“课程思政”视域下大学物理实验的教学探索与实践

刘子龙,杨东杰,陈君青,韦世明,王玲谦

(1.中国石油大学(北京)理学院,油气光学与探测北京市重点实验室,北京 102249;2.油气资源与工程全国重点实验室 中国石油大学(北京),北京 1002249)

石油精神作为共产党人的第一批精神谱系之一,得到了习近平总书记的高度重视,他在回信中强调了石油精神的重要性,并在胜利油田调研时提出要端好能源饭碗。石油精神是在石油产业发展过程中形成的一种价值观和精神品质,体现了石油产业工作者在面对艰苦环境和重大挑战时所展现出的坚韧、团结、创新和安全意识。这种精神与科学家精神有着共通之处,都强调追求真理、勇于创新和严谨治学的精神品质。因此,对于石油精神的培养和传承具有重要意义[1]。

大学物理实验课程作为一门公共基础课程,是培养学生实践能力、创新意识和团队合作精神的重要途径[2]。然而,在当前的教学体系中,物理实验课程缺乏针对性和实用性[3],难以满足各行各业快速发展的需求。因此,将石油精神融入大学物理实验课程中,对于提高课程质量和培养高素质人才具有重要意义,为我国石油产业和经济发展注入新的活力。

1 大学物理实验课程现状分析

1.1 实验内容理论化

部分大学物理实验课程的设计过于理论化,涉及的实验内容与实际应用相差较远[4,5],仅是对理论知识的简单演示,无法给学生提供实际应用场景下的物理实验。此外,一些大学物理实验课程的实验内容过于繁琐,实验重点不明确,学生难以把握实验的关键点和实际应用中的核心问题,无法真正理解物理知识在实际中的应用。

1.2 实验操作简单化

尽管物理实验课程强调实践操作,但是很多大学物理实验室的实验设备和器材已经陈旧、过时[6],同时实验环境无法真实地反映实际工作场景,实验流程和操作过于简单,导致缺乏实际操作经验的训练。此外,部分同学的课程安排过于紧张,简化了实验操作流程,这使得学生无法掌握实际应用中的复杂操作技能和实践经验,从而难以应对实际工作中的挑战。

1.3 实验创新匮乏化

大学物理实验课程的部分实验内容缺乏新意,不能很好地培养学生的创新能力。大学物理实验课程也存在教学方法比较单一的问题,只采用传统的实验操作和理论讲解,更加偏重于实验报告的书写和实验成果的呈现,无法引导学生开展创新性的实验研究,从而限制了学生创新思维和创新能力的培养。

1.4 团队合作缺失化

大学物理实验课程的设计缺乏团队合作元素,学生的实验任务基本上都是独立完成的,缺乏与同学之间的合作交流,不能充分发挥团队的优势,培养学生的团队合作精神。这种设计方式使学生无法领会和体验团队合作的重要性和价值,无法真正融入到团队中,难以培养学生之间团队协作精神和沟通能力,对于未来职业发展产生不利影响。

1.5 时代适应性差

随着互联网时代的发展,传统的大学物理实验教学面临着新的挑战和局限性。特别是在疫情时期,为了控制疫情传播,学校不得不采取临时性地关闭实验室的措施,这给传统的实验教学带来了巨大的冲击。实验课程的暂停使学生无法亲自进行实验操作,限制了他们的实践能力和实验技能的培养。然而,随着科技的进步和互联网的发展,也为大学物理实验课程带来了新的可能性。

针对这些局限性,我们将石油精神融入大学物理实验课程中,通过团结协作、创新担当和求真务实等核心理念,培养学生的科学家精神,提高课程的针对性和实用性,为学生的未来职业发展打下坚实基础。

2 石油精神融入大学物理课程的重要性

2.1 石油精神的起源

石油精神的背景起源可以追溯到20世纪50年代。在我国石油事业的初期,中国面临能源短缺、科技落后以及国际政治压力等诸多困难。为了摆脱对国外石油依赖,促进国家经济建设,中国共产党和人民政府大力支持石油事业的发展。广大石油工人冲锋在前,勇攀科技高峰,发扬“一不怕苦,二不怕死”的精神,付出了艰苦努力,取得了一系列重要的石油勘探和开发成果。

