大學物理實驗課程的通識教育探究

摘 要 “大學物理實驗”課程是理工科學生較早接觸的實驗操作類課程，涵蓋了力學、熱學、電學、磁學、光學等多個分支領(lǐng)域。華東師范大學大學物理實驗教學團隊在實驗教學中堅持將學科知識和通識元素有機融合，將綜合育人的理念貫穿始終。本文以“拉伸法測定彈性材料的楊氏模量”為例，從“實驗背景、目標要點、通識融入、案例挖掘”入手，探討如何在大學物理實驗教學過程中實施通識教育，以期兼顧“授業(yè)解惑和傳道育人”，踐行立德樹人的教育初心。

關(guān)鍵詞 大學物理實驗;通識教育;楊氏模量

通識教育是高等教育的必要組成部分，是造就具備遠大眼光、通融識見、博雅精神和優(yōu)美情感的人才的高層文明教育和完備的人性教育[1]。“大學物理實驗”課程是物理專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一， 是很多理工科院系在本科階段較早開設(shè)的實驗操作類課程，學期多、學時長、參與面廣，涵蓋力、熱、電、磁、光等多個分支領(lǐng)域;非常適合通識理念的融入，引導學生在鞏固知識、熟悉方法、訓練技能的同時，樹立忠誠愛國的家國情懷、養(yǎng)成自主獨立的學習習慣、提升理性務(wù)實的專業(yè)素養(yǎng)、秉承嚴謹求真的學術(shù)道德、淬煉辯證反思的創(chuàng)新精神、踐行格物致知的智慧思想。物理實驗課程的學科知識和通識元素有機融合，有助于知行合一的智慧創(chuàng)獲，有助于務(wù)實求真的態(tài)度養(yǎng)成，有助于探究求索的思維訓練，有助于正心修身的品性陶熔，有助于民族復興的使命擔當。

目前，物理實驗中通識元素的挖掘主要涉及學科歷史、思想淵源，學者品質(zhì)、研究特點，領(lǐng)域前沿、學科短板，知識延展，思維內(nèi)涵等[2-8]。但如何避免脫離學科知識的“生硬牽強”“刻板機械”，落實通識內(nèi)容的 “融鹽入湯”“潤物無聲”，除了政策上的引導鼓勵和推進落實，還需要一線教師在通識意識、精神風尚，學術(shù)水平、人文素養(yǎng)，教學方法、課例設(shè)計等方面不斷地學習和提升。尤其是如何在具體的實驗課堂中以學生樂于接受的方式，行之有效地兼顧“授業(yè)解惑和傳道育人”，仍值得教育工作者更加深入地思考和探索。

為此，本文以華東師范大學“大學物理實驗”中的“拉伸法測定彈性材料的楊氏模量”實驗為例，從實驗背景、目標要點、通識融入、案例挖掘等方面，探討如何將通識理念融入大學物理的實驗教學，以期為理工科實驗教學科學地開展通識教育提供一定的借鑒和參考。

1 實驗背景和目標要點

“拉伸法測定彈性材料的楊氏模量”實驗教學，可以從楊氏模量的“定義概念”“適用條件”“基礎(chǔ)意義”“應(yīng)用價值”“測量理念”“實驗方法”等實驗背景出發(fā)，明確實驗課程“理論鞏固”“操作訓練”“設(shè)計改進”“習慣培養(yǎng)”“精神熏陶”“思維拓展”等目標要點。

1.1 實驗背景

楊氏模量，因英國物理學家托馬斯· 楊于1807年定義了材料力學中的彈性模量概念而得名;描述了彈性限度內(nèi)，彈性體材料抵抗外力產(chǎn)生形變的能力，是機械設(shè)計和材料性能測試中必須考慮的重要的力學參量，數(shù)值上等于產(chǎn)生單位應(yīng)變的應(yīng)力;基于光杠桿放大的拉伸法，是測定材料楊氏模量常用的方法。具體方法如下（圖1）：原長為L、截面積為S 的、粗細均勻的金屬絲，下端砝碼托盤上增加負載F 之后，鋼絲伸長ΔL，光杠桿后足C 隨之下移距離ΔL，在金屬絲的彈性限度內(nèi)，應(yīng)力F/S 與相關(guān)應(yīng)變ΔL/L 成正比， 比例系數(shù)E 即為該金屬絲的楊氏模量。如圖1所示，光杠桿鏡面連同橫架一起繞前兩足A 、B 連線轉(zhuǎn)過一微小角度θ，從望遠鏡中能清楚地看到平面鏡反射的直尺讀數(shù)變化y-y0;當θ 很小時，可由幾何關(guān)系得出ΔL=（K／2D）（y-y0），其中，D 為直尺與光杠桿的距離，K 為光桿桿前后足間的垂直距離。如此，不易測量的ΔL 即可通過易測量的K 、D 以及反射鏡中的直尺讀數(shù)間接獲得，進而得出楊氏模量E 值[9]。

