課程思政在大學(xué)物理實驗教學(xué)改革中的探索
——以“硅半導(dǎo)體太陽能電池特性實驗”為例

吳衛(wèi)華，張 勇，朱小芹

(江蘇理工學(xué)院 數(shù)理學(xué)院，江蘇 常州 213001)

2020年，教育部印發(fā)了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》，綱要指出在理工類課程中，將馬克思主義立場觀點方法的教育與科學(xué)精神的培養(yǎng)結(jié)合起來，提高學(xué)生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力。理學(xué)類課程要注重科學(xué)思維方法的訓(xùn)練和科學(xué)倫理的教育，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感。工學(xué)類課程要注重強化學(xué)生工程倫理教育，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報國的家國情懷和使命擔(dān)當(dāng)。同時，綱要也指出在實踐類課程中，應(yīng)該將思政教育與理論教學(xué)、實驗操作等有機融合，注重學(xué)思結(jié)合、知行統(tǒng)一，增強學(xué)生勇于探索的創(chuàng)新精神、善于解決問題的實踐能力[1,2]。

大學(xué)物理實驗是高等教育中理工科類學(xué)生的一門重要基礎(chǔ)課程，是學(xué)生進入大學(xué)后系統(tǒng)接受科學(xué)實驗訓(xùn)練的開端[3]。大學(xué)低年級階段的青年學(xué)生尚處于人生觀、世界觀和價值觀形成的關(guān)鍵時期，學(xué)生容易受到網(wǎng)絡(luò)多元化思潮和西方道德價值觀的沖擊，從而產(chǎn)生理想信念模糊、責(zé)任意識薄弱、思想道德滑坡、學(xué)習(xí)興趣喪失、創(chuàng)新能力不足、團隊精神缺乏等，進而對社會進步與發(fā)展產(chǎn)生負面影響。大學(xué)物理實驗蘊含著豐富的思政元素，在實驗項目教學(xué)過程中，結(jié)合政治、經(jīng)濟、科技、社會等熱點問題，將愛國主義情懷、社會責(zé)任意識、科學(xué)探索精神、思想道德修養(yǎng)等潛移默化地融入課堂，運用德育的學(xué)科思維引領(lǐng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)實驗方法與技能，加深對物理概念和規(guī)律的認識，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手和解決問題的能力，協(xié)助學(xué)生樹立科學(xué)的世界觀和方法論，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新意識，從而達到課程思政“春風(fēng)化雨”的育人效果[4,5]。

1 植入課程思政的路徑探索

1.1 明確實驗教學(xué)的專業(yè)與德育目標(biāo)

半導(dǎo)體太陽能電池特性實驗要求學(xué)生理解太陽能電池的工作原理，掌握開路電壓、短路電流、最大功率點、填充因子等特性的測量[6]，其教學(xué)目標(biāo)分為專業(yè)目標(biāo)和德育目標(biāo)。專業(yè)目標(biāo)主要包含：1.熟悉半導(dǎo)體PN結(jié)的形成及特點，理解太陽能電池的工作原理；2.掌握太陽能電池的基本特性；3.學(xué)會測量儀器的規(guī)范使用、測量電路的連接與故障排除；4.掌握圖示法數(shù)據(jù)處理的要求、規(guī)范地書寫實驗報告。德育目標(biāo)主要包括：1.培養(yǎng)學(xué)生愛國主義精神、社會責(zé)任感和主人翁意識，樹立偉大“中國夢”的理想信念；2.激發(fā)學(xué)生勇于創(chuàng)新、砥礪前行的奮斗精神，致力于解決當(dāng)前迫在眉睫的“卡脖子”問題；3.引導(dǎo)學(xué)生樹立“求真、求是、求實”的科學(xué)態(tài)度、恪守學(xué)術(shù)道德與堅守學(xué)術(shù)誠信；4.鍛煉學(xué)生理論聯(lián)系實際的能力，從感性認識到理性認識再到實踐的認知規(guī)律，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力；5.培養(yǎng)學(xué)生溝通交流能力和團隊協(xié)作精神。

