VR技術(shù)在物理學史課程思政教學中的實踐研究*

舒春花 李嵩松 何科榮 姜迪友 羅聲平

1 南昌師范學院物理與電子信息學院 南昌 330032 2 南昌航空大學測試與光電工程學院 南昌 330063

0 引言

課程思政是落實立德樹人根本任務(wù)的重要途徑之一，黨和政府高度重視課程思政。習近平總書記在2016年全國高校思想政治工作會議、2018年全國教育大會、2019年學校思想政治理論課教師座談會上均強調(diào)了課程思政的重要性。2020年5月，教育部印發(fā)的《高等學校課程思政建設(shè)指導綱要》[1]也明確提出“專業(yè)課程是課程思政建設(shè)的基本載體，要深入梳理專業(yè)課教學內(nèi)容，結(jié)合不同課程特點、思維方法和價值理念，深入挖掘課程思政元素，有機融入課程教學，達到潤物無聲的育人效果”[2]。課程思政目標的達成關(guān)鍵在教師，重點在學生，難點在方法。

物理學史是物理學專業(yè)本科生的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其主要教學內(nèi)容包括古代物理學、西方古代及中世紀的物理學、資本主義萌芽時期的科學革命--建立日心說的斗爭、從伽利略到牛頓--經(jīng)典力學的建立、力學的進一步發(fā)展、光學的發(fā)展、電磁學的發(fā)展、熱力學發(fā)展史概述、世紀之交的三大發(fā)現(xiàn)和物理學革命、量子理論的產(chǎn)生和發(fā)展和相對論的建立等。物理學史是物理學和自然科學、人文科學、社會科學、思維科學交叉滲透的綜合學科。物理學史中蘊含著大量的思政元素，易于融合學科內(nèi)容與思政內(nèi)容，在知識傳授和能力培養(yǎng)中實現(xiàn)價值塑造，在潛移默化中達成思想政治教育的目的。

目前國內(nèi)對課程思政的教學改革研究和實踐探索取得了大量的優(yōu)秀成果，但是物理學史課程思政的實踐探索研究卻較為有限。檢索中國知網(wǎng)可以發(fā)現(xiàn)：截至2022年7月15日，關(guān)于物理學史課程思政的研究論文僅有9 篇。其主要原因之一就是重要的物理問題爭論和高危險性物理實驗難以通過簡單的課程教學達到課程思政的教學目標。

VR 是Virtual Reality（虛擬現(xiàn)實）的英文縮寫，能夠使體驗者沉浸在360 度全景畫面里，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗，廣泛地應(yīng)用在教育培訓、高端制造、娛樂、購物、展覽等領(lǐng)域。2018年10月19日，世界VR 產(chǎn)業(yè)大會在南昌盛大開幕之時，習近平總書記發(fā)來賀信指出：“新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在蓬勃發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐步走向成熟，拓展了人類感知能力，改變了產(chǎn)品形態(tài)和服務(wù)模式”。VR 對人類帶來的改變是巨大的，對推動經(jīng)濟發(fā)展是顯著的，VR 產(chǎn)業(yè)在黨中央、江西省委省政府的關(guān)心和支持下不斷發(fā)展壯大，成為了江西省的一面產(chǎn)業(yè)旗幟，廣泛應(yīng)用于旅游、金融、教育等各行各業(yè)，發(fā)展有目共睹。2019年2月23日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《中國教育現(xiàn)代化2035》里明確指出：“到2035年，總體實現(xiàn)教育現(xiàn)代化，邁入教育強國行列”，“實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)均衡的義務(wù)教育”，同時文件的十大戰(zhàn)略任務(wù)第二點“發(fā)展中國特色世界先進水平的優(yōu)質(zhì)教育”中明確提出“充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，豐富并創(chuàng)新課程形式”。VR 與教育有天然的結(jié)合點，尤其在第二課堂領(lǐng)域，VR 提供的教學場景能使學生很快地沉浸于教學內(nèi)容，幫助學生建立復雜的空間結(jié)構(gòu)，理解抽象的原理，受到廣大師生的歡迎。

本文探討將虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)[3-4]應(yīng)用于物理學史課程思政教學實踐[5]，采用計算機技術(shù)生成逼真的視、聽、觸覺一體化的物理問題爭論的虛擬環(huán)境和高危險性物理實驗場景，以解決物理學史課程思政教學中存在的難點問題。通過以信息技術(shù)豐富教學手段，激發(fā)學生學習物理學史的熱情和動力、提高學生成績、引導學生樹立正確的三觀，為中國特色社會主義事業(yè)培養(yǎng)合格建設(shè)者和可靠接班人[6]。

