課程思政理念融入高校物理教學的實踐探析*
——以“角動量守恒”為例

梁敏 王璟璟 李照鑫 劉靜 劉啟鑫

(山東科技大學電子信息工程學院 山東 青島 266590)

1 引言

2017年國務院頒布了《關于加強和改進新形勢下高校思想政治工作的意見》，提出堅持全員全過程全方位育人(簡稱“三全育人”)，把思想價值引領貫穿教育教學全過程和各環(huán)節(jié)[1]．2020年教育部印發(fā)《高等學校課程思政建設指導綱要》通知，進一步明確把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進高校課程思政建設，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量[2]．

大學物理課程作為理工科學生一門重要的公共基礎課，在課程思政育人方面具有獨特的優(yōu)勢，其課程內(nèi)容中蘊含著豐富深刻的辯證唯物主義思想，可以培養(yǎng)學生科學的思維方法，提升科學認知能力和綜合實踐能力，增強學生科技報國的家國情懷，激發(fā)探索未知、追求真理、勇攀科技高峰的奮斗精神[3]．但是如果在課程思政切入點與融合度上把握不準，課程育人與課程內(nèi)容不能有效結合互相支撐，容易使得課程育人效果不理想．現(xiàn)以大學物理中剛體轉(zhuǎn)動的“角動量守恒”一節(jié)為例，針對如何在教學中恰當融入課程思政理念、切實提高學生科學素養(yǎng)進行初步的探究分析．

2 教學內(nèi)容設計

“角動量守恒”是大學物理“剛體轉(zhuǎn)動和流體運動”中的一節(jié)內(nèi)容[4]，在學習了剛體的角動量概念和角動量定理后，進一步討論角動量滿足守恒定律的條件以及角動量守恒定律的3種常見形式和具體應用．

2.1 課前預習任務

課前通過學習通平臺將神舟十號宇航員王亞平“太空授課”中陀螺儀的相關視頻以及角動量守恒相關資源推送給學生，發(fā)布預習公告，學生開展自主學習．要求學生思考陀螺儀實驗背后的原理、查閱資料了解跳水比賽中難度系數(shù)的規(guī)定，為課堂中開展相應教學活動做好準備．

2.2 課堂知識講授

課堂授課開始時，教師播放航天員王亞平太空授課中做陀螺實驗的視頻，邀請學生體驗陀螺儀的旋轉(zhuǎn)過程，直觀感受旋轉(zhuǎn)的陀螺具有定向作用，引導學生思考原因．

采用與質(zhì)點的平動相類比的教學方法，推導出剛體繞定軸轉(zhuǎn)動的角動量定理及其條件．由角動量定理的內(nèi)容，即

(1)

進一步分析，得出當合外力矩為零時，角動量不隨時間變化，稱為角動量守恒．角動量守恒是自然界中的基本守恒定律，它和動量守恒定律、能量守恒定律一起稱為自然界中的三大基本守恒定律，對剛體、非剛體均適用．

課堂討論圖1中的3種物理模型下剛體系統(tǒng)角動量是否守恒，學生充分參與、分組討論，利用所學知識解決問題．通過參與分組討論環(huán)節(jié)，學生更加明確角動量守恒的適用條件，對角動量守恒有進一步的認識．在此過程中訓練學生的探究意識、科學思維以及協(xié)作創(chuàng)新的團隊精神．

圖1 課堂討論——角動量守恒的條件

角動量守恒的應用是該節(jié)的重點內(nèi)容，通過分析角動量守恒的條件和分類，進一步介紹角動量守恒在航天軍事、慣性導航、體育運動等不同領域中的應用實例．主要包括3種情況：

(1)單個剛體，轉(zhuǎn)動慣量不變，角速度也不變

通過課堂演示回轉(zhuǎn)儀，引導學生回顧王亞平太空授課的視頻，解釋高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有定向作用的原因是滿足角動量守恒條件，陀螺在轉(zhuǎn)動過程中轉(zhuǎn)動慣量不變，則陀螺儀的角速度大小和方向都不變．進一步講解陀螺儀在天宮對接等航空航天中的作用，播放中國陀螺儀發(fā)展歷史的相關紀錄片，介紹我國西漢時期發(fā)明的“被中香爐”的基本結構和原理．學生對陀螺儀和導航系統(tǒng)有初步了解，明確角動量守恒在國防科技、航天航海技術中的重要應用．

(2)剛體系統(tǒng)，分體反向轉(zhuǎn)動性質(zhì)

