課程思政融入大學物理的實踐與探索

摘" 要：大學物理是全國高等理工院校各專業學生必修的公共基礎課，其基本理論思想滲透自然科學各個領域。課程思政是思想政治教育的一種形式，它以專業課程為載體，在保證思政內容與教學目標緊密結合的前提下，將思想政治教育的內涵、要求、原則有機融入每一門具體課程中。在大學物理課程中開展思政教育，不僅能使學生掌握基本的物理理論知識，提高學生的科學素養，而且對引導學生塑造獨立人格、完善道德品性、培養公共精神等方面具有重要價值。文章以狹義相對論章節為例，探索了在課程中挖掘蘊含的思政元素及課堂融入方法。通過合理設計課堂、線上線下混合教學等途徑，在課程教學中更好落實知識傳授和價值引領的根本任務。

關鍵詞：課程思政；大學物理；狹義相對論；愛國情感

中圖分類號：G641" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）33-0119-04

一、大學物理課程思政的現狀分析

課程思政是一種旨在將思想政治教育的內容、要求、原則與每門具體課程有機結合起來的思想政治教育形式，它以課程為重要渠道，以隱性方式進行。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調，要堅持把立德樹人作為中心環節，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，因事而化、因時而進、因勢而新，實現“知識傳授”和“價值引領”的統一。［1］目前，廣大教師通過有效組織課堂教學活動，積極深入挖掘課程中蘊含的思政元素，營造生動多樣的教學環境，在全國高校廣泛推進課程思政建設。將思政元素與課堂教學完美結合，通過創設生動豐富的教學情境，達到以課思政的潤物細無聲的效果。［2-3］習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調：“各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應?！?［1］

物理學是一門關于物質世界存在及其演化之道理的學科，其關注的是自然界物質最基本的結構、物質存在最基本的形態以及物質最基本、最普遍的各種運動的規律。其知識體系貫穿自然科學的各個領域，包括經典物理理論（力學、熱學、電磁學、光學）和近代物理理論（相對論和量子力學）。當今物理學研究的領域從可見的實物到不可見的場，從基本粒子到極為復雜的生命和宇宙，包含的尺度從小到質子的半徑10-15m到目前可探測到的最遠的類星體（quasar）的距離1026m，包含的時間從短到10-25s的最不穩定粒子的壽命直到可能長達1039s的質子的壽命。

大學物理是教育體制和每個進步社會的一個重要組成部分，是高等理工院校各專業學生必修的公共基礎課。在大學物理課程中開展思政教育，不僅可以使學生獲得基本物理知識，而且可以培養學生樹立辯證的唯物主義世界觀、嚴謹的科學態度、深厚的愛國情感，對學生獨立的人格塑造、品德的提升，以及培養公共精神等方面也起到重要的導向作用。大學物理作為自然科學的基礎學科，將課程思政育人理念融入課程各個環節，在知識傳播的過程中實現價值引領非常有必要。文章以馬文蔚主編的《物理學》（第七版）第十四章相對論為例，［4］深入挖掘章節中的思政元素及探討其融入方法。

二、大學物理思政元素挖掘及課程融入探索——以相對論章節為例

大學物理課程本身包含了豐富的思政元素，更需要巧妙的課堂設計才能將思政元素潤物無聲地融入其中。因為課程內容對學生來說難度較大，學時壓縮的前提下，采用線上線下混合式教學模式，利用線上平臺及時推送與課程相關的視頻或讀物，讓學生利用碎片化的時間了解這些知識，在課堂上進行討論學習，既能節省課堂時間，又能更深層次地引導學生的思想。

（一）運用相對論誕生歷史培養學生科學創新精神

相對論是一門關于時間、空間、物質及其運動規律相互聯系的物理學理論，它的創立并不是源于愛因斯坦的突發奇想，而源自人們對經典力學和電磁理論的綜合與突破。相對論的提出主要為了解決經典力學和電磁理論在時空概念上的矛盾，而相對論的建立則完全體現著愛因斯坦對物理規律統一性和客觀性的追求。從17世紀到19世紀，經典的力學、電磁學、光學、熱力學和統計物理學，都已經發展到了相當完善的程度，人類不僅可以解決包括天體運行在內的宏觀物體低速運動的問題，而且也成功地描述了電磁場運動變化的規律。

