課程思政融入大學物理課程之冬奧篇*

陳偉麗 劉艷麗 慕利娟 牛金艷 劉 佳

(內蒙古科技大學理學院 內蒙古 包頭 014010)

盡管2022年北京冬奧會已過去幾個月,但各運動員矯健的身姿、拼搏的勇氣已深植我心.奧運會是集體育精神、民族精神和國際主義精神于一體的世界級運動盛會.奧運賽場上,奧運健兒揮灑的汗水更是為國爭光、為國而戰.在每個成功的背后更是無數辛苦的付出.這種精神正是當代每個大學生應該具備的.這也正符合當下課程思政的精神.普羅塔戈說過:“頭腦不是一個被填滿的容器,而是一個需要被點燃的火把.”學生不僅需要知識食糧,還需要精神食糧.每個奧運項目的進行均含有物理原理,而這些恰好將物理原理所蘊含的人生哲理具體地展現,可達到潤物無聲的效果,從而激發學生的拼搏精神和愛國情懷.奧運精神的融入可在大學物理課堂上注入新活力,從而達到激發學習熱情及興趣,提高教學效果的目的.

1 課程思政建設的總體思想

2016年12月,習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上明確提出堅持把“立德樹人”作為中心環節[1],并強調深入貫徹高等院校思想政治教學理念,要實現“價值引領”與“知識傳授”兩者有機結合,用好課堂教學的這一主渠道,各類學科與思想政治理論課同向同行,形成協同效應,達到思想政治教育潤物無聲、無心插柳、春風化雨、入腦入心的教學效果.教育引導學生正確認識世界和中國發展大勢,正確認識遠大抱負和腳踏實地間的關聯,讓學生成為德才兼備、全面發展的人才.為全面推進高校課程思政建設,深入貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神,落實立德樹人根本任務,教育部印發了《高等學校課程思政建設指導綱要》[2].綱要中提出,課程思政建設要在課堂教學中真正落地落實,要把課程思政融入課堂教學建設的全過程.專業課程是課程思政建設的基本載體[3],而作為公共基礎課的大學物理是工科院校面向廣大學生開設的一門通識性的必修課程,它具有其他課程不可替代的育人功能和優勢[4].它在全面推進課程思政建設中應起到積極引領的作用.

2 探索思政元素在大學物理課程建設中實施的途徑

物理學是研究物質、能量和它們相互作用的學科,是自然科學的基礎,對人類未來的進步起著關鍵的作用,也是人類認識自然、優化自然并最終造福于人類的最有活力的帶頭學科[5].它是全球技術和經濟發展的主要驅動力,也是其他學科和技術發展的直接或不可或缺的基礎.它蘊含著豐富的科學思想、方法、態度和科學精神等德育元素[6].大學物理課程是高校工科專業必修的基礎課程,具有廣泛的授課對象[7],因此思政教育元素與大學物理教育相互融合,是高校實行立德樹人理念的重要基礎。結合教學內容和思政教學元素,課堂教學過程主要通過以下途徑進行:

(1)提高教師的思政意識及能力.教師的人格魅力是課程思政教育具有說服力的保證和關鍵,發揮理工科教師所具有的以“科學化”“數量化”及“指標化”為特征的自然科學邏輯,并將其運用到課程思政建設中去[8].

(2)制定合理的教學大綱、授課學時及教學方法,確保思政元素與大學物理教學順利進行.

(3)制定詳細的教案,找準切入點,挖掘與學生專業相關的素材,與物理內容相關的素材.科學家、奧運健兒、國家建設等一切可以激發學生興趣的元素,完善思政元素庫.

(4)精心設計教學過程,與學生們產生共鳴,循序漸進,與學生建立“四同”育人模式[9],讓思想政治教育潤物無聲地融入每堂課中.

總之,抓住一切可進行思政教育的機會.研究并學習相關案例[10-11],結合本校學生特點及教學內容,精心地進行教學環節設計,避免“填鴨式”“灌輸式”的課程思政[12],使思政教育達到春風化雨、入心入腦的目的.能幫助學生建立正確的世界觀、科學觀,傳播辯證唯物主義思想,弘揚社會主義核心價值觀,培養高素質的中國特色社會主義建設者和接班人.同時,結合民族地區大學物理教育的特點[13-14],在工科院校大學物理與課程思政教育融合過程中重在培養學生的民族自信心和正確的科學價值觀,激發愛國主義情懷.

3 冬奧背景下思政元素融入大學物理課程的教學設計

何克抗教授認為教學設計主要是運用系統方法,將學習理論與教學理論的原理轉換成對教學目標、教學內容、教學方法和教學策略及教學評價等環節進行具體計劃[15].可見,為了實現課程思政,就要對上述環節進行詳實計劃.這里以融合奧運元素于剛體轉動內容中的角動量及角動量守恒定律為例.以下是教案設計.