1.2 目標要點

（1） 指導學生掌握光杠桿的放大原理和實驗的具體流程，在熟悉步驟的基礎(chǔ)上細致耐心地完成每個操作;

（2） 在學生了解 “化難為易”物理測量思想之后，引導其對現(xiàn)有實驗提出反思和改進設(shè)想;

（3） 規(guī)范學生在實驗中養(yǎng)成準備充分、條理清晰、細心嚴謹、實事求是的科研習慣;

（4） 適時融入歷史傳承、科技發(fā)展、學者風范，在潛移默化中增進學生的學科認同和思想共鳴;

（5） 在學生充分掌握實驗的基礎(chǔ)上，將實驗中的杠桿理念拓展到學科分支領(lǐng)域，引發(fā)學生的思維熱情和創(chuàng)新視點。

2 通識融入和案例挖掘

2.1 歷史回溯

習近平總書記曾多次提到中國人的“文化自信”，指出：“在5000多年文明發(fā)展中孕育的中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，在黨和人民偉大斗爭中孕育的革命文化和社會主義先進文化，積淀著中華民族最深層的精神追求，代表著中華民族獨特的精神標識。”物理實驗課程中也可以發(fā)掘出中國傳統(tǒng)的文化元素;老師可以在介紹“光杠桿”的原理時，引入“杠桿”的溯源，從《墨經(jīng)》“本短標長”的權(quán)衡之器、《樂府詩集》“烽微桔槔遠，橋峻轆轤難”的汲水工具（圖2），展現(xiàn)中國古代勞動人民的偉大智慧。

此外，在經(jīng)典物理發(fā)展史上，力學杠桿和庫侖扭秤啟迪了卡文迪許扭秤的誕生。阿基米德曾想過利用力杠桿撬動地球，而卡文迪許則利用光杠桿稱量地球，他精妙地利用了轉(zhuǎn)化與放大的思想，使得扭秤的大、小球之間微小的萬有引力得以呈現(xiàn)。具體做法是將力轉(zhuǎn)化為力矩，并利用平面鏡的轉(zhuǎn)動，得到二倍角變化的反射光線，再增大鏡與標尺的間距，實現(xiàn)微小變化的顯著放大，從而有效提高測量精度;后人根據(jù)其結(jié)果得出地球的質(zhì)量以及萬有引力常數(shù)G 值。拉伸法測定楊氏模量所用的光杠桿（圖1）正是源于卡文迪許扭秤的方法。

2.2 先進技術(shù)

光杠桿的轉(zhuǎn)化與放大，不僅在卡文迪許稱量地球、拉伸法測定楊氏模量等實驗中發(fā)揮精度優(yōu)勢，而且能夠在現(xiàn)代精密科學儀器中充當不可替代的核心組件。比如物理學家基于“杠桿思維”的放大理念，利用光杠桿實現(xiàn)原子力顯微鏡（AFM）在微納尺度的精密測量（圖3）。

當納米針尖在樣品表面掃描時，針尖和樣品間的相互作用會導致微懸臂發(fā)生形變;激光照射到懸臂上，基于光杠桿原理，其反射光斑的位置變化給出樣品表面信息，實現(xiàn)微納尺度表征。

2.3 前沿科學

前沿科學，尤其是中國頂尖成果的引入，不僅能夠打破單一實驗的視域局限，體現(xiàn)學科的時代價值，更能夠提升學生的專業(yè)認同，增強學生的使命信仰。

近年來，物理測量的放大思想在宇觀尺度的研究中大放異彩。比如2017年的諾貝爾物理學獎授予了對直接探測引力波作出杰出貢獻的三位科學家，他們構(gòu)思和設(shè)計的引力波天文臺LIGO，就是借助兩臺配置4公里長直線管道的大型干涉儀，利用鏡子之間多次反射的激光束延長光程，測量出兩支干涉臂的長度變化，從而放大時空中的拉伸或收縮。

中國的科學家也沒有缺席引力波的探測，與LIGO 關(guān)注的短時間、爆發(fā)型引力波不同，中國科學院羅俊院士主持的“天琴計劃”， 其探測對象是可以持續(xù)驗證的、低頻段的連續(xù)型引力波。在項目實施的基礎(chǔ)階段，2018年，羅俊院士團隊利用開發(fā)的精密扭秤技術(shù)，分別以扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法（圖4），測出相對差約為0.0045%的兩個不同G 值[11]，被當期的《自然》雜志評論為：“通過兩種方法測出的G 值的相對誤差達到了迄今最小”，入選了當年“中國科學十大進展”，并于次年寫入我國普通高中物理教材。2022年3月，羅俊院士在參加十三屆全國人大五次會議期間，接受采訪時表示我國首次使用國產(chǎn)自主衛(wèi)星“天琴一號”測量獲得全球重力場數(shù)據(jù)，使我國成為世界上能自主探測全球重力場的三個國家之一。

