狹義相對論時空觀中“課程思政”的探索與實踐

劉淑靜，儲信煒，羅明艷，吉 強，巨丹丹，劉峻宇，王大珅，謝明念

(天津醫(yī)科大學 生物醫(yī)學工程與技術(shù)學院，天津 300070)

2018年習近平總書記在全國教育大會的重要講話中指出立德樹人是教育事業(yè)發(fā)展必須始終牢牢抓住的靈魂，育人之本，在于立德鑄魂. 培養(yǎng)德才兼?zhèn)涞挠杏萌瞬牛纫逃龑W生心無旁騖求知問學，又要融入思想道德教育培養(yǎng)學生綜合能力和素養(yǎng). 在此背景下，充分發(fā)揮課堂教學主渠道作用，使思想政治教育自然融入本科教育教學全過程，是“課程思政”課堂教學改革的目標. 因此需要深入挖掘?qū)I(yè)知識中蘊含的思想政治元素，并融入課堂教學中，形成專業(yè)理論知識與思政元素的協(xié)同效應(yīng)，使學生成長為社會需要的、綜合發(fā)展的全面型棟梁之才[1,2].

大學物理是高校重要的基礎(chǔ)理論課，具有教學內(nèi)容廣、授課對象多的特點. 大學物理課程中的物理知識是在“生活世界”中形成的一種特殊成就，體現(xiàn)著人的價值、情感及生存方式，是思想價值以知識形式的沉淀和積累，“析萬物之理，判天地之美”是對物理的哲學之美、思想價值的一種認識和感悟[3]. 根據(jù)大學物理教材有關(guān)內(nèi)容，深入發(fā)掘、精確提煉物理知識所蘊含的思想政治元素，在課堂教學中適當拓展，把物理知識教學轉(zhuǎn)化為體現(xiàn)核心價值觀教育的具體、生動和有效的載體. 在理解物理知識的基礎(chǔ)上引起情感反應(yīng)，產(chǎn)生積極聯(lián)想和深刻理解，從而使學生的思想、精神、價值在物理的哲學性中得到體驗、培養(yǎng)和熏陶. 綜上，物理學展現(xiàn)在學生面前的不僅是客觀世界的規(guī)律，而且是生機勃勃、充滿人生智慧的寶庫[4-6].

20世紀物理學所有重大進展，幾乎都建立在相對論和量子力學的概念之上，狹義相對論在當今物理學體系中處于奠基性的地位，是大學物理教學中一個不可或缺的重要內(nèi)容. 本文以大學物理中狹義相對論時空觀所包含的物理、數(shù)學和哲學內(nèi)容為載體，在課堂教學中探索思政元素有機融合的策略，以期達到激發(fā)學生學習興趣，提高學生對知識的理解和靈活運用以及思政教育的多重目的. 力圖在闡述狹義相對論建立的過程中，啟發(fā)學生的創(chuàng)造性思維、科學發(fā)展觀和馬克思辯證唯物主義觀念，并通過辯證唯物主義理論體系的貫通，使學生體會中國特色社會主義的道路自信、理論自信、制度自信、文化自信；在講解狹義相對論的時空觀基礎(chǔ)上，通過類比、聯(lián)想和引申等教學方法，合理自然地引導學生形成正確的世界觀和人生觀；在相對論應(yīng)用中，如北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，倡導學生掌握基礎(chǔ)理論，為攻克我國亟待解決的科技領(lǐng)域的卡脖子問題和掌握核心技術(shù)奉獻自己的力量，為科技興國和民族復(fù)興添磚加瓦. 最后以問卷調(diào)查的形式了解學生對狹義相對論教學中融入思政元素的接受程度，根據(jù)調(diào)查結(jié)果改進教學方法，使教師的育人能力不斷提升，形成閉環(huán)教學研究.