課程目標：理解并掌握角動量的概念及角動量守恒定律,并分析計算物理及工程中的相關問題.

思政目標：通過科學家、奧運健兒及國家建設等先進事例學習,培養學生積極的人生態度,提高學生的抗挫抗壓能力,勇于挑戰自我、創新發展;增強學生中國特色社會主義道路自信和民族自豪感,激發學生的學習興趣和偉大的愛國熱情.

教學內容：通過質點在平面內運動和剛體繞定軸轉動情況,理解角動量守恒定律及其適用條件,能運用角動量守恒定律分析、計算相關問題(重點、難點).

教學方法：板書及多媒體教學,線上線下考核三位一體.

教學評價：通過上課問答及小測試進行教學效果考核.

具體教學過程設計：

預習內容：(1)開普勒的行星運動定律與角動量的聯系;(2)運動健兒在自由滑雪空中技巧和跳板跳水過程中手臂揮動與物理原理的關系.

溫故知新：回顧剛體的轉動慣量與轉動定律,并請學生們分析剛體的轉動慣量與其轉動的角速度是否有關,并舉例說明.引出冬奧會上自由滑雪過程中運動健兒手臂在揮動過程中所運用的物理知識的問題.

教學內容1：回顧預習內容——開普勒的行星運動定律的內容,引出角動量概念.

思政內容1：科學家開普勒簡介.開普勒,德國著名的天文學家,出身貧民家庭,從小聰明好學,16歲之后進入蒂賓根讀書,信奉哥白尼的日心說,進入大學表現對數學和天文的熱愛,畢業后仍未停止對天體運動的研究,經過長期復雜的運算發現天體運動規律.開普勒于1619年在《宇宙和諧論》中發表了他的發現,這就是冠以其名字的開普勒定律.他不僅在天文學上作出了杰出貢獻,在光學方面也有很大成就,比如視網膜的作用、開普勒望遠鏡及《慧星論》等等,均體現了在科學思想上表現出無比勇敢的創造精神.

目的:滲透給學生一種學習理念,學習不是一蹴而就的,堅持就是勝利;培養其科學精神,引導學生樹立科技報國的遠大理想;在未來的工作和學習中發憤圖強,勇擔當、敢作為,實現人生理想和價值.

由多普勒的行星第二定律引出角動量概念,其數學表達式為

L=r×mv

(1)

式(1)中L為角動量,r為質點對參考點的位置矢量,質點的位置相對參考點才有意義.

思政內容2：就像我們聽黨指揮,永遠跟黨走一樣,心中充滿共產主義信念.

教學內容2：質點繞參考點的角動量定理及角動量守恒定律.

質點的動量定理

用質點相對參考點的位置矢量r同時叉乘上式兩邊,計算可得質點相對于參考點的角動量定理

(2)

其中,M是質點繞同一參考點的力矩.則質點繞參考點轉動一段時間Δt=t2-t1,對時間積分有

(3)

由式(3)知,當力矩為零時,質點相對于某一參考點的角動量守恒,即

L=r×mv=常矢量

(4)

這就是質點繞參考點轉動的角動量守恒定律.

舉例1：計算登月飛船在登月過程中需要的燃料質量(見馬文蔚等改編的《物理學》第6版).

思政內容3：多媒體展示登月過程.并簡要介紹飛船的發展歷程.

目的：通過介紹飛船的發展歷程來了解我國經過幾代人的艱苦努力,實現飛船從無到有的過程,中國火箭運載能力大幅提升.這樣自然融入思政元素,不僅加深了學生對課堂教授內容的掌握程度,而且還激發了學生的民族自豪感和愛國熱情,增強了民族自信心,很好地體現了課程思政教育的效果.

教學內容3：剛體繞定軸轉動的角動量定理和角動量守恒定律.

將剛體看成由質點間距離保持不變的質點系,則當剛體繞z軸做定軸轉動時,質點對軸的角動量看作對點的角動量在z軸上的投影,將所有質點對z軸的角動量求和即為剛體繞z軸的角動量

Lz=Jzωz

(6)

由于三者均選同一個軸,因此下角標可省略不寫.

思政內容4：引申萬眾一心,團隊合作的精神.

目的：體現眾人劃槳開大船,團結就是力量,增強學生大局意識、協作精神和服務精神.

同理,根據式(3)可得到,剛體繞定軸轉動的角動量定理的微分式和積分式,分別為

(7)

(8)

這里注意,內力矩之和為零,M為外力矩之和.

