系。它的成熟與發展強有力地推動著現代科學和工程技術的發展，例如伽利略和惠更斯關于單擺的研究，為人們精確測量時間開辟了道路，開啟了后來整個鐘表工業領域;瓦特的離心調速器，是蒸汽機之所以能普遍應用的關鍵，使蒸汽機成為現代工業的動力;齊奧爾科夫斯基的變質量力學，是火箭運動和航天學的理論基礎，開啟了宇宙航行的新篇章。在牛頓的《自然哲學的數學原理》的序言中寫到：“自然的一切現象，完全可以根據力學的原理用相似的推理一一演示出來。”在《伯克利物理學教程》第Ⅰ卷力學的序言中寫到“一個學生如果清楚地理解了力學中所闡述的基本物理內容，即使他（她）還不能在復雜的情形下運用自如，他（她）也克服了學習物理學的大部分真正的困難了”。

1 力學課程的育人優勢

力學的重要性不僅僅體現于其在物理學中的基礎地位，還體現在它自身發展過程中所包含的自然規律、哲學思想和科學方法在人才培養中起著十分重要和獨特的作用。面向大學本科一、二年級學生開設的力學課程在人才特質的培養方面具有得天獨厚的優勢。力學課程不僅僅使學生學到了力學知識、方法和思想，還在培養科學認知和使命擔當方面也起著重要作用。

第一，力學知識體系本身具有獨特的吸引力。力學是基礎課的基礎，其知識體系中本身就蘊含著大量的自然規律和科學方法。力學知識體系所體現出來的歷史性和邏輯性，以及力學知識在日常生活應用中所體現出來的實用性，使力學課程本身具有獨特的吸引力。例如在日心說和地心說爭論過程中所體現出來兩種世界觀;在鉛球比賽中，運動員的最佳拋射角度可以通過拋體運動方程推導出來;臺風的形成和潮水的漲落等都與力學知識相關。

第二，力學課程有助于培養學生的科學認知能力。力學知識體系具有嚴謹的邏輯推理，分析問題和解決問題的方法具有科學的系統性和完整性，掌握嚴密的邏輯推理等科學認知思維方法有利于提高學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。同時，根據ETA 物理認知模型[1]，物理學家在實踐中的認知過程分為11個具體步驟，即觀察物理現象、挑選研究對象、明確研究行為、量化描述性質、尋找實驗規律、建立理想模型、建立公理認知、實驗證偽檢驗、解釋已有現象、預言可能事件、技術發明創造。力學知識體系的建立與發展清晰體現了這一認知模型，文獻[1]中通過以牛頓第一定律為例，介紹了如何通過對簡單的勻速直線運動進行教學設計來培養學生的科學認知能力。學生一旦有了科學的認知能力就能形成自己獨立的科學的世界觀、價值觀和人生觀，有了獨立的科學三觀就能有獨立的人格。

第三，力學課程有助于激發學生的使命擔當。力學知識體系的發展與建立中蘊含著科學家們探索世界的開創精神，通過科學家們探究力學規律的發現過程和逸聞趣事，可以引導學生學習科學家勇攀高峰、敢為人先的創新精神和堅持不懈、追求真理的科學精神等。通過拓展力學知識在先進科技上應用，從各種案例中增強學生的國家民族認同感，培養家國情懷，激勵青年學生要勇于擔當時代責任和歷史使命。例如從動量定理出發，拓展到火箭飛行原理，再結合我們航天技術的發展及最新空間站建設情況（例如神舟十五號的發射成功及神舟十四號宇航員返回地球等最新資訊），以及自主研發的“墨子號”量子衛星、“天問一號”火星探測器等，都能激發學生的家國情懷和使命擔當，堅定學生的理想信念。

2 力學一流課程建設思路

建設力學一流課程，關鍵在落實立德樹人的育人目標，課程思政建設有利于實現“三位一體”的育才目標。力學富含課程思政元素，在遵循學生發展特點和認知規律的前提下，充分利用這一優勢在力學課堂中開展全方位、多維度的、“潤物無聲”的課程思政教育，最終在力學課程中落實立德樹人，實現價值塑造、能力培養和知識傳授“三位一體”的培養目標。為此，我們須在以下兩個方面作出探索。

