“課程思政”在大學(xué)物理教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用
——以狹義相對論教學(xué)實(shí)踐為例

趙 昶，趙 曼

（北京石油化工學(xué)院致遠(yuǎn)學(xué)院，北京 102617）

0 引言

物理學(xué)是研究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)動形式、相互作用以及轉(zhuǎn)化規(guī)律的自然科學(xué)。物理學(xué)所展現(xiàn)的科學(xué)的世界觀、認(rèn)識論和方法論深刻影響著人類對物質(zhì)世界的基本認(rèn)識、思維方式和社會生活，是人類文明發(fā)展的重要基石。它使學(xué)生從理論、方法、能力等方面得到科學(xué)系統(tǒng)的訓(xùn)練，并對物理學(xué)豐厚的人文積淀有比較系統(tǒng)的了解和認(rèn)識，實(shí)現(xiàn)知識、能力和人文素養(yǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展[1-2]。從大學(xué)物理的內(nèi)容可以看出它對學(xué)生在自然科學(xué)領(lǐng)域的素養(yǎng)有著根本性的影響，大學(xué)物理的課程思政建設(shè)是高等教育落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的一個很好載體和抓手，因此大學(xué)物理的“課程思政”建設(shè)對學(xué)生的影響將會是長期的、深遠(yuǎn)的。大學(xué)物理內(nèi)容的知識體系有很強(qiáng)的邏輯思維訓(xùn)練目標(biāo)，物理知識構(gòu)建過程也是人類對自然科學(xué)認(rèn)知發(fā)展的過程，其教學(xué)內(nèi)容邏輯性強(qiáng)，處處體現(xiàn)著深刻而又樸素的方法論，蘊(yùn)含著較為豐富的思想人文特性[3]。

1 大學(xué)物理課的“課程思政”教學(xué)實(shí)現(xiàn)途徑

本文以大學(xué)物理-近代物理內(nèi)容的“狹義相對論知識點(diǎn)”為例，具體介紹如何進(jìn)行“課程思政”建設(shè)。相對論和量子力學(xué)是近代物理的主要兩個重要內(nèi)容，其中狹義相對論的提出給物理學(xué)帶來了革命性的變化，相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時的相對性”“四維時空”“彎曲時空”等全新的概念。但由于狹義相對論的理論分析比較復(fù)雜，涉及較多的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)知識，所以，若只是進(jìn)行常規(guī)的物理學(xué)習(xí)，分析推導(dǎo)，然后得出結(jié)論，雖然邏輯性很強(qiáng)，但因?yàn)楹徒?jīng)典物理的結(jié)論明顯不一致，且和實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)偏差較大，學(xué)生普遍感覺知識枯燥難懂，知識點(diǎn)多且不好記，收獲甚微，所以根據(jù)狹義相對論知識特點(diǎn)，理論復(fù)雜難懂，而學(xué)生對實(shí)際應(yīng)用了解不多，而愛因斯坦的名氣和傳奇故事大家卻又普通了解一些，都很有興趣，所以以此為教學(xué)切入點(diǎn)，進(jìn)行大學(xué)物理課的課程思政建設(shè)是個很好的時機(jī)。介紹愛因斯坦本人及其探索“狹義相對論”的背景過程更能引起學(xué)生的興趣，比單純講解知識點(diǎn)的邏輯對學(xué)生來講更有意義。

首先系統(tǒng)介紹科學(xué)家愛因斯坦，他出生于德國的一個猶太人家庭，是著名的物理學(xué)家，是少有的獨(dú)立研究型科學(xué)家的典型代表，被公認(rèn)為最偉大的物理學(xué)家之一，愛因斯坦的最大成就是他大大加深了人們對于自然時間中時間和空間的認(rèn)識，對質(zhì)量和能量的認(rèn)識，對經(jīng)典牛頓力學(xué)的時空觀進(jìn)行了糾正，對現(xiàn)代物理的量子力學(xué)也有很大的貢獻(xiàn)，可以說現(xiàn)在人類文明的很多最新成果都離不開愛因斯坦的相關(guān)貢獻(xiàn)。

