大學物理教學中課程思政資源挖掘研究*

伊厚會

(濰坊科技學院智能制造學院 山東 濰坊 262700)

朱子亮

(濰坊科技學院通識學院 山東 濰坊 262700)

尹 波

(濰坊科技學院智能制造學院 山東 濰坊 262700)

劉 慧

(濱州學院理學院 山東 濱州 256603)

全面推進課程思政建設是落實立德樹人根本任務的戰略舉措,也是提高人才培養質量的重要任務.教學中對學生開展相應的思想政治教育工作,實現學生在愛國情懷、個人品質以及科學觀等方面的共同進步和發展.大學物理是理工科學生的基礎必修課,在高校人才培養體系中具有十分獨特的地位.大學物理課程中思政素材豐富多樣,適合開展多種主題的思政教育[1-7],因此在教學中教師需要充分地挖掘課程知識內部所包含的思政元素,并且將其有機地與課程知識點進行融合.文章從科學世界觀和方法論的培養、科技前沿、大國工程和科學家精神等方面融入教學內容并進行細致的分析和探討,確保大學物理教學立德樹人的根本任務.

1 科學世界觀和方法論

大學物理蘊含著豐富的哲學思想和思維方法,這是物理學與其他自然科學的不同之處, 也是物理學所特有的一些學科性質.在教學中應特別注重挖掘物理學所蘊含的哲學思想和思維方法,增強學生處理問題、解決問題的能力,實現素質教育的目標;同時結合辯證思維、探索思維來對世界上各項問題進行合理的分析和探討,養成學生基本的世界觀和科學觀.

在講授宏觀與微觀、運動與靜止、電與磁、時間與空間、光的粒子性與波動性等內容時,融入事物對立統一辯證關系.例如直線運動與曲線運動的對立統一,直線運動是直線運動,曲線運動是曲線運動,是對立的,但是曲線運動可以分解成直線運動(如平拋、斜拋),也可以把曲線運動看成是每一小段直線運動組成.變量與恒量的對立統一,變量是變量,恒量是恒量,是對立的,但是變量在足夠短的時間內可看成恒量.安培力和洛倫茲力的對立統一,安培力和洛倫茲力表面上雖不相同,但安培力是洛倫茲力的宏觀表現,本質上都是電荷的定向移動受到的磁場力.溫度和分子平均動能的對立統一,溫度宏觀上表示物體的冷熱程度,微觀上表示分子熱運動的劇烈程度.教學中融入辯證分析和綜合實例,可以找出表面看來不同但本質相同的概念規律等.

在講授力與運動的關系、原子結構、光的本性、熱的本質時,揭示正確認識事物發展的曲折性和前進性之規律.例如人們對光的本質的認識,從牛頓的微粒說和惠更斯的波動說之爭到19世紀初的波動說和19世紀60年代麥克斯韋的電磁波,以及21世紀初愛因斯坦的光子說到光的波粒二象性.熱的本質從英國著名物理學家玻意耳提出的“熱素說”到俄國科學家羅蒙諾索夫對“熱素說”的質疑,湯普生實驗對“熱素說”的否定,分子動理論的建立這一曲折前進過程.人類對宇宙的探索經歷了托勒密的地心說,哥白尼的日心說,第谷、伽利略、開普勒的初識宇宙(觀測宇宙),牛頓、哈雷、愛因斯坦的認知宇宙(形成理論)到現代宇宙大爆炸論等.人類對原子結構的認識經歷了道爾頓的“實心球式”原子結構模型,湯姆生的“葡萄干面包式”原子結構模型,盧瑟福的“行星繞太陽式的”原子核式結構模型,玻爾的電子運動分層結構模型和原子的電子云模型等.

物理中很多內容都體現了從量變到質變的發展規律,如原子結構、光的本性、熱的本質等,均體現出在思想認識上從量變到質變和從質變到量變的過程.物理中的臨界狀態是發生量變和質變的轉折點,也是物理現象由一種狀態過渡到另一種狀態的連接狀態,如最靜摩擦力,天體運動的環繞速度、脫離速度、逃逸速度、收尾速度,彈性限度,臨界角,布儒斯特角等,這也是教學的重點和難點.