2.4 學者風范

無論是當年的托馬斯·楊，還是如今的羅俊院士，其成果的取得無不經(jīng)歷了曲折的求索和信念的執(zhí)著，其中蘊含的學者風范值得青年學生景仰和學習。

我們知道，除了楊氏模量，托馬斯·楊還以楊氏雙縫干涉實驗而馳名。其實，當初他以此證明光的波動性時，因為有悖于牛頓的光的微粒說，一度被學界權(quán)威輕視和譏諷，使光學史上這一劃時代成果被壓制近20年。但托馬斯·楊并未屈服于權(quán)威，而是忠于真理、敢持異見，他在《聲和光的實驗和探索綱要》一書中，寫道：“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認為他是萬無一失的。我遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權(quán)威有時甚至可能阻礙科學的進步。” 正如《思維簡史》中所言：“科學是成見和權(quán)威的天敵……要想取得革命性的突破，必須具備公然對抗人人都相信的事實的意愿，并能用可信的新觀念替代舊觀念。”這種突破和對抗無不蘊藏著超越常人意志的不易和堅持。

羅 俊院士精確測量萬有引力常數(shù)G 的艱辛，也能讓我們感受到科學家刻苦鉆研的精神。雖然G 值的測量原理從卡文迪許時代已經(jīng)明確，但高精度的提升需要極其繁瑣、苛刻的條件，比如恒溫、隔振、電磁屏蔽等。研究初期的10多年，羅俊院士幾乎每天都在不見陽光的山洞實驗室中堅守10多個小時;經(jīng)年累月的陰暗環(huán)境，導致其脫發(fā)過半、皮膚受損，感冒發(fā)燒更是尋常。這一研究也經(jīng)歷了30年，最終獲得的精度之高，“相當于在一個1米桿的一端，放上一粒灰塵千萬分之一的重量，也能測量出來”。可見，科學成就的獲得既需要高深的學術(shù)造詣，也離不開耐得住寂寞、守得住冷清的探索情懷。

2.5 思維拓展

《高等學校課程思政建設(shè)指導綱要》指出，“理學類專業(yè)課程，要注重科學思維方法的訓練……”，“專業(yè)實驗實踐課程，要注重學思結(jié)合、知行統(tǒng)一，增強學生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題的實踐能力”。這對于物理實驗課程來說，尤為重要。

實驗課，不是將實驗講義當作說明書機械地模仿，而是應(yīng)該在技能訓練的同時體現(xiàn)思維拓展的價值。老師可以鼓勵和引導學生從常規(guī)式設(shè)計中反思不足，從驗證型實驗中追問未知，從類似性原理中凝練思想，從章程化操作中領(lǐng)悟規(guī)范。教學中可以引導學生思考一些延展性的問題，比如：

師：如何改進設(shè)計使得光路更易調(diào)節(jié)？

生：可以在佩戴護目鏡的情況下，像AFM 的工作方式一樣，利用激光筆使得反射光易見;或者直接用激光筆代替反射鏡，通過光斑讀取標尺數(shù)值。

師 ：除了拉伸法之外，還有哪些可以測量彈性模量的方法？

生：拉伸法是基于定義，靜態(tài)測量楊氏模量的方法;可以查閱文獻，了解脈沖激振法、聲頻共振法、聲速法等方法的原理和特點。

師：所學的其他物理實驗中是否也有轉(zhuǎn)化、放大的思想體現(xiàn)？

生：表面張力系數(shù)的測定，涉及微小力的測量，需要結(jié)合力敏傳感器將不易測的力信號轉(zhuǎn)化為易讀的電壓信號。

思維訓練有助于學生參透課程的知識內(nèi)核，真正做到學以致用。學生除了可以依靠虛擬仿真實驗獲得操作體驗之外，還可以利用現(xiàn)成的材料，自主設(shè)計實驗。比如激光筆、化妝鏡、直尺、拍照手機等替代實驗室中的器材，自行搭建簡易的測量裝置，完成金屬絲楊氏模量的測定。這也有助于學生提高物理興趣，養(yǎng)成研究習慣，增強科學信心。

3 結(jié)語

融入大學物理實驗課程的通識教育，應(yīng)以傳道、授業(yè)的初衷，以希聲、無形的技巧，以互溶、接納的邏輯，將通識元素與專業(yè)知識構(gòu)成有機整體;從而深化學科認知、豐富課程內(nèi)容、活躍課堂氛圍、展現(xiàn)科學魅力。這將有助于學生樂思好學、致知力行，曉理明哲、端正三觀，堅定理想、扶正信念;有助于課程教學育人元素的價值體現(xiàn)和立德樹人的初心回歸。

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基金項目： 華東師范大學“人類思維與學科史論”通識教育課程建設(shè)項目;2019年上海高校課程思政領(lǐng)航計劃（重點改革領(lǐng)航學院）;2022年度華東師范大學課程思政示范課培育項目。