大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的通識(shí)教育探究

摘 要 “大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程是理工科學(xué)生較早接觸的實(shí)驗(yàn)操作類課程，涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等多個(gè)分支領(lǐng)域。華東師范大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中堅(jiān)持將學(xué)科知識(shí)和通識(shí)元素有機(jī)融合，將綜合育人的理念貫穿始終。本文以“拉伸法測(cè)定彈性材料的楊氏模量”為例，從“實(shí)驗(yàn)背景、目標(biāo)要點(diǎn)、通識(shí)融入、案例挖掘”入手，探討如何在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中實(shí)施通識(shí)教育，以期兼顧“授業(yè)解惑和傳道育人”，踐行立德樹人的教育初心。

關(guān)鍵詞 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);通識(shí)教育;楊氏模量

通識(shí)教育是高等教育的必要組成部分，是造就具備遠(yuǎn)大眼光、通融識(shí)見、博雅精神和優(yōu)美情感的人才的高層文明教育和完備的人性教育[1]?！按髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)”課程是物理專業(yè)的基礎(chǔ)課程之一， 是很多理工科院系在本科階段較早開設(shè)的實(shí)驗(yàn)操作類課程，學(xué)期多、學(xué)時(shí)長、參與面廣，涵蓋力、熱、電、磁、光等多個(gè)分支領(lǐng)域;非常適合通識(shí)理念的融入，引導(dǎo)學(xué)生在鞏固知識(shí)、熟悉方法、訓(xùn)練技能的同時(shí)，樹立忠誠愛國的家國情懷、養(yǎng)成自主獨(dú)立的學(xué)習(xí)習(xí)慣、提升理性務(wù)實(shí)的專業(yè)素養(yǎng)、秉承嚴(yán)謹(jǐn)求真的學(xué)術(shù)道德、淬煉辯證反思的創(chuàng)新精神、踐行格物致知的智慧思想。物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)科知識(shí)和通識(shí)元素有機(jī)融合，有助于知行合一的智慧創(chuàng)獲，有助于務(wù)實(shí)求真的態(tài)度養(yǎng)成，有助于探究求索的思維訓(xùn)練，有助于正心修身的品性陶熔，有助于民族復(fù)興的使命擔(dān)當(dāng)。

目前，物理實(shí)驗(yàn)中通識(shí)元素的挖掘主要涉及學(xué)科歷史、思想淵源，學(xué)者品質(zhì)、研究特點(diǎn)，領(lǐng)域前沿、學(xué)科短板，知識(shí)延展，思維內(nèi)涵等[2-8]。但如何避免脫離學(xué)科知識(shí)的“生硬牽強(qiáng)”“刻板機(jī)械”，落實(shí)通識(shí)內(nèi)容的 “融鹽入湯”“潤物無聲”，除了政策上的引導(dǎo)鼓勵(lì)和推進(jìn)落實(shí)，還需要一線教師在通識(shí)意識(shí)、精神風(fēng)尚，學(xué)術(shù)水平、人文素養(yǎng)，教學(xué)方法、課例設(shè)計(jì)等方面不斷地學(xué)習(xí)和提升。尤其是如何在具體的實(shí)驗(yàn)課堂中以學(xué)生樂于接受的方式，行之有效地兼顧“授業(yè)解惑和傳道育人”，仍值得教育工作者更加深入地思考和探索。

為此，本文以華東師范大學(xué)“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”中的“拉伸法測(cè)定彈性材料的楊氏模量”實(shí)驗(yàn)為例，從實(shí)驗(yàn)背景、目標(biāo)要點(diǎn)、通識(shí)融入、案例挖掘等方面，探討如何將通識(shí)理念融入大學(xué)物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以期為理工科實(shí)驗(yàn)教學(xué)科學(xué)地開展通識(shí)教育提供一定的借鑒和參考。

1 實(shí)驗(yàn)背景和目標(biāo)要點(diǎn)

“拉伸法測(cè)定彈性材料的楊氏模量”實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以從楊氏模量的“定義概念”“適用條件”“基礎(chǔ)意義”“應(yīng)用價(jià)值”“測(cè)量理念”“實(shí)驗(yàn)方法”等實(shí)驗(yàn)背景出發(fā)，明確實(shí)驗(yàn)課程“理論鞏固”“操作訓(xùn)練”“設(shè)計(jì)改進(jìn)”“習(xí)慣培養(yǎng)”“精神熏陶”“思維拓展”等目標(biāo)要點(diǎn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)背景

