“课程思政”在大学物理教学中的实践应用——以狭义相对论教学实践为例

赵 昶，赵 曼

（北京石油化工学院致远学院，北京 102617）

0 引言

物理学是研究物质的基本结构、运动形式、相互作用以及转化规律的自然科学。物理学所展现的科学的世界观、认识论和方法论深刻影响着人类对物质世界的基本认识、思维方式和社会生活，是人类文明发展的重要基石。它使学生从理论、方法、能力等方面得到科学系统的训练，并对物理学丰厚的人文积淀有比较系统的了解和认识，实现知识、能力和人文素养的协调发展[1-2]。从大学物理的内容可以看出它对学生在自然科学领域的素养有着根本性的影响，大学物理的课程思政建设是高等教育落实立德树人根本任务的一个很好载体和抓手，因此大学物理的“课程思政”建设对学生的影响将会是长期的、深远的。大学物理内容的知识体系有很强的逻辑思维训练目标，物理知识构建过程也是人类对自然科学认知发展的过程，其教学内容逻辑性强，处处体现着深刻而又朴素的方法论，蕴含着较为丰富的思想人文特性[3]。

1 大学物理课的“课程思政”教学实现途径

本文以大学物理-近代物理内容的“狭义相对论知识点”为例，具体介绍如何进行“课程思政”建设。相对论和量子力学是近代物理的主要两个重要内容，其中狭义相对论的提出给物理学带来了革命性的变化，相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”“四维时空”“弯曲时空”等全新的概念。但由于狭义相对论的理论分析比较复杂，涉及较多的数学基础知识，所以，若只是进行常规的物理学习，分析推导，然后得出结论，虽然逻辑性很强，但因为和经典物理的结论明显不一致，且和实际生活经验偏差较大，学生普遍感觉知识枯燥难懂，知识点多且不好记，收获甚微，所以根据狭义相对论知识特点，理论复杂难懂，而学生对实际应用了解不多，而爱因斯坦的名气和传奇故事大家却又普通了解一些，都很有兴趣，所以以此为教学切入点，进行大学物理课的课程思政建设是个很好的时机。介绍爱因斯坦本人及其探索“狭义相对论”的背景过程更能引起学生的兴趣，比单纯讲解知识点的逻辑对学生来讲更有意义。

首先系统介绍科学家爱因斯坦，他出生于德国的一个犹太人家庭，是著名的物理学家，是少有的独立研究型科学家的典型代表，被公认为最伟大的物理学家之一，爱因斯坦的最大成就是他大大加深了人们对于自然时间中时间和空间的认识，对质量和能量的认识，对经典牛顿力学的时空观进行了纠正，对现代物理的量子力学也有很大的贡献，可以说现在人类文明的很多最新成果都离不开爱因斯坦的相关贡献。

其次介绍狭义相对论的基本假设，引导学生分析其特点是什么，和经典物理的牛顿力学有什么差异和矛盾？如有问题和矛盾，怎么解决？在学生们充分讨论后，给出结论，同时介绍爱因斯坦研究此问题的基础和当时的物理学史背景，最后讨论爱因斯坦狭义相对论的应用。

具体教学设计如下：

提出问题：

物理学中牛顿力学和麦克斯韦的电磁学大家都学过，都知道很重要也有很多应用，人们没有注意到这两个理论有冲突，提出冲突，让同学们思考问题在哪里？如何解决呢？引出当时物理学家给出的解释？讨论是否有缺陷？给出爱因斯坦研究的背景。

背景介绍—导入思政内容：

问题引入后，简单介绍爱因斯坦生平事迹，重点阐述爱因斯坦解决科学问题的本质能力和方法，爱因斯坦对以上问题的想法是如果人能追上光的话，光就会像是在空间固定波形的电场和磁场，这会有什么样的后果，在启发学生在现有知识基础上思考问题会有和现有知识矛盾的结论，引导学生怎样提出问题，聚集科学本质，再解决问题的辩证思维。

应用举例：

学生虽然对相对论都耳熟能详，但对其影响我们生活的实际应用了解就不清楚了。相对论的应用主要还在粒子物理和天体物理等科研领域，最常被提到的一个应用是GPS导航定位的相对论修正。因为GPS卫星的核心是原子钟，把原子钟的时频信号用微波发射出去，接收器通过时频信号和光速得出相对几个卫星的位置，从而完成定位。但原子钟的时频在卫星不同轨道不同速度飞行时，会受到狭义相对论多普勒频移和广义相对论引力红移的影响，因此需要修正这些影响，才能准确地定位。另一个实际例子是在医院的放射治疗部，多数设有一台粒子加速器，产生高能粒子来制造同位素，作治疗或造影之用。氟代脱氧葡萄糖的合成便是一个经典例子。由于粒子运动的速度相当接近光速（0.9c-0.9999c），故粒子加速器的设计和使用必须考虑相对论效应。但这两个应用例子属于非常被动地利用相对论。

那么主动地利用相对论的例子呢？其实大家都听说过，就是核能（又称原子能）。包括核裂变的原子弹，核电站，以及核聚变的氢弹。原子核的裂变和聚变行为都是由量子力学和相对论共同决定的。核裂变和核聚变损失的质量m，通过相对论的质能方程，小小的质量减少对应着巨大的能量输出，这就是核能的来源。除了核武器之外，核能的和平利用目前只有基于核裂变的核电站，和航天用的核电池。可控核聚变是人类几个主要梦想之一，一旦实现，几乎可以一劳永逸地解决人类能源问题，因此备受瞩目。