1 狹義相對論時空觀蘊含的思政元素

1.1 狹義相對論的建立過程對創(chuàng)新思維和科學發(fā)展觀的啟迪

1) 經(jīng)典物理學的危機

1865年麥克斯韋建立了麥克斯韋方程組，提出了光的本質(zhì)是電磁波的預(yù)言，求得電磁波的波速為c=3×108m·s-1，并認為其值與參考系的選擇無關(guān). 但是根據(jù)伽利略變換, 如果一束光在慣性系S中的速度是c,在相對于S系以速度v運動的慣性系S′中,如果光束傳播方向與v同方向,則光的速度是c-v,反方向則是c+v，因此該電磁理論與伽利略變換產(chǎn)生了矛盾. 同時，經(jīng)典牛頓力學的規(guī)律在任何慣性系中是等價的，在兩個相對運動的參考系中，電磁理論具有不同的形式，可見電磁理論與力學相對性原理也是矛盾的. 于是人們假設(shè)“以太”是一種能夠傳播光波的彈性媒介，光只是相對“以太”的絕對速度為c，“以太”是優(yōu)于其它參考系的絕對參考系，物理定律在“以太”參考系中具有最簡單的形式. 但是科學不能只靠想象力，需要找出證據(jù)證明“以太”的存在. 在物理學史上科學家們曾做過許多努力，企圖尋找“以太”的存在，如：斐索實驗、光行差測量、雙星周期測量以及邁克耳孫-莫雷的精密光干涉實驗等，但均以失敗告終[7]. 這使得經(jīng)典物理學遇到了前所未有的危機，意味著需要新的理論來解決相對性原理、伽利略變換和電磁理論之間的矛盾.

2) 解決問題的科學創(chuàng)新思維方法

依據(jù)常人的思維方式，遇到問題時首先會考慮使用已有的知識解決問題，選擇以經(jīng)驗為基礎(chǔ)的、最有希望的方法，并且沿著這個明顯設(shè)定的方向去解決問題. 因此，許多物理學家不愿意面對尋找絕對參考系失敗的事實，仍然做了大量理論和實驗工作來拯救“以太”,比如當時最杰出的物理學家洛倫茲和龐加萊等人幾乎已經(jīng)走到了相對論的大門邊，但由于當時沒有一種理論可以協(xié)調(diào)實驗和天文觀測的事實，而他們在“以太”和時間絕對性為基礎(chǔ)的動力學思想中陷得太深，雖然距離相對論只一步之遙，卻未能實現(xiàn)時空觀念的徹底變革[8].

愛因斯坦意識到解決以上矛盾的關(guān)鍵點，即放棄“以太”，否定特殊參考系的存在，修改伽利略變換. 1905年6月，愛因斯坦發(fā)表了《論動體的電動力學》，提出了空間、時間的新概念，建立了狹義相對論. 他詳細地分析了伽利略變換中時間和空間的概念,發(fā)現(xiàn)在伽利略變換中牛頓力學絕對時空觀只是頭腦中的一種抽象推測,并沒有相關(guān)實驗支持. 因此愛因斯坦堅信“凡是不能夠由實驗驗證的概念和陳述,都不能在物理學中站住腳跟”. 于是他堅定地拋棄了當時物理學家們堅守的伽利略變換,否定了絕對參考系，摒棄了“同時”的絕對性，做出了相對性原理和光速不變原理兩個假設(shè)，采用與相對性原理和與電磁理論協(xié)調(diào)一致的洛倫茲時空變換. 因此狹義相對論的建立離不開愛因斯坦的批判性哲學思維，攀登這樣的一個思想高峰絕非輕而易舉的事情，這需要不默守陳規(guī)、不拘囿于已有的概念和結(jié)論，尊重實驗結(jié)果，保持足夠的膽量和批判性創(chuàng)新思維[9].

3) 追求真理、勇于創(chuàng)新的科學發(fā)展觀念的引導

在相對論這種突破性的物理理論建立過程中，即使邁克爾孫-莫雷等實驗宣告失敗，墨守陳規(guī)的人仍然抱著沒有實驗事實依據(jù)的傳統(tǒng)時空觀不放，還在苦苦追尋“以太”理論，而愛因斯坦大膽突破傳統(tǒng)思維模式的禁錮，根據(jù)實驗事實否定了伽利略變換，提出了光速不變原理，勇于質(zhì)疑空間和時間的絕對性. 正因如此，他比同時代的物理學家(如龐加萊、洛倫茲等人)站得高、看得遠、想得深，最終能在科學上取得根本性的突破. 一百多年來，愛因斯坦的相對論，包括狹義相對論和廣義相對論，幾乎得到所有天文觀測和實驗的支持. 判斷一件事物需要以事實為依據(jù)，沒經(jīng)過實驗驗證的傳統(tǒng)的固有認知有可能是站不住腳的，這種科學的思維方式，使得愛因斯坦成為經(jīng)典物理學的顛覆者，他敢于打破傳統(tǒng)，帶來新的思想、新的啟發(fā)，讓人們擁有新的洞見. 愛因斯坦的故事不禁引發(fā)我們的思考，是做一個墨守成規(guī)的附屬者，還是做一個追求真理不斷創(chuàng)新的開拓者？答案顯而易見.

