立德樹(shù)人視域下課程思政融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究*
——以弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)為例

藍(lán)志強(qiáng) 徐守磊

(廣西大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院 廣西 南寧 530004)

1 引言

2016年12月,習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上提出:“要堅(jiān)持把立德樹(shù)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(guò)程,實(shí)現(xiàn)全程育人、全方位育人”.為了貫徹落實(shí)這一要求,需要全國(guó)高校所有老師同心協(xié)力,充分挖掘課程思政資源,將課程思政元素融入課堂教學(xué),實(shí)現(xiàn)人才培養(yǎng)與德育目標(biāo)相結(jié)合,為社會(huì)培養(yǎng)出具有正確人生觀、世界觀和價(jià)值觀的復(fù)合型人才.

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等院校中理、工、農(nóng)、林、醫(yī)類等學(xué)科的一門基礎(chǔ)類通識(shí)課程,它涵蓋的學(xué)生范圍廣,受眾多,在高校人才培養(yǎng)體系中占據(jù)重要地位.以廣西大學(xué)為例,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程幾乎涵蓋了理、工、農(nóng)、林、動(dòng)等除文科類專業(yè)外的所有學(xué)生,每年必修該課程的學(xué)生人數(shù)在4 500人左右.通常情況下,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)數(shù)為64學(xué)時(shí),設(shè)課時(shí)間在學(xué)生進(jìn)入大學(xué)后的第二個(gè)學(xué)期或者第三個(gè)學(xué)期,是學(xué)生進(jìn)入大學(xué)校門后不久必修的一門基礎(chǔ)類通識(shí)課程,顯然大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是實(shí)施課程思政教學(xué)的前沿陣地.因此,如何將課程思政有機(jī)融入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié),是一個(gè)值得深入研究的課題[1].目前,對(duì)于如何在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中融入課程思政,國(guó)內(nèi)從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和管理工作的學(xué)者進(jìn)行了初步的探索.如文獻(xiàn)[1]以邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)為例,通過(guò)介紹大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中課程思政內(nèi)涵,從“教書(shū)”和“育人”兩方面,深入挖掘“邁克耳孫干涉實(shí)驗(yàn)”中的課程思政元素,闡述了如何將課程思政內(nèi)涵融入實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)內(nèi)容.文獻(xiàn)[2]以“金屬楊氏模量的測(cè)定”為例,介紹了如何在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入課程思政,并提出了具體的實(shí)施方案.文獻(xiàn)[3] 以單縫衍射及光強(qiáng)測(cè)量為例,介紹如何從課前、課中、課后3個(gè)層面推進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程思政建設(shè).課程思政不是一門獨(dú)立課程,而是課程與思政的有機(jī)融合,是貫穿著所有課程教學(xué)的始終.因此,只有充分挖掘每一門課所蘊(yùn)含的思政元素,才能全方位提升大學(xué)生的人文素質(zhì)和道德情操,向我國(guó)社會(huì)現(xiàn)代化建設(shè)輸送高質(zhì)量建設(shè)者.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程不僅包含力、熱、電、光、磁學(xué)等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)知識(shí),還包含綜合性物理實(shí)驗(yàn)和近代物理實(shí)驗(yàn),它滲透到自然科學(xué)領(lǐng)域各個(gè)學(xué)科,與現(xiàn)實(shí)生活聯(lián)系密切.每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均蘊(yùn)含著豐富思政元素,如何在每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中展開(kāi)思政教學(xué)有待進(jìn)一步深入研究.基于此,本文以普通高等院校均普遍開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)”為例,探討立德樹(shù)人視域下如何在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中融入思政元素,為培養(yǎng)出具有正確的人生觀、世界觀和價(jià)值觀,德才兼?zhèn)涞纳鐣?huì)主義建設(shè)者做出應(yīng)有的貢獻(xiàn).

