中國航天工程視角下的大學(xué)物理課程思政建設(shè)探索與實踐

李均　錢程屹　袁承勛　李楊　吳曉宏 田浩　張宇　霍雷

關(guān)鍵詞 大學(xué)物理學(xué);課程思政;哈工大;中國航天

高校應(yīng)當在教學(xué)培養(yǎng)過程中落實立德樹人根本任務(wù)，培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人。大學(xué)物理課程的課程思政設(shè)計與實踐，通過中國航天工程視角，面向世界，以人類探索外層空間為導(dǎo)向，為更廣闊的航空工程科技人才培養(yǎng)作出貢獻[1]。在新工業(yè)革命的背景下，航天是一種國家戰(zhàn)略。大學(xué)物理課程相關(guān)聯(lián)的工程、復(fù)雜大系統(tǒng)，是各國制造業(yè)和科技發(fā)展水平的重要標志。

目前，中國航天事業(yè)迎來了一個新的發(fā)展期，取得了北斗系統(tǒng)、探月工程、“祝融號”、中國空間站等一個個輝煌成就。本文針對大學(xué)物理課程思政的探索與實踐，結(jié)合了賡續(xù)傳承哈工大“八百壯士”的光榮傳統(tǒng)，展示了從中國航天工程視角下實踐大學(xué)物理課程思政建設(shè)的積極作用。

1 中國航天工程視角下的大學(xué)物理課程思政“三線”設(shè)計

中國航天事業(yè)的發(fā)展，依托在物理學(xué)的扎實基礎(chǔ)上。大學(xué)物理學(xué)與中國航天工程之間的聯(lián)系密切，大學(xué)物理課程思政在中國航天工程的視角下變得豐富多樣。

基于該視角的大學(xué)物理課程思政設(shè)計從文化線、人物線、工程線來把握。此三條主線指導(dǎo)了大學(xué)物理的課程思政建設(shè)。中國航天工程視角下的這三條線是具體的、學(xué)生感興趣、教師便于展開的課程思政建設(shè)框架。其對學(xué)生的政治意識和思想價值引領(lǐng)有巨大幫助，并協(xié)助提升課程認可度。與此同時，學(xué)生在大學(xué)物理的學(xué)習(xí)過程中有收獲感和成就感“響應(yīng)”，此舉可以加強實際教學(xué)的效果[2-3]。本文提出的中國航天工程視角下的大學(xué)物理課程思政“三線”設(shè)計如圖1所示。

1.1 文化線

中國航天文化是一種亞文化。文化線的核心在于中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化和四史教育，需要從航天工程中的各類名稱里把握。文化是航天工程的內(nèi)涵。實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢，離不開文化自信，需要在大學(xué)物理課程的教學(xué)中分析和體現(xiàn)中國航天文化線的魅力。

中國航天工程的各類人文元素，構(gòu)成了中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化所組成的文化線，是把握中國航天視角的重要線索。例如任務(wù)的選題和命名，生動直觀地展現(xiàn)了各項任務(wù)的目的，巧妙地融入中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，是大學(xué)物理課程思想政治建設(shè)的素材庫。另一方面是結(jié)合“四史教育”對大學(xué)物理進行思政建設(shè)的文化線設(shè)計。例如：“長征”一詞背后的中華民族脊梁、民族文化，指引著中國的火箭事業(yè)——如同紅軍長征一樣，克服一切的困難險阻最終到達勝利的彼岸。

1.2 人物線

大學(xué)物理學(xué)結(jié)合中國航天領(lǐng)域的杰出人才，以人物線構(gòu)成了物理課程思政的模范引領(lǐng)模塊。大學(xué)物理的課程思政設(shè)計充分利用了人物線起到的示范作用，即人物線的核心是杰出人才的榜樣作用。