1.2 從時空觀認識過程，進行辯證唯物主義教育

1) 時空觀認識過程

“天地者萬物之逆旅，光陰者百代之過客”，古今先哲們不斷探索時間和空間的基本性質(zhì). 隨著文明的進步和科學的發(fā)展，人們的時空觀不斷完善與發(fā)展. 人們通常以現(xiàn)實中的具體物質(zhì)作為參考物來認識時間和空間，在對參考系的認識上，由以地球為靜止參考系的古老的“天圓地方”平直時空觀，到以太陽為靜止參考系的“日心說”，揭開了人類從物理學層面認識時空的序幕. 在開普勒、伽利略等人的研究基礎(chǔ)上，牛頓建立了以“經(jīng)典力學”為理論基礎(chǔ)的絕對時空觀[10]. 隨著電磁學的發(fā)展，人們又提出了“以太”是靜止參考系的時空觀，但探測“以太存在”的實驗以失敗告終，因此愛因斯坦開創(chuàng)性提出了慣性參考系的狹義相對論時空觀.

牛頓的絕對時空觀認為：物體的運動雖在時間和空間中進行，但時間和空間的性質(zhì)與物質(zhì)運動沒有聯(lián)系，時空的量度不因參考系的選擇而變；空間和時間是彼此獨立的，同時性和質(zhì)量都是絕對的. 設(shè)S′系沿x正方向以速度u相對S系運動，坐標原點O和O′重合時，t=t′=0. 在任意時刻t物體到達P點，S系和S′系的位置矢量分別為r(x,y,z,t)、r′(x′,y′,z′,t′)，符合伽利略的變換關(guān)系為x′=x-ut,y′=y,z′=z,t′=t，牛頓力學時空觀反映在伽利略變換之中，把時間從物質(zhì)演變過程中抽象出來, 變成既脫離空間也脫離物質(zhì)的任意流逝.

當人們無法用絕對時空觀合理、圓滿地解釋探索光速和光的相對運動的一系列實驗時，愛因斯坦拋棄了絕對時空觀念，建立了慣性參考系的狹義相對論時空觀，這是時空觀念的重大變革. 愛因斯坦認為：空間、時間、力、質(zhì)量都不是絕對的，是與參考系有關(guān)的. 物理學的客觀世界本質(zhì)上是一個四維結(jié)構(gòu)，由它分解出的三維空間和一維時間對不同的觀察者來說是不同的. 時間、空間有著密切聯(lián)系，時間、空間與物質(zhì)運動是不可分割的，空間距離、時間間隔、同時性也是相對的，它們隨物體與觀察者的相對運動狀態(tài)而改變，這就是狹義相對論力學的時空觀.

2) 相對論時空觀中的辯證唯物主義

從時空觀的認識過程以及歷史的長河來看，受制于所研究的時空范圍而建立的理論體系并不一定是永恒的，是隨著人類思維和對外部世界的探索發(fā)展而不斷進化的，這就是馬克思的辯證發(fā)展觀. 當人類的研究觸角更深、更廣或者更細微之時，將會面臨嚴峻的考驗，同時也可能帶來新的科學曙光. 這是從相對真理逼近絕對真理的必然性，因此應(yīng)對新理論、新事物樹立一種創(chuàng)新、包容的態(tài)度. 從相對論發(fā)展歷史的角度，理解馬克思主義的理論也不是僵死不變的教條，它要在實踐中不斷豐富，只有實踐是檢驗真理的唯一標準. 因此發(fā)展有中國特色的社會主義是在中國國情下對馬克思主義的一種修正和拓展.

面對伽利略變換、力學相對性原理和電磁理論三者之間的矛盾，科學家們一籌莫展，物理學的發(fā)展陷入困境，此時愛因斯坦創(chuàng)造性提出了兩個狹義相對論的基本原理，在洛倫茲變換基礎(chǔ)上發(fā)展成為適用于任何慣性參考系的狹義相對論，實現(xiàn)了經(jīng)典電磁理論與牛頓力學統(tǒng)一的綜合創(chuàng)新. 可見事物的發(fā)展變化是由矛盾運動造成的，矛盾是事物發(fā)展的源泉和動力，舊理論的內(nèi)在矛盾往往為走向新理論提供出發(fā)點. 這就是辯證唯物主義的對立統(tǒng)一規(guī)律，啟發(fā)我們在學習和生活中，不要畏懼困難和矛盾，也許這就是黎明前的黑暗，解決問題的突破性進展就蘊含在這些矛盾之中. 正所謂在科學上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦沿著陡峭的山路攀登的人，才有希望達到光輝的頂點.