2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)背景的講解引入物理學(xué)史 激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)情懷

弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)是原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在分立能級(jí)的直接證據(jù),是對(duì)玻爾原子理論的最強(qiáng)有力支持,它是由1914年德國(guó)物理學(xué)家弗蘭克(J. Franck)和G.赫茲(Gus-tav Ludwig Hertz)共同發(fā)現(xiàn)的.在20世紀(jì)初,人們對(duì)原子的研究具有濃厚的興趣,在1911年前后,人們對(duì)電子電位進(jìn)行大量的研究,但發(fā)現(xiàn)沒(méi)有統(tǒng)一的理論為人們所接受,對(duì)電子電位測(cè)量所得結(jié)果也有較大差別.弗蘭克和赫茲用勒納德的反向電壓法進(jìn)行汞蒸氣的光譜實(shí)驗(yàn)研究,他們發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中電子與汞原子發(fā)生非彈性碰撞后損失4.9 eV的能量,也就是說(shuō)汞原子只能吸收4.9 eV的能量[4].通過(guò)在這部分教學(xué)內(nèi)容中引入弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的背景,引導(dǎo)同學(xué)們對(duì)未知領(lǐng)域的積極探索,或通過(guò)自己的勤奮努力去解決科學(xué)領(lǐng)域中懸而未決的問(wèn)題,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探索的精神[1].此外,我們也應(yīng)該讓同學(xué)們看到,在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間,西方國(guó)家在科學(xué)研究領(lǐng)域一直占據(jù)的主導(dǎo)地位,涌現(xiàn)出了如牛頓、愛(ài)因斯坦、波爾、麥克斯韋等許許多多的科學(xué)家.我國(guó)與西方世界的科技實(shí)力差距懸殊,在西方國(guó)家快速發(fā)展階段,我國(guó)還處于半封建半殖民地狀態(tài).然而隨著新中國(guó)的成立,在黨和政府的領(lǐng)導(dǎo)下,我們一步一個(gè)腳印,科技從起步與追趕、改革與探索期,再到創(chuàng)新與跨越期,在短短不到100年的時(shí)間里取得了巨大進(jìn)步.如蛟龍?zhí)柼胶！?單口徑射電望遠(yuǎn)鏡、載人航天工程、超級(jí)計(jì)算機(jī)等技術(shù)均取得了突破性進(jìn)展.在這時(shí)期涌現(xiàn)出了許許多多的科學(xué)家,如錢學(xué)森、錢三強(qiáng)、鄧稼先、吳有訓(xùn)、于敏等.通過(guò)物理學(xué)史的引入,到中西科技發(fā)展的對(duì)比,可以激發(fā)學(xué)生愛(ài)國(guó)情懷,對(duì)祖國(guó)未來(lái)的發(fā)展越來(lái)越有信心.

3 通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程陳述 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度