隨著電磁學的發展，人們認識到光即電磁波，其運動遵循麥克斯韋方程組描述。然而，麥克斯韋方程組在伽利略時空轉換下無法維持形式不變，違背了力學相對性原理。因此，為了實現經典力學和電磁學的理論自洽，物理學家們迫切希望找到一個能使麥克斯韋方程組成立的絕對的慣性系統。光和電磁波的傳播需要借助類似于機械波的媒介，這是在光和電磁理論剛剛發展之時就被學者廣泛認同的。這種媒介被19世紀的科學家稱為“以太”。他們認為，以太充滿整個空間（包括真空），且能夠滲透所有物質。在相對以太靜止的參照系中，光速各向同性，麥克斯韋方程組才能成立，此參照系可稱為以太參照系，也是經典力學中尋找的絕對參照系。這時又產生了另一個問題，既然物體中也存在著以太，如果物體運動，其中的以太如何運動，是完全被拖曳著一起運動，還是部分地被拖曳著運動，或者以太完全不被拖曳。為了解答此問題，人們投入了大量的精力并設計了很多實驗，結果表明物體中的以太或部分被拖曳或完全不被拖曳，不管是何種說法，對折射率為1的透明物體如空氣，其運動時應該完全不能拖曳以太。也就是說，在地球運動的時候，空氣不會拖曳以太一起運動，這樣應該能夠測出地球相對于以太的運動速度，而著名的邁克爾孫-莫雷實驗就是為了這個目的而被巧妙地設計出來，然而最終的結果表明這個速度為零，以太假說陷入危機。

事實上，包括邁克爾孫-莫雷實驗和其他多次實驗以及光速測量結果都一致認為光在真空中的傳播速度不依賴于參考系的選擇和光源的運動狀態。這個結論實際上是麥克斯韋電磁理論的一個推論，因為實驗發現，在任何慣性系統中，麥克斯韋方程組都可以成立，由此方程組可以推得電磁波在任何慣性系統中的傳播速度都是光速c。然而，現有的麥克斯韋電磁定律經過伽利略時空變換后形式會發生改變，這表明麥克斯韋方程或伽利略時空變換至少有一個是有問題的。事實上光速的不變性明顯地使經典力學中的伽利略速度變換公式面臨巨大的挑戰。面對實驗事實，當時的多數物理學家仍擺脫不了對時間和空間的絕對認識的束縛，總是試圖在牛頓力學的框架內協調上述矛盾。在上述物理時代背景下，愛因斯坦的相對論誕生了。相對論的建立，不僅徹底打破了伽利略的速度變換原則，而且也徹底超越了經典力學中僵化的時空觀念。面對實驗與理論的沖突，面對一切試圖改良舊理論的失敗，愛因斯坦堅信麥克斯韋方程組的普適性，拋棄絕對的時空觀念，并科學提出了兩個基本假設，產生了狹義相對論，并將結果發表于1905年的論文《論運動物體的電動力學》。相對論的建立不僅帶來了人類時空觀念上的深刻變革，而且對近代物理學的發展產生了極其深遠的影響，對核物理、高能物理和宇宙物理學的發展影響尤甚。［5］

教師可基于“狹義相對論”的誕生歷史，讓學生感受物理定律的客觀性，盡管不同的觀測者所觀測到的物理現象會有所不同，但他們最終感受到的物理規律卻應該是相同的。這種所謂具有統一性的物理規律就是人們努力從大自然中發掘出的、決不因人而異的客觀真理。任何一個偉大的科學理論的發現與發展都需要前人的積累，還要有自身不懈的努力和堅持、敏銳的思維視角，培養學生的科學創新精神。

