論大學物理專業知識教學與思政教育的協同性

關鍵詞 課程思政;物理教學;思政元素

大學物理課堂如何開展思政教育這一問題已廣受高校教師的關注1-3]。但與此同時，筆者也注意到當前物理課程思政中存在著一些不足之處。其中最為突出的是：物理課堂中由于融入思政的方式和方法不妥而導致的“生硬感”和“違和感”。這種現象具有普遍性，而非個案。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出要“使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應。”[4]強調了專業課教學與思政課教學之間的協同性。對于專業課的課程思政建設而言，同一門課中專業知識教學與思想政治教育之間也應該做到彼此協同，而不是牽強附會。否則就會給人以“為思政而思政”的不協調感。因此，如何做到二者之間的協同是值得深入研究和探索的問題。本文將深入分析物理課程思政教學設計中產生“違和感”這一現象的成因，并針對性地提出相應的解決方案和建議，以期能夠使思政教育真正做到“隨風潛入夜，潤物細無聲”的效果。

近年來廣大理科教師對課堂思政的研究[5-10]有力地推動了理科教學中的課程思政建設。對于物理學專業而言，被提及最多、關注最廣的融入思政方式有：（1）通過講述物理學史，以融入與人類思想進步有關的思政元素;（2）通過回顧物理學家的精神、事跡，以融入科學精神和思想品德教育;（3）通過揭示物理學規律中所包含的自然哲學，以融入辯證唯物主義思想;（4）通過強調我國在科技領域中的重大成果和突破，以融入愛國主義情懷。仔細考察以上融入思政元素的方式時，不難發現這些方式的共性特征是：在“自然科學”的課堂中融入與之相關的“社會科學”和“人文科學”，并以此為載體進行課程思政教育。具體而言，我們把歷史學替換成物理學史，把社會科學中的人文精神替換為物理學家的人文精神和科學情懷，把廣義的哲學替換成了物理中的自然哲學，把國家全面發展進步的成就濃縮到科技進步的貢獻和決定性因素上來。這種替換反映了文理學科相通性的一面，作為融入課程思政的方式是有積極意義的。但物理學作為一門數理科學，在教學中有其自身的學科屬性和教學法特征，有別于文科課堂教學。因此，不應該機械地去利用上述教學方法，而應該是靈活地、創造性地應用這些方法。以期使融入的思政元素與物理知識相融交匯，相輔相成，渾然一體。這是提升理科課程思政的品質，實現習近平總書記所說的“協同效應”的關鍵所在。否則，就會導致思政元素與教學內容的割裂和脫節，給人以不協調感。下面我們將結合具體教學案例剖析產生不協調感的可能原因。

1 物理課程思政教學設計中導致“違和感”的若干因素

1.1 課程思政內容選材不當導致與專業知識的教學脫鉤

為了在理科課堂開展課程思政，教師需選取一個承載思政元素的載體，然后建立這個載體與課堂教學之間的關系。但是，在實際課堂中存在較為普遍的問題是：思政元素的載體與專業知識的教學內容之間關系不夠緊密，甚至是脫鉤。給人以機械地“生硬填塞”的感覺，沒有做到有機地融入。例如：在講“電磁感應定律”時，為了引入課程思政，有的教師在講完專業內容之后，專門補充了法拉第頗具勵志色彩的個人小傳。誠然，這些物理學家的勵志故事和為科學獻身的精神的確是含有積極的、正能量的思政元素，但教師并沒有挖掘出這段勵志傳記與“電磁感應定律”這一具體專業知識之間的內在聯系，而唯一的聯系就是：電磁感應定律的發現者是法拉第。在物理教學中融入課程思政時，類似的現象和情況非常普遍，這種思政元素的載體與專業知識教學內容脫節是造成融入思政時給人以“違和感”的重要原因。