楊氏模量，因英國物理學(xué)家托馬斯· 楊于1807年定義了材料力學(xué)中的彈性模量概念而得名;描述了彈性限度內(nèi)，彈性體材料抵抗外力產(chǎn)生形變的能力，是機(jī)械設(shè)計(jì)和材料性能測(cè)試中必須考慮的重要的力學(xué)參量，數(shù)值上等于產(chǎn)生單位應(yīng)變的應(yīng)力;基于光杠桿放大的拉伸法，是測(cè)定材料楊氏模量常用的方法。具體方法如下（圖1）：原長為L、截面積為S 的、粗細(xì)均勻的金屬絲，下端砝碼托盤上增加負(fù)載F 之后，鋼絲伸長ΔL，光杠桿后足C 隨之下移距離ΔL，在金屬絲的彈性限度內(nèi)，應(yīng)力F/S 與相關(guān)應(yīng)變?chǔ)/L 成正比， 比例系數(shù)E 即為該金屬絲的楊氏模量。如圖1所示，光杠桿鏡面連同橫架一起繞前兩足A 、B 連線轉(zhuǎn)過一微小角度θ，從望遠(yuǎn)鏡中能清楚地看到平面鏡反射的直尺讀數(shù)變化y-y0;當(dāng)θ 很小時(shí)，可由幾何關(guān)系得出ΔL=（K／2D）（y-y0），其中，D 為直尺與光杠桿的距離，K 為光桿桿前后足間的垂直距離。如此，不易測(cè)量的ΔL 即可通過易測(cè)量的K 、D 以及反射鏡中的直尺讀數(shù)間接獲得，進(jìn)而得出楊氏模量E 值[9]。

1.2 目標(biāo)要點(diǎn)

（1） 指導(dǎo)學(xué)生掌握光杠桿的放大原理和實(shí)驗(yàn)的具體流程，在熟悉步驟的基礎(chǔ)上細(xì)致耐心地完成每個(gè)操作;

（2） 在學(xué)生了解 “化難為易”物理測(cè)量思想之后，引導(dǎo)其對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)提出反思和改進(jìn)設(shè)想;

（3） 規(guī)范學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中養(yǎng)成準(zhǔn)備充分、條理清晰、細(xì)心嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的科研習(xí)慣;

（4） 適時(shí)融入歷史傳承、科技發(fā)展、學(xué)者風(fēng)范，在潛移默化中增進(jìn)學(xué)生的學(xué)科認(rèn)同和思想共鳴;

（5） 在學(xué)生充分掌握實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將實(shí)驗(yàn)中的杠桿理念拓展到學(xué)科分支領(lǐng)域，引發(fā)學(xué)生的思維熱情和創(chuàng)新視點(diǎn)。

2 通識(shí)融入和案例挖掘

2.1 歷史回溯

習(xí)近平總書記曾多次提到中國人的“文化自信”，指出：“在5000多年文明發(fā)展中孕育的中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，在黨和人民偉大斗爭(zhēng)中孕育的革命文化和社會(huì)主義先進(jìn)文化，積淀著中華民族最深層的精神追求，代表著中華民族獨(dú)特的精神標(biāo)識(shí)?！蔽锢韺?shí)驗(yàn)課程中也可以發(fā)掘出中國傳統(tǒng)的文化元素;老師可以在介紹“光杠桿”的原理時(shí)，引入“杠桿”的溯源，從《墨經(jīng)》“本短標(biāo)長”的權(quán)衡之器、《樂府詩集》“烽微桔槔遠(yuǎn)，橋峻轆轤難”的汲水工具（圖2），展現(xiàn)中國古代勞動(dòng)人民的偉大智慧。

此外，在經(jīng)典物理發(fā)展史上，力學(xué)杠桿和庫侖扭秤啟迪了卡文迪許扭秤的誕生。阿基米德曾想過利用力杠桿撬動(dòng)地球，而卡文迪許則利用光杠桿稱量地球，他精妙地利用了轉(zhuǎn)化與放大的思想，使得扭秤的大、小球之間微小的萬有引力得以呈現(xiàn)。具體做法是將力轉(zhuǎn)化為力矩，并利用平面鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，得到二倍角變化的反射光線，再增大鏡與標(biāo)尺的間距，實(shí)現(xiàn)微小變化的顯著放大，從而有效提高測(cè)量精度;后人根據(jù)其結(jié)果得出地球的質(zhì)量以及萬有引力常數(shù)G 值。拉伸法測(cè)定楊氏模量所用的光杠桿（圖1）正是源于卡文迪許扭秤的方法。

