大學(xué)物理課程中的思想政治教育*——以“質(zhì)點運動的描述”為例

劉曉瑩

(海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 海南 ?？?571158;海南師范大學(xué)教師教育學(xué)院 海南 ?？?571158)

呂樹臣

(哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150025)

彭鴻雁 孫 麗

(海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 海南 海口 571158)

課程思政指以構(gòu)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(xié)同效應(yīng)，把“立德樹人”作為教育的根本任務(wù)的一種綜合教育理念[1].教育部2020年6月1日印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》指出課堂教學(xué)是課程思政建設(shè)的出發(fā)點和落腳點，課程思政建設(shè)要在課堂教學(xué)各個方面、各個環(huán)節(jié)中落地落實，將各門課程中蘊含的政治認(rèn)同、家國情懷、文化素養(yǎng)、憲法法治意識、道德修養(yǎng)等教育元素與課堂教學(xué)有機(jī)融合.

以物理學(xué)基礎(chǔ)為內(nèi)容的大學(xué)物理課程，是高等學(xué)校理工科各專業(yè)學(xué)生一門重要的通識性必修基礎(chǔ)課.在教學(xué)中挖掘大學(xué)物理課程中的思政元素，增強(qiáng)知識傳授與價值引領(lǐng)的有機(jī)融合，不僅是立德樹人教育目標(biāo)的要求，也是當(dāng)前教育教學(xué)改革的重中之重.

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

1 “質(zhì)點運動的描述”知識結(jié)構(gòu)

大學(xué)物理課程主要包括力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理等.大學(xué)生一入學(xué)開始學(xué)習(xí)物理課，首先學(xué)習(xí)的便是力學(xué)課，而“質(zhì)點運動的描述”是大學(xué)物理力學(xué)第一章質(zhì)點運動學(xué)的內(nèi)容，這一節(jié)是在高中物理學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上的擴(kuò)展與深化，為后面動力學(xué)的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).從中學(xué)物理學(xué)習(xí)中我們知道位置矢量、位移、速度和加速度是描述物體機(jī)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(yīng)用初等數(shù)學(xué)的知識描述了加速度大小為恒量的運動，而大學(xué)物理則是用高等數(shù)學(xué)來描述更為普遍的運動.本節(jié)教學(xué)的重點是突出概念的矢量性和瞬時性，要求學(xué)生能在直角坐標(biāo)系中運用矢量描述質(zhì)點的運動，能應(yīng)用微積分的知識解決有關(guān)運動學(xué)的問題，提高學(xué)生解決問題的能力.

如圖1所示為 “質(zhì)點運動的描述”一節(jié)的知識結(jié)構(gòu)圖.

圖1 質(zhì)點運動的描述知識結(jié)構(gòu)圖

2 “質(zhì)點運動的描述”中的思想政治教育

從知識的內(nèi)在構(gòu)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(guān)于世界的知識”；

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

第三是意義，指知識內(nèi)具有的促進(jìn)人的思想、精神和能力發(fā)展的力量，它是內(nèi)隱于知識符號的價值系統(tǒng)[2].

圖1所示的知識結(jié)構(gòu)圖呈現(xiàn)了“質(zhì)點運動的描述”一節(jié)的符號表征及其邏輯結(jié)構(gòu)，但是課程思政理念下的物理課程還肩負(fù)著立德樹人的重任，故本節(jié)課還要呈現(xiàn)出內(nèi)隱于知識符號的價值系統(tǒng)，以激發(fā)學(xué)生的家國情懷，責(zé)任擔(dān)當(dāng)，讓學(xué)生感悟到追求真理、質(zhì)疑創(chuàng)新對科學(xué)進(jìn)步的意義;幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀念，體會“無限與有限”“近似與精確”的對立統(tǒng)一關(guān)系.