弗蘭克和赫茲這一發(fā)現(xiàn)以論文形式正式發(fā)表后備受爭(zhēng)議,質(zhì)疑者認(rèn)為弗蘭克和赫茲的這一發(fā)現(xiàn)不過(guò)是記錄非彈性碰撞出現(xiàn)的能量損失罷了,其激發(fā)電位的測(cè)量值得懷疑.因?yàn)楦鶕?jù)波爾理論,汞的電離電位為10.5V,而弗蘭克和赫茲實(shí)驗(yàn)的測(cè)量值為4.9V,兩者相差極為懸殊,因此如果弗蘭克和赫茲實(shí)驗(yàn)結(jié)論正確,那么波爾的原子理論就會(huì)受到挑戰(zhàn).質(zhì)疑者一直認(rèn)為,4.9V就是對(duì)應(yīng)斯塔克理論中所指光譜線的產(chǎn)生,源于原子或者電子的分離.然而可能源于信息不通暢,他們對(duì)波爾理論不了解,后經(jīng)科學(xué)家反復(fù)實(shí)驗(yàn)以及波爾對(duì)弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋,尤其是1915年波爾在《論輻射的量子理論和原子結(jié)構(gòu)》書(shū)中指出:“如果電子的能量小于4.9 eV,那么在碰撞過(guò)程其能量是不損失,而如果電子能量達(dá)到4.9 eV,在碰撞時(shí)其很大可能失去它的全部能量,原子發(fā)出的波長(zhǎng)為2536埃對(duì)應(yīng)汞的紫外線輻射”[5],波爾認(rèn)為他們的結(jié)論是不正確的.1916年,弗蘭克和赫茲撰文表示不接受波爾的質(zhì)疑,直到1919年,弗蘭克和赫茲重新審查1914年所做的實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)4.9 V并不能使汞原子發(fā)生電離,他們同意了波爾此前的觀點(diǎn),即4.9 V并不能使汞原子發(fā)生電離,該電壓對(duì)應(yīng)汞原子的第一激發(fā)電位[4].這個(gè)爭(zhēng)論導(dǎo)致一個(gè)具有劃時(shí)代意義的波爾原子理論被實(shí)驗(yàn)所證實(shí).這個(gè)實(shí)驗(yàn)從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),到對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)疑,再到對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的修正,不但蘊(yùn)含了實(shí)驗(yàn)物理科學(xué)家們的創(chuàng)新思維和孜孜以求科學(xué)精神,更是體現(xiàn)出了物理學(xué)家們追求真理、實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度與科學(xué)素養(yǎng),同時(shí)也蘊(yùn)含著科學(xué)發(fā)現(xiàn)是在不斷地糾錯(cuò)過(guò)程中取得了進(jìn)步.

4 借助實(shí)驗(yàn)原理講解 激發(fā)學(xué)生科學(xué)探索精神

在弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中,其設(shè)計(jì)原理如圖1所示[6].在圖1中,Uf對(duì)應(yīng)的是燈絲電壓,用于加熱燈絲使其發(fā)射出熱電子;UG1為陰極K和柵極之間的一個(gè)加速電壓,其作用是消除電子在陰極K附近堆積;UG2為加速電壓,其作用是讓電子獲得加速度,提高電子的能量;UP為拒斥電壓,其作用是篩選電子,只有能量E>eUP的電子才能通過(guò)G2→P區(qū)間達(dá)到陽(yáng)極P定向移動(dòng)形成電流,通過(guò)電流表G我們可以觀測(cè)到電流IP的大小,通過(guò)觀測(cè)IP隨UG2的變化情況,繪制IP-UG2關(guān)系曲線,即可測(cè)量出氬原子的第一激發(fā)電位.通常情況下,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程所用的理想四極管中各種電壓參數(shù)是給定的,同學(xué)們只需按照特定的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),測(cè)量出IP隨UG2的變化情況,繪制相應(yīng)的IP-UG2曲線即可完成實(shí)驗(yàn),這極不利于培養(yǎng)學(xué)生們的科學(xué)探索精神.為此,我們可以對(duì)上述儀器參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置,并提出實(shí)驗(yàn)參數(shù)(如燈絲電壓Uf、第一加速電壓UG1和拒斥電壓UP)對(duì)氬原子第一激發(fā)電位的測(cè)量結(jié)果有何影響.這會(huì)引起學(xué)生們積極探討實(shí)驗(yàn)儀器的各項(xiàng)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的關(guān)系,同時(shí)分析儀器參數(shù)的變化所引起實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異,有利于激發(fā)學(xué)生們的科學(xué)探索精神.

圖1 弗蘭克-赫茲管結(jié)構(gòu)圖

5 利用實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)督 激發(fā)求真務(wù)實(shí)精神

過(guò)程化管理是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),他是培養(yǎng)同學(xué)們嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)肅工作作風(fēng)的基礎(chǔ).在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,雖然每一臺(tái)儀器的基本結(jié)構(gòu)相同,但由于受到實(shí)驗(yàn)參數(shù)以及系統(tǒng)誤差等各項(xiàng)因素的影響,每臺(tái)儀器即使在相同情況下記錄的數(shù)據(jù)不一定相同,在不同情況下記錄的數(shù)據(jù)差異更大.因此,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中一直強(qiáng)調(diào)如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),不能照搬照抄別人的數(shù)據(jù),或者自己構(gòu)造實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),要確保是在合理參考參數(shù)下,自己的操作正確即可.因此需要同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中認(rèn)真觀察、客觀真實(shí)地記錄數(shù)據(jù),認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果.逐漸培養(yǎng)學(xué)生誠(chéng)實(shí)守信、求真務(wù)實(shí)、尊重事實(shí)的科學(xué)精神.