2.1 更新課程教學目標

根據《高等學校課程建設指導綱要》[2]中的理學類課程思政要求，結合新時代高質量人才培養的需要，基于課程本身所包含的知識、方法和價值三個維度，將“育人育才，培養德才兼備的新時代人才”作為力學一流課程的教學目標。以力學課程體系中的基本知識和基本概念為出發點，通過挖掘知識體系背后所蘊藏的科學思維、科學方法和科學精神，以及思維方法與思維模式背后潛隱藏的情感、態度和價值觀，培養學生探索未知、勇于擔當、敢于創新、追求真理，從而幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀、價值觀。知識目標、能力培養和價值塑造三個維度并非獨立的，而是相互聯系、相互貫通、相互滲透的，只有三個維度目標互相融合地實現，才能真正實現知識目標、能力培養和價值塑造“三位一體”的育人目標（見圖1）。

2.2 思政元素的挖掘與融入

依托課程知識體系，挖掘那些能夠啟迪學生智慧、培養科學思維、凸顯家國情懷、充滿人文精神等價值范式的思政元素。在挖掘過程中需要遵循思政元素的內源性而非外源性[3]，即從本門課程內部生出來的，而不是從課程外部加進去，否則將可能出現“兩張皮”或“生搬硬套”的現象。基于內源性原則，從力學課程知識體系出發，深入挖掘力學知識體系中蘊含的思想價值和精神內涵，合理拓展力學課程思政元素的深度;從力學知識所涉及的專業與行業、國家與國際、歷史文化等角度，增加力學課程思政元素的廣度;從力學課程知識體系建立過程中所涉及的物理學家的科學故事與閑聞趣事等人文特點，增加力學課程思政元素的溫度。在教學設計過程中可以通過上好緒論課、問題驅動導入、課堂拓展提升、課外拓展研學、單元小結復習、指導學生畫思維導圖、前測題和后測題題目設計等方式全方位融入相關知識的思政元素，讓課程思政“潤物無聲”地進行，真正實現“鹽溶于水”。

3 力學一流課程實施策略

為了實現課程建設思路，還需要有配套的改革策略。

3.1 提升教師德育能力

《師說》曰：“師者，傳道授業解惑也”，傳道為首要任務，即教師先要教會學生為人處世的道理，培養學生的人格品質;之后才是授業，即教授學生學科基本知識與基本技能;解惑是指教師要培養學生獨立面對未知、獨立解決問題的能力。可見教師對培養人才的品格、素質、能力起著十分重要的作用。清華大學于歆杰[4]提及全方位開展課程思政建設，教師需要在理解層面、行動層面、內容層面、方法層面、手段層面實行“合五為一”的課程思政建設模式，想要連通課程思政建設的最后一公里，關鍵在教師。教師作為課程思政的推動者和實踐者，首先要提高自身的思想政治素養，用自身的言語行為為學生樹立正確的榜樣，用自己的身教以德育人，用自己的靈魂去塑造學生的靈魂，做到知行合一或心口合一，所謂“身正為范”，這本身就是一種思政。其次教師要努力提升自身的教學科研水平，用較高水平教學經驗和科研成果反哺教學，實現教學相長，具有扎實的專業知識和較高的學術水平才能稱為師，所謂“學高為師”。最后，教師需要轉變教學定位，在現代信息技術環境下，學生隨手可獲取學科相關的優質資源，學生不再需要傳統的傳授知識的教師，教師需要把自己的定位從知識的傳授者、資源的提供者，逐漸轉變為了高質量學習的促進者和陪伴者，為培養高素質人才打下夯實的基礎，以此實現課程思政建設，達到最終育人目的。

3.2 打造一體化課程教材

課程教材是課程思政的重要載體，是課程之根本。課程教材是高校落實立德樹人根本任務的重要載體;是高校課程團隊實現課程思政、教材思政與新時代中國特色社會主義思想進教材、進課堂、進頭腦一體化設計的重要載體;是新時代中國特色高校課程與教材內容一體化設計、融合創新的重要載體[5]。要打造一流力學課程，就要從力學課程研究開始，深挖課程思政元素，遴選課程教材的知識點，通過增加與力學知識的相對應的拓展應用（如力學知識在工程技術中的應用）、物理學家在定理定律發現過程中的科學精神和科學思維、力學知識在科技應用的最新前沿、力學相關原理定律所蘊含的物理之美等。充分利用現代教育技術手段，利用圖片、視頻、文檔等形式，借助二維碼、MOOC平臺展現基本知識、拓展應用、科學趣聞等相關內容，力求實現平面化載具與層級性、梯度性、實用性的內容以及立體化的展現和貫通形式相融合。教學團隊已經出版融入課程思政建設的一體化教材《新編大學物理學》（力學），通過融入課程思政，實現力學課程與教材一體化設計、線上資源與線下課程教材內容一體化設計，打造具有時代特色的新形態力學課程教材。

