新冠肺炎疫情下教書(shū)育人的探索與實(shí)踐

熊永紅，肖利霞，謝柏林，朱鴻亮，陳佳敏，董錫杰

(1.文華學(xué)院 基礎(chǔ)學(xué)部，湖北 武漢 430074;2.華中科技大學(xué) 物理學(xué)院，湖北 武漢 430074;3.武漢科技大學(xué) 應(yīng)用物理系，湖北 武漢 430065)

2020年春節(jié)一場(chǎng)突如其來(lái)的新冠肺炎疫情洶涌而至，武漢聚焦了全世界的目光，牽動(dòng)著億萬(wàn)人民的心. 一場(chǎng)沒(méi)有硝煙的戰(zhàn)爭(zhēng)，讓每個(gè)人都面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)！科研實(shí)力雄厚的武漢高校迅速行動(dòng)，集中多學(xué)科優(yōu)勢(shì)科研力量應(yīng)急攻關(guān)抗疫硬核科技，推動(dòng)一線防控救治，為科學(xué)精準(zhǔn)防控提供科學(xué)支撐. 武漢大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的納米孔靶向測(cè)序方法，大大提高了核酸檢測(cè)結(jié)果的精確度；華中科技大學(xué)研發(fā)的基于人工智能技術(shù)的CT影像量化分析系統(tǒng)，使得檢測(cè)時(shí)間由0.5 h縮短至幾秒；華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院應(yīng)用超大規(guī)模計(jì)算機(jī)輔助篩選抗病毒藥物，找到5種可能對(duì)新冠病毒有效的抗病毒藥物. 2020年2月29日孫春蘭副總理到華中科技大學(xué)考察疫情防控攻關(guān)，強(qiáng)調(diào)“以科研攻關(guān)推動(dòng)一線防控救治，依靠科學(xué)武器戰(zhàn)勝疫情”.

1 觸動(dòng)心靈的教育才是好的教育

2019年3月18日上午，習(xí)總書(shū)記在京主持召開(kāi)學(xué)校思想政治理論課教師座談會(huì)[1]，指出要堅(jiān)持理論性和實(shí)踐性相統(tǒng)一，用科學(xué)理論培養(yǎng)人，重視思政課的實(shí)踐性，把思政小課堂同社會(huì)大課堂結(jié)合起來(lái)，教育引導(dǎo)學(xué)生立鴻鵠志，做奮斗者. 要堅(jiān)持統(tǒng)一性和多樣性相統(tǒng)一，落實(shí)教學(xué)目標(biāo)、課程設(shè)置、教材使用、教學(xué)管理等方面的統(tǒng)一要求，又因地制宜、因時(shí)制宜、因材施教.

1.1 社會(huì)是終身教育的大課堂，災(zāi)難是人生歷練的大考場(chǎng)

疫情爆發(fā)后，華中科技大學(xué)、文華學(xué)院、武漢紡織大學(xué)、海軍工程大學(xué)等高校師生爭(zhēng)當(dāng)疫情防控志愿者，從事社區(qū)調(diào)查排查、入戶走訪、防控宣傳、生活保障等繁雜瑣事，默默值守在疫情防控第一線，全力保障封城后的武漢穩(wěn)定有序地運(yùn)行，在為社會(huì)服務(wù)的過(guò)程中完善自我.

1.2 實(shí)事求是，勇于擔(dān)當(dāng)

早在春秋初期管仲說(shuō)“謀于實(shí)，故能權(quán)與立，不可敵也”，揭示了實(shí)事求是的重要性. 伽利略不畏教廷強(qiáng)權(quán)，提倡實(shí)證求是精神，把物理現(xiàn)象和規(guī)律與數(shù)學(xué)結(jié)合起來(lái)，開(kāi)創(chuàng)了實(shí)驗(yàn)科學(xué)新紀(jì)元. 竺可楨曾在《科學(xué)方法與精神》一文中把求是精神解釋為“只知是非，不顧利害”. 求是精神是一種奮斗與犧牲精神. 憶往昔，一戰(zhàn)時(shí)期居里夫人[2-3]擔(dān)任法國(guó)紅十字會(huì)放射部主任，發(fā)明了“放射汽車”(裝有X光機(jī)和攝影暗室設(shè)備)作為流動(dòng)的X光檢測(cè)站，她動(dòng)員法國(guó)婦女聯(lián)合會(huì)發(fā)起捐贈(zèng)，改裝了19輛“放射汽車”開(kāi)赴前線，培訓(xùn)了一批X光技術(shù)員，為救治傷員建立了功勛. 看今朝，全國(guó)醫(yī)療突擊隊(duì)逆流而上，相關(guān)專業(yè)人員快速馳援湖北，在極短時(shí)間以中國(guó)速度創(chuàng)建了火神山醫(yī)院、雷神山醫(yī)院和方艙醫(yī)院，救治了數(shù)萬(wàn)新冠肺炎患者，有效阻斷了疫情的進(jìn)一步蔓延.

