工科專業大學物理教學中的課程思政*
——以“角動量守恒定律”為例

常 旭 冀園園

(商丘師范學院電子電氣工程學院 河南 商丘 476000)

1 引言

物理學是研究物質的基本結構、運動形式、相互作用以及轉化規律的自然科學.它所展現的科學的世界觀、認識論和方法論深刻影響著人類對自然界的基本認識和思維方式，是人類文明發展的重要基石[1].以物理學基礎知識、基本規律和方法為主要內容的大學物理課程，作為理工科學生的公共基礎課程，在高校人才培養中發揮著重要作用.為了強化以“立德樹人”為中心環節的教育理念，2017年5月，教育部頒布了《高校思想政治工作質量提升工程實施綱要》，指出應梳理各門專業課程所蘊含的思政元素和所承載的思政功能，融入課堂教學各環節，實現思想政治教育與知識體系教育的有效統一[2].為全面推進高校課程思政建設，發揮每門課程的育人作用，2020年5月，教育部又印發了《高等學校課程思政指導綱要》，進一步提出課程思政建設要在所有高校、所有學科專業全面推進，并將課程思政建設內容有機融入課程教學，努力拓展課程思政建設的方法和途徑[3].由于大學物理課程包含了人類對自然界各類認知和運動規律的探索過程，包含了科學家對科學和真理孜孜不倦的艱難求索等極為豐富的思政教育素材，充分體現了物理教學蘊含的文化基因和價值范式[1].所以，大學物理本身就是一門獨具特色的思政課程，在教育教學的實踐過程中，更適合也更容易挖掘出思政元素，實現課程思政的有效融入，從而達到立德樹人的目的.與此同時，大學物理覆蓋學生人數眾多，以筆者所在的商丘師范學院為例，每年修大學物理的學生達3 000人次，方便教師在實施教學活動的同時，傳授物理思想，實現課程思政.

以筆者所教授的自動化專業為例，為實現對學生進行知識體系的構建、解決問題能力的訓練，以及科學思維和人文素養的培養，我們所確定的大學物理的課程目標是：

(1)使學生對大學物理中的基本概念、理論和方法有比較全面和系統的認識和理解，為進一步學習自動化專業的知識奠定物理學基礎；

(2)深刻理解本課程的知識體系結構，能夠綜合利用物理學知識研究自動化領域的相關問題，使學生具備獨立獲取知識的能力和科學思維能力；

(3)培養學生的愛國情懷及辯證唯物主義世界觀和方法論，塑造學生堅持不懈、追求真理的鉆研精神，激發學生探索物理學問題的熱情.

圍繞以上3個目標，我們在教學過程中深挖思政元素，增強知識傳授和價值引領的有機融合.

2 知識結構

下面我們以馬文蔚先生主編的《物理學》(第六版)第四章中的“剛體定軸轉動的角動量定理和角動量守恒定律”為例[4]，探討在教學過程中如何挖掘思政元素，并將其融入知識的傳授之中.

圖1 剛體定軸轉動的角動量守恒定律知識結構圖

3 不同教學環節中的課程思政融入

(1)在導入新課的環節.首先播放2021年5月15日7時18分“天問一號”火星探測器著陸火星表面的視頻，詢問學生是否了解“天問一號”，并請做過調研的同學介紹“天問一號”的旅程——自2020年7月23日被發射升空起，經歷了7個月的“奔月”之旅和3個月的“環火”探索，最終成功“登火”.通過對“天問一號”的介紹，一方面引導學生思考探測器在環火軌道的運行情況，從而引出本節課； “天問一號”的成功著陸也是我國航天事業發展中具有里程碑意義的事件，可以激發學生的民族自信心和自豪感，鼓勵學生樹立勇于創新的科學精神和科技報國的遠大志向.

(3)在講到角動量守恒定律的應用時，也能適時地進行思政元素的融入.比如，可以通過播放2021年東京奧運會上中國跳水運動員全紅嬋跳水的視頻，引導學生探究其中的物理知識.起跳時運動員盡量把身體卷曲起來，把頭和四肢收縮到胸前成“球狀”，以減小轉動慣量，而角動量是守恒的，所以身體旋轉的角速度就會增大.當快到水面時，四肢都張開，轉動慣量增大，轉動的角速度減小，頭下腳上入水，完成了一個漂亮的轉體動作.通過這個例子，可以告訴學生生活中物理無處不在，關鍵是我們要有一雙善于發現的眼睛和一顆樂于探索的心靈.還要告訴學生應學習運動員不畏困難、勇于拼搏的精神，勝不驕敗不餒，不斷超越自我.講過運動員跳水的例子之后，再請學生思考人們常說的“貓有九條命”是怎么回事，引導學生模仿運動員跳水的例子進行分析.小貓初始下落時，身體不發生轉動，總角動量為零；由于貓具有發達的運動神經系統和平衡能力，當從高空落下時，不管開始是哪個部位朝下，它都能在空中完成姿勢的調整，接近地面時尾巴一甩，具有了角動量，根據角動量守恒，這時身體必須反向轉動，產生一個反向的角動量，以保持總角動量為零.貓在甩尾巴的同時還能調節身體的各個部位，使得靠近地面時四肢朝下，而厚厚的腳墊和柔韌的脊椎又能有效地化解沖力，所以即使從高空墜落，貓一般也能安然無恙.經過這樣的分析，可以解開學生對“貓有九條命”的困惑，使學生體會到物理知識的重要性，也強化了學生的唯物主義世界觀.

角動量守恒的例子很多，還可以向學生介紹我國自行研制的WS-35型精確制導炮彈，該導彈采用慣性制導加GPS復合制導形式，其射程可達100 km，遠大于外國同類導彈的射程.其中慣性制導的核心部件是三軸陀螺儀(如圖2所示)，3個軸正交于中間轉子質心，能保證任何情況下轉子所受合外力矩為零，則轉子的角動量守恒.

圖2 WS-35型導彈的三軸陀螺儀

當飛輪繞自身對稱軸高速轉動時，無論如何改變框架的方位，其中心軸的空間取向都始終不變，因而具有導航能力，其精度和首發命中率都很高，炮彈散布誤差在1 m以內，首發命中率可達90%.這個例子說明，利用了角動量守恒的三軸陀螺儀在現代軍事科技中的重要作用，科學可以強軍強國，當代大學生應明白科技興國的重要性，要有時代使命感，將理論和應用相結合，為國家富強和民族振興而奮斗.

4 結論

本文以大學物理中“剛體定軸轉動的角動量定理和角動量守恒定律”這一知識點為例，闡述了如何在物理知識的講解中融入課程思政.在引課環節，拋出“天問一號”登陸火星的例子，引起學生對本知識點的興趣，激發學生的民族自豪感和科技強國的信心；在知識的講授過程中，通過直接推導和類比的方式分別得出剛體定軸轉動的角動量、角動量定理和角動量守恒定律，啟發學生多角度的看問題，不同的方法往往可以達到異曲同工的效果；在講解角動量守恒的應用時，借助東京奧運會上全紅嬋跳水的例子，鼓勵學生向運動員學習，在生活和學習中不畏困難、勇于攀登、不斷超越自我；通過解釋“貓有九條命”的困惑，幫助學生樹立唯物主義世界觀；而我國自主研發的WS-35型導彈處于世界領先地位，其重要部件三軸陀螺儀的工作利用了角動量守恒定律，利用此例可以激發學生民族自豪感和科技強國的信心.這些思政元素與專業知識的有機結合，不但激發了學生學習的興趣，還體現了課程質量和課程思政建設的雙向提升，達到了“教書”和“育人”的同頻共振.