大学物理教学中课程思政资源挖掘研究*

伊厚会

(潍坊科技学院智能制造学院 山东 潍坊 262700)

朱子亮

(潍坊科技学院通识学院 山东 潍坊 262700)

尹 波

(潍坊科技学院智能制造学院 山东 潍坊 262700)

刘 慧

(滨州学院理学院 山东 滨州 256603)

全面推进课程思政建设是落实立德树人根本任务的战略举措,也是提高人才培养质量的重要任务.教学中对学生开展相应的思想政治教育工作,实现学生在爱国情怀、个人品质以及科学观等方面的共同进步和发展.大学物理是理工科学生的基础必修课,在高校人才培养体系中具有十分独特的地位.大学物理课程中思政素材丰富多样,适合开展多种主题的思政教育[1-7],因此在教学中教师需要充分地挖掘课程知识内部所包含的思政元素,并且将其有机地与课程知识点进行融合.文章从科学世界观和方法论的培养、科技前沿、大国工程和科学家精神等方面融入教学内容并进行细致的分析和探讨,确保大学物理教学立德树人的根本任务.

1 科学世界观和方法论

大学物理蕴含着丰富的哲学思想和思维方法,这是物理学与其他自然科学的不同之处, 也是物理学所特有的一些学科性质.在教学中应特别注重挖掘物理学所蕴含的哲学思想和思维方法,增强学生处理问题、解决问题的能力,实现素质教育的目标;同时结合辩证思维、探索思维来对世界上各项问题进行合理的分析和探讨,养成学生基本的世界观和科学观.

在讲授宏观与微观、运动与静止、电与磁、时间与空间、光的粒子性与波动性等内容时,融入事物对立统一辩证关系.例如直线运动与曲线运动的对立统一,直线运动是直线运动,曲线运动是曲线运动,是对立的,但是曲线运动可以分解成直线运动(如平抛、斜抛),也可以把曲线运动看成是每一小段直线运动组成.变量与恒量的对立统一,变量是变量,恒量是恒量,是对立的,但是变量在足够短的时间内可看成恒量.安培力和洛伦兹力的对立统一,安培力和洛伦兹力表面上虽不相同,但安培力是洛伦兹力的宏观表现,本质上都是电荷的定向移动受到的磁场力.温度和分子平均动能的对立统一,温度宏观上表示物体的冷热程度,微观上表示分子热运动的剧烈程度.教学中融入辩证分析和综合实例,可以找出表面看来不同但本质相同的概念规律等.

在讲授力与运动的关系、原子结构、光的本性、热的本质时,揭示正确认识事物发展的曲折性和前进性之规律.例如人们对光的本质的认识,从牛顿的微粒说和惠更斯的波动说之争到19世纪初的波动说和19世纪60年代麦克斯韦的电磁波,以及21世纪初爱因斯坦的光子说到光的波粒二象性.热的本质从英国著名物理学家玻意耳提出的“热素说”到俄国科学家罗蒙诺索夫对“热素说”的质疑,汤普生实验对“热素说”的否定,分子动理论的建立这一曲折前进过程.人类对宇宙的探索经历了托勒密的地心说,哥白尼的日心说,第谷、伽利略、开普勒的初识宇宙(观测宇宙),牛顿、哈雷、爱因斯坦的认知宇宙(形成理论)到现代宇宙大爆炸论等.人类对原子结构的认识经历了道尔顿的“实心球式”原子结构模型,汤姆生的“葡萄干面包式”原子结构模型,卢瑟福的“行星绕太阳式的”原子核式结构模型,玻尔的电子运动分层结构模型和原子的电子云模型等.

物理中很多内容都体现了从量变到质变的发展规律,如原子结构、光的本性、热的本质等,均体现出在思想认识上从量变到质变和从质变到量变的过程.物理中的临界状态是发生量变和质变的转折点,也是物理现象由一种状态过渡到另一种状态的连接状态,如最静摩擦力,天体运动的环绕速度、脱离速度、逃逸速度、收尾速度,弹性限度,临界角,布儒斯特角等,这也是教学的重点和难点.