1.2 在課前預(yù)習(xí)中摻入思政教育

太陽能電池特性測量實驗為驗證性實驗，學(xué)習(xí)沒有預(yù)習(xí)往往會出現(xiàn)實驗電路接線不正確、測量數(shù)據(jù)采集不合理、實驗結(jié)論與物理規(guī)律不相符等問題，從而大大降低了學(xué)生“學(xué)”和教師“教”的教學(xué)效果。為此，在實驗課之前，教師需要給學(xué)生布置實驗題目的預(yù)習(xí)任務(wù)，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，利用“超星學(xué)習(xí)通”平臺在線觀看教學(xué)視頻和瀏覽教學(xué)課件，了解太陽能電池工作原理和儀器規(guī)范使用，鼓勵學(xué)生遇到不懂的內(nèi)容時可以應(yīng)用文獻檢索知識查閱相關(guān)參考資料，引導(dǎo)學(xué)生積極參與線上互動討論，完成實驗題目課前測試和預(yù)習(xí)報告。這就間接要求學(xué)生能有效利用課余碎片化時間進行線上自學(xué)，而不至于沉迷網(wǎng)絡(luò)游戲，有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率和身心健康。

1.3 在課堂講解中滲透思政教育

1.3.1 半導(dǎo)體PN結(jié)的形成與特點

在講授PN結(jié)理論時，適時引入中美貿(mào)易戰(zhàn)中的“芯片”問題，從日常生活中的手機和汽車芯片延伸到航空航天、導(dǎo)航導(dǎo)彈等領(lǐng)域的軍用芯片，激發(fā)學(xué)生愛國主義熱情，樹立“強國有我”的理想信念，唯有自力更生和敢于創(chuàng)新，突破受制于人的關(guān)鍵芯片科技，才能從根本上打破國際集成電路的技術(shù)封鎖。同時，酌情講述我國在半導(dǎo)體材料科學(xué)及集成電路研究方面的杰出科學(xué)家，啟發(fā)學(xué)生求知欲望，增強學(xué)生民族自豪感和自信心，培養(yǎng)“科學(xué)無國界，科學(xué)家有祖國”的科學(xué)精神，維護中華民族尊嚴(yán)和強國地位。

1.3.2 太陽能電池的工作原理

在講解光電效應(yīng)時，穿插介紹偉大的物理學(xué)家愛因斯坦的典故，他為了尋求真理飽受了經(jīng)典物理理論科學(xué)家的質(zhì)疑，發(fā)現(xiàn)并成功解釋了光電效應(yīng)，從而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎[7]。激勵學(xué)生學(xué)習(xí)愛因斯坦敢于挑戰(zhàn)權(quán)威和勇于探索真理的科學(xué)精神，教育學(xué)生用懷疑精神來對待已有科技成果、用實證精神來對待科學(xué)發(fā)現(xiàn)、用探索精神來對待未知領(lǐng)域，啟示學(xué)生尊重科學(xué)、堅持真理，樹立崇尚科學(xué)與真理的價值觀。

1.3.3 太陽能電池的基本特性

針對太陽能電池的工作效率問題，適當(dāng)引入電池材料的發(fā)展歷程。從第一塊基于鍺材料半導(dǎo)體太陽能電池1%的轉(zhuǎn)換效率到如今疊層太陽能電池約30%的轉(zhuǎn)換效率，材料科學(xué)家做出了卓越貢獻[8]，讓學(xué)生真切體會到科技創(chuàng)新重要力量，鼓勵學(xué)生關(guān)注科技前言、投身專業(yè)學(xué)習(xí)、立志報效祖國。