石油精神的形成与发展,离不开胜利油田、大庆油田等一系列重要石油产区的开发历程。特别是在60年代,大庆油田的发现与开发,进一步推动了石油精神的形成。当时的石油工人在严酷的自然环境和艰苦的生产条件下,发扬钢铁般的意志和顽强拼搏的精神,取得了世界瞩目的开发成果,为国家的能源安全和经济发展做出了巨大贡献。在这一过程中,石油工人们展现出了敢于攻坚克难、艰苦奋斗的精神风貌,他们追求科技创新,努力提高自身技能,共同克服了一个又一个难题。石油精神逐渐成为中国石油产业的社会主义核心价值观,激励着一代又一代石油工人为国家能源事业奋发向前。

时至今日,石油精神已经成为中国石油产业的骄傲,得到了党和国家领导人的高度重视。习近平总书记在多个场合强调石油精神的重要性[7],并在胜利油田调研时提出要端好能源饭碗,推动石油事业发展。石油精神不仅是石油产业的精神标志,也成为了中国人民在面对困难和挑战时所展现出的勇敢、拼搏、团结和创新的精神风貌。

2.2 石油精神的核心价值

石油精神是指在石油产业发展过程中,人们为了实现国家能源战略目标,克服重重困难,不断探索创新,形成的一种精神风貌[8]。他的社会主义核心价值观主要包括以下几个方面:

表1 社会主义核心价值观的内容和意义

2.3 石油精神的融入意义

中国石油大学(北京)将石油精神融入大学物理实验课程中,具有三方面的重要意义:

(1)提升教学质量:将石油精神融入大学物理实验课程,可以提高课程的针对性和实用性,培养学生的实际操作能力和创新意识,从而提升整体教学质量。石油精神所强调的勇于创新、团队协作、求真务实等核心理念,可以帮助学生在物理实验中发掘问题并解决问题,提高其创新思维和实践能力。

(2)为石油产业培养人才:石油产业是国家经济和安全的重要支柱,物理是石油技术产业发展的基础。将石油精神融入大学物理实验课程,可以为石油产业培养具备实际操作能力和创新精神的人才,培养学生的追求真理、严谨求实的科学家精神。通过实验课程中的实际操作和创新实践,学生还可以更好地理解和应用石油产业的核心技术,从而为其未来的职业发展做好准备。

(3)传承石油精神:将石油精神融入大学物理实验课程,可以加深学生对石油精神的理解和认同,使其在学习和实践中传承和发扬石油精神。通过石油精神的传承,学生可以更好地理解和秉承中国石油工业所倡导的价值观和精神品质,为国家能源事业和经济发展作出贡献。

3 石油精神融入大学物理实验的方法与策略

3.1 丰富实验内容

结合石油产业的实际需求和产业发展趋势,找出与物理实验相关的实际问题和工作场景,将石油产业的典型工作场景和实际问题融入实验内容中,设计与石油产业相关的实验项目。例如,在石油勘探领域可以设计与地震探测、地热勘探等相关的实验项目;在石油开采领域可以设计与石油钻井、石油采收等相关的实验项目。让学生在实验过程中加强实际应用和操作技能的训练,使实验课程更具针对性和实用性。

3.2 强化实践教学

学校在实验设计中应充分考虑实际应用场景,通过改善实验室环境,提高实验室的实际性,如投入更多资金购置新的实验设备和器材,以便学生能够接触和学习使用最新的仪器和设备,掌握实际操作技能。在课程中增加实践环节,组织学生外出实践和考察活动,例如石油生产现场、油田或者炼油厂等地考察,让学生亲身感受石油产业的现状和问题,了解石油精神的重要性和实际应用,培养学生的追求真理、严谨求实的科学家精神。同时安排一些实际操作的实验,例如对于测量原油黏度的实验,可以在现场进行实地取样和实验操作,让学生感受到实际操作中的复杂性和挑战性,培养其实际操作能力。此外,还要鼓励学生大胆创新[9],组织学生分成小组,自主探索新的测量方法,实现知识的共享和创新的思维碰撞,让学生在团队合作中充分发挥各自的优势和才能,从而培养团队协作能力和创新意识。