剛體系統(tǒng)若滿足角動量守恒的條件，如果系統(tǒng)中的一部分轉(zhuǎn)動起來，則系統(tǒng)的另一部分一定向相反方向轉(zhuǎn)動，且總角動量守恒．播放視頻，視頻中實驗者手拿轉(zhuǎn)輪，一開始實驗者和轉(zhuǎn)輪都靜止．當轉(zhuǎn)輪開始轉(zhuǎn)動后，人向相反方向轉(zhuǎn)動，學生通過角動量守恒定律分析其中的原因．展示單旋翼直升機和雙翼直升機等不同直升飛機的圖片，讓學生進一步討論分析單翼直升機中尾翼的作用，以及雙翼直升機為何無尾翼的原因等．進一步理解掌握由兩個剛體組成的剛體系統(tǒng)，角動量守恒的條件和結論，使學生了解角動量守恒在生活和科技生產(chǎn)中的具體應用，激發(fā)學生學習興趣．

(3)非剛體，轉(zhuǎn)動慣量和角速度的反比例關系

非剛體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量發(fā)生變化，則角速度也隨之發(fā)生變化，即二者存在反比關系．學生在課堂上親身體驗茹科夫斯基凳，直觀感受手握啞鈴時，手臂伸開和收攏過程中，身體轉(zhuǎn)速會發(fā)生明顯變化，體會角動量守恒的含義．播放奧運跳水項目和花樣滑冰項目的視頻，展示體育運動中遵循的角動量守恒定律，理解運動員高質(zhì)量完成優(yōu)美動作背后所蘊含的物理原理．結合課前任務中了解的跳水比賽中難度系數(shù)的規(guī)定，安排學生小組討論跳水運動難度系數(shù)規(guī)定的原因．

2.3 課后拓展研究活動

布置課后拓展研究性任務：(1)學生思考日常生活中還有哪些現(xiàn)象體現(xiàn)了角動量守恒.(2)俗語說“貓有九條命”，為什么貓從高處下落時最后總能四腳著地而不會受傷？學生課后查找資料，觀察貓下落過程中身姿體態(tài)的變化情況，利用角動量守恒知識解釋說明．

3 課程思政元素

3.1 神舟飛船宇航員兩次太空授課中的角動量守恒應用

2013年6月20日上午10點，神舟十號航天員王亞平在天宮一號給地面的全國中小學生講課，其中有一個重要的實驗就是陀螺運動[5]．王亞平取出一個陀螺，用手輕推，陀螺竟然翻滾著向前，行進路線變幻莫測．隨后，她又取出一個陀螺，抽動它后，再用手輕推，陀螺沿著固定的軸向向前飛去．這是我國航天員首次面向中小學生開展太空授課和天地互動交流等科普教育活動，也是神舟十號飛行任務的一大亮點．通過太空授課的陀螺儀演示實例，既切合角動量守恒的主題，又可以展示我國航天成就，彰顯中國力量．

2021年12月9日下午15時40分，時隔8年之后，神舟十三號乘組3名航天員翟志剛、王亞平、葉光富擔任“太空教師”，再次進行太空授課，在中國空間站為廣大青少年帶來了一場精彩的太空科普課，這也是中國空間站首次太空授課活動[6]．航天員為學生們展示了在太空中轉(zhuǎn)身的神奇現(xiàn)象，這個原本在地面上難度系數(shù)為零的普通動作，在太空中卻變得不那么容易．太空轉(zhuǎn)身實驗的核心即利用了角動量守恒，在微重力的環(huán)境中，航天員在不接觸空間站的情況下，類似于理想狀態(tài)下驗證“沒有外力矩，物體會處于角動量守恒”．航天員上半身向左轉(zhuǎn)動時，按照角動量守恒定律，下半身就會向右轉(zhuǎn)．

太空授課“柔性”展示了中國航天軟實力，學生在學習物理知識的同時，也為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展和取得的偉大成就感到驕傲和自豪，激發(fā)學生愛國熱情和科技報國的家國情懷．

3.2 陀螺儀的發(fā)展歷史及在航空航天技術中的應用

遵循角動量守恒定律的陀螺儀，具有導航作用，在航空航天中具有關鍵作用．播放紀錄片《陀螺儀發(fā)展歷史》視頻[7]，視頻中介紹：陀螺在中國有著悠久的歷史，據(jù)查目前最早的應用例子記載在西漢的《西京雜記》中，提到了能工巧匠丁緩制作出失傳的“被中香爐”，又稱銀薰球，無論銀薰球如何滾動，其中的香盂都會保持穩(wěn)定狀態(tài)，其原理與現(xiàn)代陀螺儀的基本原理完全相同．現(xiàn)在陀螺儀在很多方面都有應用，如手機、體感游戲機、防抖攝像機等，都有陀螺儀的身影．陀螺儀的發(fā)展經(jīng)歷了機械陀螺、光纖陀螺、原子陀螺三代發(fā)展，我國以林士諤先生、張惟敘教授為代表的陀螺儀表人刻苦鉆研、勇于開拓，實現(xiàn)了我國陀螺儀從無到有的里程碑式發(fā)展，為國防事業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻．通過觀看紀錄片，了解陀螺儀的發(fā)展歷史，鼓勵學生學習傳承老一代科學家愛國奉獻、淡泊名利的優(yōu)良品質(zhì)，投身于中華民族的偉大復興中．通過了解陀螺儀在航空航海技術中的重要應用，切實感受到科技改變世界的神奇魅力．