1 物理學史課程思政教學目標

物理學史課程思政教學目標及思政育人目標為以下兩方面。

1.1 課程教學目標

通過課程教學，使學生知曉物理學發(fā)展過程中的每一個基本概念、基本定律和基本理論都有其萌芽、形成和發(fā)展演變的曲折歷程，加深對物理概念和理論的深刻理解；使學生了解物理學發(fā)展的歷程，了解物理學的進展，了解許多重大物理發(fā)現(xiàn)中物理學家的探索過程等，從而在潛移默化中使學生樹立辯證唯物主義和歷史唯物主義的觀點，掌握科學的認識論和方法論，培養(yǎng)學生的思辨能力、批判性思維和分析、解決問題的能力、溝通表達能力和團隊協(xié)作能力。

1.2 思政育人目標

通過梳理和調(diào)整教學內(nèi)容、激活課程思政元素，把思想政治教育導向與物理課程的知識、技能傳授有機融合，將課程思政元素以潤物無聲的形式融入課堂教學，將“知識傳授”“能力培養(yǎng)”和“價值引領(lǐng)”有機地結(jié)合起來，引導學生將個人發(fā)展與國家、民族的命運結(jié)合起來，投身于社會進步的歷史洪流，成為社會主義事業(yè)的合格接班人。

1）通過學習著名物理學家的人物事跡，培養(yǎng)學生對優(yōu)秀中華傳統(tǒng)文化的自豪感、使命感、責任感、愛國精神、奮斗精神。

2）通過課外觀看老舊儀器和開展討論，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、團隊協(xié)作精神和不畏權(quán)威的創(chuàng)新勇氣。

3）通過VR 復現(xiàn)危險性高的物理實驗，培養(yǎng)學生的奮斗精神、開拓創(chuàng)新精神、大國工匠精神。

2 物理學史課程思政教學模式

本課程根據(jù)課程內(nèi)容分別采用線上與線下相結(jié)合、講授與研討相結(jié)合、課內(nèi)與課外相結(jié)合、現(xiàn)實與虛擬相結(jié)合的教學模式，服務(wù)于課程思政教學目標和思政育人目標。

2.1 線上與線下相結(jié)合

對于一些相對容易理解的教學內(nèi)容，教師在線上布置學習任務(wù)，學生自主觀看中國大學MOOC 網(wǎng)的教學視頻，并在雨課堂完成測試題。教師根據(jù)測試情況在線下與學生進行交流、討論，及時了解、追蹤學生的學習狀態(tài)和思想精神狀態(tài)。

2.2 講授與研討相結(jié)合

對于思政元素較多的教學內(nèi)容，課堂講授時，教師可采用互動式、提問式的教學方法，引導學生自主挖掘和運用課程思政元素。此外，還要安排學生進行小組討論，針對思政元素和思政內(nèi)容精心設(shè)計研討環(huán)節(jié)和小組任務(wù)。讓學生通過小組討論的方式梳理科學家的成就、科學素養(yǎng)及人文精神，將課程思政落到實處。

2.3 課內(nèi)與課外相結(jié)合

實驗儀器的發(fā)展史是物理學史的重要組成部分之一。除了課堂介紹相關(guān)的物理實驗儀器，還要求學生按自由組合進行分組，利用課余時間參觀學院的老舊物理實驗儀器、查閱相關(guān)的資料、挖掘其中的思政元素，并在全班作PPT 匯報。通過課內(nèi)與課外相結(jié)合，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度、團隊協(xié)作精神和不畏權(quán)威的創(chuàng)新勇氣。

2.4 現(xiàn)實與虛擬相結(jié)合

物理學史課程中的實驗大多在以前的實驗中做過，但也有少量危險性高的物理實驗。對于這些高危險性物理實驗的學習，則利用VR技術(shù)，采用情境模擬教學法等教學法，使學生獲得身臨其境的感受，加深對教學內(nèi)容的記憶和理解，培養(yǎng)學生的艱苦奮斗精神、開拓創(chuàng)新精神、大國工匠精神。

3 物理學史課程思政教學實踐

物理學史是物理學專業(yè)的一門重要課程，蘊含大量思政元素，易于融合學科內(nèi)容與思政內(nèi)容，在知識傳授和能力培養(yǎng)中實現(xiàn)價值塑造，在潛移默化中達成思想政治教育的目的[1]。但是物理學史進行課程思政教學也存在兩個難點：一是某些枯燥的物理問題的爭論蘊含了大量實事求是的科學態(tài)度和不畏權(quán)威的創(chuàng)新勇氣等思政元素，如何將這些思政元素通過現(xiàn)代教育技術(shù)融入物理學史的專業(yè)教學中，易于學生理解、接受。二是某些高危險性物理實驗難以復現(xiàn)。盡管這些實驗蘊含著開拓創(chuàng)新精神、大國工匠精神等思政元素，但是由于其高危險性難以復現(xiàn)。VR技術(shù)能夠使體驗者沉浸在360 度全景畫面里，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗，廣泛地應(yīng)用在高危險、高成本、高頻變、不可逆、不可觸、不可及、不可述等現(xiàn)場，如教育培訓、高端制造、娛樂、購物、展覽等領(lǐng)域。因此，利用VR技術(shù)在一定程度上有望解決物理學史課程思政教學存在的兩個難點，其教學改革實踐流程詳見圖1。