（二）運用相對論在現代科學的應用厚植學生愛國情感

對比較抽象的知識的理解，可以從生活常識出發去學習。愛因斯坦相對論的應用最貼近我們生活的就是全球定位系統（GPS）。GPS定位的誤差來源包括相對論效應的影響，更精確的位置信息可以通過這種效應的修正獲得。愛因斯坦的時空一體化理論表明，衛星時鐘與接收器所處的狀態（運動速度與重力位置）不同，會導致衛星時鐘與接收器之間的相對誤差。因為GPS定位是依靠衛星上的原子鐘提供精確時間來實現的，所以導航定位的精準度取決于原子鐘的準確度。相對論效應是提供精確衛星定位服務時必須考慮的一項參數。

北斗衛星導航系統是中國自主建設運行的全球衛星導航系統，回顧我國北斗的發展史，有助于厚植學生的愛國情感。我國北斗衛星工程起步于1994年，首顆測試衛星于2000年發射成功，隨后第一代北斗衛星于 2007年發射升空。［6］截至2020年6月，共完成44次任務，共計55顆衛星成功發射，成功率高達100%。［7］中國北斗完成組網表明我國在衛星導航領域已處于全球領先地位。然而，北斗的研發是在屈辱與逼迫中進行的。1993年，美國制造了震驚世界的“銀河號”事件。［8］由于全球衛星定位依賴美國GPS，美國關閉了我國“銀河號”貨輪的GPS信號，致使該貨輪失去方向，被迫同意美國進行登船檢查。2000年，在世界舉行的無線電會議上，美國提議取消北斗衛星使用的s頻段，2003年，中國出資2億歐元加入歐盟“伽利略”計劃，卻無法進入核心技術層，受制于人。后來中國的衛星導航相關的專利達7萬件，名列全球第一。［6］基于我國2020年6月份“北斗全球定位系統”組網成功背后的艱辛與不易，激發學生的愛國熱情，厚植學生愛國情感。在培養學生道路自信、理論自信、制度自信、文化自信的同時，更要培養學生的自強精神。

（三）在內容講解過程中培育學生的科學世界觀和公共精神

科學的世界觀就是馬克思主義的世界觀，就是辯證唯物主義的世界觀。黨的十八大以來，習近平總書記多次強調要樹立正確的世界觀，而且在黨的十九大報告中也明確提出，“解決好世界觀、人生觀、價值觀這個‘總開關’問題”。在紀念馬克思200周年誕辰大會上，習近平總書記強調，“我們要堅持和運用辯證唯物主義和歷史唯物主義的世界觀和方法論，堅持和運用馬克思主義立場、觀點、方法”“真正把馬克思主義這個看家本領學精悟透用好”。［9］

公共精神包括獨立的人格精神、社會公德意識、自律自制的行為規范、善待生命的慈悲胸懷和仁愛精神等。相對論知識很多不是我們日常生活中常見的現象，因此更需要用科學的世界觀去看待問題。例如，在講力學相對性原理時，力學定律在各個慣性系統中的形態也完全相同。這意味著在不同參照系中，物理量的演化會遵循完全相同的規律，由此可見，這些慣性系都是等價的，沒有優劣之分。換個角度看，力學法則告訴我們，觀察者是平等的，在任何慣性系統中都是如此。這一思想最早由伽利略完整地表述出來，但實際上，在我國古籍中早有關于這一相對性原理的思想記載，西漢時成書的《尚書緯·考靈曜》（早于伽利略1700年）就有“地恒動不止而人不知，譬如人在大舟中，閉牖而坐，舟行而不覺也”的記載。

相對論的兩條基本原理：1. 相對性原理：物理規律在所有慣性參照系中都將具有同樣的數學形式；2. 光速不變原理：在一切慣性系中，真空中的光速沿任何方向都表現為恒定的常數c。兩條原理簡潔明了，但思想深刻，意義深遠。從數學角度上講，它表明了物理定律對慣性系之間的時空變換必須具有不變性，即物理定律經過慣性參照系間的時空變換后形式必須保持不變。從物理角度上講，它表明了物理定律與慣性系的無關性，即物理定律是客觀的、絕對的?；蛘哒f，在物理定律（自然法則）面前，所有慣性系中的觀察者都是平等的。相對性原理反過來表明：一個真正意義上的物理定律，必然要滿足相對性原理，體現人人平等的原則，明顯地體現了對物理定律的制約作用，也就是說相對性原理實際上是一個關于物理定律的定律。［5］