1.4 在實驗操作中實施思政教育

1.4.1 電路連接

在太陽能電池特性測量系統(tǒng)組裝時，要求學(xué)生規(guī)范化操作，關(guān)注學(xué)生電路連接是否錯誤、儀器操作是否正確、量程選擇是否合適等，指正學(xué)生的不當(dāng)操作，協(xié)助學(xué)生排除電路故障，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手技能。實驗通常采取每組兩位學(xué)生的分組形式，要求學(xué)生明確分工、協(xié)同合作，認真仔細地操作實驗儀器和觀察實驗現(xiàn)象，共同高質(zhì)量地完成實驗任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的責(zé)任意識和團隊精神。

1.4.2 數(shù)據(jù)采集

科學(xué)實驗是檢驗物理規(guī)律的標(biāo)準(zhǔn)，實驗數(shù)據(jù)的采集顯得格外重要。教導(dǎo)學(xué)生首先要注意數(shù)據(jù)的采集方法，作圖用的數(shù)據(jù)點越多，所作曲線越精確。由于測量次數(shù)受限，在曲線的線性段均勻采集數(shù)據(jù)、曲線的拐彎處多采集數(shù)據(jù)，保障實驗曲線的置信度，增強“實踐出真知”的意識。其次要注意測量數(shù)據(jù)的有效數(shù)字，正確地測讀和記錄實驗數(shù)據(jù)，切勿隨意刪減測讀值位數(shù)而影響測量結(jié)果可信度，樹立嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實的治學(xué)作風(fēng)。最后要注意的是引導(dǎo)學(xué)生善于分析實驗數(shù)據(jù)中蘊含的物理規(guī)律，培養(yǎng)追求真理和崇尚科學(xué)的精神，提高獨立思考和明辨是非的能力。

1.4.3 數(shù)據(jù)審查

太陽能電池輸出特性受光照強度、電池表面溫度、測量儀器精度等因素影響，且每組太陽能電池規(guī)格參數(shù)也不盡相同。因此，每組測量數(shù)據(jù)應(yīng)該是截然不同的。在實驗數(shù)據(jù)審查時，重點關(guān)注數(shù)據(jù)的正確性、真實性和可靠性。針對個別同學(xué)為了順利過關(guān)而僥幸篡改實驗數(shù)據(jù)或抄襲他人數(shù)據(jù)，督促其重新認真測量、如實記錄實驗數(shù)據(jù)，引導(dǎo)其正視誠信問題，對不誠信行為實現(xiàn)“零容忍”，讓學(xué)生養(yǎng)成尊重客觀規(guī)律和嚴(yán)謹(jǐn)細致的實驗習(xí)慣，以恪守誠信、實事求是的科學(xué)態(tài)度對待物理實驗，內(nèi)化學(xué)生的實驗行為準(zhǔn)則，提升學(xué)生思想道德修養(yǎng)。

1.5 在實驗報告中開展思政教育

1.5.1 圖示法實驗數(shù)據(jù)處理

在實驗數(shù)據(jù)處理時，強調(diào)圖示法的“五個規(guī)則”：選軸、定標(biāo)尺、描點、連線、寫圖名。學(xué)生在實驗報告作圖時“缺一不可”，鍛煉學(xué)生分析實驗數(shù)據(jù)、總結(jié)物理規(guī)律的能力。同時，要求學(xué)生自學(xué)Origin、Matlab數(shù)據(jù)處理工具，應(yīng)用圖表形式直觀分析數(shù)據(jù)，這不僅有利于提升學(xué)生自學(xué)和解決問題的能力，也為后續(xù)創(chuàng)新型物理實驗奠定了基礎(chǔ)。