2.2 先進(jìn)技術(shù)

光杠桿的轉(zhuǎn)化與放大，不僅在卡文迪許稱量地球、拉伸法測(cè)定楊氏模量等實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮精度優(yōu)勢(shì)，而且能夠在現(xiàn)代精密科學(xué)儀器中充當(dāng)不可替代的核心組件。比如物理學(xué)家基于“杠桿思維”的放大理念，利用光杠桿實(shí)現(xiàn)原子力顯微鏡（AFM）在微納尺度的精密測(cè)量（圖3）。

當(dāng)納米針尖在樣品表面掃描時(shí)，針尖和樣品間的相互作用會(huì)導(dǎo)致微懸臂發(fā)生形變;激光照射到懸臂上，基于光杠桿原理，其反射光斑的位置變化給出樣品表面信息，實(shí)現(xiàn)微納尺度表征。

2.3 前沿科學(xué)

前沿科學(xué)，尤其是中國頂尖成果的引入，不僅能夠打破單一實(shí)驗(yàn)的視域局限，體現(xiàn)學(xué)科的時(shí)代價(jià)值，更能夠提升學(xué)生的專業(yè)認(rèn)同，增強(qiáng)學(xué)生的使命信仰。

近年來，物理測(cè)量的放大思想在宇觀尺度的研究中大放異彩。比如2017年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了對(duì)直接探測(cè)引力波作出杰出貢獻(xiàn)的三位科學(xué)家，他們構(gòu)思和設(shè)計(jì)的引力波天文臺(tái)LIGO，就是借助兩臺(tái)配置4公里長直線管道的大型干涉儀，利用鏡子之間多次反射的激光束延長光程，測(cè)量出兩支干涉臂的長度變化，從而放大時(shí)空中的拉伸或收縮。

中國的科學(xué)家也沒有缺席引力波的探測(cè)，與LIGO 關(guān)注的短時(shí)間、爆發(fā)型引力波不同，中國科學(xué)院羅俊院士主持的“天琴計(jì)劃”， 其探測(cè)對(duì)象是可以持續(xù)驗(yàn)證的、低頻段的連續(xù)型引力波。在項(xiàng)目實(shí)施的基礎(chǔ)階段，2018年，羅俊院士團(tuán)隊(duì)利用開發(fā)的精密扭秤技術(shù)，分別以扭秤周期法和扭秤角加速度反饋法（圖4），測(cè)出相對(duì)差約為0.0045%的兩個(gè)不同G 值[11]，被當(dāng)期的《自然》雜志評(píng)論為：“通過兩種方法測(cè)出的G 值的相對(duì)誤差達(dá)到了迄今最小”，入選了當(dāng)年“中國科學(xué)十大進(jìn)展”，并于次年寫入我國普通高中物理教材。2022年3月，羅俊院士在參加十三屆全國人大五次會(huì)議期間，接受采訪時(shí)表示我國首次使用國產(chǎn)自主衛(wèi)星“天琴一號(hào)”測(cè)量獲得全球重力場(chǎng)數(shù)據(jù)，使我國成為世界上能自主探測(cè)全球重力場(chǎng)的三個(gè)國家之一。

2.4 學(xué)者風(fēng)范

無論是當(dāng)年的托馬斯·楊，還是如今的羅俊院士，其成果的取得無不經(jīng)歷了曲折的求索和信念的執(zhí)著，其中蘊(yùn)含的學(xué)者風(fēng)范值得青年學(xué)生景仰和學(xué)習(xí)。

我們知道，除了楊氏模量，托馬斯·楊還以楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)而馳名。其實(shí)，當(dāng)初他以此證明光的波動(dòng)性時(shí)，因?yàn)橛秀Ｓ谂ｎD的光的微粒說，一度被學(xué)界權(quán)威輕視和譏諷，使光學(xué)史上這一劃時(shí)代成果被壓制近20年。但托馬斯·楊并未屈服于權(quán)威，而是忠于真理、敢持異見，他在《聲和光的實(shí)驗(yàn)和探索綱要》一書中，寫道：“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認(rèn)為他是萬無一失的。我遺憾地看到，他也會(huì)弄錯(cuò)，而他的權(quán)威有時(shí)甚至可能阻礙科學(xué)的進(jìn)步?！?正如《思維簡(jiǎn)史》中所言：“科學(xué)是成見和權(quán)威的天敵……要想取得革命性的突破，必須具備公然對(duì)抗人人都相信的事實(shí)的意愿，并能用可信的新觀念替代舊觀念。”這種突破和對(duì)抗無不蘊(yùn)藏著超越常人意志的不易和堅(jiān)持。