人物線可供選擇的素材豐富。與課程本身的銜接之外，傳承哈工大精神的接力是大學(xué)物理課程思政建設(shè)的重點。其原因在于杰出人才富含教育意義的經(jīng)歷，為“中國培養(yǎng)自己的杰出人才”起到了示范。利用校園沉浸式課堂回顧這些經(jīng)歷，營造身臨其境的氛圍，從思想上構(gòu)建了思政平臺，并與教學(xué)共振。人物線通過和身邊學(xué)習(xí)環(huán)境的虛實聯(lián)系，用貫穿歷史的層次為課程的學(xué)習(xí)和思想政治教育提供支撐。該線融合學(xué)校的優(yōu)秀文化傳統(tǒng)，從邏輯上解釋清楚為什么要做中國航天第一?！凹獗?，怎樣成為中國航天第一校，如何積極投身航天事業(yè)和未來的職業(yè)選擇等，并以此激勵大學(xué)物理學(xué)課程的學(xué)習(xí)。

1.3 工程線

中國航天的工程線是一條和大學(xué)物理知識點結(jié)合緊密的線。工程線的核心在于通過政治引領(lǐng)、文化引領(lǐng)把握中國航天工程在大學(xué)物理課程知識中的落腳點，用中國航天工程視角將大學(xué)物理課程思政穿插在課堂上，形成貫穿“大工程”的系統(tǒng)思維、落實到點的“小基礎(chǔ)”大學(xué)物理知識點，為工程線的模塊化課程設(shè)置和課程思政設(shè)計提供嶄新的思路和充分的資源，如圖2所示，可以通過切片的形式表示工程線的核心內(nèi)容，圍繞中國航天工程建設(shè)中國航天視角下的大學(xué)物理課程思政專題素材。中國航天工程視角下大學(xué)物理課程思政建設(shè)的工程線主要考慮了三個問題：（1）政治和價值引領(lǐng)。課程中巧妙運用聯(lián)想的手段，以點明知識點背景框架下的中國航天精神對課程學(xué)習(xí)的啟示。（2）以文化人和以文育人。讓學(xué)生了解中國航天工程中的文化美學(xué)和人類命運共同體理念。讓中國航天工程的主線立意更進一步，內(nèi)涵更深刻，并且從歷史的立體角度，觸碰到航天工程的實際意義和現(xiàn)實作用。（3）思政設(shè)計與教學(xué)共振，構(gòu)建教學(xué)大綱和思政大綱，擴大工程線魅力。工程線突出的特點是把每一個龐大、復(fù)雜的工程進行細化拆分。這種化整為零的思政設(shè)計方式，體現(xiàn)在精神價值、工程文化層面，突顯在和課程本身的有機結(jié)合上。

大學(xué)物理在通過分析自然界存在的現(xiàn)象得出物理規(guī)律，這種教學(xué)內(nèi)容的豐富性與思政教育融合入生活一致[4]。結(jié)合“三線”的難點和關(guān)鍵點，引入教學(xué)內(nèi)容，用大學(xué)物理學(xué)的知識解釋和分析中國航天，在大學(xué)物理課堂中滲透中國航天情懷，既加深了學(xué)生對于知識點的印象，也實現(xiàn)了中國航天視角下的課程思政建設(shè)。

2 中國航天工程視角下的大學(xué)物理課程思政“X+工程線”課堂模式實踐

立足于中國航天的視角建設(shè)的大學(xué)物理課程思政內(nèi)容，往往以系統(tǒng)、專題的形式出現(xiàn)在實踐中。中國航天視角下的課程思政內(nèi)容，和學(xué)校成體系的教學(xué)模式相結(jié)合，以發(fā)揮課程思政和課堂教學(xué)的最大合力。在實際的課堂教學(xué)、課程思政設(shè)計的過程中，需要平衡課程知識點的分布以及思政元素的最佳關(guān)注實效，使用“X+工程線”模式的實踐探索是課堂效果、課程思政教育更佳的途徑。本文對“人物+工程線”模式和“文化+工程線”模式，給出兩例實踐案例。其中工程線與知識點有機結(jié)合，是課程思政的重要結(jié)合點。

2.1 “人物+ 工程線”模式——火箭發(fā)動機原理（氣體專題）

火箭發(fā)動機是一種理想的星際航行發(fā)動機，不僅可以在大氣層中工作，在不存在空氣的外太空同樣也可以工作。本身攜帶的燃料和氧化劑在火箭燃燒室中產(chǎn)生高溫、高壓的氣體，利用反作用原理，讓氣體高速噴出從而推動火箭?；鸺l(fā)動機具有一個特點，其推力的大小和周圍的介質(zhì)有關(guān)。