狹義相對論時空觀告訴我們物質(zhì)和運動是不可分割的，而靜止是一種相對參考系運動的特殊情況. 這與哲學上的辯證唯物主義時空觀不謀而合，即運動是絕對的，而靜止是相對的，絕對運動和相對靜止是辯證統(tǒng)一的. 課堂上結(jié)合古今圣賢的詩詞，比如陳與義的“臥看滿天云不動, 不知云與我俱東”、毛澤東的“坐地日行八萬里”等所體現(xiàn)出來的樸素的辯證唯物主義，形象生動地認識到物理學的狹義相對論時空觀和辯證唯物主義的時空觀的融合，從而有意識地去引導學生思考. 相對論時空觀是現(xiàn)代自然科學的基石，從物理學的相對論與哲學的辯證唯物主義時空觀的和諧一致性可知，馬克思的辯證唯物主義也是領(lǐng)先的社會科學理論. 從嚴密的物理理論到深刻的哲學思想闡述，發(fā)揮這種協(xié)同效應(yīng)，可激發(fā)學生堅定中國特色社會主義道路自信、理論自信、制度自信、文化自信的信念.

1.3 狹義相對論時空觀對世界觀和人生觀的引導

1) 狹義相對論時空觀

狹義相對論時空觀反映在洛侖茲變換之中，

(1)

假定在S′系中發(fā)生兩事件的時間間隔為Δt′=t′2-t′1，則根據(jù)洛倫茲變換式，在S系中(相對S′系速度為u)測得兩事件的時間間隔為

(2)

由此可以看出，若Δt′=0，但Δx′≠0，Δt≠0，即在S′系中的觀察者看到的在不同地點同時發(fā)生的兩事件，在S系中的觀察者看來兩事件不再是同時發(fā)生的. 可見同時性與所取的慣性系有關(guān)，即“同時性”具有相對性. 若在S′系中同一地點(Δx′=0)時間間隔為Δt′(固有時間)發(fā)生的兩個事件，在S系中觀察的時間間隔為

(3)

顯然Δt>Δt′，同地發(fā)生的兩個事件在一個相對事件做勻速直線運動的慣性系中,觀察時間間隔變大了，稱為時間延緩效應(yīng). 若在S′系測量靜止的尺子長度為L′=x′2-x′1(固有長度)，由洛倫茲逆變換，在S系中測量尺子長度為

(4)

即L

2) 狹義相對論時空觀對世界觀的引導

狹義相對論探討了時間、空間、物質(zhì)與運動的關(guān)系，顛覆了傳統(tǒng)的牛頓力學時空觀，掀起了現(xiàn)代物理學革命，改造了人類的宇宙觀，是人類觀念上的變革和突破. 在教學過程中，筆者以相對論的兩個基本原理為基礎(chǔ)，由淺入深，用縝密的邏輯推理和數(shù)學推導得出狹義相對論效應(yīng)，從數(shù)學形式上先認可這種理論的正確性. 再通過一系列生動的事例聯(lián)想，使得枯燥的理論變得生動直觀，讓學生從感性上認同狹義相對論時空觀，比如“洞中方一日、世上已千年”的神話故事，讓學生發(fā)揮想象力，所謂的洞中，在地面上的人看來就可以認為是高速運動的天上神界，這樣就可以符合時間延緩效應(yīng)了. 以時下最流行的電視劇“三生三世十里桃花”和“枕上書”所描繪的主人公可以瞬間上天入地，可以想象他們的運動速度相當高了，當速度達到一定數(shù)值時時間膨脹效應(yīng)比較明顯，主人公們動輒幾萬歲仍然容顏未改得到了科學解釋. 因此不論是中國的神話故事還是當前的玄幻小說，都不是無根之木，中國人民樸素的哲學智慧也體現(xiàn)了一定的科學思想，通過這些通俗易懂的事例，引導學生對中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的自信與自覺. 同時輔助進行一些典型的例題訓練，強化學生對這種新概念的理性認同.

例1：一宇宙飛船以u=1×104m·s-1的速率相對地面勻速飛行，如果飛船上的鐘走了5 s，那么在地面上的鐘測量經(jīng)過了多少時間？假設(shè)u=1×105m·s-1，u=1×106m·s-1，u=0.95c，地面上的鐘測量分別經(jīng)過了多少時間？

原時間為Δt′=5 s，則根據(jù)時間延緩效應(yīng)得到

(5)

同理，u=1×105m·s-1時，Δt= 5.000 000 28 s；u=1×106m·s-1時，Δt= 5.000 028 s；u=0.95c時，Δt=16.5 s.