结论与收获：

过去几百年，牛顿以其准确的数学术语审查了已知物质世界的所有现象，使物质世界对人类可知。物质世界为因果论所统制：有因必有果，有果必有因。如今爱因斯坦提出的、过去曾被苏黎世大学认为“荒谬”的狭义相对论假设指出，仅靠对外部世界的近距离观察，也许无法掌握自然界的伟大真理；相反，科学家有时应该从他们的思想出发，创造出只有在未来才能得到实验验证的假设和逻辑系统。这就是，未做实验，先得结果。这种认识大大开阔了科学家的思路，这种理论促进了科学的发展，并最终导致人类工业和健康的新机器的发明。

本教学实践的意义在于通过列举爱因斯坦在物理学中的贡献以及其理论在现代已知的日常生活、生产、科技实践中的应用，让学生认识到爱因斯坦的伟大之处，理解好奇心与创造力在自然科学中的重大意义，激发他们对客观世界的探索欲、求知欲与解决问题的可行性思路等辩证唯物主义思想，大胆设想则是关键，提出自己的设想的确非常需要大胆。同学们习惯了接受知识，对已有知识过于敬畏和依赖，缺乏深入思考和质疑精神，不敢怀疑现有理论，更不用说对现有知识的革命性的见解了。这必须彻底改变，否则得不到重要成绩。科学研究就是竞争，没有竞争，科学就没有进步，要大胆设想，也不限于理论问题。主要是不受现有理论、习惯或经验的束缚，要自由设想，甚至猜想，但不可幻想。科学家在其研究工作范围内可完全自由决定工作计划，选择问题，决定研究路线和实验方法等等，在工作中不受任何干扰。科学家对科学和对科学研究的兴趣、热爱和责任心则是必需的。

“思政教育”以人为本，任何伟大的发现都离不开科学家们的渊博的学识、高尚的人格魅力及他们在探索自然规律的艰难进程中坚持不懈、持之以恒的探索精神等。在此环节适当提及我国在相关领域的进展和贡献，强调物理学是我国几个一直在国际保持前沿的学科之一，重点评述我国科学家在物理基础研究领域的前沿，重点引导学生领会好奇心、创造力在自然科学发展中的重要作用，同时了解我国在物理学研究的真正实力，树立民族自信心和自豪感。针对大学生思想现状，将“育人”做到了有的放矢，充分发挥“思政”教育的作用，真正做到了“教书育人”。以上体现“思政”教学内容大约45分钟左右，整个环节紧凑、简洁，不会因为“思政”内容的切入而影响物理知识的讲解进度。通过具体知识点涉及的经典事例通过和学生互动讨论，资料分享等方式融入物理教学中，把握时机，灵活融入，不追求每个知识点都要有思政元素，这样学生在获取知识、能力提升的同时，潜移默化的达到了我们的“课程思政”效果，从而构建出“思政味道”的大学物理基础课。

2 大学物理课程思政的反思和总结

狭义相对论知识点及应用，在学习理论知识和实验验证方法后，融入课程思政元素，包括物理知识模型的建立，即培养学生思考的能力、充分挖掘自然科学发现中创造力和好奇心的重要作用以及科学家故事，引导学生正确的科学观和世界观。通过爱因斯坦狭义相对论的发展过程，让学生们理解“提出一个问题比解决一个问题更为重要。因为解决一个问题也许是一个数学上或实验上的技巧，而提出新的问题，新的可能性，从新的方向看旧问题，则需要创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步”。新的问题主要来自科学家或技术家的求知欲、好奇心或兴趣，实际需要解决的问题也必须要经科学家变成科学问题。所以科学家和技术家是提出和解决新科学问题的主要人物，是科学技术真正进步的主角，必须负担起当前我国科学技术真正进步的责任。以人为本，解决科学问题只有依靠科学家。纯粹的逻辑思维不能依赖于我们经验世界的知识，就是说，不能靠推论。在有意识地去引导学生独立思考，自主学习，培养学生的创新能力。

尽管在大学物理课程中融入“课程思政”的元素，客观上在物理知识的讲授过程中占用一些时间，在总课时不变的前提下，通过充分准备，适当配合教学方式和手段的改进，整体上物理知识的教学效果不但没有受到影响，反而能够感受到学生对物理学习兴趣的提高，进一步学习成绩有所改善，笔者所带的班级在近一年的2个学期中，成绩均在全校物理课平均成绩之上（如图1和图2所示），而且所在班级的学生物理竞赛成绩获奖人数和等奖方面均在前列，虽然实行“课程思政”改革的时间还不够长，可供统计的数据样本数量不够多，不能完全把成绩归功于在大学物理教学中实施“课程思政”改革，但最起码目前的数据能够说明大学物理课程的“课程思政”改革不会耽误物理教学，反而有所增益，随着样本数量的不断增多和大学物理教学“课程思政”改革进一步深入，相信会有更科学合理的分析和判断。

图1 2020秋大学物理课程成绩对比（2019级学生-储191班、储192班学生平均分和学校全体学生成绩平均分）

图2 2021春大学物理课程成绩对比（2020级学生-高201、202、203班学生平均分和学校全体学生成绩平均分）

课程思政是课程教学目标之一，不是课程全部[4]，课程建设的思政任务是结合教学内容，逐步实现激发学生好奇心，理解自然科学的想象力，提升解决问题的创造力，培养正确的科学观和世界观，循序渐进，习惯成自然，保证学生长久受益。物理学的发展有太多对自然物质最基本构成和宇宙普适真理追求的事例，解决这些实际问题充分体现了人们对自然的好奇心和求知欲，不求回报才有可能坚持，太过功利则不可能有所成就，学生很容易形成共鸣，从而慢慢形成正确的科学观和世界观[5]。随着大学物理教学“课程思政”改革进一步深入，相信会有更科学合理的教学方法和案例，推动大学物理“课程思政”进一步提高，实现全方位育人目标，落实立德树人的根本任务。