中國航天工程視角下的大學物理課程思政建設探索與實踐

李均　錢程屹　袁承勛　李楊　吳曉宏 田浩　張宇　霍雷

關鍵詞 大學物理學;課程思政;哈工大;中國航天

高校應當在教學培養過程中落實立德樹人根本任務，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人。大學物理課程的課程思政設計與實踐，通過中國航天工程視角，面向世界，以人類探索外層空間為導向，為更廣闊的航空工程科技人才培養作出貢獻[1]。在新工業革命的背景下，航天是一種國家戰略。大學物理課程相關聯的工程、復雜大系統，是各國制造業和科技發展水平的重要標志。

目前，中國航天事業迎來了一個新的發展期，取得了北斗系統、探月工程、“祝融號”、中國空間站等一個個輝煌成就。本文針對大學物理課程思政的探索與實踐，結合了賡續傳承哈工大“八百壯士”的光榮傳統，展示了從中國航天工程視角下實踐大學物理課程思政建設的積極作用。

1 中國航天工程視角下的大學物理課程思政“三線”設計

中國航天事業的發展，依托在物理學的扎實基礎上。大學物理學與中國航天工程之間的聯系密切，大學物理課程思政在中國航天工程的視角下變得豐富多樣。

基于該視角的大學物理課程思政設計從文化線、人物線、工程線來把握。此三條主線指導了大學物理的課程思政建設。中國航天工程視角下的這三條線是具體的、學生感興趣、教師便于展開的課程思政建設框架。其對學生的政治意識和思想價值引領有巨大幫助，并協助提升課程認可度。與此同時，學生在大學物理的學習過程中有收獲感和成就感“響應”，此舉可以加強實際教學的效果[2-3]。本文提出的中國航天工程視角下的大學物理課程思政“三線”設計如圖1所示。

1.1 文化線

中國航天文化是一種亞文化。文化線的核心在于中華優秀傳統文化和四史教育，需要從航天工程中的各類名稱里把握。文化是航天工程的內涵。實現中華民族偉大復興的中國夢，離不開文化自信，需要在大學物理課程的教學中分析和體現中國航天文化線的魅力。

中國航天工程的各類人文元素，構成了中華優秀傳統文化所組成的文化線，是把握中國航天視角的重要線索。例如任務的選題和命名，生動直觀地展現了各項任務的目的，巧妙地融入中華優秀傳統文化，是大學物理課程思想政治建設的素材庫。另一方面是結合“四史教育”對大學物理進行思政建設的文化線設計。例如：“長征”一詞背后的中華民族脊梁、民族文化，指引著中國的火箭事業——如同紅軍長征一樣，克服一切的困難險阻最終到達勝利的彼岸。

1.2 人物線

大學物理學結合中國航天領域的杰出人才，以人物線構成了物理課程思政的模范引領模塊。大學物理的課程思政設計充分利用了人物線起到的示范作用，即人物線的核心是杰出人才的榜樣作用。

人物線可供選擇的素材豐富。與課程本身的銜接之外，傳承哈工大精神的接力是大學物理課程思政建設的重點。其原因在于杰出人才富含教育意義的經歷，為“中國培養自己的杰出人才”起到了示范。利用校園沉浸式課堂回顧這些經歷，營造身臨其境的氛圍，從思想上構建了思政平臺，并與教學共振。人物線通過和身邊學習環境的虛實聯系，用貫穿歷史的層次為課程的學習和思想政治教育提供支撐。該線融合學校的優秀文化傳統，從邏輯上解釋清楚為什么要做中國航天第一校“尖兵”，怎樣成為中國航天第一校，如何積極投身航天事業和未來的職業選擇等，并以此激勵大學物理學課程的學習。

1.3 工程線

中國航天的工程線是一條和大學物理知識點結合緊密的線。工程線的核心在于通過政治引領、文化引領把握中國航天工程在大學物理課程知識中的落腳點，用中國航天工程視角將大學物理課程思政穿插在課堂上，形成貫穿“大工程”的系統思維、落實到點的“小基礎”大學物理知識點，為工程線的模塊化課程設置和課程思政設計提供嶄新的思路和充分的資源，如圖2所示，可以通過切片的形式表示工程線的核心內容，圍繞中國航天工程建設中國航天視角下的大學物理課程思政專題素材。中國航天工程視角下大學物理課程思政建設的工程線主要考慮了三個問題：（1）政治和價值引領。課程中巧妙運用聯想的手段，以點明知識點背景框架下的中國航天精神對課程學習的啟示。（2）以文化人和以文育人。讓學生了解中國航天工程中的文化美學和人類命運共同體理念。讓中國航天工程的主線立意更進一步，內涵更深刻，并且從歷史的立體角度，觸碰到航天工程的實際意義和現實作用。（3）思政設計與教學共振，構建教學大綱和思政大綱，擴大工程線魅力。工程線突出的特點是把每一個龐大、復雜的工程進行細化拆分。這種化整為零的思政設計方式，體現在精神價值、工程文化層面，突顯在和課程本身的有機結合上。