1.2 對物理學史挖掘不深而導致物理學史所承載的思政元素不夠明確

物理學史是思政元素的有效載體。但如果教師在講述物理學史時，只是對物理學的歷史事件進行機械地羅列，而沒有進行深入的挖掘、反思和解讀，那么將很難展示出物理學史中所蘊藏的思政元素。事實上，物理學史絕不僅僅是一段科學發現的歷史，它背后蘊藏著人文的精神和時代價值取向，還往往與社會的變革，生產力的發展等都有密切的關系。教師須通過對物理學史進行深入解讀和分析才能挖掘出深刻而有價值的思政元素。以量子力學中黑體輻射的教學為例，十九世紀末人類對黑體輻射產生了極大的研究興趣，這其實與當時西方國家進入了工業化、機械化時代這一社會變革有著密切的關系。由于各種機器的制造都離不開金屬熱加工和鑄造，而在當時，金屬熱加工和鑄造時對溫度（即所謂的“火候”）的把控完全是靠有經驗的工人根據燒鑄時金屬的顏色來決定的。金屬加熱會呈現紅色，即發出紅光，而各種不同紅色（熾紅，鮮紅，暗紅……）之間的微妙差別只有經驗豐富的工人才能區別。為了能夠形成一套標準化的判定方案，人們開始關注物體的溫度與它所輻射的光的頻率（即光的顏色）之間的關系，而這正是黑體輻射的核心問題。對黑體輻射問題進行如此的解讀，會讓學生很自然地體會到科學研究與生產力發展之間的辯證關系，正如恩格斯的名言：“社會一旦有技術上的需要，則這種需要就會比十所大學更能把科學推向前進。”相反，如果在教學課堂上教師僅僅是機械地羅列歷史上不同科學家對黑體輻射的研究成果及其不足之處，那么將很難展示出意義鮮明的思政元素來。

深挖物理學史還意味著教師要重視原始文獻和原始著作，從這些原始文獻和原始著作中不僅可以窺探到最“原汁原味”的物理思想和物理觀念（這一點與思政教育的關系見本文2.4小節），而且還可以洞察出物理前輩從事該項研究的原初動機。筆者認為物理學家最初的探索和思考更能體現出認識論的一般規律，物理學家研究某一問題的原始動機則能夠給我們呈現出一幅更為宏大的視圖，讓我們看清該科學問題的時代性和它在整個人類歷史、科學史中的地位和角色，從而將我們學到的零碎的物理知識匯總成一個鏈條，匯編成一個故事。而這些鏈條和故事不僅對我們駕馭物理知識本身是有益的，而且對我們開展思政教育也是大有裨益的。相反，在教科書上的知識往往是后人不斷完善，不斷加工后的“完美”結果，這使得學生很難從中看出在科學發現中那些樸素的想法和構思，從而使科學家身上所具有的人文的、思想性的思政要素被掩蓋。這里以《熱學》中卡諾定理一節的課堂教學為例。教師常常會介紹法國科學家卡諾天才而又短暫的一生，以及他為研究熱機效率而提出卡諾定理。但在卡諾的原始論文《關于火的動力及適于發展這一動力的機器的思考》中，我們卻能窺見到一些耳目一新的內容。卡諾的論文發表于拿破侖帶領的法國軍隊遭遇滑鐵盧慘敗后的第九年，英法之間的沖突依然存在，在這樣的歷史背景下，這篇提出卡諾定理的著名論文寫得充滿了戰斗色彩。在論文的引言中，身為法國人的卡諾指出：英國的軍隊并不強于法國軍隊，只是其戰船比法國強，而戰船之所以強于法國是由于戰船所用的蒸汽機比法國強。而這正是卡諾研究熱機效率的動機。卡諾的論文能夠讓學生體會到“科教興國”的重要性。這樣的順其自然的思政滲透是以深挖物理學史，深挖原始文獻為基礎的。相反，如果僅僅是對物理史實的簡單羅列，就很難起到好的思政教育的效果。

