《大學(xué)物理實驗》課程思政融合的探索及教學(xué)設(shè)計*

蘭 瀟，周厚兵，諶秀英

(廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

1 引言

2020 年5 月28 日教育部發(fā)布《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，指出高校在培養(yǎng)人才的同時要做好思政教育工作，充分發(fā)揮德育作用，為祖國培養(yǎng)高質(zhì)量人才。同年9 月，廣西教育廳印發(fā)的桂教高教76 號文件中，給出了廣西高校課程思政建設(shè)的具體實施建議，對于專業(yè)實驗實踐類課程要將“學(xué)習(xí)”與“思考”，“知識”與“行動”結(jié)合起來，增強學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)造意識和解決問題的實踐能力。因此，課程思政建設(shè)已成為當(dāng)前國家對高校課程教學(xué)的新要求。

《大學(xué)物理實驗》是理工類學(xué)生所接觸的第一門實驗實踐類課程，通過該課程學(xué)生可以了解到物理學(xué)基礎(chǔ)知識的探究方法，并在實驗中加深對物理概念、公式、定理的理解，最終具備一定的實驗素養(yǎng)。同時物理學(xué)作為一門自然科學(xué)，還承擔(dān)著揭示客觀規(guī)律的責(zé)任，實驗過程中滲透著的科學(xué)探究方法、馬克思主義哲學(xué)、辯證法思想，對指導(dǎo)學(xué)生客觀的認識世界，培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題有著深遠的意義。傳統(tǒng)的實驗課程教學(xué)側(cè)重于考察學(xué)生對物理知識的理解和實驗操作能力，思政教育的融合程度不高，教學(xué)與教育呈現(xiàn)“質(zhì)壁分離”的狀態(tài)，課堂僅用來傳授知識，教學(xué)變得形式化、工具化，如此長期以往會嚴重影響人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

為解決實驗課程缺乏思政教育功能這一問題，將思政元素融入實驗教學(xué)是實現(xiàn)新時代立德樹人的客觀需求。本文通過對《大學(xué)物理實驗》課程思政融合的方法進行深入探索，嘗試將“思政”元素全方位融入課堂，在智育中德育，在實踐操作中滲透思想道德教育，達到“全方位育人”的中國特色社會主義教育要求，有效提升物理實驗課程的教學(xué)質(zhì)量，為后續(xù)課程改革提供參考。

2 教學(xué)設(shè)計理念

課程思政建設(shè)迫在眉睫，如何做到在教學(xué)中融入思政教育，讓學(xué)生能夠在實驗的過程中不畏困難、勇于探索、敢于創(chuàng)新，具備分析與解決問題的能力。我們主要基于以下幾個方向進行探索。

2.1 教育理念

大學(xué)物理實驗課程中涉及到的學(xué)科知識涵蓋了力、熱、電、光四個部分，主要表現(xiàn)為牛頓運動定律、機械振動、電路、交變電流、光的折射、干涉以及熱傳導(dǎo)的性質(zhì)等[1]。這些理論知識在課程都有相對的實驗，例如牛頓第二定律的驗證、單擺測重力加速度；示波器的使用、交流電橋；光具組測基點、雙縫干涉實驗；測量金屬絲熱膨脹系數(shù)等。在教學(xué)中應(yīng)加強學(xué)生對理論知識的理解，促進學(xué)生認識科學(xué)知識與實驗實踐的關(guān)系。且實驗的過程是一個分析與解決問題的過程，蘊含豐富的唯物辯證思想，在教學(xué)中可充分利用這一特點，把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，逐步提高學(xué)生分析和解決問題的能力。

2.2 課程設(shè)計標準

課程設(shè)計標準為“兩性一度”，即高階性、創(chuàng)新性與挑戰(zhàn)度。其中高階性指培養(yǎng)學(xué)生解決常見物理問題的綜合能力與高級思維；創(chuàng)新性指形成具有探究性和個性化的學(xué)習(xí)成果；挑戰(zhàn)度指課程具備一定難度，對當(dāng)下學(xué)生具有一定的挑戰(zhàn)性，以激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

2.3 思政要點

（1）改革開放以及中國特色社會主義制度優(yōu)越性

物理學(xué)的發(fā)展體現(xiàn)改革開放的必要性與中國特色社會主義制度的優(yōu)越性。目前我國已建成包括北京正負電子對撞機在內(nèi)的22 座大科學(xué)裝置，還有其他16 座大科學(xué)裝置也在籌備建設(shè)當(dāng)中。這些大科學(xué)裝置出產(chǎn)的一系列科技成果，促使工業(yè)的不斷革新、前沿科技的突破等一系列社會主義建設(shè)的成就，展示了我國科技的發(fā)展水平，充分體現(xiàn)了改革開放的必要性與中國特色社會主義制度的優(yōu)越性。