3.3 豐富優質線上資源

隨著公開課、共享課的流行，后疫情時代線上資源不再稀缺，但缺優質線上資源，同時如何合理有效地利用這些資源，融入平時的教學過程中，使之為學生高效利用成為關注的重點。團隊在力學一流課程思政方面廣泛學習采納先進經驗，大膽嘗試，打造出了系列優質線上資源，目前已有的力學部分線上資源包括思想之光、專題討論、核心知識、習題課等，均已在MOOC上線并被多個高校使用。通過重構力學知識體系，結合線上優質資源，全方位的線上線下混合式教學，打造豐富優質的力學課程思政線上資源。核心知識中通過“引題思考—知識講解—回答引題”問題驅動式教學設計，例如“質點運動的描述——坐地日行八萬里？”“牛頓定律——沒有力的作用，我們能干什么？”“非慣性系——離心力哪兒來的？”等啟發學生思考，培養學生科學思維;再例如專題討論中的“對稱在物理學中的作用——兼談對稱之美”“相對論與高速火箭、衛星導航”“道路千萬條，安全第一條——汽車駕乘人員安全性力學問題”“砸墻也是技術活——啞鈴式鐵錘的力學特點”“大海航行靠什么？ ——艦船多普勒聲吶的測速原理”等，在“振動的利與弊——兼談振動的數學描述”中通過振動帶來積極的影響和消極的影響舉例，讓同學們明白“事物積極和消極是相伴存在的，振動這一物理學中最基本的運動形式也不例外，這是科學辯證法告訴我們的客觀事實，以科學的態度對待它們，通過各類現象的本質的深入研究，做到揚長避短，造福人類，這就是同學們學習科學知識過程中應對事物的態度，也是工作作風，更是處事風格。”通過精心巧妙的設計優質線上資源，讓教學中潤物無聲地融入思政元素，實施課程思政教學，最終達到知識傳授過程中培養能力和塑造價值的教學目標。

3.4 實現全方位的線上線下混合式教學

作為當代網絡原住民的大學生，生活已離不開手機、平板等網絡工具，碎片化、移動性、隨時性等特點成為他們這一代學習方式和學習行為的共性。加上受疫情影響，混合式學習和混合式教學應運而生。以學生為中心，就需要從學生的實際情況出發，教學也需要符合他們的學習特點，開展教學也要全方位地線上線下混合。建設力學一流課程，應從學生認知規律和發展特點出發，結合線上優質資源和線下資源，實現全方位的線上線下混合式教學，其教學模式及實施路徑如圖2所示。

4 力學一流課程實踐案例*

所有的思路也好，策略也罷，沒有教學實踐的實施都是空談，為此我們設計了力學課程中的一個有關參考系的案例，并以東南大學和北京師范大學的兩位老師的實際教學活動，來支撐上述理論的闡述。

4.1 案例簡介

以第一章質點運動學中“質點運動的描述之參考系”為例，基于知識體系重新設計教學，從教學目標出發，通過歷史故事融入思政元素。

由于參照物選擇不同，歷史上發生了一段世界觀、方法論之爭，即托勒密的地心說與哥白尼的日心說之爭。該爭論甚至付出了“血腥”代價。從亞里士多德到托勒密，地球一直被認為是宇宙的中心，太陽、月亮以及所有的恒星、行星均圍繞地球運轉，在相當長一段時間內，地心說在天文學界占據了主導地位，這一學說在今天早已被日心說取代，但地心說結論的得出也是基于先前的理論基礎和觀察得出的“科學論斷”，只不過那時的科學與宗教神學緊密結合在一起，自然科學思想難以自由生長。哥白尼從自然本體出發，走進了科學，大膽地提出了地球是同時圍繞地軸自轉和環繞太陽作軌道運轉的猜想，構建了“日心說”體系。用現代科學觀點來看，地心說與日心說的論斷中都存在一些合理與不足之處，兩者沒有絕對的正確也沒有絕對的錯誤，只是針對太陽系來說，日心說模型更加便利、精確和優美。本案例試圖展現科學觀形成過程中的曲折、是非和科學理論的形式美，提升學生科學素養。

