大学物理课程中的思想政治教育*——以“质点运动的描述”为例

刘晓莹

(海南师范大学物理与电子工程学院 海南 海口 571158;海南师范大学教师教育学院 海南 海口 571158)

吕树臣

(哈尔滨师范大学物理与电子工程学院 黑龙江 哈尔滨 150025)

彭鸿雁 孙 丽

(海南师范大学物理与电子工程学院 海南 海口 571158)

课程思政指以构建全员、全程、全课程育人格局的形式将各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应，把“立德树人”作为教育的根本任务的一种综合教育理念[1].教育部2020年6月1日印发的《高等学校课程思政建设指导纲要》指出课堂教学是课程思政建设的出发点和落脚点，课程思政建设要在课堂教学各个方面、各个环节中落地落实，将各门课程中蕴含的政治认同、家国情怀、文化素养、宪法法治意识、道德修养等教育元素与课堂教学有机融合.

以物理学基础为内容的大学物理课程，是高等学校理工科各专业学生一门重要的通识性必修基础课.在教学中挖掘大学物理课程中的思政元素，增强知识传授与价值引领的有机融合，不仅是立德树人教育目标的要求，也是当前教育教学改革的重中之重.

本文以大学物理第一章“质点运动的描述”一节的内容为例，探讨了大学物理课程中的思想政治教育内容，这些内容为大学物理课程思政元素的挖掘提供了支持.

1 “质点运动的描述”知识结构

大学物理课程主要包括力学、热学、电磁学、光学、近代物理等.大学生一入学开始学习物理课，首先学习的便是力学课，而“质点运动的描述”是大学物理力学第一章质点运动学的内容，这一节是在高中物理学习基础上的扩展与深化，为后面动力学的学习奠定基础.从中学物理学习中我们知道位置矢量、位移、速度和加速度是描述物体机械运动的4个基本物理量，这4个量都是矢量，在高中我们主要应用初等数学的知识描述了加速度大小为恒量的运动，而大学物理则是用高等数学来描述更为普遍的运动.本节教学的重点是突出概念的矢量性和瞬时性，要求学生能在直角坐标系中运用矢量描述质点的运动，能应用微积分的知识解决有关运动学的问题，提高学生解决问题的能力.

如图1所示为 “质点运动的描述”一节的知识结构图.

图1 质点运动的描述知识结构图

2 “质点运动的描述”中的思想政治教育

从知识的内在构成来看知识具有3个不可分割的组成部分：

第一是符号表征，即“关于世界的知识”；

第二是逻辑形式，指人类认识世界的方式，具体包括知识构成的逻辑过程和逻辑思维形式；

第三是意义，指知识内具有的促进人的思想、精神和能力发展的力量，它是内隐于知识符号的价值系统[2].

图1所示的知识结构图呈现了“质点运动的描述”一节的符号表征及其逻辑结构，但是课程思政理念下的物理课程还肩负着立德树人的重任，故本节课还要呈现出内隐于知识符号的价值系统，以激发学生的家国情怀，责任担当，让学生感悟到追求真理、质疑创新对科学进步的意义;帮助学生树立正确的科学观念，体会“无限与有限”“近似与精确”的对立统一关系.

2.1 卫星导航系统与中国高铁激发家国情怀

研究物体的运动，首先要建立坐标系描述物体在空间中的位置，而在现实生活中我们要确定位置，则必须借助定位的工具和仪器，当前定位精度高、授时服务及时的当属卫星定位系统，卫星定位系统就是一种以人造地球卫星为基础的定位系统，它可为我们提供准确的地理位置、速度以及时间.当前我国自主建设运行的规模最大、覆盖范围最广、与人民生活关联最紧密的卫星定位系统是北斗卫星导航系统.自20世纪80年代开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路到2020年7月31日上午北斗三号全球卫星导航系统正式开通，我国北斗事业已经进入到了全球服务新时代， “自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”[3]的新时代北斗精神不但是激扬起亿万人民同心共筑中国梦的楷模，更是激励莘莘学子勇攀高峰、报效祖国的磅礴力量.