1.3 融入的思政內容不能很好地反哺專業知識教學

課程的專業知識是課堂講授的重點，課程專業知識的教學與課程思政教育的協同性還應該體現在思政內容對專業知識教學的反哺上。尤其是在當前不斷壓縮專業主干課教學課時的背景下，在有限的課堂時間內，不容許教師過多地補充和擴展與專業知識關聯性不強的內容。因此，如果我們的課程思政不能夠“反哺”專業知識教學，則在有限課時下，課堂教學的效率就不能夠得到很好的保障。這里以筆者之一的親身體會舉一實例，在量子力學課堂上講物質粒子的波粒二象性時，筆者也常常會在課堂穿插量子力學誕生那段波瀾壯闊的歷史，其中不乏包含諸多有積極意義的思政元素。但令筆者心存疑慮的是：這些精彩的物理學史和思政元素的融入對化解“波粒二象性”概念的晦澀，解除學生對“量子化”觀念的疑惑究竟能起到多大程度的作用。一個明顯的事實是：學生不可能僅靠看量子論的物理學史而真正學懂量子力學。再比如，在量子力學微擾論的教學中，有些教師把無微擾的哈密頓量比作哲學中的主要矛盾，而把微擾部分的哈密頓量比作哲學中的次要矛盾，從而提煉出在工作生活中要先抓住主要矛盾，再解決次要矛盾的處事觀點。這種將辯證法融入物理課堂的做法是值得肯定和贊賞的，但這是否有利于學生真正吃透量子力學中微擾論的核心思想，是否能夠反哺專業知識教學卻猶未可知。教學內容的知識性、思政性和趣味性三者對于課堂而言都是重要的，但必須讓三者有機地、深度地融合為一體，而不是彼此割裂。

2 如何讓課程思政與專業知識渾然一體，避免“違和感”

本部分提出了克服融入課程思政時產生“違和感”的兩條基本原則：其一是在開展課程思政時要做到“自然過渡，有機融入”。其二是從專業知識本身去挖掘思政元素。

2.1 注重思政內容與專業知識教學之間的關聯，做到恰當選材，自然融入

仍以電磁感應定律的教學為例，在上，教師通過補充物理學家法拉第的勵志經歷以實現思政教育的融入。我們已經指出述前案例中可能的“違和感”，其問題正是在于教師在物理學史的選材上以及與專業知識教學的銜接上都不恰當，不能做到自然、有機地融入。下面仍以本節課為例展示如何做到“自然過渡，有機融入”。

1823年Colladon做了如圖1所示的實驗，該實驗與現在教科書中的電磁感應實驗非常接近，即用一根條形磁鐵插入或拔出閉合螺線管，并借助奧斯特所提出的電流的磁效應來判斷是否產生感應電流（如圖1右側所示）。但是Colladon擔心條形磁鐵本身的磁性會影響到靈敏的小磁針，于是把小磁針置于另一個房間，通過墻壁上的小洞將導線引入該房間（見圖1）。每次插入條形磁鐵后，Colladon就跑到另一個房間去觀察小磁針是否轉動。在他的設想中，導線中會形成一個持續的電流。但電磁感應現象是一個暫態現象，因此，當Colladon跑到另一個房間時，小磁針已經偏轉過后又回到了原位置。就這樣Colladon與電磁感應定律擦肩而過。

法拉第與Colladon的設想是相似的，相似之處在于：法拉第也沒有意識到電磁感應現象是暫態的，所以法拉第做了各種各樣的實驗設計，犯了很多類似的錯誤。但是，法拉第與Colladon又是不同的，不同之處在于：法拉第從不言放棄，圍繞電磁感應的實驗，他在自己各種各樣的錯誤中堅持了十年之久。直到有一天他偶然發現只有在電路開合的瞬間才會有感應電流，于是他幡然醒悟，提出了著名的電磁感應定律。

上面這段物理學史一方面承載著明確的思政元素：（1）在思想教育層面，通過法拉第與Colladon兩人的對比中可以看出“成功在于堅持和毅力”;（2）在政治哲學層面，盡管法拉第是“偶然”發現了電磁感應，但這種偶然性的發生是他堅持十年的結果，從中可以體會到“偶然性與必然性的哲學關系”。尤其值得強調的是，這段物理學史與專業知識教學緊密相關，它加深了學生對電磁感應暫態特征的理解，對專業知識教學有著直接的促進和深化作用。課程思政與專業教學內容之間是相互交融、彼此契合的。