6 結(jié)合實(shí)驗(yàn)報(bào)告改革 培養(yǎng)綜合創(chuàng)新能力

實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)工作的一個(gè)總結(jié),它是檢驗(yàn)學(xué)生課堂實(shí)驗(yàn)效果的最后一個(gè)重要環(huán)節(jié).實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容通常包含實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理以及誤差分析等.傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式固化,內(nèi)容千篇一律,大有雷同,區(qū)分不出學(xué)生水平的高低,也難以激發(fā)同學(xué)們學(xué)習(xí)熱情.為此,對(duì)于弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn),我們以科技小論文的形式替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,這不僅能豐富大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的課程內(nèi)容,還能培養(yǎng)同學(xué)們的科技寫(xiě)作能力.通常情況下,科技論文包含摘要、關(guān)鍵詞、引言、實(shí)驗(yàn)方法、分析與討論、結(jié)論、致謝、參考文獻(xiàn)等要素,弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容具備寫(xiě)成科技小論文形式的一切要素.在引言部分可介紹弗蘭克和赫茲基于何種原因去做這個(gè)實(shí)驗(yàn),以及在弗蘭克和赫茲設(shè)計(jì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)之前,都有哪些人在從事這方面的研究,一方面可以加深同學(xué)們對(duì)物理學(xué)史的認(rèn)識(shí),另一方面也可提高同學(xué)們查閱文獻(xiàn),總結(jié)文獻(xiàn)的能力.此外,在分析討論部分,雖然氬原子的第一激發(fā)電位與各種電壓沒(méi)有關(guān)系,但燈絲電壓、第一加速電壓、以及拒斥電壓的大小對(duì)陽(yáng)極電流大小均會(huì)有不同程度的影響,同時(shí)由于測(cè)量誤差的存在也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量所得的第一激發(fā)電位略有波動(dòng).如文獻(xiàn)[7]作者通過(guò)改變第一柵極電壓研究氬原子的第一激發(fā)電位發(fā)現(xiàn),測(cè)量所得的結(jié)果在11 V～12 V之間波動(dòng).文獻(xiàn)[8]研究弗蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)中爐溫、燈絲電壓、柵極電壓與激發(fā)電位的關(guān)聯(lián)中也發(fā)現(xiàn)了類似的問(wèn)題.因此,我們通過(guò)科技小論文的形式,將課程與科研、教與學(xué)有機(jī)結(jié)合,通過(guò)“潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲”的方式,讓學(xué)生從被動(dòng)的學(xué)習(xí)模式向主動(dòng)學(xué)習(xí)模式轉(zhuǎn)變,培養(yǎng)學(xué)生從提出問(wèn)題、分析問(wèn)題再到解決問(wèn)題的能力,實(shí)現(xiàn)認(rèn)知→應(yīng)用→拓展→創(chuàng)新能力的全面提升.

7 總結(jié)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是高等院校中理、工、農(nóng)、醫(yī)類專業(yè)必不可少的一門必修課,教學(xué)對(duì)象廣、受眾范圍大,在課程思政貫穿著高等院校所有課程的背景下,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程在課程思政實(shí)施過(guò)程中占據(jù)重要的地位.本文以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中一個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——弗蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)為例,通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)背景、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告等教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì),將課程思政與課堂教學(xué)有機(jī)融合,將人才培養(yǎng)與德育目標(biāo)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授和價(jià)值引領(lǐng)相統(tǒng)一,為新時(shí)代社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)培養(yǎng)合格的建設(shè)者.