1） 人物線引入

隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，世界航天發(fā)展進入新的階段，中國逐漸加入世界航天舞臺。與此同時，各航天大國追求提高進入空間的能力與效率、降低航天發(fā)射成本、提升國際話語權(quán)和市場競爭力[5]。航空動力是表征國家科技創(chuàng)新實力的重要方面、也是創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因而加快航空動力領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展史提升國家整體工業(yè)基礎(chǔ)及能力的重要途徑[6]。

中國第一臺液體火箭發(fā)動機總設(shè)計師，是祖籍湖北襄陽的航天技術(shù)與液體火箭發(fā)動機技術(shù)專家，中國導(dǎo)彈與航天技術(shù)的重要開拓者之一的——任新民院士。任新民領(lǐng)導(dǎo)和參加了第一個自行設(shè)計的液體中近程彈道式地地導(dǎo)彈液體火箭發(fā)動機的研制，領(lǐng)導(dǎo)組織了中程、中遠程、遠程液體彈道式地地導(dǎo)彈液體火箭發(fā)動機的研制、試驗。1948年，33歲的任新民就成為了美國布法羅大學(xué)成立102年以來的第一位中國講師。他從事的科研工作和生活待遇非常優(yōu)越，前途一片光明。但是，當聽聞祖國急需大量科學(xué)人才時，毅然選擇放棄了這一切，重重阻礙收拾行李準備回國。面對同事的質(zhì)疑，他曾說：“個人前途在祖國面前，不值一提，你們永遠都不會理解我的追求！”回到祖國后，他開始了轟轟烈烈的建設(shè)工作，成為“兩彈一星”元勛，并榮獲“中國航天事業(yè)五十年最高榮譽獎”。

近年來，經(jīng)過科研人員的不懈努力，我國獨立自主地研制了幾十種不同型號的“長征”系列運載火箭，具備發(fā)射近地軌道、太陽同步軌道、地球同步轉(zhuǎn)移軌道等多種軌道有效載荷的運載能力。在深空探測領(lǐng)域，嫦娥三號實現(xiàn)月面軟著陸和月面巡視探測，嫦娥四號實現(xiàn)首次著陸與月球背面并勘察，嫦娥五號飛行試驗器突破月地高速再入返回技術(shù)，讓我國的載人航天工程邁入了空間站時代[9]。

2） 工程線展開

將火箭燃燒室中的氣流看作是定常的一維流動，燃燒室或噴管的任一截面各點的流速相等，都沿著噴管軸向流動。發(fā)動機的推力，就是作用在燃燒室和噴管內(nèi)壁的軸向合力。取發(fā)動機（各部分內(nèi)部）的內(nèi)壁面，無物質(zhì)流出這個內(nèi)壁面，作用在這個內(nèi)壁面上的壓力為p，內(nèi)壁選取面積微元dAi，作用在面積微元上的力為pdAi。由于發(fā)動機軸對稱，推力的方向必然沿著軸向（不考慮安裝誤差等因素），計算軸向上的力。垂直于面積微元的法向（從內(nèi)壁向外）和軸向夾角為α，則軸向分力大小為pdAicosα，整個內(nèi)壁的軸向力就可以表示成

3） 課程復(fù)現(xiàn)與工程線總結(jié)

近年，我國通過研制創(chuàng)新突破關(guān)鍵技術(shù)，成功研制出首臺大推力、高性能、地面起動、能夠?qū)崿F(xiàn)直接入軌的擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代火箭氫氧發(fā)動機YF-77。其綜合性能達到國際先進水平，為長征五號和長征五號B運載火箭提供了強大的動力，支撐月球探測工程、火星探測工程、載人航天工程等航天工程的順利實施。系列化、型譜化的氫氧發(fā)動機和液氧/甲烷發(fā)動機將成為我國航天強國建設(shè)的中堅力量。

