普通物理實(shí)驗(yàn)育人探索

李曉文

(北京師范大學(xué) 物理學(xué)系，北京 100875)

2019年8月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于深化新時(shí)代學(xué)校思想政治理論課改革創(chuàng)新的若干意見》(簡(jiǎn)稱《若干意見》)，為解決好培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰(shuí)培養(yǎng)人這些根本問(wèn)題，對(duì)教育改革創(chuàng)新提出了指導(dǎo)性意見. 為了落實(shí)《若干意見》,貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于教育的重要論述和全國(guó)教育大會(huì)精神，2019年10月，教育部發(fā)布了《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革 全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》和《關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實(shí)施意見》，指出“把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)全過(guò)程”，“把課程思政建設(shè)作為落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，堅(jiān)持知識(shí)傳授與價(jià)值引領(lǐng)相統(tǒng)一”.

大約在10年前，筆者發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生對(duì)前途感到迷茫，缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力；對(duì)專業(yè)缺乏認(rèn)識(shí)，沒(méi)有認(rèn)同感，因而提不起學(xué)習(xí)的興趣，同時(shí)也缺乏堅(jiān)強(qiáng)的意志去克服學(xué)習(xí)中遇到的各種困難. 為了解決學(xué)生普遍存在的思想問(wèn)題，幫助他們更好地成長(zhǎng)，筆者嘗試在普通物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)過(guò)程中加入物理人文思想,在傳授物理知識(shí)的同時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬r(jià)值引領(lǐng)，這些做法無(wú)意中契合了以上幾個(gè)意見中對(duì)新時(shí)期本科教育的要求. 本文將從課程育人元素和價(jià)值引導(dǎo)的方式2個(gè)方面總結(jié)了普通物理實(shí)驗(yàn)課程思政建設(shè)的探索經(jīng)驗(yàn)，并且給出了具體實(shí)例.

1 物理實(shí)驗(yàn)課程的育人元素

1.1 利用科學(xué)精神引領(lǐng)學(xué)生樹立崇高的人生目標(biāo)，培養(yǎng)堅(jiān)強(qiáng)的意志品質(zhì)

物理學(xué)的發(fā)展史，是一代代物理學(xué)家孜孜不倦地追求真理的發(fā)展史，每個(gè)物理發(fā)現(xiàn)的背后，都有物理學(xué)家鍥而不舍的故事，這些感人的故事，可以啟發(fā)大學(xué)生思考人生的價(jià)值和意義，激勵(lì)他們樹立崇高的人生目標(biāo)，并為實(shí)現(xiàn)人生目標(biāo)而奮斗. 筆者挖掘了與普通物理實(shí)驗(yàn)相關(guān)的物理學(xué)發(fā)展史，并將相關(guān)的物理學(xué)史加入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在傳授物理學(xué)知識(shí)的同時(shí)傳承科學(xué)精神，關(guān)注科學(xué)精神對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)、生活目標(biāo)及個(gè)人意志品質(zhì)的影響.

在夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)中，引入衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及對(duì)衍射的定性、定量分析的歷史. 講到格里馬第和胡克分別發(fā)現(xiàn)衍射現(xiàn)象，惠更斯原理對(duì)光的衍射現(xiàn)象的定性解釋，以胡克和惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)與以牛頓為代表的微粒說(shuō)關(guān)于光的本質(zhì)的爭(zhēng)論. 講到1818年法國(guó)科學(xué)院的懸賞征文，希望通過(guò)征文，鼓勵(lì)用微粒理論解釋衍射現(xiàn)象. 菲涅耳提交的論文從惠更斯-菲涅耳原理出發(fā)，定量計(jì)算了圓孔和圓屏的衍射. 講到泊松運(yùn)用菲涅耳方程推導(dǎo)圓盤衍射，得到在盤后方一定距離的屏幕上影子的中心應(yīng)出現(xiàn)亮點(diǎn)，泊松認(rèn)為這是荒謬的，于是聲稱菲涅耳的波動(dòng)理論被駁倒. 阿拉果從實(shí)驗(yàn)上證明了泊松亮點(diǎn)的存在. 阿拉果本來(lái)是牛頓派支持微粒說(shuō)的，經(jīng)過(guò)與菲涅耳共同研究衍射現(xiàn)象之后，轉(zhuǎn)向了波動(dòng)說(shuō).

這一段歷史，傳達(dá)了一代代物理學(xué)家追求真理、實(shí)事求是、不懼權(quán)威的科學(xué)精神.