（2）馬克思主義哲學(xué)

物理學(xué)中蘊含著豐富的馬克思主義哲學(xué)。例如認識論中曾指出實踐對認識的決定作用，人類通過實踐來認識世界，并且隨著不斷地實踐引發(fā)新的認識，最終利用認識去指導(dǎo)實踐，同時實踐也是檢驗認識是否正確的唯一標準。這與物理學(xué)的探究方法一致，都需要通過實驗去探究、去發(fā)現(xiàn)、去解釋客觀世界，再通過不斷地實驗去揭示其中所蘊含的“真理”，最后應(yīng)用“真理”去改造、去建設(shè)社會。

（3）辯證法思想

物理學(xué)中滲透著辯證法思想。例如在唯物辯證法中有兩對范疇，原因與結(jié)果、現(xiàn)象與本質(zhì)，在物理學(xué)中?？梢钥匆娝鼈兊纳碛?。在物體比熱容的測定實驗中，物質(zhì)吸、放熱的快慢取決于物質(zhì)的內(nèi)在屬性，不同的屬性，體現(xiàn)不同的吸、放熱能力，而不同的吸、放熱能力也折射出不同的屬性，體現(xiàn)了其原因與結(jié)果的辯證關(guān)系。同時物質(zhì)的吸、放熱是一種現(xiàn)象，屬于外在表現(xiàn)，而造成吸、放熱速度不同的本質(zhì)原因,則是其內(nèi)部屬性所在，體現(xiàn)了現(xiàn)象與本質(zhì)的辯證關(guān)系。

2.4 課程切入點

（1）物理學(xué)科背景知識

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，一切發(fā)現(xiàn)與結(jié)論都依賴于一定的實驗基礎(chǔ)，且物理學(xué)上的三次重大發(fā)現(xiàn)直接影響著世界的三次工業(yè)革命，可見物理學(xué)科的背景知識是非常豐富的。在教學(xué)中可以挖掘?qū)嶒炏嚓P(guān)的背景知識，讓學(xué)生穿越到相應(yīng)的時代背景之下，體會科學(xué)家們追求真理的過程與執(zhí)著的探索精神。例如在牛頓環(huán)測透鏡曲率半徑的實驗中，可以將牛頓環(huán)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)作為背景知識引入，培養(yǎng)學(xué)生勇于探索真理、不畏艱難的精神。

（2）中國近代物理發(fā)展簡史

在教學(xué)中，引入一些中國近代物理發(fā)展簡史，把國家歷史、人民利益、民族興衰結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)生正確認識自己身上擔(dān)負的時代責(zé)任和歷史使命，為偉大的中國夢貢獻青春的力量。例如在電子束磁聚焦及電子荷質(zhì)比（e/m）的測定實驗中，可以引入中國物理學(xué)史上第一批博士李耀邦的論文《以密立根方法利用圓體球粒測e 定值》，由此讓學(xué)生體會其歷史意義，感受使命與擔(dān)當(dāng)。

（3）物理學(xué)在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用

物理學(xué)作為一門自然科學(xué)，在解釋世界的同時，也在推動著世界的發(fā)展。在大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)中，可以根據(jù)這一特點，將一些與之相關(guān)的生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用結(jié)合起來，融入到教學(xué)中去。例如在示波器的使用實驗中，可以展示用示波器檢修電器的方法，及示波器在手機、電腦等電子產(chǎn)品生產(chǎn)中的作用，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，將理論知識融入到創(chuàng)新創(chuàng)造中去，為祖國事業(yè)的蓬勃發(fā)展加薪助燃。

3 課程思政融合的教學(xué)設(shè)計

3.1 學(xué)情分析

3.2 教學(xué)設(shè)計舉例

（一）實驗項目之《單擺測重力加速度》

在該實驗中，教學(xué)設(shè)計理念如表1 所示，涉及課前預(yù)習(xí)、教學(xué)實施及課后拓展3 個環(huán)節(jié)。在課前預(yù)習(xí)方面通過搜集相關(guān)資料拓展實驗的背景知識，融入人文素養(yǎng)、方法論的思政元素；在教學(xué)實施方面通過解讀實驗原理與強調(diào)實驗真實性，融入專業(yè)前沿、科學(xué)故事和務(wù)實求真的思政元素；在課后拓展方面通過布置設(shè)計性實驗，融入知行合一、學(xué)以致用的思政元素。具體的思政元素體現(xiàn)在：

