基于數(shù)學(xué)模型的大學(xué)物理課程思政融合——以動量定理與動能定理為例

郭云均

基于數(shù)學(xué)模型的大學(xué)物理課程思政融合——以動量定理與動能定理為例

郭云均

（江蘇第二師范學(xué)院 物理與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210013）

課程思政是落實高校立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措，而專業(yè)課程是課程思政建設(shè)的基本載體．以動量定理與動能定理為例，展示如何將專業(yè)內(nèi)容、邏輯思維以及社會問題同思想政治教育有機結(jié)合，如何將課程思政自然融入理工科專業(yè)教學(xué)中．以數(shù)學(xué)模型為語言，在大學(xué)物理課程中發(fā)掘思政元素，創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計，既可以幫助學(xué)生更加準確地理解并運用物理定律，還能夠得到“數(shù)字化”的啟示和教訓(xùn)，有助于學(xué)生培養(yǎng)法制觀念與社會責(zé)任感．

大學(xué)物理；數(shù)學(xué)模型；課程思政

全面推進課程思政建設(shè)，是落實高校立德樹人根本任務(wù)的戰(zhàn)略舉措．課程思政并不是思政課程，而是將專業(yè)課程的內(nèi)容與思想政治教育相銜接，發(fā)揮專業(yè)的優(yōu)勢，拓展思想政治教育的廣度和深度[1-2]．相較于文科專業(yè)，理工科專業(yè)的課程思政更容易陷入“孤島”困境，其原因是：（1）理工科專業(yè)課程的內(nèi)容與傳統(tǒng)的思想政治教育相去較遠；（2）理工科學(xué)生思維的邏輯性較強，更加關(guān)心科學(xué)、技術(shù)方面的問題，而對社會問題不太敏感[3-5]．因此，在理工科專業(yè)教學(xué)中自然融入課程思政，就必須將專業(yè)內(nèi)容、邏輯思維以及社會問題同思想政治教育有機結(jié)合，而這一結(jié)合的抓手就是教學(xué)設(shè)計創(chuàng)新[6-7]．

在理工科專業(yè)課程的教學(xué)設(shè)計中，應(yīng)以數(shù)學(xué)模型為語言，以專業(yè)的故事設(shè)計教學(xué)情境，通過中國故事激發(fā)民族自豪感與愛國情懷，通過先賢的故事培養(yǎng)科學(xué)精神與科學(xué)態(tài)度，通過身邊的故事提升自身的素養(yǎng)與道德意識．以大學(xué)物理課程中動量定理與動能定理的內(nèi)容為例，展示如何以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)來設(shè)計課程思政的教學(xué)案例．

1 教學(xué)目標

動量與動能都是描述運動物體狀態(tài)的物理量．在歷史上，物理學(xué)界曾因為什么需要2個物理量來描述運動而困惑，由此還引發(fā)過一場長達200多年的爭論．這場爭論早已塵埃落定，動量與動能這2個物理量也都明確了自身的意義，但是在大學(xué)物理的教學(xué)中，動量與動能的辨析依然是一個難點．因此，在教學(xué)環(huán)節(jié)中，希望通過創(chuàng)新的方式完成知識目標和育人目標．

知識目標：（1）理解并辨析動量與動能的概念；（2）掌握動量定理與動能定理的內(nèi)容．

能力目標：（1）運用動量定理與動能定理解決實際問題；（2）掌握模型法簡化研究問題的方法．

育人目標：（1）了解科學(xué)史上動量以及動能概念提出和發(fā)展的過程；（2）理解變與不變的辯證統(tǒng)一，體會現(xiàn)代科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感；（3）運用物理定律解決實際問題，并通過高空拋物、仿真槍支等實例分析培養(yǎng)學(xué)生的法制觀念與社會責(zé)任感．

2 教學(xué)過程

2.1 “運動的量”的爭論

從這場爭論中可以理解現(xiàn)代科學(xué)的思維方法，在變化中尋找不變的量．辯證唯物主義認為，事物的運動是絕對的，變化是永恒的，同時也強調(diào)變化是有序、有規(guī)律的．也就是說，變化中有穩(wěn)定的、不變的規(guī)律．在物體運動變化的過程中，物理學(xué)家們尋找其中“不變的量”，笛卡爾找到了動量，萊布尼茨找到了動能，并將其作為運動的度量，這正反映了變與不變是辯證統(tǒng)一的．理解這一過程能夠幫助我們認識動量與動能的含義，也為解決實際問題提供了思路．