大學物理在通過分析自然界存在的現象得出物理規律，這種教學內容的豐富性與思政教育融合入生活一致[4]。結合“三線”的難點和關鍵點，引入教學內容，用大學物理學的知識解釋和分析中國航天，在大學物理課堂中滲透中國航天情懷，既加深了學生對于知識點的印象，也實現了中國航天視角下的課程思政建設。

2 中國航天工程視角下的大學物理課程思政“X+工程線”課堂模式實踐

立足于中國航天的視角建設的大學物理課程思政內容，往往以系統、專題的形式出現在實踐中。中國航天視角下的課程思政內容，和學校成體系的教學模式相結合，以發揮課程思政和課堂教學的最大合力。在實際的課堂教學、課程思政設計的過程中，需要平衡課程知識點的分布以及思政元素的最佳關注實效，使用“X+工程線”模式的實踐探索是課堂效果、課程思政教育更佳的途徑。本文對“人物+工程線”模式和“文化+工程線”模式，給出兩例實踐案例。其中工程線與知識點有機結合，是課程思政的重要結合點。

2.1 “人物+ 工程線”模式——火箭發動機原理（氣體專題）

火箭發動機是一種理想的星際航行發動機，不僅可以在大氣層中工作，在不存在空氣的外太空同樣也可以工作。本身攜帶的燃料和氧化劑在火箭燃燒室中產生高溫、高壓的氣體，利用反作用原理，讓氣體高速噴出從而推動火箭。火箭發動機具有一個特點，其推力的大小和周圍的介質有關。

1） 人物線引入

隨著冷戰的結束，世界航天發展進入新的階段，中國逐漸加入世界航天舞臺。與此同時，各航天大國追求提高進入空間的能力與效率、降低航天發射成本、提升國際話語權和市場競爭力[5]。航空動力是表征國家科技創新實力的重要方面、也是創新驅動發展的關鍵環節，因而加快航空動力領域技術發展史提升國家整體工業基礎及能力的重要途徑[6]。

中國第一臺液體火箭發動機總設計師，是祖籍湖北襄陽的航天技術與液體火箭發動機技術專家，中國導彈與航天技術的重要開拓者之一的——任新民院士。任新民領導和參加了第一個自行設計的液體中近程彈道式地地導彈液體火箭發動機的研制，領導組織了中程、中遠程、遠程液體彈道式地地導彈液體火箭發動機的研制、試驗。1948年，33歲的任新民就成為了美國布法羅大學成立102年以來的第一位中國講師。他從事的科研工作和生活待遇非常優越，前途一片光明。但是，當聽聞祖國急需大量科學人才時，毅然選擇放棄了這一切，重重阻礙收拾行李準備回國。面對同事的質疑，他曾說：“個人前途在祖國面前，不值一提，你們永遠都不會理解我的追求！”回到祖國后，他開始了轟轟烈烈的建設工作，成為“兩彈一星”元勛，并榮獲“中國航天事業五十年最高榮譽獎”。

近年來，經過科研人員的不懈努力，我國獨立自主地研制了幾十種不同型號的“長征”系列運載火箭，具備發射近地軌道、太陽同步軌道、地球同步轉移軌道等多種軌道有效載荷的運載能力。在深空探測領域，嫦娥三號實現月面軟著陸和月面巡視探測，嫦娥四號實現首次著陸與月球背面并勘察，嫦娥五號飛行試驗器突破月地高速再入返回技術，讓我國的載人航天工程邁入了空間站時代[9]。