2.1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與中國高鐵激發(fā)家國情懷

研究物體的運動，首先要建立坐標(biāo)系描述物體在空間中的位置，而在現(xiàn)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(dāng)前定位精度高、授時服務(wù)及時的當(dāng)屬衛(wèi)星定位系統(tǒng)，衛(wèi)星定位系統(tǒng)就是一種以人造地球衛(wèi)星為基礎(chǔ)的定位系統(tǒng)，它可為我們提供準(zhǔn)確的地理位置、速度以及時間.當(dāng)前我國自主建設(shè)運行的規(guī)模最大、覆蓋范圍最廣、與人民生活關(guān)聯(lián)最緊密的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng).自20世紀(jì)80年代開始探索適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路到2020年7月31日上午北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，我國北斗事業(yè)已經(jīng)進(jìn)入到了全球服務(wù)新時代， “自主創(chuàng)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(xué)子勇攀高峰、報效祖國的磅礴力量.

速度是衡量中國鐵路發(fā)展的重要指標(biāo)之一，從蒸汽機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車再到現(xiàn)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(dāng)前我國具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、達(dá)到世界先進(jìn)水平的動車組列車復(fù)興號的設(shè)計運營速度為350 km/h，試驗時速達(dá)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(fā)展角度來看，速度是關(guān)于事物狀態(tài)、屬性的時空變化的表征.近幾十年來中國發(fā)展速度響徹世界，最為矚目的就是中國高鐵的發(fā)展，現(xiàn)在，中國高鐵已經(jīng)成為集中展示中國速度、中國創(chuàng)造、中國智慧、中國力量、中國驕傲、中國精神的文化標(biāo)志[4]，教學(xué)中我們可以通過討論高鐵的速度界定讓學(xué)生認(rèn)識高鐵，了解中國高鐵蓬勃發(fā)展歷程，為中國成為世界上高鐵商業(yè)運營速度最快的國家而感到自豪.

2.2 運動學(xué)發(fā)展史彰顯科學(xué)精神

物理學(xué)的發(fā)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(jìn)步與發(fā)展.教學(xué)中滲透物理學(xué)發(fā)展史不但能促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)與科學(xué)研究方法的認(rèn)識，而且可以促使學(xué)生更好地理解、評價、欣賞科學(xué)事業(yè)，激發(fā)其探究科學(xué)的熱情、勇氣與欲望，培養(yǎng)其堅忍不拔的意志品質(zhì)[6]，以提升思想觀念、科學(xué)精神及價值觀念.

2.2.1 中國古代運動學(xué)成就

早在3 000年前，我國中原地區(qū)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(jīng)記載了大量力學(xué)現(xiàn)象，如對弓箭制作的技術(shù)規(guī)定中蘊含了豐富的運動學(xué)知識和動力學(xué)知識；戰(zhàn)國時期后期墨家的著作《墨經(jīng)》的論運動[7]中就已經(jīng)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(jīng)中也討論了廣延的空間和延續(xù)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(jù)記載《墨經(jīng)》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(xiàn)，而實驗進(jìn)入西方科學(xué)研究體系則是16世紀(jì)中期.《墨經(jīng)》是華夏文明的瑰寶，它不但能激發(fā)學(xué)生的民族自豪感，感受古代人民的勤勞、智慧和科學(xué)思想，而且還能反思為什么經(jīng)典物理學(xué)的知識體系中沒有中國人的名字，理性認(rèn)識中西科學(xué)技術(shù)發(fā)展差異的歷史與現(xiàn)實，激發(fā)責(zé)任感和使命感，為國家的富強(qiáng)、民主、文明、和諧而努力學(xué)習(xí).

2.2.2 西方經(jīng)典運動學(xué)發(fā)展史

2 000多年前亞里士多德在《物理學(xué)》[8]中對運動、時間、空間、速度進(jìn)行了具體、詳盡的論述，雖然現(xiàn)在看起來亞里士多德的很多觀念都是錯誤的，但是當(dāng)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(jì)的列奧納多·達(dá)·芬奇在人們的印象中是一位畫家，其實他還是一名科學(xué)家和發(fā)明家，他對直線運動、曲線運動、螺線運動和圓周運動進(jìn)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(jié)論[10].達(dá)·芬奇是一個文藝復(fù)興時期的全才，他有如此非凡的成就，是因為他有著強(qiáng)烈的好奇心、創(chuàng)造性和豐富的想象力，這是科學(xué)技術(shù)研究所必備的科學(xué)品質(zhì)，對學(xué)生有著很好啟示作用.