速度是衡量中国铁路发展的重要指标之一，从蒸汽机车、内燃机车、电力机车再到现在的动车组，每次升级提速带来的都是缩短的时空距离以及更舒适的乘坐体验，当前我国具有完全自主知识产权、达到世界先进水平的动车组列车复兴号的设计运营速度为350 km/h，试验时速达400 km/h以上.速度在物理上是描述物体运动快慢的物理量，它是一种客观存在，而从人文社会的发展角度来看，速度是关于事物状态、属性的时空变化的表征.近几十年来中国发展速度响彻世界，最为瞩目的就是中国高铁的发展，现在，中国高铁已经成为集中展示中国速度、中国创造、中国智慧、中国力量、中国骄傲、中国精神的文化标志[4]，教学中我们可以通过讨论高铁的速度界定让学生认识高铁，了解中国高铁蓬勃发展历程，为中国成为世界上高铁商业运营速度最快的国家而感到自豪.

2.2 运动学发展史彰显科学精神

物理学的发展史是人类对自然的探索史，它描述漫长而无止境的为思想自由、为思想免于暴力、专横、错误和迷信而斗争的历史[5]，它在追求知识和真理的同时，也追求着人类自身的进步与发展.教学中渗透物理学发展史不但能促进学生对科学本质与科学研究方法的认识，而且可以促使学生更好地理解、评价、欣赏科学事业，激发其探究科学的热情、勇气与欲望，培养其坚忍不拔的意志品质[6]，以提升思想观念、科学精神及价值观念.

2.2.1 中国古代运动学成就

早在3 000年前，我国中原地区已使用圭表测影法来确定时间；公元前500年的《考工记》就已经记载了大量力学现象，如对弓箭制作的技术规定中蕴含了丰富的运动学知识和动力学知识；战国时期后期墨家的著作《墨经》的论运动[7]中就已经描述了运动和静止，提出了运动是绝对的、静止的、相对的观念 ，物体的运动必有时间和空间，墨经中也讨论了广延的空间和延续的时间，记载了自由落体运动；东汉的王充在《论衡》中对运动的相对性也做了描述.据记载《墨经》大约完成于公元前388年，观察实验的方法在其中已有充分体现，而实验进入西方科学研究体系则是16世纪中期.《墨经》是华夏文明的瑰宝，它不但能激发学生的民族自豪感，感受古代人民的勤劳、智慧和科学思想，而且还能反思为什么经典物理学的知识体系中没有中国人的名字，理性认识中西科学技术发展差异的历史与现实，激发责任感和使命感，为国家的富强、民主、文明、和谐而努力学习.

2.2.2 西方经典运动学发展史

2 000多年前亚里士多德在《物理学》[8]中对运动、时间、空间、速度进行了具体、详尽的论述，虽然现在看起来亚里士多德的很多观念都是错误的，但是当我们把他放在2 000多年前的历史背景中去评述，就不难理解马克思称其为“古代最伟大的思想家”[9].15世纪的列奥纳多·达·芬奇在人们的印象中是一位画家，其实他还是一名科学家和发明家，他对直线运动、曲线运动、螺线运动和圆周运动进行了定义，并通过一系列巧妙的实验观察，得出了自由落体运动的速度随时间成比例增加的结论[10].达·芬奇是一个文艺复兴时期的全才，他有如此非凡的成就，是因为他有着强烈的好奇心、创造性和丰富的想象力，这是科学技术研究所必备的科学品质，对学生有着很好启示作用.

