大學物理課程中的思想政治教育*——以“質點運動的描述”為例

劉曉瑩

(海南師范大學物理與電子工程學院 海南 海口 571158;海南師范大學教師教育學院 海南 海口 571158)

呂樹臣

(哈爾濱師范大學物理與電子工程學院 黑龍江 哈爾濱 150025)

彭鴻雁 孫 麗

(海南師范大學物理與電子工程學院 海南 海口 571158)

課程思政指以構建全員、全程、全課程育人格局的形式將各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協同效應，把“立德樹人”作為教育的根本任務的一種綜合教育理念[1].教育部2020年6月1日印發的《高等學校課程思政建設指導綱要》指出課堂教學是課程思政建設的出發點和落腳點，課程思政建設要在課堂教學各個方面、各個環節中落地落實，將各門課程中蘊含的政治認同、家國情懷、文化素養、憲法法治意識、道德修養等教育元素與課堂教學有機融合.

以物理學基礎為內容的大學物理課程，是高等學校理工科各專業學生一門重要的通識性必修基礎課.在教學中挖掘大學物理課程中的思政元素，增強知識傳授與價值引領的有機融合，不僅是立德樹人教育目標的要求，也是當前教育教學改革的重中之重.

本文以大學物理第一章“質點運動的描述”一節的內容為例，探討了大學物理課程中的思想政治教育內容，這些內容為大學物理課程思政元素的挖掘提供了支持.

1 “質點運動的描述”知識結構

大學物理課程主要包括力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等.大學生一入學開始學習物理課，首先學習的便是力學課，而“質點運動的描述”是大學物理力學第一章質點運動學的內容，這一節是在高中物理學習基礎上的擴展與深化，為后面動力學的學習奠定基礎.從中學物理學習中我們知道位置矢量、位移、速度和加速度是描述物體機械運動的4個基本物理量，這4個量都是矢量，在高中我們主要應用初等數學的知識描述了加速度大小為恒量的運動，而大學物理則是用高等數學來描述更為普遍的運動.本節教學的重點是突出概念的矢量性和瞬時性，要求學生能在直角坐標系中運用矢量描述質點的運動，能應用微積分的知識解決有關運動學的問題，提高學生解決問題的能力.

如圖1所示為 “質點運動的描述”一節的知識結構圖.

圖1 質點運動的描述知識結構圖

2 “質點運動的描述”中的思想政治教育

從知識的內在構成來看知識具有3個不可分割的組成部分：

第一是符號表征，即“關于世界的知識”；

第二是邏輯形式，指人類認識世界的方式，具體包括知識構成的邏輯過程和邏輯思維形式；

第三是意義，指知識內具有的促進人的思想、精神和能力發展的力量，它是內隱于知識符號的價值系統[2].

圖1所示的知識結構圖呈現了“質點運動的描述”一節的符號表征及其邏輯結構，但是課程思政理念下的物理課程還肩負著立德樹人的重任，故本節課還要呈現出內隱于知識符號的價值系統，以激發學生的家國情懷，責任擔當，讓學生感悟到追求真理、質疑創新對科學進步的意義;幫助學生樹立正確的科學觀念，體會“無限與有限”“近似與精確”的對立統一關系.

2.1 衛星導航系統與中國高鐵激發家國情懷

研究物體的運動，首先要建立坐標系描述物體在空間中的位置，而在現實生活中我們要確定位置，則必須借助定位的工具和儀器，當前定位精度高、授時服務及時的當屬衛星定位系統，衛星定位系統就是一種以人造地球衛星為基礎的定位系統，它可為我們提供準確的地理位置、速度以及時間.當前我國自主建設運行的規模最大、覆蓋范圍最廣、與人民生活關聯最緊密的衛星定位系統是北斗衛星導航系統.自20世紀80年代開始探索適合國情的衛星導航系統發展道路到2020年7月31日上午北斗三號全球衛星導航系統正式開通，我國北斗事業已經進入到了全球服務新時代， “自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越”[3]的新時代北斗精神不但是激揚起億萬人民同心共筑中國夢的楷模，更是激勵莘莘學子勇攀高峰、報效祖國的磅礴力量.