2.2 “文化+ 工程線”模式——電磁波與量子力學(xué)專題（祝融號火星車）

在無際的太空中，充滿著各種頻率和強度的電磁波，這些無規(guī)則的電磁波形成噪聲，干擾地球和火星探測器之間的通訊工作。通信距離越遠、內(nèi)容越復(fù)雜，對應(yīng)通信設(shè)備的要求越高，設(shè)備也就越笨重，對飛船尺寸提出高要求。而且除無線電通訊的天線和電子設(shè)備，電源更是一個重要的問題。目前常用的電源是化學(xué)能電源和太陽能電源，也有希望能夠使用核裂變能。這之中涉及通信系統(tǒng)有效功率的問題。

1） 文化線引入

世界正在發(fā)生一場百年未有之大變局，航空航天領(lǐng)域近期能夠作為戰(zhàn)略布局的項目一定有火星探測。2020年，阿聯(lián)酋“希望號”火星探測器、中國“天問一號”火星探測器、美國“毅力號”火星車先后成功發(fā)射，標志著現(xiàn)代人類火星探測的密集高峰。天問一號探測器實施近火捕獲制動，順利進入近火點高度約400 千米，環(huán)繞火星獲得成功[7]。

美國索杰納號、機遇號和勇氣號、好奇號、毅力號、火星探測軌道器和火星奧德賽軌道器兩顆火星中繼軌道衛(wèi)星，展現(xiàn)了美國在火星探測領(lǐng)域稱霸的雄心。相較于國外火星探測任務(wù)，我國火星探測任務(wù)對火星車重量限制更加嚴酷[8]。

2） 工程線展開

在任務(wù)過程之中，地火之間的遠距離會導(dǎo)致測控鏈路超大時延以及較低的直接通信帶寬，非全時域非實時中繼通信具有中繼存儲轉(zhuǎn)發(fā)和有限中繼通信弧段的特點。

實際情況的噪聲情況遠比這復(fù)雜，因為天線不管對準任何方向都具有背景噪聲，而且宇宙噪聲源分布不均勻。

3） 課程復(fù)現(xiàn)與工程線總結(jié)

由此可見，火星探測任務(wù)具有自己的任務(wù)特點、技術(shù)難點和設(shè)計約束。首次火星探測任務(wù)的工程圓滿成功和“祝融”號火星車（圖3）長期在軌測控離不開大學(xué)物理理論的技術(shù)基礎(chǔ)。目前我們對研究太陽系的起源與演化、地外生命信息探尋、小天體和太陽活動對地球的影響等空間科學(xué)重大問題上，除了建設(shè)火星科研站，對其他行星探測等也在攻堅克難。中國航天起步較晚，卻依然能展現(xiàn)出不可小覷的力量，從月球到火星的每一步都是實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢的巨大跨越。

3 結(jié)語

本文提出了中國航天工程視角下的大學(xué)物理課程思政“三線”設(shè)計的課程思政探索思路和實踐方法。思政實踐案例從氣體專題、電磁波與量子力學(xué)專題兩個專題出發(fā)，在課程教學(xué)的實際過程中，采用“X+工程線”課堂模式，將三線的資源與課程教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化分配，進行合理整合，讓每一堂課的模式有區(qū)分度，每一堂課程思政都具有獨立特點。利用文化線、人物線、工程線三條主線的起伏，在大學(xué)物理課程豐富的科學(xué)知識內(nèi)容上，交織成課程思想政治建設(shè)的框架。

相較于傳統(tǒng)的思政課程建設(shè)，大學(xué)物理課程思政建設(shè)有其本身的自然科學(xué)特點。在充分把握大學(xué)物理學(xué)課程的特點的基礎(chǔ)上，更換學(xué)習(xí)視角，引入了爭做中國航天第一校的學(xué)校氛圍，從中國航天的視角出發(fā)，拓展了大學(xué)物理課程思政的設(shè)計面，在意識形態(tài)領(lǐng)域獲得更多抓手，嚴格遵循新時代加強和改進思想政治工作的方針原則，把守正創(chuàng)新放在重要位置。綜上所述，中國航天視角下哈工大大學(xué)物理課程思政建設(shè)探索與實踐，為大學(xué)物理課程思政的設(shè)計引出更寬闊的道路。