1.5.2 科學(xué)規(guī)范書寫實驗報告

在撰寫實驗報告時，強調(diào)實驗報告的科學(xué)性與規(guī)范性。學(xué)生根據(jù)實驗報告欄目進行自主總結(jié)，而非原文照搬實驗教材內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生分析整理和寫作表達能力。實驗報告要求書寫仔細、字跡工整、數(shù)據(jù)翔實、圖表規(guī)范，引導(dǎo)學(xué)生樹立認真的學(xué)習(xí)態(tài)度。實驗報告完成后按時提交，養(yǎng)成守時守約的良好習(xí)慣。特別強調(diào)在做實驗報告的過程中，嚴(yán)禁學(xué)生抄襲他人報告、侵犯他人數(shù)據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生誠信品質(zhì)。

1.6 在科技創(chuàng)新中開展思政教育

在實驗室開放階段，鼓勵優(yōu)秀學(xué)生結(jié)合自身興趣和專業(yè)基礎(chǔ)開展科技創(chuàng)新活動，自由選擇研究課題、設(shè)計實驗方案、驗證實驗假設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，從而提高學(xué)生科研創(chuàng)新能力。

2 實驗課程思政教學(xué)改革成效與存在問題

通過前期教學(xué)改革實踐，發(fā)現(xiàn)實驗課程思政在育人效果方面成效顯著，學(xué)生端正了實驗態(tài)度、改進了學(xué)習(xí)方法、增強了學(xué)習(xí)信心、培養(yǎng)了合作精神，提高了實踐動手和解決問題的能力。盡管如此，思政教育在物理實驗課程教學(xué)中的改革仍處于起步階段，需要不斷地反思和解決目前尚存在的主要問題。

(1)實驗指導(dǎo)教師長期從事技能教學(xué)，在思政方面的知識積累尚不夠豐富，缺乏思政教育與實驗課程融合的經(jīng)驗和技巧，從而導(dǎo)致思政教育效果不夠明顯、切入不夠自然。為此，實驗教師可以通過“學(xué)習(xí)強國”等網(wǎng)絡(luò)資源學(xué)習(xí)高校課程思政建設(shè)成果，提升課程思政在物理實驗教學(xué)中的改革與建設(shè)能力。

(2)思政教育融入物理實驗教學(xué)全過程意味著實驗教師需要重新設(shè)計項目教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)課件及評價體系等，這些顯著加重了實驗教師工作量，從而引起個別教師拒絕接受實驗課程思政改革。為此，實驗教師需要轉(zhuǎn)變教育理念、提高政治站位，教學(xué)團隊可以分工合作、資源共享，共同構(gòu)建實驗課程思政素材庫、共同設(shè)計實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，提高課程思政育人成效。

(3)實驗項目教學(xué)內(nèi)容繁多、實驗操作復(fù)雜，在學(xué)時受限情況下，有些教師或?qū)W生在規(guī)定時間內(nèi)難以完成項目的教與學(xué)，沒有過多的課堂時間開展課程思政。另外，有些學(xué)生對物理實驗課滲入思政元素的教育模式仍不能完全接受，錯誤地認為思政教育的融入就是“浪費時間”。為此，實驗教師應(yīng)當(dāng)精選思政資源，采用多樣化教學(xué)手法將思政教育深度融合到知識講授和實驗操作過程中，激發(fā)學(xué)生筑牢政治立場、樂于專業(yè)學(xué)習(xí)、渴望成人成才，實現(xiàn)價值塑造、知識傳授和能力培養(yǎng)的多維集成。

3 結(jié) 語

在課程思政教學(xué)改革大背景下，物理實驗課程教學(xué)需要牢固樹立立德樹人的理念、明確專業(yè)與德育教學(xué)目標(biāo)、優(yōu)化課程思政教育實施細則，將常規(guī)教學(xué)中知識傳授、能力培養(yǎng)與價值塑造同頻共振，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)實驗知識、鍛煉實踐技能的同時，默化潛移地幫助學(xué)生樹立理想信念和責(zé)任意識、厚植家國情懷和科學(xué)精神，促進學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和德育素養(yǎng)全面提升，真正實現(xiàn)物理實驗課程的“教書”和“育人”功能。