1.3 拓展空間，勇于實(shí)踐

為響應(yīng)教育部“停課不停教、停課不停學(xué)”的號(hào)召，高校教師各盡所能，實(shí)事求是，結(jié)合本校的教學(xué)實(shí)際情況，統(tǒng)籌制定疫情防控期間教學(xué)實(shí)施方案. 教師在線上講解物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)、方法和技術(shù)，用仿真實(shí)驗(yàn)和宅+自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)作為物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效補(bǔ)充. 教指委為師生提供豐富的在線物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，騰訊、超星等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開(kāi)發(fā)了信息暢通、使用便捷、功能齊全的線上教學(xué)平臺(tái)和課堂，眾多高校都給出了有自己特色的“宅+實(shí)驗(yàn)”方案和SPOC+移動(dòng)端的混合式教學(xué)模式，探索出疫情特殊時(shí)期線上物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新途徑[4].

1.4 宅家重溫經(jīng)典，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

1583年，伽利略[5]在比薩教堂里注意到懸燈的擺動(dòng)，隨后用線懸銅球做實(shí)驗(yàn)，研究了“單擺”的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了等時(shí)性原理. 宅+“擺”可就地取材，自由發(fā)揮，例如：?jiǎn)螖[、扭擺、三線擺、電磁擺、混沌擺，也可用不同方法來(lái)研究“擺”. 1609年伽利略聽(tīng)說(shuō)荷蘭眼鏡工人發(fā)明了觀賞的望遠(yuǎn)鏡，他就地取材用風(fēng)琴管和凸凹透鏡研制成伽利略望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)不斷改進(jìn)后，用來(lái)觀察日月星辰，開(kāi)創(chuàng)了天文觀測(cè)學(xué). 學(xué)生可以宅+設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易的望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、分光實(shí)驗(yàn)等. 華中師范大學(xué)、海軍工程大學(xué)、文華學(xué)院等一批湖北高校也給出了符合本校實(shí)情的宅家實(shí)驗(yàn)方案.

1.5 突破時(shí)空局限，用好仿真資源

華中科技大學(xué)生命學(xué)院結(jié)合疫情教學(xué)，在虛擬仿真共享平臺(tái)開(kāi)設(shè)新型冠狀病毒核酸檢測(cè)虛擬實(shí)驗(yàn)和膜片鉗實(shí)驗(yàn)，從而虛擬實(shí)現(xiàn)核酸檢測(cè)虛流程：交叉創(chuàng)新3D模擬膜片鉗實(shí)驗(yàn)技術(shù). 文華學(xué)院開(kāi)設(shè)虛實(shí)融合的物理諾貝爾獎(jiǎng)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，以邁克耳孫干涉、光電效應(yīng)、黑體輻射、LED特性、塞曼效應(yīng)等諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主設(shè)計(jì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生重溫經(jīng)典提供學(xué)習(xí)平臺(tái). 武漢科技大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)，同時(shí)結(jié)合本校鋼鐵冶金特色，開(kāi)設(shè)了用于鋼鐵檢測(cè)的X射線光電子能譜仿真實(shí)驗(yàn)和X射線衍射物相分析實(shí)驗(yàn). 武漢大學(xué)采用先進(jìn)的虛擬放射源和數(shù)字化多道等技術(shù)，開(kāi)發(fā)了康普頓散射諾貝爾獎(jiǎng)仿真實(shí)驗(yàn)，解決了實(shí)驗(yàn)高危性問(wèn)題. 華中師范大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心開(kāi)發(fā)了量子密鑰分發(fā)虛擬仿真實(shí)驗(yàn).

2 以科學(xué)精神為指引重溫經(jīng)典，探尋脈絡(luò)，開(kāi)拓創(chuàng)新

著名教育家任鴻雋先生在《科學(xué)精神論》中講到，科學(xué)精神即是“尋求真理而已”. 科學(xué)精神作為科學(xué)研究的不竭動(dòng)力，它表達(dá)的是敢于堅(jiān)持科學(xué)思想的勇氣和不斷探求真理的意識(shí)，其內(nèi)涵非常豐富. 實(shí)事求是是科學(xué)精神的內(nèi)在表現(xiàn)，懷疑與批判精神、實(shí)證與求是精神、寬容與創(chuàng)新精神等是科學(xué)精神的外在表現(xiàn). 縱觀物理學(xué)的發(fā)展史，科學(xué)家設(shè)計(jì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)為我們展示了極其豐富的科學(xué)思想內(nèi)涵，提示了提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的途徑和方法.