16世纪伟大的天文学家、物理学家伽利略把有关运动的所有重要的概念、定义、定理、推论组织成一个逻辑的、有序的整体，并且用它来研究实际物理的运动[11].伽利略的一生是求真、求实的一生，他不屈不挠地追求科学真理，就是科学精神最为直接的体现.17世纪初，笛卡尔靠着天才的直觉和严密的数学推理，把曲线看作是点的运动轨迹，建立了曲线和方程的对应关系，提出了变数的思想，使得运动和辩证法进入了数学,为微积分的发现奠定了基础.17世纪60年代，莱布尼茨和牛顿发明了微积分，此后牛顿对力学的几乎全部重要概念和定律作了研究和表述，并通过严格的数学推理与复杂的计算编写出版了《自然哲学的数学原理》，完成了物理学史上的第一次大综合，标志着经典力学体系的建立[12].关于牛顿的故事学生在中学就很熟悉，我们在教学中可以让学生查阅牛顿和莱布尼茨的微积分战争来体验知识产权立法的重要性，形成维护知识产权的意识.

2.3 “运动学”思想与方法凸显科学价值观

2.3.1 理想化物理模型

研究者为了从事研究而建立的对原型高度抽象化、理想化的程序客体称之为物理模型[13]，通常根据模型建构的对象，将可将物理模型分为实物模型、状态模型和过程模型.本节课的质点模型就是实物模型，它是以客观存在的物体为原型，把握主要因素、忽略次要因素，结合研究问题的性质，经过合理的分析、综合、比较、概括等思维形式建立起来的抽象、简化的结果.建立理想化物理模型的方法是一种科学研究的方法，对于学生提高逻辑思维的能力、培养科学的世界观有着重要的作用.

2.3.2 辩证唯物主义运动观、时空观

运动是物质的基本属性，运动与物质是不可分的.世间万物运动的形式多种多样，在不同的参考系中运动的描述是不同的，静止是运动的特殊状态，绝对运动与相对静止是辩证统一的[14]，无条件的绝对运动和有条件的相对静止构成了事物的矛盾运动.辩证唯物主义运动观让我们感悟到要用运动、变化、发展的观点去面观察和处理问题.

时间是物质运动、变化的持续性、顺序性的表现，而空间则是物质存在的广延性和方位性，时间和空间是无限和有限的统一[15]，在牛顿的经典力学中，空间和时间是两个独立的概念，它们与运动着的物质无关，是脱离物质的运动而独立存在的.经典力学的绝对时空观是在宏观、低速的世界中建立的，它不能解释高速条件下的实验事实，爱因斯坦于1905年提出了相对性原理和光速不变原理，把时空与物质的运动密切地联系了起来，认为空间和时间是相对的，物质的运动对时间和空间存在着影响.从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦的相对时空观，是人类对时空认识的不断深化和发展的过程，我们要用科学的发展观去探索自然界的奥秘.

2.3.3 极限思想

极限思想是指一个变量经无限多次变化，其值与一个定值无限接近，则称定值为这个变量变化的极限[16]，它揭示了变量和常量、无限与有限、近似与精确、量变与质变的对立统一关系，极限思想是微积分建立的基础.描述质点的运动中，我们定义质点在某时刻或某位置的瞬时速度，等于该时刻附近Δt趋近于零时平均速度的极限值, 即速度等于位矢对时间的一阶导数.这里瞬时速度是一个变量，当我们在无穷小的范围内用匀速代替变速，并对平均速度取极限值，就得到了精确的速度值，它体现了变与不变、近似与精确的对立统一关系，同样，瞬时加速度的概念也蕴含了这些思想.教学中我们会讨论两类运动学的问题，即如果已知运动方程求速度和加速度的微分方法和已知加速度求速度和位置矢量的积分方法，积分的思想就是无限分割、近似代替、求和、取极限，这是将无限转换为有限的过程，无限分割的量积累到一定的程度，求和就会发生质的改变，而和在极限状态下就转变成了精确的值，这就是唯物辩证法中量变引起质变、无限转化为有限的辩证思想.

3 结束语

科学是一种在历史上起推动作用的、革命的力量[17], 中国现代科技发展与成就、物理学发展史、物理思想与方法等是物理课程思政的重要素材，其内隐的价值系统正是大学物理课程实现思想政治教育重要内容，只有深度挖掘出物理课程中的思政元素，才能在知识传授之中融入思想观念、科学精神及价值标准的教育，帮助学生树立正确的社会主义核心价值观.