表1 單擺測重力加速度教學(xué)設(shè)計

（1）思政元素之人文素養(yǎng)、方法論

在課前預(yù)習(xí)部分引入其他兩種測量重力加速度的方法：伽利略斜面實驗與阿特伍德機?！百だ孕泵鎸嶒炘韴D”如圖1 所示，伽利略的斜面實驗是最便捷的測量重力加速度的方法之一（見公式1），其中蘊含知識、方法、技能等人文素養(yǎng)，將其引入教學(xué)可以達到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的目的。

圖1 伽利略斜面實驗原理圖

此外，還可以引入阿特伍德機的工作原理來拓展學(xué)生的知識面，“阿特伍德機及原理圖”如圖2 所示，它由滑輪、輕繩以及兩個質(zhì)量不同的重物組成，輕繩跨過滑輪且兩端分別懸掛重物，運用力學(xué)知識的簡單推導(dǎo)即可計算出重力加速度[2,3]，如公式（2）—（7）所示。在用阿特伍德機測量重力加速度的過程中，利用到了剛體轉(zhuǎn)動等知識，體現(xiàn)了物理探究的方法，將其引入教學(xué)可以達到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的目的。

圖2 阿特伍德機及原理圖

（2）思政元素之專業(yè)前沿

在教學(xué)實施部分展示：“地球物理學(xué)家——翁文波”、“重力探油”、“秋明油田”的圖片（見圖3）。翁文波院士是我國重力探測隊隊長，繪制了臺灣地區(qū)重力異常圖，利用“重力探油”的方法幫助臺灣地區(qū)探測汽油藏。同時該方法在俄羅斯第三大油田秋明油田的探測中也取得了明顯的成效，我國由此得以進軍俄羅斯石油市場。通過引入“重力探油”這一專業(yè)前沿，以達到引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用、科技報國的作用。

圖3 從左至右分別為地球物理學(xué)家——翁文波、重力探油、秋明油田（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

（3）思政元素之科學(xué)故事

在教學(xué)實施部分展示“伽利略與擺的等時性”的圖片（如圖4 所示）。大學(xué)時期的伽利略有一次在教堂進行禮拜儀式時，點燈人無意間觸動的燭臺引起了他的注意，他發(fā)現(xiàn)燭臺的擺動似乎存在某種“特殊規(guī)律”，于是他在觀察燭臺擺動的同時按住了自己的脈搏來計數(shù)，經(jīng)過多次實驗，最終證實了擺的等時性原理[4]。通過引入伽利略的科學(xué)故事，從而達到引導(dǎo)學(xué)生善于實驗觀察、科學(xué)探究的目的。

圖4 伽利略與擺的等時性（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

（4）思政元素之務(wù)實求真

在教學(xué)實施環(huán)節(jié)引入“舍恩事件”始末，即2001 年科學(xué)家舍恩宣布制造出最小的納米晶體管，一時間轟動世界，期間美國100 多家實驗室重復(fù)舍恩的實驗，都無法得到相同的結(jié)果，但卻無人質(zhì)疑他，直至他將同一份圖表在三篇不相關(guān)的論文中使用，其偽造數(shù)據(jù)的真相才被揭露出來，“舍恩事件”由此成為物理學(xué)史上最惡劣的學(xué)術(shù)造假事件。在單擺測量重力加速度實驗中，為盡可能減少測量誤差，小球的擺動周期需要重復(fù)多次測量，要求學(xué)生客觀真實的記錄實驗結(jié)果。通過引入“舍恩事件”，可以達到培養(yǎng)學(xué)生在實驗過程中務(wù)實求真，重視并遵守道德規(guī)范的效果。

（5）思政元素之知行合一、學(xué)以致用

在課后拓展的環(huán)節(jié)，要求學(xué)生自制單擺，利用智能手機等，設(shè)計實驗來測量重力加速度，從而達到知行合一、學(xué)以致用的目的。

（二）實驗項目之《牛頓第二定律的驗證》

在該實驗中，教學(xué)設(shè)計理念如表2 所示，涉及課前預(yù)習(xí)、教學(xué)實施及課后拓展3 個環(huán)節(jié)。在課前預(yù)習(xí)方面通過搜集實驗的背景知識來加深學(xué)生對牛頓第二定律的認識，融入方法論的思政元素；在教學(xué)實施方面通過分析一些牛頓力學(xué)的案例，融入了科技強國、家國意識的思政元素；在課后拓展方面通過布置設(shè)計性實驗，融入知行合一、學(xué)以致用的思政元素。具體的思政元素體現(xiàn)在：