速度是衡量中國鐵路發展的重要指標之一，從蒸汽機車、內燃機車、電力機車再到現在的動車組，每次升級提速帶來的都是縮短的時空距離以及更舒適的乘坐體驗，當前我國具有完全自主知識產權、達到世界先進水平的動車組列車復興號的設計運營速度為350 km/h，試驗時速達400 km/h以上.速度在物理上是描述物體運動快慢的物理量，它是一種客觀存在，而從人文社會的發展角度來看，速度是關于事物狀態、屬性的時空變化的表征.近幾十年來中國發展速度響徹世界，最為矚目的就是中國高鐵的發展，現在，中國高鐵已經成為集中展示中國速度、中國創造、中國智慧、中國力量、中國驕傲、中國精神的文化標志[4]，教學中我們可以通過討論高鐵的速度界定讓學生認識高鐵，了解中國高鐵蓬勃發展歷程，為中國成為世界上高鐵商業運營速度最快的國家而感到自豪.

2.2 運動學發展史彰顯科學精神

物理學的發展史是人類對自然的探索史，它描述漫長而無止境的為思想自由、為思想免于暴力、專橫、錯誤和迷信而斗爭的歷史[5]，它在追求知識和真理的同時，也追求著人類自身的進步與發展.教學中滲透物理學發展史不但能促進學生對科學本質與科學研究方法的認識，而且可以促使學生更好地理解、評價、欣賞科學事業，激發其探究科學的熱情、勇氣與欲望，培養其堅忍不拔的意志品質[6]，以提升思想觀念、科學精神及價值觀念.

2.2.1 中國古代運動學成就

早在3 000年前，我國中原地區已使用圭表測影法來確定時間；公元前500年的《考工記》就已經記載了大量力學現象，如對弓箭制作的技術規定中蘊含了豐富的運動學知識和動力學知識；戰國時期后期墨家的著作《墨經》的論運動[7]中就已經描述了運動和靜止，提出了運動是絕對的、靜止的、相對的觀念 ，物體的運動必有時間和空間，墨經中也討論了廣延的空間和延續的時間，記載了自由落體運動；東漢的王充在《論衡》中對運動的相對性也做了描述.據記載《墨經》大約完成于公元前388年，觀察實驗的方法在其中已有充分體現，而實驗進入西方科學研究體系則是16世紀中期.《墨經》是華夏文明的瑰寶，它不但能激發學生的民族自豪感，感受古代人民的勤勞、智慧和科學思想，而且還能反思為什么經典物理學的知識體系中沒有中國人的名字，理性認識中西科學技術發展差異的歷史與現實，激發責任感和使命感，為國家的富強、民主、文明、和諧而努力學習.

2.2.2 西方經典運動學發展史

2 000多年前亞里士多德在《物理學》[8]中對運動、時間、空間、速度進行了具體、詳盡的論述，雖然現在看起來亞里士多德的很多觀念都是錯誤的，但是當我們把他放在2 000多年前的歷史背景中去評述，就不難理解馬克思稱其為“古代最偉大的思想家”[9].15世紀的列奧納多·達·芬奇在人們的印象中是一位畫家，其實他還是一名科學家和發明家，他對直線運動、曲線運動、螺線運動和圓周運動進行了定義，并通過一系列巧妙的實驗觀察，得出了自由落體運動的速度隨時間成比例增加的結論[10].達·芬奇是一個文藝復興時期的全才，他有如此非凡的成就，是因為他有著強烈的好奇心、創造性和豐富的想象力，這是科學技術研究所必備的科學品質，對學生有著很好啟示作用.