2.2 從專業知識中挖掘思政元素，并以課程思政反哺專業知識教學

應重視從課程知識內容的本身和內在之中去挖掘思政，思政教育應做到由內而外的本色展示，而力爭避免為了“思政”而“思政”地生搬硬套。現在仍以量子力學中的微擾論教學為例，但與上文中關于微擾論的教學設計卻完全不同。微擾論的核心要點是：微擾哈密頓中包含有“小參量”，進而導致能量本征值和本征態中必然也含該小參量。找出這個小參量，將本征值和本征函數依該小參量進行級數展開。該小參量作為小量在展開項中可以只保留低階項的貢獻，而把更高階項截斷，這就是微擾論方法的精髓。從唯物辯證法的角度可以看出，微擾論中保留低階項，舍棄高階項的做法正是抓住事物主要矛盾，忽略次要矛盾的體現。微擾展開中的低階項（比如一階或二階項）往往已經抓住了微擾給體系帶來的定性改變，比如能級的劈裂或移動對比發現，同樣的教學內容——微擾論，同樣的思政元素——唯物辯證法，但筆者所建議的思政教育方式與上文所提及的方式相比有著顯著的不同。首先，筆者是從所講的專業知識本身，從深層凝練、挖掘思政元素，而不是浮于表面的類比。其次，筆者所建議的方式中思政元素對專業知識的教學有很強的反哺作用，二者之間高度融合，渾然一體。

課程思政反哺專業知識教學還能夠為教師在課堂講授中如何“引題”提供思路。通常情況下，教師會先講授專業知識以及相關的物理學史、科學家小傳等，然后從中剖析，挖掘思政元素。但是，這一過程也可以反向進行：先從愛國主義的角度出發拋出當前國家、國防、社會、民生中所面臨的重大問題和挑戰，比如我們國家在芯片制造、大飛機制造、高性能激光器制造等方面的受制于人，以此激發學生的斗志，喚起學生的責任感和使命感。然后一步步地建立這些重大問題與教學內容之間的聯系，自然地過渡到教學內容，引出正題。比如，在《量子力學》中，可以通過介紹我國在量子通訊和量子信息領域取得的巨大成就，激發學生的自豪感。引出量子力學基本原理的教學。

2.3 將思政元素融入物理方程、物理公式、物理符號

對于物理學而言，數學是研究物理的基本工具，物理規律的數學化描述就是物理方程和物理公式，這是專業知識的核心內容。但一個值得注意的現象是對物理學課程思政的研究、探討、實踐都往往游離于物理方程和公式之外，導致課程思政教學設計中專業知識教學與思政教育之間的割裂。很多教師還錯誤地認為把思政元素融入到物理方程和物理公式中是不現實的。事實上，物理方程和公式是對物理規律和物理思想的數學表達，而物理規律和物理思想背后所蘊藏的自然哲學也完全可以反映到這些看似晦澀的物理方程和公式中。因此，將思政元素融入物理方程和公式具有合理依據。下面舉兩個具體實例：

實例1：自由能公式和自由能減小原理中蘊藏的矛盾論哲學

基于自由能定義式和自由能減小原理可以討論水的固液（或液固）相變，并能從中挖掘出哲學思政元素。為了簡化討論，我們忽略固液相變時水的體積改變（等容）。自由能定義式（1）和自由能減小原理式（2）如下

對于給定的溫度T₀（等溫），自由能減小原理告訴我們：水能否會發生固液或液固相變完全取決于該過程的自由能是否減小。從微觀上看，氫鍵的數目是描述固相（氫鍵多）和液相（氫鍵少）的有效參數。由于氫鍵是分子間的吸引作用，所以氫鍵數目的增加導致內能U 的降低，但與此同時，氫鍵對分子的束縛使得體系的無序度減小，進而導致熵S 的減小。再結合式（1）可得出圖2（a）、（b）中的結論。

圖2表明：氫鍵數目的改變導致體系在兩個方面（U 和S）同時發生變化。而根據公式（1），U和S 的變化對自由能F 的貢獻是完全相反的（一個使其減小，另一個使其增加），因此二者導致的結果是一種競爭關系。體現了事物內部總是存在矛盾與斗爭的哲學命題。正如習近平總書記指出的：矛盾是事物聯系的實質內容和事物發展的根本動力。體系中熵與內能通過對自由能的貢獻而彼此競爭，這種競爭能夠推動事物發展，即水發生相變。當溫度很低時（T₀ 很小），T₀S 將很小，導致熵對F 的貢獻變得不再重要，是矛盾的次要方面，而內能U 對F 的貢獻成了主導，是矛盾的主要方面。因此，根據圖2，為了使F 減小應增加氫鍵以降低內能，導致液相變為固相（氫鍵由少變多），反之亦然。在該實例中，熱力學方程和公式與哲學規律是相輔相成的，在融入思政元素時始終沒有脫離專業知識教學，而是將二者從根本上結合在一起。