2.2 動量定理與動能定理

動量定理是質(zhì)點系所受合外力的沖量等于質(zhì)點系動量的變化量；動能定理是質(zhì)點系外力以及內(nèi)力的做功之和等于質(zhì)點系動能的變化量．這里產(chǎn)生了2個概念——沖量和功．沖量是力對時間的累積，功是力對空間的累積．根據(jù)達朗貝爾的理論，運動量表現(xiàn)為“克服障礙或抵抗障礙所表現(xiàn)的特性”，那么動量表現(xiàn)為這一特性在時間上的統(tǒng)計，而動能則表現(xiàn)為在空間上的統(tǒng)計[8]．

2.3 實例計算

2.3.1 高空拋物 高空拋物被稱為“懸在城市上方的痛”． 2021年3月1日，最新刑法修正案（十一）生效，“高空拋物”正式入刑[9]．建立模型，計算一個雞蛋從高處落下所產(chǎn)生的力來說明高空拋物的危害[10]：

（2）雞蛋相較于其砸中的物體是軟的，碰撞后雞蛋破碎，發(fā)生完全非彈性形變．

2.3.2 仿真槍支 能夠發(fā)射子彈的玩具仿真槍是小孩子最喜歡的玩具之一．在玩具店或者網(wǎng)絡(luò)購物平臺上能夠很輕易地買到玩具槍，一般配有塑料子彈或者水彈，威力不小，常有孩子甚至成人被玩具槍擊傷的報道．不符合安全規(guī)定的“玩具槍”，具有很大的危險性，甚至更可能被認定為仿真槍．而中國法律明令禁止制造、銷售、買賣、收藏仿真槍支．

根據(jù)《仿真槍認定標準》規(guī)定：發(fā)射金屬彈丸或其他物質(zhì)的槍口比動能小于1.8 J/cm2（不含本數(shù)）、大于0.161 8 J/cm2（不含本數(shù)）的，可以認定為仿真槍[11]．建立模型描述子彈擊中人體的過程，說明仿真槍或者不符合安全規(guī)定的“玩具槍”所造成的危險．

計算得出，槍口比動能大0.2 J/cm2時，子彈將突破人體的表面組織，對人體造成較大的傷害．例如：直徑為0.5 cm的塑料小球，假定其密度約等于1 g/cm3，以40 m/s的速度發(fā)射，其槍口比動能約為0.27 J/cm2．而這樣的子彈，在一個孩子手中的平射射程也僅僅是18 m．由此可見，市面上的很多玩具槍其實是不符合規(guī)范的，也是有一定危險的．

2.3.3 實例討論 高空拋物模型計算的結(jié)果表明，雞蛋從30 m高處墜落產(chǎn)生的沖擊力足以讓人受傷．?dāng)?shù)學(xué)模型的計算，給出更準確、更讓人信服的數(shù)據(jù)，相信動手計算過高空拋物問題的學(xué)生今后絕不會去嘗試這樣的危險行為．

對仿真槍支子彈殺傷力的計算從定量上解釋了法律條文產(chǎn)生的依據(jù)——子彈的殺傷力由槍口比動能決定，同時說明了市面上的很多玩具槍具有一定的危險性，當(dāng)子彈擊中眼睛等較為柔軟的部分會造成非常嚴重的后果．所以銷售、購買以及使用玩具槍的時候需要特別留意．

高空拋物的模型將雞蛋簡化成了一個“軟”的均勻圓柱，碰撞的過程則是雞蛋破碎的完全非彈性碰撞，并只考慮碰撞期間的平均作用力而不是瞬時的作用力．這樣的模型雖然十分簡單，但能夠準確地反映動量定理的使用條件，即達朗貝爾所說的“克服障礙或抵抗障礙所表現(xiàn)的特性”在時間上的統(tǒng)計．仿真槍支的模型將子彈等效為剛性球，而子彈與皮膚的碰撞過程簡化為完全彈性碰撞，作用力的大小是與形變成正比．在子彈速度較低，對人體造成較小傷害時，這樣的簡化是合適的，模型中力與空間的相關(guān)性反映了動能定理的使用條件．使用建模的方式處理實際問題，既可以幫助學(xué)生更加準確地理解并運用物理定律，還能夠從實際的后果中得到“數(shù)字化”的啟示和教訓(xùn)，直觀地闡明了高空拋物和仿真槍支的危害，有助于學(xué)生培養(yǎng)法制觀念與社會責(zé)任感．