由式(8)可知,當合外力矩為零時,剛體的角動量守恒,可得

Jω=常矢量

(9)

這就是剛體定軸轉動的角動量守恒定律.

舉例2：冬奧會項目之一——自由滑雪空中技巧項目,運動員在空中揮動手臂過程中的物理原理有哪些?

思政內容5：(1)引入自由式滑雪空中技巧小知識.比賽場地分為4個區域,助滑區(70°)、跳臺區、著陸區(37°)、停止區.跳臺分為一周臺(空翻一周)、兩周臺(空翻兩周)、三周臺(空翻三周).對運動員來說,要有非常好的平衡能力和空中控制能力,追求穩、難、準、美四位一體的結合.(2)通過視頻展示徐夢桃北京冬奧會上自由滑雪空中技巧獲得金牌的比賽過程,并簡單介紹運動健兒徐夢桃的成長歷程——徐夢桃4歲時開始練習體操,肯吃苦,悟性高.12歲的她初露鋒芒,在遼寧省運會中取得了3金2銀1銅的成績.同年,進入沈陽體育學院開始自由式滑雪項目的訓練.從韌帶斷裂到27個世界杯冠軍,經過各大賽的洗禮和淬煉,成為自由式滑雪空中技巧歷史第一人.她是奧運會的四朝元老,通過堅持不懈的刻苦訓練,在技術和心態等各方面都達到了最佳狀態,在2022年冬奧會上終以108.6的高分摘得了她夢寐以求的冬奧會金牌,獲得她第28個世界冠軍.(3)將徐夢桃在北京冬奧會上自由式滑雪空中技巧的比賽過程制作成翻書動圖,簡圖如圖1所示.

圖1 自由式滑雪空中技巧動作簡圖

目的：通過小知識介紹擴大學生的知識面,增加學生興趣,通過運動健兒的介紹增加民族自豪感.通過制作這組動圖,想象空中手臂收縮和揮動的過程,回答該題目中轉動慣量和質量分布的關系,當轉動慣量發生改變時,其轉動的角速度也發生改變.

通過沉浸式教學幫助學生確立正確的“三觀”,培養實踐精神、審美情趣和心理品質,啟發學生不畏失敗、努力拼搏才是取得成功的關鍵.

為加深轉動慣量與質量分布及角動量守恒內容的印象,可以再增加實例.

舉例3：2022年北京冬奧會上,隋文靜和韓聰參加了花樣滑冰雙人滑自由滑決賽,為中國代表團摘得了第9枚金牌.隋文靜做點冰跳簡圖如圖2所示,在旋轉時手臂由伸直到抱臂再到伸直的過程中,相對于質心的轉動慣量及角速度是否發生改變?角動量是否守恒?

圖2 點冰跳競賽過程中動作簡圖

思政內容6：(1) 引入花樣滑冰小知識.花樣滑冰是運動員通過冰刀在冰面上劃出圖形,并表演跳躍、旋轉等高難度動作.花樣滑冰的裁判會按照動作的質量與藝術性表現進行綜合評分,最高為6分.(2)通過視頻展示隋文靜和韓聰獲得金牌的比賽過程.并簡單介紹二人傷痛面前不離不棄,相互扶持,共同拼搏的精神.二人通過不懈的努力,終于獲得花樣滑冰大滿貫.

目的：通過隋文靜及韓聰事例的介紹,體現“苦心人,天不負”的意境.激勵學生們刻苦學習文化知識,不畏懼艱難險阻,堅強勇敢,在成功中收獲經驗,在失敗中汲取教訓,相互鼓勵,努力向前,堅忍不拔的精神.同時講解該例的答案.

思政內容7：此外也可以引申到冬奧會周邊介紹,比如傳統文化的展現、現代科技中機器人的應用.

目的：通過事例介紹增進學生民族文化的認同感,國家實力提升的自豪感,促使其樹立民族自信與文化自信.將“科技興則民族興、科技強則國家強”這一思想扎根于學生的靈魂深處,培養學生追求真理、勇攀科學高峰的使命感與責任感.

4 結束語

本文以冬奧會成功舉辦為契機,探討工科院校思政元素與大學物理教學相融合,貫徹執行習近平總書記對中國高校思想政治工作指示的精神.在教學實踐的過程中,既注重知識傳授,又要培養學生對科學的熱愛追求,既要培養學生熱愛祖國,又熱衷于創新求變;既要具有不畏艱險、勇于獻身的精神,又追求團隊精神,為實現中華民族的偉大復興貢獻自己的一份光和熱.本文雖只舉例說明角動量守恒與奧運元素的相關性,但質點運動學和質點動力學的內容也與奧運元素存在大量的切入點,這將在后續的教學中進行探討.

致謝

感謝彭可歆為本文繪制的圖片.