深入挖掘大學(xué)物理教學(xué)中的思政元素
——以火箭發(fā)射原理為例

呂世杰 鞏曉陽 琚偉偉 杜 凱

（河南科技大學(xué)物理工程學(xué)院 河南·洛陽 471023）

在科教興國大戰(zhàn)略方針的指導(dǎo)下，我們高等教育事業(yè)步入了快速發(fā)展的道路，2016年12月習(xí)近平在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)要把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人，提高我國高等教育發(fā)展水平和質(zhì)量，增強國家核心競爭力。

《大學(xué)物理》在全國各類綜合性和理工科院校中開設(shè)的一門受眾面較為廣泛的基礎(chǔ)必修課程，它是介紹物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、相互作用及其運動規(guī)律的學(xué)科，也是自然科學(xué)理論和實踐的凝練總結(jié)與概括。大量現(xiàn)代高科技的具體應(yīng)用案例都和物理學(xué)內(nèi)容息息相關(guān)，是高校能否有效開展“課程思政”最具備潛力和優(yōu)勢的課程之一。因此大學(xué)物理課程思政建設(shè)要結(jié)合人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展成果，不斷從力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、相對論和量子力學(xué)等不同課程體系里深入挖掘和提煉思政元素，推進課程與思政教育的有效融合，形成獨特的課程思政體系。下面以火箭發(fā)射原理為例，深入探討如何挖掘課程中的思政元素。

1 深化課程改革，優(yōu)化教學(xué)方案

火箭發(fā)射的基本原理是力學(xué)中的動量定理、動量守恒定律，目前大部分的大學(xué)物理教材都把火箭發(fā)射原理或火箭的運動放到了選學(xué)或考試范圍之外的章節(jié)里，甚至有些教材根本就沒有介紹火箭部分的相關(guān)內(nèi)容。這顯然與國家培養(yǎng)高精尖技術(shù)人才不符。教材這樣的編排沒有結(jié)合國家大力發(fā)展航空航天事業(yè)的戰(zhàn)略需求，不滿足教育部對課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的要求。課程思政建設(shè)就是要不斷深化課程改革，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容和方案，所以建議要把火箭發(fā)射原理相關(guān)內(nèi)容提到一定高度，列入必學(xué)必考的知識范圍。

2 講授火箭飛行原理

宇宙飛船、導(dǎo)彈等均以火箭為動力，火箭飛行的原理實質(zhì)上就是動量定理、動量守恒定律的典型應(yīng)用。燃燒室內(nèi)燃料燃燒生成的高溫高壓氣體不斷由火箭向后噴出，使火箭不斷地受到向前的反沖力，這個反沖力即推動火箭箭體加速飛行的動力。火箭的發(fā)射是一個變質(zhì)量問題。

對于火箭飛行，選取某t時刻的火箭為研究對象，質(zhì)量為M，對地速度為，t+dt時刻噴出的質(zhì)量為dm相對速度為的氣團，火箭本體剩余質(zhì)量Mdm，如圖1所示。

圖1：火箭發(fā)射原理示意圖

這里很重要的一點就是忽略空氣阻力和重力的影響，系統(tǒng)在發(fā)射方向動量才守恒。

應(yīng)用動量守恒列式：

式中dm是時間微小間隔內(nèi)的噴射氣團質(zhì)量，而它是從火箭中噴射出來的，所以dm=-dM，（2）式投影式為：Mdv=-udM，即：

對上式兩邊積分，時間從t0到t，其速度變化為v0到v，其質(zhì)量由M0變化為M，于是可得：

這就是火箭速度公式，也稱為齊奧科夫斯基公式或理想速度公式。

如果火箭開始飛行時速度為零（v0=0），燃料用盡時質(zhì)量為M，那么根據(jù)上式解得火箭能夠達到的速度為

M0/M稱為火箭的質(zhì)量比，可以用N來表示?；鸺膰姎馑俣萿和質(zhì)量比越大，能達到的最終速度就越大。因此要提高發(fā)射速度最有效的辦法就是提高其質(zhì)量比。我們來計算一個實例，如果噴射速度3km/s，質(zhì)量比為14，計算最終發(fā)射速度為7.9km/s，已經(jīng)達到了第一宙速度，但實際情況可能只有一半，我們在推導(dǎo)的時候忽略了重力和空氣阻力。所以發(fā)射航天器等人造天體時必須要開發(fā)二級、三級、四級火箭，連接的方式也有串聯(lián)式、并聯(lián)式、混聯(lián)式之分。