大學物理中包含著豐富的哲學思想,教學中合理的融入滲透能夠幫助學生形成正確的辯證思維和世界觀.在具體的大學物理教學過程中,教師應盡量把這些哲學思想體現出來.讓學生知道在科學的探索過程中,這些哲學思想直接或間接地影響著科學家的思維,對科學發現起到了非常重要的作用.引導學生應用辯證思維去分析和解決問題,從而培養學生辯證思維的高水平發展.

2 科技前沿和大國工程

近年來我國取得了重大科技成就,在物理教學中融入這些科技成果,有助于激發學生的學習熱情和興趣,加深學生對基本概念和原理的理解,同時還能啟迪學生的思維,開闊學生的眼界.在教學中融入科技前沿、大國工程、國之重器等還有助于堅定學生的理想信念,激發學生的愛國主義情懷.表1結合了我國的科研成果挖掘的課程思政元素.

表1 教學內容與思政元素挖掘實例

實例1:大學物理教學中從“嫦娥”探月、“祝融”探火、“羲和”逐日、“胖五”沖天、“奮斗者”潛海等引入空間的概念.從太空到地球,從海洋到陸地,新中國早已實現“上九天攬月,下五洋捉鱉”,根據我們達到的空間位置引入中國科技的發展和進步.在講授位置時引入我國向全球提供服務且日定位量突破千億次的北斗衛星導航系統,這是中國自主建設、獨立運行的衛星導航系統,是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務的國家重要空間基礎設施.特別是我國自主研制的星載高精度原子鐘,300萬年誤差只差1 s.

實例2:在講授運動軌跡、相對運動、動量定理、角動量定理時融入我國空間站首個科學實驗艙“問天”的發射以及與“天和”的對接.這是我國迄今為止近地軌道運載能力最大的運載火箭(長征五號B)發射的最重載荷(問天實驗艙).教學中融入的思政內容分別有:長征五號B“最強”把問天實驗艙“最重”送至預定軌道;長征五號B火箭的整流罩分離技術、艙箭連接分離技術、入軌精度控制技術和零窗口發射任務等關鍵技術;問天實驗艙與天和核心艙的成功對接技術;以及首次在問天實驗艙開展的“天宮課堂”第三課等.

實例3:在講授機械振動時融入中國的振動控制技術的現狀與進展.港珠澳大橋是中國橋梁建設史上設計施工難度最大的跨海橋梁,“減震”和“減振”是橋梁設計建造過程的技術難題.引入調諧質量減振器的結構和工作原理,它是由彈簧、阻尼器和質量塊組成的振動控制系統,支撐或懸掛在需要振動控制的主結構上.當主結構在外界激勵力的作用下產生振動時,會帶動TMD系統一起振動,通過頻率調諧,使TMD系統運動產生的動力再反作用到主結構上,使其與外來激勵力的方向相反,抵消一部分激勵力,使主結構的各項反應值(振動位移、速度和加速度)大大減小,從而達到控制主結構振動的目的.中國振動控制技術現在已躋身世界先進水平,并且實現向歐美國家技術輸出.

實例4:在講授制冷機和熱力學第三定律時融入獲得低溫的方法,如氣體絕熱膨脹制冷、相變制冷、渦流制冷、絕熱放氣制冷、溫差熱電制冷、絕熱退磁制冷、3He和4He稀釋制冷等.在2015年,我國首次實現了-253 ℃的超低溫,但這是歐洲20多年前的技術.而2021年7月我國自主研發的無液氦稀釋制冷機,達到了-273.139 1 ℃低溫,僅僅比絕對零度高出0.01 ℃,打破了美國保持的世界紀錄,創下了世界之最.這一技術可以為量子計算機芯片提供用于維持量子態必需的極低溫環境,標志著我國具備了為量子計算等前沿研究提供極低溫條件保障的能力.

實例5:在講授導體、絕緣體和交流電時,融入我國的特高壓輸電技術,我國是全球唯一掌握特高壓技術的國家,我國的特高壓技術標準也是全球唯一的技術標準.特高壓輸電的優點有提高傳輸容量和傳輸距離、減少線路的功率損耗、提高電能傳輸的經濟性等.教學中重點融入我國攻克的特高電壓和特大電流下的絕緣特性、電磁環境、設備研制、實驗技術等世界級難題和研制晶閘管、換流閥、變壓器等國際領先的電工裝備等.