2.1 霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)[6]的發(fā)現(xiàn)，蘊(yùn)涵著諸多科學(xué)素養(yǎng)元素：大膽質(zhì)疑、小心求證、勤于思辨、反復(fù)實(shí)踐.

霍爾在霍普金斯大學(xué)讀研時(shí)注意到，麥克斯韋在《電磁學(xué)》中寫(xiě)道：在導(dǎo)線中，電流的本身完全不受磁鐵接近或其他電流的影響. 而愛(ài)德朗(瑞典)于1878年發(fā)表在《哲學(xué)雜志》上的論文《單極感應(yīng)》中明確指出：磁鐵作用在固態(tài)導(dǎo)體中的電流上，恰如作用在自由運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體上一樣. 霍爾帶著疑問(wèn)請(qǐng)教導(dǎo)師羅蘭教授，他在導(dǎo)師的支持下，以此作為研究生課題，通過(guò)精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和深入研究，最終獲得成功，研究結(jié)果于1879年發(fā)表在《美國(guó)數(shù)學(xué)學(xué)報(bào)》[7]. 100多年后馮·克利青發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)[8-9]，于1985年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，隨后崔琦、蘇克林和施特默發(fā)現(xiàn)分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)[10]，于1998年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng). 量子自旋霍爾效應(yīng)、量子反?；魻栃?yīng)和石墨烯中的異常量子霍爾效應(yīng)等霍爾家族的新成員也相繼問(wèn)世，張首晟、薛其坤、方忠、曹原等學(xué)者在這些方面做出了突出貢獻(xiàn).

用霍爾效應(yīng)制作的霍爾元器件被廣泛應(yīng)用于汽車和日常生活. 學(xué)生可以利用霍爾效應(yīng)的原理和霍爾器件的特性，通過(guò)檢測(cè)磁場(chǎng)變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出，測(cè)量位置、位移、角度、角速度、轉(zhuǎn)速等，并可將這些變量進(jìn)行二次變換測(cè)量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量等. 學(xué)生可以借助于智能手機(jī)中的磁傳感器進(jìn)行宅+自主設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的探究.

2.2 邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)

邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)[6]可謂經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的代表，蘊(yùn)涵實(shí)證與求是精神和追求卓越的科學(xué)態(tài)度.

為了證明以太的存在，邁克耳孫[11]與莫雷合作，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，不斷提高儀器的靈敏度. 1887年，他們用改進(jìn)的干涉儀，花了5天時(shí)間，仔細(xì)地觀察地球沿軌道與靜止以太之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果仍然是否定的. 最終宣布了以太否定性實(shí)驗(yàn)，為狹義相對(duì)論的建立鋪平了道路. 邁克耳孫因在發(fā)明精密光學(xué)儀器、光譜學(xué)和度量學(xué)方面所做出的杰出貢獻(xiàn)，榮獲1907年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，愛(ài)因斯坦贊譽(yù)他為“科學(xué)界的藝術(shù)家”. 根據(jù)邁克耳孫干涉儀的原理，科學(xué)家設(shè)計(jì)出了具有超高靈敏度(10-22)的引力波探測(cè)器LIGO. 2017年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予Rainer Weiss， Kip S. Thorne和Barry C. Barish，用以表彰他們?cè)谝Σㄑ芯糠矫娴呢暙I(xiàn)[12].

學(xué)生可以自主搭建各種類型的干涉儀，或改進(jìn)廢舊的邁克耳孫干涉儀，用于不同的物理量的測(cè)量，例如：微小長(zhǎng)度、波長(zhǎng)、磁致伸縮、壓電系數(shù)、空氣的折射率、透明液體的折射率、透明介質(zhì)(固體)的折射率、熱膨脹系數(shù)、楊氏模量、傅里葉變換光譜等.

2.3 黑體輻射實(shí)驗(yàn)

引發(fā)“紫外災(zāi)難”的黑體(熱)輻射實(shí)驗(yàn)[6,13-14]，蘊(yùn)涵求實(shí)與求是、寬容與創(chuàng)新的科學(xué)精神.