其次介紹狹義相對論的基本假設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生分析其特點(diǎn)是什么，和經(jīng)典物理的牛頓力學(xué)有什么差異和矛盾？如有問題和矛盾，怎么解決？在學(xué)生們充分討論后，給出結(jié)論，同時介紹愛因斯坦研究此問題的基礎(chǔ)和當(dāng)時的物理學(xué)史背景，最后討論愛因斯坦狹義相對論的應(yīng)用。

具體教學(xué)設(shè)計(jì)如下：

提出問題：

物理學(xué)中牛頓力學(xué)和麥克斯韋的電磁學(xué)大家都學(xué)過，都知道很重要也有很多應(yīng)用，人們沒有注意到這兩個理論有沖突，提出沖突，讓同學(xué)們思考問題在哪里？如何解決呢？引出當(dāng)時物理學(xué)家給出的解釋？討論是否有缺陷？給出愛因斯坦研究的背景。

背景介紹—導(dǎo)入思政內(nèi)容：

問題引入后，簡單介紹愛因斯坦生平事跡，重點(diǎn)闡述愛因斯坦解決科學(xué)問題的本質(zhì)能力和方法，愛因斯坦對以上問題的想法是如果人能追上光的話，光就會像是在空間固定波形的電場和磁場，這會有什么樣的后果，在啟發(fā)學(xué)生在現(xiàn)有知識基礎(chǔ)上思考問題會有和現(xiàn)有知識矛盾的結(jié)論，引導(dǎo)學(xué)生怎樣提出問題，聚集科學(xué)本質(zhì)，再解決問題的辯證思維。

應(yīng)用舉例：

學(xué)生雖然對相對論都耳熟能詳，但對其影響我們生活的實(shí)際應(yīng)用了解就不清楚了。相對論的應(yīng)用主要還在粒子物理和天體物理等科研領(lǐng)域，最常被提到的一個應(yīng)用是GPS導(dǎo)航定位的相對論修正。因?yàn)镚PS衛(wèi)星的核心是原子鐘，把原子鐘的時頻信號用微波發(fā)射出去，接收器通過時頻信號和光速得出相對幾個衛(wèi)星的位置，從而完成定位。但原子鐘的時頻在衛(wèi)星不同軌道不同速度飛行時，會受到狹義相對論多普勒頻移和廣義相對論引力紅移的影響，因此需要修正這些影響，才能準(zhǔn)確地定位。另一個實(shí)際例子是在醫(yī)院的放射治療部，多數(shù)設(shè)有一臺粒子加速器，產(chǎn)生高能粒子來制造同位素，作治療或造影之用。氟代脫氧葡萄糖的合成便是一個經(jīng)典例子。由于粒子運(yùn)動的速度相當(dāng)接近光速（0.9c-0.9999c），故粒子加速器的設(shè)計(jì)和使用必須考慮相對論效應(yīng)。但這兩個應(yīng)用例子屬于非常被動地利用相對論。

那么主動地利用相對論的例子呢？其實(shí)大家都聽說過，就是核能（又稱原子能）。包括核裂變的原子彈，核電站，以及核聚變的氫彈。原子核的裂變和聚變行為都是由量子力學(xué)和相對論共同決定的。核裂變和核聚變損失的質(zhì)量m，通過相對論的質(zhì)能方程，小小的質(zhì)量減少對應(yīng)著巨大的能量輸出，這就是核能的來源。除了核武器之外，核能的和平利用目前只有基于核裂變的核電站，和航天用的核電池?？煽睾司圩兪侨祟悗讉€主要夢想之一，一旦實(shí)現(xiàn)，幾乎可以一勞永逸地解決人類能源問題，因此備受矚目。