16世紀偉大的天文學家、物理學家伽利略把有關運動的所有重要的概念、定義、定理、推論組織成一個邏輯的、有序的整體，并且用它來研究實際物理的運動[11].伽利略的一生是求真、求實的一生，他不屈不撓地追求科學真理，就是科學精神最為直接的體現.17世紀初，笛卡爾靠著天才的直覺和嚴密的數學推理，把曲線看作是點的運動軌跡，建立了曲線和方程的對應關系，提出了變數的思想，使得運動和辯證法進入了數學,為微積分的發現奠定了基礎.17世紀60年代，萊布尼茨和牛頓發明了微積分，此后牛頓對力學的幾乎全部重要概念和定律作了研究和表述，并通過嚴格的數學推理與復雜的計算編寫出版了《自然哲學的數學原理》，完成了物理學史上的第一次大綜合，標志著經典力學體系的建立[12].關于牛頓的故事學生在中學就很熟悉，我們在教學中可以讓學生查閱牛頓和萊布尼茨的微積分戰爭來體驗知識產權立法的重要性，形成維護知識產權的意識.

2.3 “運動學”思想與方法凸顯科學價值觀

2.3.1 理想化物理模型

研究者為了從事研究而建立的對原型高度抽象化、理想化的程序客體稱之為物理模型[13]，通常根據模型建構的對象，將可將物理模型分為實物模型、狀態模型和過程模型.本節課的質點模型就是實物模型，它是以客觀存在的物體為原型，把握主要因素、忽略次要因素，結合研究問題的性質，經過合理的分析、綜合、比較、概括等思維形式建立起來的抽象、簡化的結果.建立理想化物理模型的方法是一種科學研究的方法，對于學生提高邏輯思維的能力、培養科學的世界觀有著重要的作用.

2.3.2 辯證唯物主義運動觀、時空觀

運動是物質的基本屬性，運動與物質是不可分的.世間萬物運動的形式多種多樣，在不同的參考系中運動的描述是不同的，靜止是運動的特殊狀態，絕對運動與相對靜止是辯證統一的[14]，無條件的絕對運動和有條件的相對靜止構成了事物的矛盾運動.辯證唯物主義運動觀讓我們感悟到要用運動、變化、發展的觀點去面觀察和處理問題.

時間是物質運動、變化的持續性、順序性的表現，而空間則是物質存在的廣延性和方位性，時間和空間是無限和有限的統一[15]，在牛頓的經典力學中，空間和時間是兩個獨立的概念，它們與運動著的物質無關，是脫離物質的運動而獨立存在的.經典力學的絕對時空觀是在宏觀、低速的世界中建立的，它不能解釋高速條件下的實驗事實，愛因斯坦于1905年提出了相對性原理和光速不變原理，把時空與物質的運動密切地聯系了起來，認為空間和時間是相對的，物質的運動對時間和空間存在著影響.從牛頓的絕對時空觀到愛因斯坦的相對時空觀，是人類對時空認識的不斷深化和發展的過程，我們要用科學的發展觀去探索自然界的奧秘.

2.3.3 極限思想

極限思想是指一個變量經無限多次變化，其值與一個定值無限接近，則稱定值為這個變量變化的極限[16]，它揭示了變量和常量、無限與有限、近似與精確、量變與質變的對立統一關系，極限思想是微積分建立的基礎.描述質點的運動中，我們定義質點在某時刻或某位置的瞬時速度，等于該時刻附近Δt趨近于零時平均速度的極限值, 即速度等于位矢對時間的一階導數.這里瞬時速度是一個變量，當我們在無窮小的范圍內用勻速代替變速，并對平均速度取極限值，就得到了精確的速度值，它體現了變與不變、近似與精確的對立統一關系，同樣，瞬時加速度的概念也蘊含了這些思想.教學中我們會討論兩類運動學的問題，即如果已知運動方程求速度和加速度的微分方法和已知加速度求速度和位置矢量的積分方法，積分的思想就是無限分割、近似代替、求和、取極限，這是將無限轉換為有限的過程，無限分割的量積累到一定的程度，求和就會發生質的改變，而和在極限狀態下就轉變成了精確的值，這就是唯物辯證法中量變引起質變、無限轉化為有限的辯證思想.

3 結束語

科學是一種在歷史上起推動作用的、革命的力量[17], 中國現代科技發展與成就、物理學發展史、物理思想與方法等是物理課程思政的重要素材，其內隱的價值系統正是大學物理課程實現思想政治教育重要內容，只有深度挖掘出物理課程中的思政元素，才能在知識傳授之中融入思想觀念、科學精神及價值標準的教育，幫助學生樹立正確的社會主義核心價值觀.