所以，當u?c時， Δt≈Δt′，低速宏觀物體遵循經(jīng)典物理學規(guī)律，這就是人們?nèi)粘Ｋ兄氖澜? 而當速度達到3×105m·s-1以上時，時間延緩效應(yīng)才會顯示出來. 采用Matlab軟件模擬兩種時空觀中的時間和空間，其結(jié)果如圖1所示[11]. 若把時空看做是以物體運動速度為變量的函數(shù)，牛頓力學時空觀中的時空不隨相對速度變化，而狹義相對論力學時空觀中時間和空間均會發(fā)生變化，這種差異會隨著相對運動速度的增加而增加. 顯然當u?c，即運動參考系的速度遠小于光速時，狹義相對論力學時空觀過渡到了牛頓經(jīng)典力學時空觀. 因而，牛頓力學時空觀是相對論時空觀的一種極限情況，這說明狹義相對論時空觀是更全面、適用范圍更廣的理論體系，體現(xiàn)了新理論對舊理論的包容性. 牛頓經(jīng)典力學時空僅僅是在速度非常低的極小范圍內(nèi)是正確的，還有更廣闊的時空，雖然人們由于認知局限而感知不到，但它是客觀存在的物理世界. 顯然這種新的時空觀念給我們打開了腦洞，讓我們知道自己的認知存在局限，需要不斷拓寬認知的格局、學習科學知識，使我們能更客觀、更全面地看待世界.

圖1 兩種時空觀中時間隨速度的變化關(guān)系對比圖

狹義相對論時空觀相對于傳統(tǒng)的經(jīng)典時空觀，不僅僅是客觀物理規(guī)律的拓展，也是人們對時間和空間的顛覆性認識. 社會生活中是否也存在著如經(jīng)典時空觀一樣的認知？雖然在一定范圍內(nèi)是正確的，但在更大的格局和眼界下，是否存在局限性呢？例如：談戀愛時，喜歡自己的同班同學，可偏偏落花有情流水無意，有些學生會認為這就是此生摯愛，不可能再找到一個跟此人一樣令自己心動的人了，可能會因此做出一些極端事情，逼迫對方與自己戀愛，也有人可能會郁郁寡歡，一蹶不振，從此不再相信愛情. 若以狹義相對論時空觀來看待這個問題，選擇的范圍僅僅局限在本班級、本專業(yè)或者本校，限制了我們的認知，如果放眼全市、全國、全世界，一定會有更加令你心動的人.

通過狹義相對論時空觀的學習，深入淺出地引導學生不要把自己局限在一個層面上，站在更高的層面會有更廣闊的視野，看到不同的風景. 學習狹義相對論時空觀可幫助提高學生的思想深度、眼界寬度、境界高度以及胸懷的廣度，有利于啟迪學生樹立正確的世界觀. 因此在學習和生活中應(yīng)該打破固有、僵化的意識，不鉆牛角尖，思考問題不要局限在小小的自我世界中. 認知在哪個層級，人生就在哪個狀態(tài)，要不斷學習科學文化知識并吸收內(nèi)化為個人能力，樹立對世界、對社會和個人正確的認識.

3) 狹義相對論時空觀對人生觀的引導

在狹義相對論時空中，同時性與所取的慣性系有關(guān)，同時不再是絕對的，所有與時間和空間相關(guān)聯(lián)的事件的發(fā)生都變成相對的. 在某個慣性系中同時發(fā)生的兩個事件,在另一相對其運動的慣性系中不一定同時發(fā)生. 這不但是物理學上的空前創(chuàng)舉，在哲學上也具有深遠意義：一切事物都是相對的，都具有兩面性，是矛盾的統(tǒng)一體.

類比于生活中的很多情節(jié)，比如以1個小時的時間間隔為例，夏天獨自坐在火爐邊與在公園柳蔭下談情說愛，前者感覺度日如年，后者感覺光陰如梭，所以不同的處境，對時間間隔的感受是完全不同的. 狹義相對論時空觀的時間延緩效應(yīng)和長度收縮效應(yīng)也同樣是在不同參考系下得到的不同現(xiàn)象，下面以典型例題2詳細闡述.