結(jié)論與收獲：

過去幾百年，牛頓以其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)術(shù)語審查了已知物質(zhì)世界的所有現(xiàn)象，使物質(zhì)世界對人類可知。物質(zhì)世界為因果論所統(tǒng)制：有因必有果，有果必有因。如今愛因斯坦提出的、過去曾被蘇黎世大學(xué)認(rèn)為“荒謬”的狹義相對論假設(shè)指出，僅靠對外部世界的近距離觀察，也許無法掌握自然界的偉大真理；相反，科學(xué)家有時應(yīng)該從他們的思想出發(fā)，創(chuàng)造出只有在未來才能得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的假設(shè)和邏輯系統(tǒng)。這就是，未做實(shí)驗(yàn)，先得結(jié)果。這種認(rèn)識大大開闊了科學(xué)家的思路，這種理論促進(jìn)了科學(xué)的發(fā)展，并最終導(dǎo)致人類工業(yè)和健康的新機(jī)器的發(fā)明。

本教學(xué)實(shí)踐的意義在于通過列舉愛因斯坦在物理學(xué)中的貢獻(xiàn)以及其理論在現(xiàn)代已知的日常生活、生產(chǎn)、科技實(shí)踐中的應(yīng)用，讓學(xué)生認(rèn)識到愛因斯坦的偉大之處，理解好奇心與創(chuàng)造力在自然科學(xué)中的重大意義，激發(fā)他們對客觀世界的探索欲、求知欲與解決問題的可行性思路等辯證唯物主義思想，大膽設(shè)想則是關(guān)鍵，提出自己的設(shè)想的確非常需要大膽。同學(xué)們習(xí)慣了接受知識，對已有知識過于敬畏和依賴，缺乏深入思考和質(zhì)疑精神，不敢懷疑現(xiàn)有理論，更不用說對現(xiàn)有知識的革命性的見解了。這必須徹底改變，否則得不到重要成績?？茖W(xué)研究就是競爭，沒有競爭，科學(xué)就沒有進(jìn)步，要大膽設(shè)想，也不限于理論問題。主要是不受現(xiàn)有理論、習(xí)慣或經(jīng)驗(yàn)的束縛，要自由設(shè)想，甚至猜想，但不可幻想。科學(xué)家在其研究工作范圍內(nèi)可完全自由決定工作計(jì)劃，選擇問題，決定研究路線和實(shí)驗(yàn)方法等等，在工作中不受任何干擾?？茖W(xué)家對科學(xué)和對科學(xué)研究的興趣、熱愛和責(zé)任心則是必需的。

“思政教育”以人為本，任何偉大的發(fā)現(xiàn)都離不開科學(xué)家們的淵博的學(xué)識、高尚的人格魅力及他們在探索自然規(guī)律的艱難進(jìn)程中堅(jiān)持不懈、持之以恒的探索精神等。在此環(huán)節(jié)適當(dāng)提及我國在相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展和貢獻(xiàn)，強(qiáng)調(diào)物理學(xué)是我國幾個一直在國際保持前沿的學(xué)科之一，重點(diǎn)評述我國科學(xué)家在物理基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的前沿，重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會好奇心、創(chuàng)造力在自然科學(xué)發(fā)展中的重要作用，同時了解我國在物理學(xué)研究的真正實(shí)力，樹立民族自信心和自豪感。針對大學(xué)生思想現(xiàn)狀，將“育人”做到了有的放矢，充分發(fā)揮“思政”教育的作用，真正做到了“教書育人”。以上體現(xiàn)“思政”教學(xué)內(nèi)容大約45分鐘左右，整個環(huán)節(jié)緊湊、簡潔，不會因?yàn)椤八颊眱?nèi)容的切入而影響物理知識的講解進(jìn)度。通過具體知識點(diǎn)涉及的經(jīng)典事例通過和學(xué)生互動討論，資料分享等方式融入物理教學(xué)中，把握時機(jī)，靈活融入，不追求每個知識點(diǎn)都要有思政元素，這樣學(xué)生在獲取知識、能力提升的同時，潛移默化的達(dá)到了我們的“課程思政”效果，從而構(gòu)建出“思政味道”的大學(xué)物理基礎(chǔ)課。

2 大學(xué)物理課程思政的反思和總結(jié)