實例2：含時薛定諤方程求解中所蘊藏的因果律哲學

筆者之一在講述量子力學中“從初態出發求含時薛定諤方程的通解”問題時，常常用經典牛頓方程的求解與之進行對比，這種對比對學生更好地學習和理解量子力學大有裨益。那么這二者之間為什么能夠對比，其相似性又在哪里？ 事實上它們都與哲學中所講的因果律有很大關系，如圖3所示。這種因果律蘊藏在物理方程之中，通過這一思政元素的挖掘，可以使經典力學與量子力學間的相似之處清晰地呈現出來，使學生更容易認清薛定諤方程在量子力學中的地位和意義。

上圖表明：無論經典力學還是量子力學，對系統狀態演化的描述都遵循相同的哲學原則。要預先知道體系的初始狀態，對應于事物的因。而體系在以后時刻的狀態（末態）對應于事物的果。因果之間必然存在著由因導致果的因果律，這對應于物理狀態的演化規律。量子和經典區別僅在于：兩者對物理狀態的數學描述不同罷了，前者為波函數Ψ r，t ，后者為位矢和動量 r，p 。相應地，它們的因果律及其數學描述也不同：在經典力學中因果律就是牛頓方程，在量子力學中因果律就是薛定諤方程。從這個例子可以看出：一方面，所融入的課程思政元素——因果律是源自專業知識本身，不是附屬品，并且與要學習的專業知識——物理方程是渾然一體的。另一方面，通過融入課程思政元素——哲學中的因果律，而把新舊知識聯系了在一起。通過新舊知識的對比，使學生能夠更加容易地學習量子力學，體現了課程思政對專業知識教學的“反哺”。

2.4 從物理學的原始文獻和原始著作中挖掘哲學思政元素

本文1.2小節已經討論了基于物理學史融入思政教育時，閱讀原始文獻和原始著作的重要意義。本小節將進一步指出，物理學的原始文獻及原始著作常常蘊藏著深刻的哲學思想，而這在我們的標準教科書中通常是看不到的。教科書在素材的組織和內容的編纂上注重的是邏輯性、嚴謹性和完美性，因而常常抹去了科學發現的曲折性和科學家在探索過程中由其哲學觀所支配的直覺和信念的重要性，而這一點在科學探索的原初階段無疑是至關重要的。對于量子力學的基本原理的理解，愛因斯坦曾有一句名言：“上帝不會擲骰子”。這句話很好地反映了物理學家自身的哲學觀所支配的物理直覺和信念。

這里以電磁場這一重要物理概念為例加以闡述。電荷周圍存在電場的觀念最初是由法拉第提出的，而法拉第之所以能想象到電場和磁場的存在與他所秉持的哲學觀念有密切關系。在法拉第的原始著作《電學實驗研究》中，可以看出他一開始就明確反對所謂的電荷之間的“超距作用”。所謂的“超距作用”是指兩個相距一定距離的電荷之間可以不通過任何媒介而發生直接的相互作用。而法拉第堅信任何相互作用都必須通過一種媒介，即某種物質，才能發生傳遞。這反映了法拉第樸素的唯物主義世界觀。正是在這樣的哲學信念下，他才堅信在電荷周圍一定存在著一種傳遞相互作用的物質，并把它稱之為電場。后來，麥克斯韋完全接受法拉第關于場的觀念也是源自于唯物論的哲學觀，在麥克斯韋寫給法拉第的信件中曾明確的表示自己不相信那種脫離了傳播介質的相互作用（超距作用）。上面的例子表明物理學家的哲學觀對他們在原初的科研探索中起著極為重要的作用。教師能夠提取出這些物理學探索中所蘊藏的哲學觀念無疑對物理課程的思政教育是大有裨益的。但需要指出的是，教師很難從教科書中捕捉到這些科學探索原始過程的曲折性和復雜性，進而也很難汲取其中所蘊含的哲學思想，所以應該閱讀原始的相關文獻和資料。

3 結語

思政教育應與專業知識教學形成協同效應，為此，教師既需要深挖專業知識的內涵，又需要廣泛涉獵其外延，并在教學實踐中錘煉其教學方法。最終在教學中達到二者之間彼此交融，渾然一體的效果。