圖2 不同參考系下觀察同一事物的示意圖

由此可見，站在橋上和在車中(不同參考系)觀察，得到的結(jié)論完全不同，但在各自的參考系中都符合客觀物理規(guī)律. 這從理性角度告訴我們，對同一個問題，所處角度不同造成的認知不同，甚至有可能相反，我們應(yīng)當全面、辯證地看待世間事物. 相對論告訴我們要學會換位思考，摒棄“自我”，設(shè)身處地站在“他人”立場去思考問題，才可以得到超越固有思維和判斷的結(jié)論，糾結(jié)的心會豁然開朗，由消極轉(zhuǎn)向積極. 例如：同一宿舍中的兩位同學，一個堅持早睡早起，身體好學習效率高，一個堅持晚睡晚起，越到晚上越精神. 在互相不理解的情景下，均會堅持認為自己是對的，對方無論是從科學還是大眾習慣等角度都是沒道理的，由此會因作息習慣不同產(chǎn)生矛盾，造成比較激烈的沖突. 學習相對論后，老師可引導學生換位思考，從不同角度和立場看問題，得到的結(jié)論均有其自身的道理，兩位同學再繼續(xù)論戰(zhàn)下去的情緒會明顯減弱.

相對論告訴我們每一件事用不同角度觀察，會有不同的見解，生活中學會換位思考，思路會更寬闊. “換位思考”是人世間一種很好的思維方式，它不僅能讓自己開心，還會使生活矛盾減少，人際關(guān)系融洽，社會關(guān)系和諧，這對我們的人生來講是非常重要的. 在宏觀、低速世界尺度下，相對論效應(yīng)實在太小，此時相對論和牛頓力學是等效的. 而相對論效應(yīng)只有在速度越接近于光速時，才越明顯. 因此，我們才會覺得相對論很反常識. 這也告訴我們一個道理：不要被眼前的生活所欺騙，多去看看外面的世界，只有跳出自己的生活圈，才能夠更深刻地理解世界.

1.4 相對論時空觀的應(yīng)用對科技興國和民族意識的引領(lǐng)

也許有學生會問，既然我們?nèi)粘Ｉ钤诤暧^低速的世界中，相對論效應(yīng)無法體現(xiàn)，那對于實際生活有什么意義呢？還需要學習這么深奧的理論嗎？其實相對論的應(yīng)用早已深入我們的生活，典型的實例是目前手機導航采用的衛(wèi)星定位系統(tǒng).

以美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)為例來了解一下相對論的應(yīng)用. GPS衛(wèi)星系統(tǒng)由24顆位置精心安排的衛(wèi)星組成，使得地球上的任何地點隨時能見到其中的4顆. 每顆衛(wèi)星上攜帶著計時極為準確的原子鐘，GPS導航儀通過比較從4顆GPS衛(wèi)星發(fā)射來的信號的時間差異，計算出其所在的位置. 為了讓衛(wèi)星上的原子鐘保持同步，就必須依賴衛(wèi)星與地面觀測站之間的通訊. 而GPS衛(wèi)星以速度14 000 km/h繞地球飛行，同時持續(xù)向地面發(fā)射信號，報告時間和軌道位置. 由狹義相對論可知運動的星載原子鐘會發(fā)生時間延緩效應(yīng)，每天要比地球上的鐘慢7 μs；由于廣義相對論的時空彎曲導致星載時鐘每天要快45 μs，最終星載時鐘每天大約比地面鐘快38 μs. 因此，每天由于相對論效應(yīng)累積的定位誤差大約是10 km，GPS系統(tǒng)失去了精確定位的功能，這真是差之毫厘謬以千里. 導航儀在定位時必須將星載時鐘每天撥回38 μs修正這一誤差. 高精度導航讓普通人也能親身體驗到相對論的價值，采用衛(wèi)星進行導航定位的技術(shù)已經(jīng)深入到軍事國防、科技、社會生活等各個領(lǐng)域[12].