4.2 基本信息

表1列出了“質點運動的描述”教學案例的基本信息。

4.3 內容展示

參考系是質點運動描述教學中必備的知識點，由于參照系選擇的不同會帶來對運動狀態認識上的不一樣，而運動狀態往往可以通過測量或觀察得到。借助這個物理結論引出歷史上的世界觀之爭——日心說與地心說。該思政元素可從如下幾個方面（選擇）展開（注：可用 10 分鐘進行一定的討論或活動）：

（1） 純科學性討論優劣。結論：從慣性系角度看，日心說優于地心說;從便利角度看，地心說優于日心說;從簡單性角度看，日心說優于地心說。

（2） 從科學的社會功能分析。地心說符合當時歐洲宗教認知的地球中心論，而日心說被視為異教邪說，這是科學產生的社會功能，所以人類社會中的純科學總會打上社會功能的烙印。

（3） 從世界觀分析。世界萬事萬物的運動是永恒的，認識也必將無窮無盡，沒有“絕對”只有“相對”。

（4） 從科學精神看。地心說與日心說都是有科學觀察數據的，而天文數據的獲得不是一朝一夕的事，需要有持之以恒的堅持和細致入微的探究才能獲得的。

（5） 科學理論的優美是一種樸實的判據。從日心說（圖3）相對地心說（圖4）的簡單（軌跡）、和諧（近似同心圓）、統一（規律一致）推廣至一般的未知規律探索中的方法，廣義引力方程就是如此。

（6） 科學理論的可證偽。宗教色彩的地心說——地球為宇宙的中心是無法證偽的。

表2是東南大學和北京師范大學兩位教師實際教學活動的主要內容展示。

4.4 教學拓展（

1） 自然優美、和諧統一、簡潔明了和對稱工整是自然規律的首選形式。 追求自然的和諧統一是科學思想觀的出發點，遵于此，科學理論的形式也追求簡單明了、形式優美的方式構建物理理論，比如日心說、引力理論和規范場論等。

（2） 持之以恒是成功的保證。行星運動變化是一個“漫長”的變化過程（在地球上觀測），需要有耐心、恒心和信心，這是科學研究應具備素養，日心說和地心說的提出都是在具有大量觀察數據獲取之后提出的科學論斷。

（3） 爭論是科學發展的不竭動力。 歷史上的所有科學爭論無一例外都促進了科學的發展。正確的科學理論建立之前的任何一次爭論都是對科學真理的探究過程，比如光理論的發展和建立等，那么，地心說和日心說之爭亦是如此。

5 力學一流課程思政評價方案

《綱要》[2]中指出“人才培養效果是檢驗課程思政建設的首要標準”。建設課程思政是培養高質量人才的重要舉措，人才培養過程中其知識、能力、價值塑造方面是否有所提高并非一下子體現出來，需要各方同向同行，協同發展。在文獻[6]中，從課程師資水平發展、課程教學設計、教學內容、教學實施過程、學生認知和成長發展等五個維度上構建了物理學類專業課的課程思政成效評價指標體系;在文獻[7]中通過對學生問卷調查得到了課程思政成效的反饋。建設力學一流課程思政，可通過課程思政教學實施后對教學工作和學習成效進行評價，從學生的角度和教師的角度兩方面去衡量課程思政工作的有效性。教師方面可從教學大綱、教學設計、教學內容、教學模式、教學評價等方面進行評價。從學生角度，以學生的體驗感和獲得感進行評價，全方面地反饋學生情況，根據文獻[8]中的構建課程思政評價體系的方法，結合力學課程自身特點與教學目標，從教學資源、教學方案、教學過程與教師表現、學習過程與學生表現以及教學效果設計了課程思政評價體系量表，如表3所示。

6 結語

本文借助力學課程獨有的育人特點，從力學一流課程建設的具體思路、實施策略、案例實踐和思政評價體系進行了實踐性的介紹。利用物理學史“日心說與地心說之爭”融入到“質點運動的描述”這一教學中，對案例進行設計與實踐，展示課程思政教學的開展。通過借助力學一流課程建設，落實立德樹人，實現價值塑造、能力培養和知識傳授“三位一體”的培養目標。