3.3 开展相关讲座

定期举办石油产业发展中的物理知识的专题讲座,①邀请石油行业工作多年的研究员、在物理领域有重要贡献的学者或教学领域有丰富经验的专家教授来学校分享经验,分享石油产业发展中的技术研究和创新经验,鼓励学生在物理实验中发挥探索和创新精神,帮助学生提高科研意识和创新能力;②制作相关海报和宣传材料。在海报上展示一些成功人士的故事和成长历程,让学生了解到创新和勇毅精神的重要性,鼓励他们在实验中勇于探索,敢于尝试;③安排实践课程,提供学生与专家教授交流的机会。结合实验课程安排,让学生在真实的实验环境中与现场的专家教授交流,并引导学生提出问题,深入探讨石油产业中大学物理知识的应用与实践,培养学生的实践能力和科研意识,增加石油精神的认同感。

3.4 线下趣味实验

在实验课程中,教师可引导学生关注石油产业的前沿领域和热门话题,鼓励学生参加科技竞赛和项目实践[10]。例如大学生物理竞赛、科技创新项目等,这些活动不仅可以提高学生的专业水平和实践能力,还可以增强他们的石油产业意识和热情。教师在课堂中可以设计具有挑战性和创新性的实验项目,以激发学生的兴趣和热情,增强他们的实践能力和创新意识。以下为参考实验案例:

(1)用光谱分析技术分析石油中的组分

该实验可以将光学知识与石油精神相结合分析石油组分。首先,可以让学生了解石油成分的基本结构和特点,然后让学生使用光谱分析技术,分析石油中的不同组分。通过对光谱的分析和解释,学生可以了解到光学在石油领域的应用,同时也可以培养他们的实验设计能力和创新能力。

图1 XRF仪器分析油品组分

(2)利用显微镜研究石油形态结构

该实验可以通过使用光学显微镜或电子显微镜观察石油样品的形态、结构和成分等特征。首先,可以让学生了解石油的基本特征和成因,然后让学生使用显微镜观察石油混合物的微观结构和形态,分析其成分和结构特点。通过对显微镜图像的观察和分析,学生可以了解到显微镜在石油结构形态研究中的应用,同时也可以培养他们的科学研究和探索精神。

图2 光学显微镜分析石油形态结构

(3)原油黏度的测量

原油黏度是指原油在一定温度下的流动性能,是评估原油品质的重要参数之一。不同类型的原油黏度各异,可以作为区分原油种类和判断油藏性质的依据之一。测量原油黏度是石油行业生产和科研中的重要内容,有助于优化生产工艺、提高产量和产品质量,具有重要的现实意义和应用价值。实验步骤如下:

a.准备实验设备:将黏度计安装在恒温水浴中,保持恒温水浴的温度稳定,毛细管要用酒精清洗干净。

b.取一定量的原油样品(例如10毫升),精确称重并记录质量。

c.将原油样品注入黏度计的注油池中,要保证注入过程中不进入空气泡。

d.打开毛细管夹子,使毛细管连接到黏度计中,以防空气泡进入毛细管。

e.用毛细管测量黏度计管内的恒温水浴温度,确保恒温水浴温度稳定。

f.通过毛细管让原油样品逐渐从注油池流入黏度计内,确保原油样品在恒温水浴内温度稳定,记录流动时间。

以上实验都可以将光学、电子学与石油精神相结合,有助于学生深入了解石油工业中的实际应用和科学探索,同时也可以培养他们的实践能力和创新能力。

3.5 线上模拟实验

随着互联网时代的到来,传统的线下大学物理实验已难以应对各种各样的场景需求,而线上实验的开展可以跨越地理与时间的限制,随时随地进行实验的模拟与学习。因此有必要引进一些在线实验平台如Mlabs、科大锐奥物理虚拟仿真实验中心等软件,通过引导学生学习开展一些石油精神在大学物理实验中应用的实验,如密立根油滴实验,表界面张力测定实验,驱油模拟实验等,培养学生的实验操作技巧,通过学习各实验的背景及应用,体会其背后代表的石油精神内涵。

图3 Mlabs物理虚拟仿真实验中心

4 结 论

中国石油大学(北京)作为一所石油特色鲜明的院校,根据自身特点和资源不断优化实验课程,探讨了目前大学物理实验课程存在的局限性,提出了将石油精神融入其中的重要性,提出了一系列具体的方法和策略,包括丰富实验课程内容、强化实践教学、开展石油产业相关讲座、模拟线上线下实验等,这些方法和策略将有效地传承石油精神,助力于培养具有实际操作能力和创新精神的高素质人才,为“新工科”背景下的大学物理实验教学提供有益的借鉴。