上個世紀末，中國“銀河號”貨輪行駛到印度洋時，貨輪導航系統(tǒng)因美國停掉印度洋海域的GPS信號而失靈，導致無法繼續(xù)航行，并且自海灣戰(zhàn)爭開始使用精確制導武器，因此不論是國家安全還是經(jīng)濟社會發(fā)展，都促使我國自主建設(shè)運行自己的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，即北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這是繼美國全球定位系統(tǒng)(GPS)和俄羅斯GLONASS系統(tǒng)之后的第三個成熟衛(wèi)星導航系統(tǒng). 基于北斗系統(tǒng)的導航服務(wù)不僅應(yīng)用于軍事國防，亦已廣泛進入中國大眾的共享經(jīng)濟和民生領(lǐng)域，服務(wù)國家現(xiàn)代化建設(shè)和百姓日常生活，為全球科技、經(jīng)濟和社會發(fā)展做出貢獻. 在當代世界政治與經(jīng)濟格局下，北斗系統(tǒng)為經(jīng)濟社會發(fā)展提供重要時空信息保障，是中國實施改革開放40余年來取得的重要科技成就之一，在大國之間的科技博弈中體現(xiàn)了中國實力，也彰顯出中國的氣魄和權(quán)威. 講授相對論在北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的應(yīng)用，可使專業(yè)課教學呈現(xiàn)中國風格和中國氣派，展現(xiàn)中國智慧.

除了相對論時空觀在衛(wèi)星定位系統(tǒng)中的應(yīng)用，原子彈、放射線治療、粒子加速器的制造和使用以及光子火箭的設(shè)想，都需要借助相對論時空效應(yīng)和質(zhì)能關(guān)系[13]. 相對論提出的“光速不變理論”“扭曲時空”的概念還有很多很多的推論，小到推測水星的運行軌道、在發(fā)生日全食時星星的位置，大到可以推演太陽的過去與未來、甚至宇宙的過去與未來，也為科幻主題電影提供了無限的創(chuàng)作靈感. 在中國人民不斷探索和建設(shè)時期，科技興則民族興，科技強則國家強，少年強則國家強，這就更加要求當代大學生掌握相對論基礎(chǔ)理論，在構(gòu)筑強大的科技實力和創(chuàng)新能力方面做出貢獻，為實現(xiàn)科技興國和中華民族復(fù)興的偉大夢想添磚加瓦.

2 課堂實踐教學效果評價和反饋

根據(jù)王磊主編的醫(yī)用物理學(第9版)第14章狹義相對論基礎(chǔ)，設(shè)計必修階段狹義相對論的教學課時、梳理教學內(nèi)容[14]，堅持“立德樹人”思想，在潛移默化中融入思政元素，最后再對教學效果進行問卷調(diào)查，分析問卷反饋數(shù)據(jù)[15]. 本教學實踐對象為天津醫(yī)科大學臨床“5+3”專業(yè)的一年級學生，有6個教學平行班，共181人，狹義相對論基礎(chǔ)的授課時間為4個學時，并組織學生課余進行主題討論. 結(jié)課后進行無記名問卷調(diào)查，并對其中的主要幾項調(diào)查結(jié)果進行歸納.

2.1 思政元素融入情況調(diào)查

圖3(a)為學生認為教師授課過程中是否加入思政元素的餅狀圖，181份問卷中，選擇“是”的為180人，選擇“否”的為0人，選擇“無法判斷”的為1人. 圖3(b)為是否感覺在講授狹義相對論知識時融入思政元素能做到因勢利導，潛移默化，180人中有178人認為狹義相對論理論知識和思政元素達到了“有機結(jié)合”，引導比較自然，1人認為思政元素加入得太突兀，1人認為思政元素融入的比較生硬. 調(diào)查結(jié)果顯示，99.45%的學生都認為教師在授課過程中做到了思政元素與科學知識有機地融合，做到了寓教于無形、潤物細無聲.

對融入思政元素的狹義相對論知識點和教學方式也分別做了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如圖4所示. 圖4(a)表明多達164名學生選擇時間延緩效應(yīng)融入的思政元素容易接受和信服，與教師在授課過程中采用的教學方法有極大的關(guān)系. 講解時間延緩效應(yīng)時，以電視劇“三生三世十里桃花”和“枕上書”的情節(jié)為例，引導學生理解速度達到一定程度時，時間延緩，所以即使過了幾萬年，電視劇中的上仙仍然朱顏不改，和學生產(chǎn)生了共鳴. 最受歡迎的85版八仙過海中呂洞賓落榜輕生被兩位神仙相救，僅過了一日回家，發(fā)現(xiàn)妻死子老，“洞中方一日，世上已千年”，讓學生在不知不覺中深刻領(lǐng)悟晦澀難懂的狹義相對論時空觀，并在此基礎(chǔ)上用教師自己的學識、閱歷、經(jīng)驗進行因勢利導，讓學生達到對傳統(tǒng)時空觀念認識的突破和拓展，以無縫對接和有機互融的方式引導學生樹立正確的世界觀，增強學生思維的廣闊性和深刻性. 這與圖4(b)中129人選擇喜歡影視作品這種融合方式是相關(guān)聯(lián)的. 圖4(a)中148人選擇長度收縮效應(yīng)，113人選擇同時的相對性，這與教師在授課過程中以同學們學習和生活中的事例來引導學生換位思考有極大的關(guān)系，因此在圖4(b)中89人選擇了學習生活事例的教學方法. 因此“課程思政”內(nèi)容設(shè)計要從學生感興趣的例子出發(fā)，利用恰當、自然滲透的語言方式，結(jié)合課程特點適時嵌入思政元素，引領(lǐng)學生進入情景，這會產(chǎn)生事半功倍的效果.