2） 工程線展開

將火箭燃燒室中的氣流看作是定常的一維流動，燃燒室或噴管的任一截面各點的流速相等，都沿著噴管軸向流動。發動機的推力，就是作用在燃燒室和噴管內壁的軸向合力。取發動機（各部分內部）的內壁面，無物質流出這個內壁面，作用在這個內壁面上的壓力為p，內壁選取面積微元dAi，作用在面積微元上的力為pdAi。由于發動機軸對稱，推力的方向必然沿著軸向（不考慮安裝誤差等因素），計算軸向上的力。垂直于面積微元的法向（從內壁向外）和軸向夾角為α，則軸向分力大小為pdAicosα，整個內壁的軸向力就可以表示成

3） 課程復現與工程線總結

近年，我國通過研制創新突破關鍵技術，成功研制出首臺大推力、高性能、地面起動、能夠實現直接入軌的擁有完全自主知識產權的新一代火箭氫氧發動機YF-77。其綜合性能達到國際先進水平，為長征五號和長征五號B運載火箭提供了強大的動力，支撐月球探測工程、火星探測工程、載人航天工程等航天工程的順利實施。系列化、型譜化的氫氧發動機和液氧/甲烷發動機將成為我國航天強國建設的中堅力量。

2.2 “文化+ 工程線”模式——電磁波與量子力學專題（祝融號火星車）

在無際的太空中，充滿著各種頻率和強度的電磁波，這些無規則的電磁波形成噪聲，干擾地球和火星探測器之間的通訊工作。通信距離越遠、內容越復雜，對應通信設備的要求越高，設備也就越笨重，對飛船尺寸提出高要求。而且除無線電通訊的天線和電子設備，電源更是一個重要的問題。目前常用的電源是化學能電源和太陽能電源，也有希望能夠使用核裂變能。這之中涉及通信系統有效功率的問題。

1） 文化線引入

世界正在發生一場百年未有之大變局，航空航天領域近期能夠作為戰略布局的項目一定有火星探測。2020年，阿聯酋“希望號”火星探測器、中國“天問一號”火星探測器、美國“毅力號”火星車先后成功發射，標志著現代人類火星探測的密集高峰。天問一號探測器實施近火捕獲制動，順利進入近火點高度約400 千米，環繞火星獲得成功[7]。

美國索杰納號、機遇號和勇氣號、好奇號、毅力號、火星探測軌道器和火星奧德賽軌道器兩顆火星中繼軌道衛星，展現了美國在火星探測領域稱霸的雄心。相較于國外火星探測任務，我國火星探測任務對火星車重量限制更加嚴酷[8]。

2） 工程線展開

在任務過程之中，地火之間的遠距離會導致測控鏈路超大時延以及較低的直接通信帶寬，非全時域非實時中繼通信具有中繼存儲轉發和有限中繼通信弧段的特點。

實際情況的噪聲情況遠比這復雜，因為天線不管對準任何方向都具有背景噪聲，而且宇宙噪聲源分布不均勻。

3） 課程復現與工程線總結

由此可見，火星探測任務具有自己的任務特點、技術難點和設計約束。首次火星探測任務的工程圓滿成功和“祝融”號火星車（圖3）長期在軌測控離不開大學物理理論的技術基礎。目前我們對研究太陽系的起源與演化、地外生命信息探尋、小天體和太陽活動對地球的影響等空間科學重大問題上，除了建設火星科研站，對其他行星探測等也在攻堅克難。中國航天起步較晚，卻依然能展現出不可小覷的力量，從月球到火星的每一步都是實現中華民族偉大復興的中國夢的巨大跨越。

3 結語

本文提出了中國航天工程視角下的大學物理課程思政“三線”設計的課程思政探索思路和實踐方法。思政實踐案例從氣體專題、電磁波與量子力學專題兩個專題出發，在課程教學的實際過程中，采用“X+工程線”課堂模式，將三線的資源與課程教學內容優化分配，進行合理整合，讓每一堂課的模式有區分度，每一堂課程思政都具有獨立特點。利用文化線、人物線、工程線三條主線的起伏，在大學物理課程豐富的科學知識內容上，交織成課程思想政治建設的框架。

相較于傳統的思政課程建設，大學物理課程思政建設有其本身的自然科學特點。在充分把握大學物理學課程的特點的基礎上，更換學習視角，引入了爭做中國航天第一校的學校氛圍，從中國航天的視角出發，拓展了大學物理課程思政的設計面，在意識形態領域獲得更多抓手，嚴格遵循新時代加強和改進思想政治工作的方針原則，把守正創新放在重要位置。綜上所述，中國航天視角下哈工大大學物理課程思政建設探索與實踐，為大學物理課程思政的設計引出更寬闊的道路。