3.3 角動量守恒定律在體育運動中的應用

討論非剛體在角動量守恒條件下轉(zhuǎn)動慣量和角速度的反比關系時，通過視頻展示體育運動中遵循的角動量守恒現(xiàn)象，讓學生親身體驗茹科夫斯基凳實驗，發(fā)動學生分組討論．學生通過參與并完成演示實驗，體會角動量守恒，進一步理解“實踐是檢驗真理的唯一標準”．

播放我國奧運健兒在跳水運動和花樣滑冰運動比賽中的精彩片段，啟發(fā)學生思考：為何在跳水運動中，運動員在空中完成高難度動作時一般都是屈體或抱膝的動作，而在入水之前則將身體完全打開？為何花樣滑冰運動員在凌空旋轉(zhuǎn)時收攏手臂，而在落地之前要張開手臂？學生運用本節(jié)學習的角動量守恒的知識，分析運動員在收緊身體或收攏手臂的情況下，人體的轉(zhuǎn)動慣量小，轉(zhuǎn)速就大，更容易完成高難度動作；當運動員在打開身體或伸開手臂時，人體的轉(zhuǎn)動慣量大，轉(zhuǎn)速降低，更容易順利入水或平穩(wěn)落地．課堂中結合學生課前了解到的跳水運動中的難度系數(shù)規(guī)則的內(nèi)容，分析其背后的原因．一般來說，同一類型的動作屈體難度大于抱膝，比如107B的難度就比107C大，課件如圖2所示．學生運用角動量守恒的知識思考跳水比賽難度系數(shù)規(guī)定其背后的原因，增強學習興趣．

圖2 跳水運動背后的物理原理及難度系數(shù)的規(guī)定

結合2020東京奧運會上我國跳水隊以全紅蟬為代表的年輕一代的體育健兒們奮力拼搏、勇奪金牌的事跡和他們刻苦訓練、頑強拼搏的奧運精神[8]，鼓勵學生立足當下、刻苦學習、掌握專業(yè)知識本領，為祖國富強偉大貢獻自己的力量．

3.4 角動量守恒在直升飛機等實際中的應用

通過圖片展示單旋翼直升機和雙翼直升機，提問學生：為何單翼螺旋槳直升飛機除了頂部有螺旋槳之外，尾部還有一個尾翼螺旋槳？雙翼直升機為何沒有尾翼螺旋槳？引發(fā)學生思考，加深對角動量守恒含義的深刻理解．將角動量守恒定律知識和生活中常見實際問題的解決有機地結合起來，體現(xiàn)“從生活走向物理，讓物理回歸生活”的教學理念，有利于促進學生思維能力和科學素養(yǎng)的全面提升．

4 結束語

本文以大學物理課程中“角動量守恒”內(nèi)容為例，詳細討論了如何將課程思政理念有機融合于大學物理課程教學．通過介紹陀螺儀在航空航天的應用引出中國航天成就，體會國家科技的進步和團隊的巨大力量，學習我國老一輩科學家們的無私奉獻精神，鼓勵學生投身于中華民族的偉大復興，激發(fā)學生愛國熱情，增強民族自豪感．介紹奧運項目中跳水運動、花樣滑冰等運動背后的物理原理，鼓勵青年學生學習奧運健兒頑強拼搏、勇于挑戰(zhàn)的精神，激勵他們心懷夢想、勇于超越自我．課后拓展作業(yè)要求運用所學的知識解釋日常生活中的現(xiàn)象，使學生體會到學以致用的滿足感和獲得感．

物理課程中蘊含豐富的思政元素，如何有效且恰當?shù)厝谒颊逃谡n程內(nèi)容教學中，是高校教師都應該深入思考并不斷實踐的課題．課程思政的有機融入，可以培養(yǎng)學生科學的思維方式及嚴謹?shù)目茖W認知態(tài)度，為后續(xù)專業(yè)課程的學習及自主獲取其他知識奠定堅實的基礎，培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量．