1.2 利用科學(xué)思想與方法培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)秀的思維品質(zhì)

科學(xué)理論的形成離不開科學(xué)思想的指導(dǎo)和科學(xué)方法的應(yīng)用，正確的科學(xué)思維和科學(xué)方法是認(rèn)識(shí)世界的手段，是創(chuàng)新、發(fā)明的必要條件. 每個(gè)實(shí)驗(yàn)都包含美妙的物理思想和奇妙的研究方法，在教學(xué)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)、總結(jié)和提煉所做的實(shí)驗(yàn)中包含的物理思想和使用的研究方法，培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)秀的思維品質(zhì)和正確的工作方法，引領(lǐng)學(xué)生享受物理的情與趣，欣賞物理的妙與美.

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)實(shí)驗(yàn)包含的物理思想，總結(jié)實(shí)驗(yàn)使用的研究方法，這在每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中都會(huì)貫徹落實(shí). 普通物理實(shí)驗(yàn)開設(shè)的時(shí)間是大一第二學(xué)期和大二第一學(xué)期，學(xué)生還沒(méi)有接觸量子力學(xué). 光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是：用紅、黃、綠、藍(lán)和紫色光照射金屬板，測(cè)量光電流隨電壓的變化曲線，研究截止電壓與入射光頻率的關(guān)系. 在做實(shí)驗(yàn)之前，提問(wèn)學(xué)生，根據(jù)光的波動(dòng)理論，預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是怎樣的？實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來(lái)之后，再與學(xué)生討論，結(jié)果是否與預(yù)期一致？用波動(dòng)理論能不能解釋得到的結(jié)果？接著再提出問(wèn)題：如果光是具有一定能量的粒子，能不能解釋實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果？如何解釋？通過(guò)這些提問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)光的量子性這一深邃的物理思想. 接著，可以再讓學(xué)生們討論如何理解光的波動(dòng)性和粒子性？二者是否矛盾？通過(guò)討論，讓學(xué)生理解波動(dòng)性和粒子性是光在2個(gè)不同層次上的性質(zhì)，二者看似矛盾，實(shí)際上統(tǒng)一，學(xué)會(huì)辯證地思考問(wèn)題[1].

在解釋光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)，適時(shí)地向?qū)W生講授定量分析的科學(xué)研究方法. 在學(xué)生測(cè)量完數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析階段，向?qū)W生講述了光電效應(yīng)研究初期，勒納德如何用契合法[2]確定了截止電壓與頻率有因果關(guān)系，以及怎樣用共變歸納法[2]由伏安特性曲線得到截止電壓，由截止電壓與頻率的關(guān)系得到普朗克常量. 通過(guò)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以了解定量分析、契合法以及共變法等科學(xué)研究方法.

1.3 認(rèn)識(shí)物理學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)揮的作用，提升學(xué)生自我價(jià)值認(rèn)識(shí)

物理學(xué)廣泛而深刻地影響著人類社會(huì)，改變了世界. 物理學(xué)科為應(yīng)用技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)，對(duì)工程和技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大推動(dòng)力，引起了傳統(tǒng)社會(huì)生產(chǎn)方式和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的巨大變革，并向各個(gè)領(lǐng)域滲透，推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展，導(dǎo)致了人類生活方式的變化，改變了世界面貌[3]. 筆者在課程中引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)自然與社會(huì)中與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的現(xiàn)象，與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)的物理知識(shí)在科技及日常生活中的應(yīng)用，對(duì)人類生活帶來(lái)的變化，提高學(xué)生作為物理學(xué)學(xué)習(xí)者及未來(lái)物理學(xué)工作者的自豪感，提升對(duì)自身價(jià)值的認(rèn)識(shí)和肯定，提高學(xué)生的自信心，減輕對(duì)前途的迷茫和無(wú)助感.

在偏振光實(shí)驗(yàn)中，引入偏振概念時(shí)，筆者講到動(dòng)物與偏振光，舉了翠鳥捕魚、蜜蜂的搖擺舞[4]、非洲糞金龜[5]、螳螂蝦隱私通信[6]的例子. 講到日常生活利用偏振光的例子，如立體電影、液晶顯示器、偏光太陽(yáng)鏡、汽車擋風(fēng)玻璃等. 講到偏振在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，比如電光開關(guān)、應(yīng)力測(cè)量、偏振遙感探測(cè)等. 引入這些例子，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理既有趣又有用，提高學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生對(duì)專業(yè)的認(rèn)可度，堅(jiān)定學(xué)習(xí)物理的決心和信心，提升學(xué)生做為物理人的價(jià)值感. 華東師范大學(xué)同行觀摩偏振光綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)后評(píng)價(jià)：教師引入偏振光概念非常用心，從自然界中生物的例子，到偏振光在日常生活、科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，非常豐富、有趣，可看出教師做了很多調(diào)研，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)也非常有趣.