大学物理中包含着丰富的哲学思想,教学中合理的融入渗透能够帮助学生形成正确的辩证思维和世界观.在具体的大学物理教学过程中,教师应尽量把这些哲学思想体现出来.让学生知道在科学的探索过程中,这些哲学思想直接或间接地影响着科学家的思维,对科学发现起到了非常重要的作用.引导学生应用辩证思维去分析和解决问题,从而培养学生辩证思维的高水平发展.

2 科技前沿和大国工程

近年来我国取得了重大科技成就,在物理教学中融入这些科技成果,有助于激发学生的学习热情和兴趣,加深学生对基本概念和原理的理解,同时还能启迪学生的思维,开阔学生的眼界.在教学中融入科技前沿、大国工程、国之重器等还有助于坚定学生的理想信念,激发学生的爱国主义情怀.表1结合了我国的科研成果挖掘的课程思政元素.

表1 教学内容与思政元素挖掘实例

实例1:大学物理教学中从“嫦娥”探月、“祝融”探火、“羲和”逐日、“胖五”冲天、“奋斗者”潜海等引入空间的概念.从太空到地球,从海洋到陆地,新中国早已实现“上九天揽月,下五洋捉鳖”,根据我们达到的空间位置引入中国科技的发展和进步.在讲授位置时引入我国向全球提供服务且日定位量突破千亿次的北斗卫星导航系统,这是中国自主建设、独立运行的卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施.特别是我国自主研制的星载高精度原子钟,300万年误差只差1 s.

实例2:在讲授运动轨迹、相对运动、动量定理、角动量定理时融入我国空间站首个科学实验舱“问天”的发射以及与“天和”的对接.这是我国迄今为止近地轨道运载能力最大的运载火箭(长征五号B)发射的最重载荷(问天实验舱).教学中融入的思政内容分别有:长征五号B“最强”把问天实验舱“最重”送至预定轨道;长征五号B火箭的整流罩分离技术、舱箭连接分离技术、入轨精度控制技术和零窗口发射任务等关键技术;问天实验舱与天和核心舱的成功对接技术;以及首次在问天实验舱开展的“天宫课堂”第三课等.

实例3:在讲授机械振动时融入中国的振动控制技术的现状与进展.港珠澳大桥是中国桥梁建设史上设计施工难度最大的跨海桥梁,“减震”和“减振”是桥梁设计建造过程的技术难题.引入调谐质量减振器的结构和工作原理,它是由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动控制系统,支撑或悬挂在需要振动控制的主结构上.当主结构在外界激励力的作用下产生振动时,会带动TMD系统一起振动,通过频率调谐,使TMD系统运动产生的动力再反作用到主结构上,使其与外来激励力的方向相反,抵消一部分激励力,使主结构的各项反应值(振动位移、速度和加速度)大大减小,从而达到控制主结构振动的目的.中国振动控制技术现在已跻身世界先进水平,并且实现向欧美国家技术输出.

实例4:在讲授制冷机和热力学第三定律时融入获得低温的方法,如气体绝热膨胀制冷、相变制冷、涡流制冷、绝热放气制冷、温差热电制冷、绝热退磁制冷、3He和4He稀释制冷等.在2015年,我国首次实现了-253 ℃的超低温,但这是欧洲20多年前的技术.而2021年7月我国自主研发的无液氦稀释制冷机,达到了-273.139 1 ℃低温,仅仅比绝对零度高出0.01 ℃,打破了美国保持的世界纪录,创下了世界之最.这一技术可以为量子计算机芯片提供用于维持量子态必需的极低温环境,标志着我国具备了为量子计算等前沿研究提供极低温条件保障的能力.

实例5:在讲授导体、绝缘体和交流电时,融入我国的特高压输电技术,我国是全球唯一掌握特高压技术的国家,我国的特高压技术标准也是全球唯一的技术标准.特高压输电的优点有提高传输容量和传输距离、减少线路的功率损耗、提高电能传输的经济性等.教学中重点融入我国攻克的特高电压和特大电流下的绝缘特性、电磁环境、设备研制、实验技术等世界级难题和研制晶闸管、换流阀、变压器等国际领先的电工装备等.