實例6:在講授圓孔衍射時融入被譽為“中國天眼”的500 m口徑球面射電望遠鏡(FAST).并介紹“中國天眼”的超高靈敏度以及其帶來的前所未有的極端暗弱天體探測能力.“中國天眼”是目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡,能捕捉137億光年以外的宇宙信號.“中國天眼”說明在射電天文領域我國已從落后發展為領先世界20年.

在大學物理教學中將大國工程、國之重器、科技前沿等巧妙融入課堂,有助于提升學生的國家認知,民族認同和科技自信,同時還能充分展示出我國的民族精神和中國特色社會主義的優越性.

3 我國科學家的成果和精神

物理學發展離不開科學家的貢獻,他們的積極樂觀的科學精神和認真鉆研的工作作風值得新時代學子認真學習,如牛頓、法拉第、愛迪生、愛因斯坦等.在實際教學中我們也不斷借用科學家的格言和精神鼓勵同學們胸懷壯志、創新包容、努力做擔當民族復興大任的時代新人.而物理教材內容多數是物理學基礎知識,涉及到我國科學家的成果比較少,如僅涉及吳有訓對康普頓效應的貢獻和葛正權測定鉍(Bi)蒸氣分子速率實驗等這些成果.但近些年,我國科學家在物理學領域的研究成果呈爆發式增長態勢,這是我們教學中需要大力挖掘的思政資源.用我國科學家成果和精神影響學生、感召學生、引領學生,從而激發當代大學生投身科研事業的激情和自信,鼓勵當代大學生勇攀世界科技高峰.同時用我國科學家精神涵養新時代大學生,為我國科技事業的發展和創新人才的培養提供豐沃土壤和有力保障.

實例1:在講授牛頓萬有引力定律時融入華中科技大學萬有引力G值研究成果.華中科技大學羅俊團隊在山洞實驗室經過30多年的埋頭苦干、潛心研究,實現了對國際頂尖水平的趕超,尤其對材料、扭擺的技術的把握,保證了后期的研究的突破.這是我國科學家萬有引力研究成果首次編入全國物理教材,體現物理課程的育人價值.

實例2:在講授霍爾效應時,介紹其與反常霍爾效應、量子霍爾效應、量子反常霍爾效應等概念的區別和應用,并融入薛其坤團隊的量子反常霍爾效應.量子反常霍爾效應不依賴于強磁場而由材料本身的自發磁化產生.并對將來可能的應用做以介紹,如利用量子反常霍爾效應制備低能耗的高速電子器件,加速推進信息技術革命進程等.

實例3:在講授光學時和量子力學時,融入潘建偉團隊利用“墨子號”量子科學實驗衛星首次實現了千公里級的量子糾纏,在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態.團隊在國際上首次實現18個光量子比特的糾纏,刷新了所有物理體系中最大糾纏態制備的世界紀錄.在量子通信領域已經代表中國實現了由“跟跑”向“并跑”和“領跑”的跨越.

實例4:在講授光學儀器的分辨本領時,融入天眼之父南仁東的的貢獻.同時在教學中還要融入科學家胸懷祖國、服務人民的愛國精神,勇攀高峰、敢為人先的創新精神,追求真理、嚴謹治學的求實精神,淡泊名利、團結協作的協同精神和甘為人梯的育人精神.

4 結論

在新時期高校大學物理教學中,一方面教師需要在課堂上開展相應的教學活動,另一方面教師還需要在課外為學生提供相應的知識拓展和補充教學.在這一系列過程中,教師可以充分的借用網絡學習平臺,及時地將課程內容以及思政要素進行整合和提煉,同學生之間開展高效率的網絡溝通學習,從而將現階段的課程教學工作延伸到課堂之外,并且充分地利用學生課后的碎片化時間來加強針對學生在物理知識以及思想政治知識方面的培養工作.

深入挖掘大學物理課程蘊含的思想價值和精神內涵,將政治認同、家國情懷、社會責任、道德修養、工匠精神等思政元素“潤物無聲”地融入課程教學,展示了各具特色的教學設計和教學風采,生動體現了知識傳授與價值引領的統一、教書與育人的統一,提升學生的國家認知,民族認同和科技自信.