16世紀(jì)偉大的天文學(xué)家、物理學(xué)家伽利略把有關(guān)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(xué)真理，就是科學(xué)精神最為直接的體現(xiàn).17世紀(jì)初，笛卡爾靠著天才的直覺和嚴(yán)密的數(shù)學(xué)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(yīng)關(guān)系，提出了變數(shù)的思想，使得運動和辯證法進(jìn)入了數(shù)學(xué),為微積分的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ).17世紀(jì)60年代，萊布尼茨和牛頓發(fā)明了微積分，此后牛頓對力學(xué)的幾乎全部重要概念和定律作了研究和表述，并通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推理與復(fù)雜的計算編寫出版了《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》，完成了物理學(xué)史上的第一次大綜合，標(biāo)志著經(jīng)典力學(xué)體系的建立[12].關(guān)于牛頓的故事學(xué)生在中學(xué)就很熟悉，我們在教學(xué)中可以讓學(xué)生查閱牛頓和萊布尼茨的微積分戰(zhàn)爭來體驗知識產(chǎn)權(quán)立法的重要性，形成維護(hù)知識產(chǎn)權(quán)的意識.

2.3 “運動學(xué)”思想與方法凸顯科學(xué)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(jù)模型建構(gòu)的對象，將可將物理模型分為實物模型、狀態(tài)模型和過程模型.本節(jié)課的質(zhì)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(jié)合研究問題的性質(zhì)，經(jīng)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(jié)果.建立理想化物理模型的方法是一種科學(xué)研究的方法，對于學(xué)生提高邏輯思維的能力、培養(yǎng)科學(xué)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(zhì)的基本屬性，運動與物質(zhì)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(tài)，絕對運動與相對靜止是辯證統(tǒng)一的[14]，無條件的絕對運動和有條件的相對靜止構(gòu)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(fā)展的觀點去面觀察和處理問題.

時間是物質(zhì)運動、變化的持續(xù)性、順序性的表現(xiàn)，而空間則是物質(zhì)存在的廣延性和方位性，時間和空間是無限和有限的統(tǒng)一[15]，在牛頓的經(jīng)典力學(xué)中，空間和時間是兩個獨立的概念，它們與運動著的物質(zhì)無關(guān)，是脫離物質(zhì)的運動而獨立存在的.經(jīng)典力學(xué)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(zhì)的運動密切地聯(lián)系了起來，認(rèn)為空間和時間是相對的，物質(zhì)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(rèn)識的不斷深化和發(fā)展的過程，我們要用科學(xué)的發(fā)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(jīng)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(zhì)變的對立統(tǒng)一關(guān)系，極限思想是微積分建立的基礎(chǔ).描述質(zhì)點的運動中，我們定義質(zhì)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(dǎo)數(shù).這里瞬時速度是一個變量，當(dāng)我們在無窮小的范圍內(nèi)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(xiàn)了變與不變、近似與精確的對立統(tǒng)一關(guān)系，同樣，瞬時加速度的概念也蘊含了這些思想.教學(xué)中我們會討論兩類運動學(xué)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(zhuǎn)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(fā)生質(zhì)的改變，而和在極限狀態(tài)下就轉(zhuǎn)變成了精確的值，這就是唯物辯證法中量變引起質(zhì)變、無限轉(zhuǎn)化為有限的辯證思想.

3 結(jié)束語

科學(xué)是一種在歷史上起推動作用的、革命的力量[17], 中國現(xiàn)代科技發(fā)展與成就、物理學(xué)發(fā)展史、物理思想與方法等是物理課程思政的重要素材，其內(nèi)隱的價值系統(tǒng)正是大學(xué)物理課程實現(xiàn)思想政治教育重要內(nèi)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(xué)精神及價值標(biāo)準(zhǔn)的教育，幫助學(xué)生樹立正確的社會主義核心價值觀.