表2 牛頓第二定律的驗證教學(xué)設(shè)計

（1）思政元素之方法論

在課前預(yù)習(xí)部分引入牛頓第二定律的發(fā)現(xiàn)過程，“伽利略”、“牛頓”、“恩特斯·馬赫”的圖片（見）。世界上第一個發(fā)現(xiàn)力與加速度之間存在關(guān)系的人是伽利略，他在否定亞里士多德“力是維持物體運動狀態(tài)的原因”時，認為力與加速度之間應(yīng)該存在著某種特殊關(guān)系，但是當(dāng)時的條件讓他無法探究加速度與力之間的定量關(guān)系[5]。而牛頓繼承了伽利略的觀點，經(jīng)過深入研究，1684 年牛頓在手稿《論物體的運動》、《原理》中提出作用力與加速的力（加速度）的比值等于動量與速度之比

而物體的動量又是質(zhì)量與速度的乘積

由此可得牛頓第二定律的微分形式為物體所受合外力等于其動量對時間的變化率

而 牛頓第二定律現(xiàn)在最常見的表達式是由恩特斯·馬赫提出，他認為物體所受合外力為其質(zhì)量與加速度的乘積

這一表達式更簡潔直觀，有利于牛頓力學(xué)的普及與應(yīng)用[5]。在教學(xué)中引入牛頓第二定律的發(fā)現(xiàn)過程，以達到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神的效果。

圖5 從左至右分別為伽利略、牛頓、恩特斯·馬赫（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

（2）思政元素之科技強國

在教學(xué)實施部分展示“天宮二號”圖片（如圖6 天宮二號所示）。天宮二號的升空蘊含著豐富的動力學(xué)原理，其中天宮二號要達到第一宇宙速度，就必須依靠強大加速度，而這個過程充分利用了牛頓第二定律。天宮二號的升空實現(xiàn)了我國的“飛天夢”，為我國建立太空站奠定了技術(shù)支持，為我國開發(fā)和利用太空資源打下基礎(chǔ)，與此同時也展示了我國航天事業(yè)的發(fā)展水平，體現(xiàn)了大國實力與大國擔(dān)當(dāng)。教學(xué)中通過引入航天案例，以達到引導(dǎo)學(xué)生科技報國的效果。

圖6 天宮二號（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

（3）思政元素之家國意識

在教學(xué)實施中展示“火神山醫(yī)院”圖片（見圖7）。新冠疫情出現(xiàn)初期，在中國共產(chǎn)黨的正確領(lǐng)導(dǎo)下，全國上下一盤棋，匯聚最大的合力，以極大的加速度10 天建成火神山醫(yī)院、18 天建成雷神山醫(yī)院，成功打贏這場抗疫阻擊戰(zhàn)[6]，充分體現(xiàn)了社會主義制度的優(yōu)越性。在教學(xué)中通過實例來講解合力與加速度的辯證關(guān)系，以達到培養(yǎng)學(xué)生家國情懷的目的。

圖7 火神山醫(yī)院（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

（4）思政元素之知行合一、學(xué)以致用

在課后拓展的環(huán)節(jié)，要求學(xué)生利用鐵絲、卷尺、小球等常見物品，設(shè)計實驗來驗證牛頓第二定律，以達到知行合一、學(xué)以致用的目的。

4 總結(jié)與展望

本文主要探討了《大學(xué)物理實驗》課程思政融合的潛在途徑，著力于在教學(xué)中結(jié)合馬克思主義哲學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神，促進學(xué)生認識理論與實踐之間的辯證關(guān)系，提高學(xué)生分析與解決問題的能力。在教學(xué)活動中，我們主要從課前預(yù)習(xí)、教學(xué)實施、課后拓展三個方面將思政元素融入各教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中。體現(xiàn)在：引用背景知識對涉及的知識點進行拓展延伸，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神；在實驗原理講解過程中插入專業(yè)前沿，培養(yǎng)學(xué)生科技報國的愛國主義情懷；在實驗操作過程中強化學(xué)生實事求是的意識，培養(yǎng)道德規(guī)范；在課后拓展環(huán)節(jié)增加一些設(shè)計性實驗，培養(yǎng)學(xué)生知行合一、學(xué)以致用的能力。課程思政建設(shè)是一項長期且非常有意義的工作，對于《大學(xué)物理實驗》這門課程，還有很多有價值的思政元素值得深入挖掘，需要后續(xù)持續(xù)探索及完善，從而有效提升育人質(zhì)量。