狹義相對論知識點(diǎn)及應(yīng)用，在學(xué)習(xí)理論知識和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法后，融入課程思政元素，包括物理知識模型的建立，即培養(yǎng)學(xué)生思考的能力、充分挖掘自然科學(xué)發(fā)現(xiàn)中創(chuàng)造力和好奇心的重要作用以及科學(xué)家故事，引導(dǎo)學(xué)生正確的科學(xué)觀和世界觀。通過愛因斯坦狹義相對論的發(fā)展過程，讓學(xué)生們理解“提出一個問題比解決一個問題更為重要。因?yàn)榻鉀Q一個問題也許是一個數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技巧，而提出新的問題，新的可能性，從新的方向看舊問題，則需要創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步”。新的問題主要來自科學(xué)家或技術(shù)家的求知欲、好奇心或興趣，實(shí)際需要解決的問題也必須要經(jīng)科學(xué)家變成科學(xué)問題。所以科學(xué)家和技術(shù)家是提出和解決新科學(xué)問題的主要人物，是科學(xué)技術(shù)真正進(jìn)步的主角，必須負(fù)擔(dān)起當(dāng)前我國科學(xué)技術(shù)真正進(jìn)步的責(zé)任。以人為本，解決科學(xué)問題只有依靠科學(xué)家。純粹的邏輯思維不能依賴于我們經(jīng)驗(yàn)世界的知識，就是說，不能靠推論。在有意識地去引導(dǎo)學(xué)生獨(dú)立思考，自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

盡管在大學(xué)物理課程中融入“課程思政”的元素，客觀上在物理知識的講授過程中占用一些時間，在總課時不變的前提下，通過充分準(zhǔn)備，適當(dāng)配合教學(xué)方式和手段的改進(jìn)，整體上物理知識的教學(xué)效果不但沒有受到影響，反而能夠感受到學(xué)生對物理學(xué)習(xí)興趣的提高，進(jìn)一步學(xué)習(xí)成績有所改善，筆者所帶的班級在近一年的2個學(xué)期中，成績均在全校物理課平均成績之上（如圖1和圖2所示），而且所在班級的學(xué)生物理競賽成績獲獎人數(shù)和等獎方面均在前列，雖然實(shí)行“課程思政”改革的時間還不夠長，可供統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)樣本數(shù)量不夠多，不能完全把成績歸功于在大學(xué)物理教學(xué)中實(shí)施“課程思政”改革，但最起碼目前的數(shù)據(jù)能夠說明大學(xué)物理課程的“課程思政”改革不會耽誤物理教學(xué)，反而有所增益，隨著樣本數(shù)量的不斷增多和大學(xué)物理教學(xué)“課程思政”改革進(jìn)一步深入，相信會有更科學(xué)合理的分析和判斷。

圖1 2020秋大學(xué)物理課程成績對比（2019級學(xué)生-儲191班、儲192班學(xué)生平均分和學(xué)校全體學(xué)生成績平均分）

圖2 2021春大學(xué)物理課程成績對比（2020級學(xué)生-高201、202、203班學(xué)生平均分和學(xué)校全體學(xué)生成績平均分）

課程思政是課程教學(xué)目標(biāo)之一，不是課程全部[4]，課程建設(shè)的思政任務(wù)是結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，逐步實(shí)現(xiàn)激發(fā)學(xué)生好奇心，理解自然科學(xué)的想象力，提升解決問題的創(chuàng)造力，培養(yǎng)正確的科學(xué)觀和世界觀，循序漸進(jìn)，習(xí)慣成自然，保證學(xué)生長久受益。物理學(xué)的發(fā)展有太多對自然物質(zhì)最基本構(gòu)成和宇宙普適真理追求的事例，解決這些實(shí)際問題充分體現(xiàn)了人們對自然的好奇心和求知欲，不求回報(bào)才有可能堅(jiān)持，太過功利則不可能有所成就，學(xué)生很容易形成共鳴，從而慢慢形成正確的科學(xué)觀和世界觀[5]。隨著大學(xué)物理教學(xué)“課程思政”改革進(jìn)一步深入，相信會有更科學(xué)合理的教學(xué)方法和案例，推動大學(xué)物理“課程思政”進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)全方位育人目標(biāo)，落實(shí)立德樹人的根本任務(wù)。