3 應(yīng)用案例和課程思政元素挖掘

火箭是中國宋代偉大發(fā)明之一，因在飛行中超快的速度而具有極大的殺傷力，火箭常被用作戰(zhàn)爭武器而存在，如圖2所示，中國人發(fā)明火箭的事實早已被世界所公認。古代火箭在發(fā)射原理上和現(xiàn)代火箭并沒有本質(zhì)的區(qū)別?；鸺腔鹚幇l(fā)明之后的重要應(yīng)用，直到13世紀中期才由蒙古人傳入歐洲。這些發(fā)明處于當(dāng)時世界的絕對領(lǐng)先地位，體現(xiàn)了中國古代就有著領(lǐng)先全世界的科學(xué)技術(shù)成就，也反映了源遠流長的五千年光輝燦爛的中華文明史。通過學(xué)習(xí)弘揚了中國傳統(tǒng)文化的先進性，激發(fā)了同學(xué)們的民族自豪感和文化自信。

圖2：中國古代火箭

中國不僅最早發(fā)明了火箭，還最早進行了載人飛行試驗的國家。明朝的萬戶用47枚火箭裝在一把座椅上嘗試把自己送上藍天的努力和壯舉，雖然最終失敗而犧牲，但萬戶成為世界上第一個利用火箭向太空搏擊的英雄，如圖3所示，公認為“真正的航天始祖”，為了紀念他，世界科學(xué)家把月球上的一座環(huán)形火山命名為“萬戶山”。萬戶的事跡體現(xiàn)了他的勇于探索、不畏艱險、開拓創(chuàng)新的優(yōu)秀品質(zhì)，這正是為實現(xiàn)偉大中國夢所要弘揚具備的精神力量。

圖3：萬戶飛天

經(jīng)過半個多世紀中國航天事業(yè)的發(fā)展，歷經(jīng)千辛萬苦克服種種困難，我們實現(xiàn)中國航天事業(yè)巨大的成就，如圖4所示，從長征一號運載火箭到長征五號，從兩彈一星到神舟飛船，從天宮一號到嫦娥五號和天問一號，中國航天人砥礪前行，將一個個不可能變?yōu)榭赡?，實現(xiàn)了一個又一個航天夢。試想如果沒有火箭技術(shù)的突破和進步，我國的導(dǎo)彈、衛(wèi)星、北斗系統(tǒng)、空間站、載人登月、火星探測等計劃只能是紙上談兵。中國航天人正是憑借著百折不撓、無私奉獻、自力更生、艱苦奮斗、勇于攀登的精神，憑借著特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻的精神，一步一個腳印的把我國推進到了航天大國乃至航天強國的行列。

圖4：長征5號火箭發(fā)射

中國航天人中有錢學(xué)森、任新民、鄧稼先、屠守鍔等等太多太多，有些我們耳熟能詳，有些可能還很陌生，但他們的貢獻是巨大的，是民族的脊梁。例如錢學(xué)森，他本可以享受國外優(yōu)厚的待遇和科研環(huán)境，卻為了報國夢，克服種種阻撓和困難回到中國，在極其艱難的情況下帶領(lǐng)科研團隊把中國的導(dǎo)彈技術(shù)、火箭技術(shù)推進到了世界前列。錢學(xué)森被譽為中國航天之父、火箭之王，由于錢學(xué)森的回國效力，我國的導(dǎo)彈、原子彈的發(fā)射至少向前推進的20年。這些優(yōu)秀科學(xué)家的故事可以激發(fā)學(xué)生們的愛國情懷和報效祖國獻身科技的決心。

3 結(jié)束語

以物理科學(xué)內(nèi)容——火箭發(fā)射原理為例深入探討了如何挖掘大學(xué)物理教學(xué)中思政元素。在教學(xué)內(nèi)容上進行優(yōu)化調(diào)整，與國家重大戰(zhàn)略需求相結(jié)合。通過古代火箭的學(xué)習(xí)激發(fā)民族自豪感和文化自信。介紹中國在過去半個多世紀的航空航天成就和航天人的事跡和精神，培養(yǎng)同學(xué)們堅忍不拔、勇于創(chuàng)新、恪盡職守的工匠精神和愛國情懷。