在講時鐘延滯、尺度收縮等相對論效應時，由于相對論效應是四維時空變換的結果，在三維空間中很難想象。動尺變短效應是絕對的，只要被觀測到的物體相對于觀測者運動，就會觀察到物體的長度比它固有的長度稍短。這個問題可以通過測量μ子的平均壽命來反映，時間的延遲和長度的縮短有一定的關系。從宇宙深處來到地球的高能宇宙射線進入大氣層時，與距地面10 km以上的大氣層中的氣體分子發生劇烈碰撞而產生大量的μ子。μ子為不穩定的微觀粒子，其平均壽命為2.15×10-6s。因此，按經典理論計算，即便是假定μ子以光速運動，μ子也只能飛行630米左右，根本無法在其自身平均壽命內到達地面。然而，不可否認的實驗事實是，地面上確實能夠探測到由高空而來，且速度約為0.998 c的大量μ子。這一結果只有利用相對論相關公式才能解釋。非超光速運動的μ子卻能夠在較短的壽命期間內穿越大氣層的事實表明，時空與運動不再是分離的和毫不相干的，而是表現出了顯著的依賴關系。因此，相對論時空觀表明，時空是運動物質的存在形式，時間和空間的量度不僅與參考系的選擇有關，并且與物質密不可分。在世界上既不存在孤立的時間，也不存在孤立的空間。時間、空間與運動三者之間的密切相連，深刻地反映了時空的性質。相對論時空觀是人們對時空的新認識，這種認識隨著實踐的發展而逐步發展，同時也必將會隨著實踐的發展而變得更加深入，但它絕不是最終的理論。比如，在廣義相對論中，人們又提出了時空彎曲以及時空與引力場的關系等概念。然而在微觀領域，現有的實驗則證明了相對論在10-18m尺度范圍內依然有效。因此，在教學過程中，要不斷引導學生用科學的世界觀去認識世界。

三、結語

大學物理課程思政是一種旨在把思想政治教育的內容、要求、原則與大學物理課程有機結合起來的教育形式，它是以大學物理課程為重要渠道，通過隱性方式，實現思想政治理論的傳播。本文以“相對論”章節為例，介紹了在課程中有效融入科學創新精神、愛國情懷、公共精神等價值觀的方法。通過合理設計課堂、線上線下混合教學等途徑，在課程教學中更好落實知識傳授和價值引領的根本任務。

參考文獻：

［1］ 習近平在全國高校思想政治工作會議上強調：把思想政治工作貫穿教育 教學全過程開創我國高等教育事業發展新局面［N］. 人民日報，2016-12-09（01）.

［2］ 李俊玉，馮學超，吳杰，等. 依托超星平臺大學物理課程思政探索與實踐［J］. 物理通報，2022（02）：69-72.

［3］ 吳杰，蔣逢春，馮學超. 大學物理融入課程思政的探索：以恒定磁場為例［J］. 物理通報，2021（06）：36-39.

［4］ 馬文蔚，解希順，周雨青. 物理學（第7版）下冊［M］. 北京：高等教育出版社，2020：10.

［5］ 吳明陽，馮學超. 大學物理學［M］. 北京：高等教育出版社，2022：327-334.

［6］ 李國利，武中奇. 北斗追夢 領航蒼穹——中國北斗建設發展三十周年記事［N］. 人民日報，2024-09-20（07）.

［7］ 蔡婷. “長征”三號B成功發射第55顆“北斗”衛星“北斗”三號全球星座部署完畢［J］. 中國航天，2020（06）：24.

［8］ 強行指控“銀河號” 蓄意挑釁中國［EB/OL］. （2021-11-12）［2023-07-16］. https：//m.gmw.cn/baijia/2021-11/12/35307509.html.

［9］ 習近平. 在紀念馬克思誕辰200周年大會上的講話［N］. 人民日報，2018-05-05（02）.

（責任編輯：牛雪璐）