2 物理實(shí)驗(yàn)課程加入育人元素的方式

成功的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，會(huì)讓學(xué)生獲得許多能力和心理體驗(yàn)，在“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”中影響學(xué)生的人生觀和價(jià)值觀. 在知識(shí)傳授過(guò)程如何實(shí)現(xiàn)有效的價(jià)值引導(dǎo)，需要教師不斷地探索. 筆者嘗試以下方式：

1)講授及討論. 每個(gè)實(shí)驗(yàn)的第一個(gè)環(huán)節(jié)是教師講解實(shí)驗(yàn)，大部分內(nèi)容都可以在這個(gè)環(huán)節(jié)以講授的形式傳達(dá)給學(xué)生. 每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目蘊(yùn)含的物理思想、使用的研究方法，適合在做實(shí)驗(yàn)過(guò)程面對(duì)面地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考、討論，然后加以歸納總結(jié).

2)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái). 利用課程網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)開設(shè)了“影視中的物理實(shí)驗(yàn)”及“三色書屋”主題論壇.

a.“影視中的物理實(shí)驗(yàn)”主題論壇介紹學(xué)生觀看涉及物理實(shí)驗(yàn)的影片，然后展開討論，引導(dǎo)學(xué)生思考日常生活中的物理及物理實(shí)驗(yàn)在日常生活中的應(yīng)用，提高學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)作熱情.

b.“三色書屋”論壇向?qū)W生推薦物理人文方面的書籍，師生就閱讀進(jìn)行交流，旨在提高學(xué)生的科學(xué)及人文素養(yǎng).

3)課后作業(yè). 一些內(nèi)容可以做為課后作業(yè),比如，全息照相實(shí)驗(yàn)，留的作業(yè)是“調(diào)研全息技術(shù)的應(yīng)用”，學(xué)生了解到全息干涉計(jì)量、全息光學(xué)元件、全息顯微術(shù)、模壓全息、超聲紅外及微波全息. 講到全息在醫(yī)學(xué)診斷、舞臺(tái)設(shè)計(jì)、工業(yè)檢測(cè)、軍事等方面的應(yīng)用，大部分作業(yè)是內(nèi)容豐富而且詳實(shí)的調(diào)研報(bào)告. 通過(guò)調(diào)研，學(xué)生不僅開闊了知識(shí)面，加深了對(duì)全息技術(shù)的了解，也深刻地體會(huì)到全息豐富了人類的生活，提高了學(xué)習(xí)物理的興趣，也提升了做為物理人的自豪感.

4)實(shí)驗(yàn)室展板. 將物理學(xué)家的生平故事和經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)做成展板，營(yíng)造良好的文化氛圍.

3 結(jié)束語(yǔ)

愛因斯坦曾說(shuō)：科學(xué)對(duì)于人類事務(wù)的影響有2種方式,第一種是大家熟悉的,科學(xué)直接地并且在很大程度上間接地生產(chǎn)出完全改變?nèi)祟惿畹墓ぞ?；第二種是教育性質(zhì)的，它作用于心靈. 盡管草率看來(lái),這種方式好像不太明顯,但至少同第一種方式一樣銳利. 物理既是科學(xué)，也是文化[7]，物理課程思想政治元素在塑造學(xué)生的世界觀和價(jià)值觀方面發(fā)揮著獨(dú)特的、不可替代的作用. 建設(shè)適應(yīng)新時(shí)代要求的一流物理實(shí)驗(yàn)課程,需要把立德樹人做為課程的根本標(biāo)準(zhǔn),以此設(shè)置課程、設(shè)計(jì)課堂教學(xué). 習(xí)近平總書記指出：教師不能只做傳授書本知識(shí)的教書匠，而要成為塑造學(xué)生品格、品行、品位的“大先生.” 優(yōu)秀的教師不僅要指導(dǎo)學(xué)生如何在知識(shí)的海洋中遨游，領(lǐng)略科學(xué)的魅力，也要注意，在獲取知識(shí)的過(guò)程中，科學(xué)家的理想信念、科學(xué)精神和人文情懷才是學(xué)生應(yīng)該掌握的、更為珍貴的財(cái)富.