3 結(jié)語

本文的案例以專業(yè)方式，在專業(yè)的內(nèi)容中完成了課程思政的教學(xué)設(shè)計．研究發(fā)現(xiàn)，如果把課程思政作為教學(xué)手段而不僅僅是教學(xué)目標，思政教育不但不會擠占專業(yè)內(nèi)容的教學(xué)時間，反而能讓學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識，這樣思政教育就不是專業(yè)教學(xué)的負擔(dān)，而是有力的武器．

[1] 李潔．高校行業(yè)類課程開展課程思政的路徑研究[J]．西部學(xué)刊，2023（2）：145-148．

[2] 黃木，國盼盼．高校課程思政建設(shè)的原則、任務(wù)和標準[J]．教書育人（高教論壇），2023（3）：89-92．

[3] 張詠梅，楊光輝，鄭莉芳．新工科背景下課程思政建設(shè)探索與實踐[J]．高教學(xué)刊，2022，8（34）：180-183．

[4] 方國華，黃顯峰，聞昕．新工科背景下的課程教學(xué)改革實踐[J]．教育教學(xué)論壇，2022（44）：74-77．

[5] 陳建勇，王星，郭師成．新工科背景下融入航天特色與課程思政的大學(xué)物理課程改革[J]．物理通報，2023（2）：15-18．

[6] 張欣，王寅，楊正波．課程思政融入大學(xué)物理教學(xué)的調(diào)查與分析[J]．物理通報，2022（增刊2）：64-67．

[7] 衛(wèi)麗娜．課程思政視域下物理學(xué)科德育實踐路徑研究[J]．物理通報，2022（3）：77-79．

[8] 張文峰．“彈性碰撞”與“非彈性碰撞”再認識[J]．中學(xué)物理教學(xué)參考，2022，51（33）：56-57．

[9] 周致義．高空拋物危害公共安全的刑法規(guī)制[J]．哈爾濱學(xué)院學(xué)報，2022，43（12）：60-64．

[10] 譚海蘭，袁勇．基于核心素養(yǎng)的高中物理情境化教學(xué)設(shè)計：以“高空拋物”情境教學(xué)片段為例[J]．課程教學(xué)研究，2021（8）：92-96．

[11] 蔡純良，唐永．由涉案槍支的檢驗鑒定論仿真槍的管控[J]．鐵道警察學(xué)院學(xué)報， 2017，27（4）：54-59．

Integration of curriculum ideological and political education in college physics based on mathematical model——Taking the example of momentum theorem and kinetic energy theorem

GUO Yunjun

（School of Physics and Information Engineering，Jiangsu Second Normal University，Nanjing 210013，China）

Curriculum ideological and political education is a strategic measure to implement the fundamental task of moral education in colleges and universities，and professional courses are the basic carrier of curriculum ideological and political education construction．Taking momentum theorem and kinetic energy theorem as examples，it shows how to organically combine professional content，logical thinking and social problems with ideological and political education，and how to naturally integrate curriculum ideological and political theory into science and engineering professional teaching．Taking mathematical model as the language，exploring ideological and political elements in college physics course and innovating teaching design，can not only help students understand and apply physics laws more accurately，but also get digital enlightenment and lessons，which is helpful to cultivate students′ legal concept and social responsibility．

college physics；mathematical model；curriculum ideological and political education

1007-9831（2023）09-0091-04

O411∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.09.019

2023-04-11

國家自然科學(xué)基金項目（11104118）；江蘇第二師范學(xué)院校級重點教改課題（JSSNUJXGG2021ZD08）

郭云均（1982-）, 男, 江蘇南京人，副教授，博士，從事計算物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)研究．E-mail：guoyunjun09@aliyun.com