熱輻射是19世紀(jì)科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)，以致量子論的嬰兒注定要從這里誕生. 1790年皮克泰提出熱輻射問(wèn)題，把它從熱傳導(dǎo)中區(qū)別開(kāi)，把熱輻射作為物理學(xué)研究的對(duì)象. 1800年赫謝耳首次探測(cè)到天體的紅外輻射，發(fā)現(xiàn)了紅外線. 1850年梅隆尼提出在熱輻射中存在可見(jiàn)光部分. 1859年基爾霍夫從理論上導(dǎo)入了輻射本領(lǐng)、吸收本領(lǐng)和黑體概念. 1861年他進(jìn)一步指出，在一定溫度下用不透光的壁包圍起來(lái)的空腔中的熱輻射等同于黑體的熱輻射. 1879年斯特藩從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出了黑體輻射的輻射本領(lǐng)與物體絕對(duì)溫度四次方成正比的結(jié)論. 1884年玻耳茲曼對(duì)上述結(jié)論給出了嚴(yán)格的理論證明. 1888年韋伯提出了波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度之積為定值. 1893年維恩從理論上進(jìn)行了證明. 1896年維恩推導(dǎo)出黑體輻射譜的函數(shù)形式，該公式與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，在短波區(qū)域符合得很好，但在長(zhǎng)波部分出現(xiàn)系統(tǒng)偏差. 為表彰維恩在熱輻射研究方面的卓越貢獻(xiàn)，1911年授予他諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[12]. 1900年瑞利從能量按自由度均分定律出發(fā)，推出了黑體輻射的能量分布公式，即瑞利-金斯公式，該公式在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較相符，但在短波部分卻出現(xiàn)了無(wú)窮值，嚴(yán)重背離實(shí)驗(yàn)結(jié)果，被稱之為“紫外災(zāi)難”. 1900年普朗克[15-16]在分析維恩公式和瑞利-金斯公式的基礎(chǔ)上，推出了著名的黑體輻射公式，該公式在全波段都與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合得很好！同時(shí)普朗克提出“量子”假設(shè)：對(duì)一定頻率ν的電磁輻射，物體只能以hν為單位吸收或發(fā)射. 1905年愛(ài)因斯坦[17]用普朗克的量子假設(shè)成功地解釋了光電效應(yīng). 1913年尼爾斯·玻爾[18]在他的原子結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)中也使用了這一概念. 因得到愛(ài)因斯坦和玻爾的支持，普朗克的能量不連續(xù)性概念才被人們廣泛接受. 1918年普朗克因黑體輻射和量子假設(shè)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，1921年愛(ài)因斯坦因光電效應(yīng)榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，1922年玻爾因原子結(jié)構(gòu)和原子輻射的研究榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng). 黑體輻射和光電效應(yīng)等現(xiàn)象引導(dǎo)人們發(fā)現(xiàn)了光的波粒二重性，開(kāi)辟了建立量子力學(xué)的途徑.

利用熱輻射原理制作的溫度計(jì)，不僅在抗擊非典和新冠病毒疫情防控中大顯神威，而且廣泛用于產(chǎn)品的三維溫度分布檢測(cè)，指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化. 紅外成像技術(shù)，不僅可以用于氣象衛(wèi)星云圖的拍攝、天文觀測(cè)、地球紅外拍攝及彗星等天體拍攝，還廣泛用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和無(wú)損檢測(cè). 紅外技術(shù)也廣泛應(yīng)用于刑偵和軍事領(lǐng)域，如紅外制導(dǎo)、紅外夜視裝備系統(tǒng)等.

3 結(jié)束語(yǔ)

“學(xué)為人師，行為世范”是北師大校訓(xùn)，也是物理實(shí)驗(yàn)課程思政的核心元素之一. 教師應(yīng)以身作則，因勢(shì)利導(dǎo)講述身邊涌現(xiàn)出的抗擊疫情的感人故事，鼓勵(lì)學(xué)生戰(zhàn)勝恐懼，積極參與疫情防控，在為社會(huì)和人民服務(wù)的過(guò)程中完善自我. 教師以培養(yǎng)學(xué)生成為德才兼?zhèn)涞娜藶榧喝?，在傳授知識(shí)的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生重溫經(jīng)典，閱讀原著，注重科學(xué)精神和為人之道的傳授，言傳身教、耳濡目染地影響學(xué)生，啟發(fā)學(xué)生自主思考，以春風(fēng)化雨、潤(rùn)物無(wú)聲的方式，實(shí)現(xiàn)全方位育人.