实例6:在讲授圆孔衍射时融入被誉为“中国天眼”的500 m口径球面射电望远镜(FAST).并介绍“中国天眼”的超高灵敏度以及其带来的前所未有的极端暗弱天体探测能力.“中国天眼”是目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,能捕捉137亿光年以外的宇宙信号.“中国天眼”说明在射电天文领域我国已从落后发展为领先世界20年.

在大学物理教学中将大国工程、国之重器、科技前沿等巧妙融入课堂,有助于提升学生的国家认知,民族认同和科技自信,同时还能充分展示出我国的民族精神和中国特色社会主义的优越性.

3 我国科学家的成果和精神

物理学发展离不开科学家的贡献,他们的积极乐观的科学精神和认真钻研的工作作风值得新时代学子认真学习,如牛顿、法拉第、爱迪生、爱因斯坦等.在实际教学中我们也不断借用科学家的格言和精神鼓励同学们胸怀壮志、创新包容、努力做担当民族复兴大任的时代新人.而物理教材内容多数是物理学基础知识,涉及到我国科学家的成果比较少,如仅涉及吴有训对康普顿效应的贡献和葛正权测定铋(Bi)蒸气分子速率实验等这些成果.但近些年,我国科学家在物理学领域的研究成果呈爆发式增长态势,这是我们教学中需要大力挖掘的思政资源.用我国科学家成果和精神影响学生、感召学生、引领学生,从而激发当代大学生投身科研事业的激情和自信,鼓励当代大学生勇攀世界科技高峰.同时用我国科学家精神涵养新时代大学生,为我国科技事业的发展和创新人才的培养提供丰沃土壤和有力保障.

实例1:在讲授牛顿万有引力定律时融入华中科技大学万有引力G值研究成果.华中科技大学罗俊团队在山洞实验室经过30多年的埋头苦干、潜心研究,实现了对国际顶尖水平的赶超,尤其对材料、扭摆的技术的把握,保证了后期的研究的突破.这是我国科学家万有引力研究成果首次编入全国物理教材,体现物理课程的育人价值.

实例2:在讲授霍尔效应时,介绍其与反常霍尔效应、量子霍尔效应、量子反常霍尔效应等概念的区别和应用,并融入薛其坤团队的量子反常霍尔效应.量子反常霍尔效应不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生.并对将来可能的应用做以介绍,如利用量子反常霍尔效应制备低能耗的高速电子器件,加速推进信息技术革命进程等.

实例3:在讲授光学时和量子力学时,融入潘建伟团队利用“墨子号”量子科学实验卫星首次实现了千公里级的量子纠缠,在国际上首次成功实现了从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态.团队在国际上首次实现18个光量子比特的纠缠,刷新了所有物理体系中最大纠缠态制备的世界纪录.在量子通信领域已经代表中国实现了由“跟跑”向“并跑”和“领跑”的跨越.

实例4:在讲授光学仪器的分辨本领时,融入天眼之父南仁东的的贡献.同时在教学中还要融入科学家胸怀祖国、服务人民的爱国精神,勇攀高峰、敢为人先的创新精神,追求真理、严谨治学的求实精神,淡泊名利、团结协作的协同精神和甘为人梯的育人精神.

4 结论

在新时期高校大学物理教学中,一方面教师需要在课堂上开展相应的教学活动,另一方面教师还需要在课外为学生提供相应的知识拓展和补充教学.在这一系列过程中,教师可以充分的借用网络学习平台,及时地将课程内容以及思政要素进行整合和提炼,同学生之间开展高效率的网络沟通学习,从而将现阶段的课程教学工作延伸到课堂之外,并且充分地利用学生课后的碎片化时间来加强针对学生在物理知识以及思想政治知识方面的培养工作.

深入挖掘大学物理课程蕴含的思想价值和精神内涵,将政治认同、家国情怀、社会责任、道德修养、工匠精神等思政元素“润物无声”地融入课程教学,展示了各具特色的教学设计和教学风采,生动体现了知识传授与价值引领的统一、教书与育人的统一,提升学生的国家认知,民族认同和科技自信.