羅 俊院士精確測(cè)量萬有引力常數(shù)G 的艱辛，也能讓我們感受到科學(xué)家刻苦鉆研的精神。雖然G 值的測(cè)量原理從卡文迪許時(shí)代已經(jīng)明確，但高精度的提升需要極其繁瑣、苛刻的條件，比如恒溫、隔振、電磁屏蔽等。研究初期的10多年，羅俊院士幾乎每天都在不見陽光的山洞實(shí)驗(yàn)室中堅(jiān)守10多個(gè)小時(shí);經(jīng)年累月的陰暗環(huán)境，導(dǎo)致其脫發(fā)過半、皮膚受損，感冒發(fā)燒更是尋常。這一研究也經(jīng)歷了30年，最終獲得的精度之高，“相當(dāng)于在一個(gè)1米桿的一端，放上一?；覊m千萬分之一的重量，也能測(cè)量出來”?？梢姡茖W(xué)成就的獲得既需要高深的學(xué)術(shù)造詣，也離不開耐得住寂寞、守得住冷清的探索情懷。

2.5 思維拓展

《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出，“理學(xué)類專業(yè)課程，要注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練……”，“專業(yè)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程，要注重學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一，增強(qiáng)學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題的實(shí)踐能力”。這對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)課程來說，尤為重要。

實(shí)驗(yàn)課，不是將實(shí)驗(yàn)講義當(dāng)作說明書機(jī)械地模仿，而是應(yīng)該在技能訓(xùn)練的同時(shí)體現(xiàn)思維拓展的價(jià)值。老師可以鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生從常規(guī)式設(shè)計(jì)中反思不足，從驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)中追問未知，從類似性原理中凝練思想，從章程化操作中領(lǐng)悟規(guī)范。教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生思考一些延展性的問題，比如：

師：如何改進(jìn)設(shè)計(jì)使得光路更易調(diào)節(jié)？

生：可以在佩戴護(hù)目鏡的情況下，像AFM 的工作方式一樣，利用激光筆使得反射光易見;或者直接用激光筆代替反射鏡，通過光斑讀取標(biāo)尺數(shù)值。

師 ：除了拉伸法之外，還有哪些可以測(cè)量彈性模量的方法？

生：拉伸法是基于定義，靜態(tài)測(cè)量楊氏模量的方法;可以查閱文獻(xiàn)，了解脈沖激振法、聲頻共振法、聲速法等方法的原理和特點(diǎn)。

師：所學(xué)的其他物理實(shí)驗(yàn)中是否也有轉(zhuǎn)化、放大的思想體現(xiàn)？

生：表面張力系數(shù)的測(cè)定，涉及微小力的測(cè)量，需要結(jié)合力敏傳感器將不易測(cè)的力信號(hào)轉(zhuǎn)化為易讀的電壓信號(hào)。

思維訓(xùn)練有助于學(xué)生參透課程的知識(shí)內(nèi)核，真正做到學(xué)以致用。學(xué)生除了可以依靠虛擬仿真實(shí)驗(yàn)獲得操作體驗(yàn)之外，還可以利用現(xiàn)成的材料，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。比如激光筆、化妝鏡、直尺、拍照手機(jī)等替代實(shí)驗(yàn)室中的器材，自行搭建簡(jiǎn)易的測(cè)量裝置，完成金屬絲楊氏模量的測(cè)定。這也有助于學(xué)生提高物理興趣，養(yǎng)成研究習(xí)慣，增強(qiáng)科學(xué)信心。

3 結(jié)語

融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的通識(shí)教育，應(yīng)以傳道、授業(yè)的初衷，以希聲、無形的技巧，以互溶、接納的邏輯，將通識(shí)元素與專業(yè)知識(shí)構(gòu)成有機(jī)整體;從而深化學(xué)科認(rèn)知、豐富課程內(nèi)容、活躍課堂氛圍、展現(xiàn)科學(xué)魅力。這將有助于學(xué)生樂思好學(xué)、致知力行，曉理明哲、端正三觀，堅(jiān)定理想、扶正信念;有助于課程教學(xué)育人元素的價(jià)值體現(xiàn)和立德樹人的初心回歸。

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