圖5為相對論課程教學中融合的思政元素調(diào)研結(jié)果，其中169人選擇世界觀，156人選擇人生觀，87人選擇愛情觀，這說明教師凝練的課程思政元素達到了與課程知識點的共振效果. 91人選擇了創(chuàng)新，50人選擇拼搏進取，說明在相對論發(fā)展史、愛因斯坦軼事等方面的授課過程中實現(xiàn)了啟蒙學生思想的效果. 同時注意到家國情懷投票率不高，這可能是由于課程學時的限制，中國北斗系統(tǒng)和粒子加速器中相對論應(yīng)用的專業(yè)知識講解時，嵌入思政元素的過程比較緊張，在引申思政元素環(huán)節(jié)上不夠完善，沒能催發(fā)學生良好的接受效果，因此未來需要在課程設(shè)計時改進課時安排和進度，豐富教學手段，組織靈活多樣的教學活動.

圖5 相對論課程教學中融合的思政元素問卷調(diào)查結(jié)果

2.2 教學效果評價和反饋

圖6為教學效果評價和教學建議的問卷調(diào)查結(jié)果. 意識到本章“課程思政”教學非常有啟發(fā)性的同學占93.92%，同學們認為能夠開闊自己的眼界，打開一扇新的思想大門，對未來的生活和工作很有幫助. 但也有6.08%的同學認為“課程思政”沒有太多作用，占用了課時. 另外，選擇有必要繼續(xù)采取這種授課方式為下一屆學生授課的同學占87.29%，12.15%的學生認為思政元素的引申會占用課程的課時，影響專業(yè)知識講授，只有0.55%的學生認為沒有必要融入思政元素. 對此筆者認為課程思政的實施需要教師長期堅持，不斷探索嵌入模式，研究當前學生的專業(yè)知識建構(gòu)、思想動態(tài)、價值觀、學習習慣和興趣等，從而能夠在課程思政實施過程中不斷改進教學手段. 選擇貼近目前社會主流話題的案例和視頻，采用一些新媒體、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段進行輔助教學，與學生在課上、課下形成良好互動[11,16]. 同時隨著課程思政的燎原之勢，學生們也會更加接受這種非智力隱性教育的理念.

3 結(jié)論

本文以狹義相對論時空觀為例，對大學物理中課程思政進行了案例研究. 在傳授知識的同時，不露痕跡地實施非智力教育，實現(xiàn)了知識傳授、價值塑造和能力培養(yǎng)的多元統(tǒng)一. 首先立足狹義相對論的傳承脈絡(luò)和愛因斯坦的思想架構(gòu)，引導培養(yǎng)學生追求真理、勇于創(chuàng)新的科學發(fā)展觀念和辯證唯物主義觀念；其次在狹義相對論時空觀的知識講授過程中，提升學生站在一個更高的維度去觀察世界和人生的意識，從而使學生樹立正確的人生觀、世界觀，增強學生思維的廣闊性、深刻性和敏銳性；通過相對論在我國北斗導航系統(tǒng)中的應(yīng)用，培養(yǎng)學生勇攀科學高峰的責任感和使命感，激發(fā)學生科技報國的意志. 最后對“課程思政”的課程內(nèi)容、思政元素、教學成效和教學建議進行了問卷調(diào)查，大部分同學認為本次“課程思政”達到了大道至簡、潤物無聲的教學效果. 而且通過“備”“教”“學”“評”的教學環(huán)節(jié)，幫助教師改進教學，提升教師的思想政治教育能力，有利于推進“課程思政”各層次的合作交流. 通過結(jié)合課程特點適時嵌入思政元素進行育人，筆者相信一個掌握扎實的基礎(chǔ)理論的青年，一個擁有創(chuàng)造性思維能力的青年，一個身心健康、擁有正確世界觀和人生觀的青年，一定是堪當民族復(fù)興大任的社會主義建設(shè)者和接班人.