圖1 物理學史教學改革實踐流程圖

3.1 教學實踐方案

依據(jù)物理學專業(yè)人才培養(yǎng)目標和物理學史專業(yè)基礎(chǔ)課程的學科專業(yè)特點，深入挖掘物理學史課程蘊含的豐富的思想政治教育元素和內(nèi)容，找準課程思政切入點，梳理和調(diào)整教學內(nèi)容，采取“以史聯(lián)知、以史激趣、以史育德、以史明志、以史增信”的形式，將課程思政元素融入物理學史的教學內(nèi)容中[7]。采取“自主開發(fā)+廣泛獲取”相結(jié)合的方式，完成物理學史思政課程VR 課件的制作，并根據(jù)物理學史課程及其各章節(jié)特點來選擇合適的、多元的課程思政的教學方法。將課程思政元素以潤物無聲的形式融入課堂教學，實現(xiàn)“知識傳授、能力培養(yǎng)”和“價值引領(lǐng)”雙目標。物理學史課程思政教學實踐方案可以分成以下三個有機部分。

3.1.1 深入挖掘物理學史中的課程思政元素

從物理學科與專業(yè)的形成背景、發(fā)展歷程、現(xiàn)實狀況和未來趨勢等方面切入，可以將物理學史的課程思政元素分為三類。

1）通過學習著名物理學家的人物事跡，挖掘蘊含的自豪感、使命感、責任感、愛國精神、奮斗精神等思政元素。

2）通過討論一些重要的物理問題爭論，挖掘蘊含的實事求是的科學態(tài)度和不畏權(quán)威的創(chuàng)新勇氣等思政元素。

3）通過VR 復現(xiàn)危險性高的物理實驗，挖掘蘊含的奮斗精神、開拓創(chuàng)新精神、大國工匠精神等思政元素。

將物理學史中蘊含的課程思政元素分門別類，再在此基礎(chǔ)上擬定教學大綱、教案講義是進行物理學史課程思政教學的重要一步。第二步就是根據(jù)這些課程思政元素制作物理學史的課程思政VR課件，豐富VR 教學資源庫。

3.1.2 建設(shè)課程思政的VR 教學資源庫

在深入挖掘物理學史中的課程思政元素的基礎(chǔ)上，將這些課程思政元素分成三大類，采取“自主開發(fā)+廣泛獲取”相結(jié)合的方式，完成物理學史課程思政VR 課件的制作、建設(shè)物理學史課程思政的VR 教學資源庫。VR 課件的自主開發(fā)可以將收集的教學資源，利用建模軟件3DMax 構(gòu)建情境中的三維模型，再將構(gòu)建好的模型導入到虛擬現(xiàn)實引擎Unity3D 中，根據(jù)教學設(shè)計為模型添加行為和交互，完成虛擬現(xiàn)實模塊的制作，最后，輸出場景文件，完成場景發(fā)布，生成VR 課件資源[8]。通過自主開發(fā)和廣泛獲取相結(jié)合的方式，可以逐步完善物理學史的課程思政的VR 教學資源庫的建設(shè)。

3.1.3 探究融合VR技術(shù)的新的教學方式

利用VR 教學資源庫進行物理學史的課程思政教學實踐，主要包括下面兩方面的內(nèi)容。

1）調(diào)整課程內(nèi)容。在深入挖掘課程思政元素的同時，調(diào)整現(xiàn)有的課程內(nèi)容，減少以前教學中的數(shù)學推導和難度較大的占比，加大對科學家在探究科學問題過程中所必需的科學方法、科學精神和科學素養(yǎng)等方面的分析和探討的比重，使課程思政與本課程專業(yè)課堂內(nèi)容融為一體，再潛移默化地滲透育人元素。

2）開展形式多樣的課程組織實施方式。根據(jù)物理學史課程各章節(jié)特點及“能實不虛”的原則，選擇合適的、多元的課程思政的教學方法。對于著名物理學家的人物事跡等能使用傳統(tǒng)的文字、圖形、音視頻等形式達到良好教學效果的思政元素仍采用案例教學法、討論式教學法等教學法學習，培養(yǎng)學生的使命感、責任感、愛國精神、奮斗精神；對于需要使用沉浸式教學形式才能達到良好教學效果的思政元素如一些重要的物理問題爭論，則采用討論式教學法、結(jié)合VR 課件講解，培養(yǎng)學生實事求是的科學態(tài)度和不畏權(quán)威的創(chuàng)新勇氣；對于危險性高的物理實驗的學習，則利用VR技術(shù)，采用情境模擬教學法等教學法，使學生獲得身臨其境的感受，加深對教學內(nèi)容的記憶和理解，培養(yǎng)學生的艱苦奮斗精神、開拓創(chuàng)新精神、大國工匠精神。在培養(yǎng)學生的物理學職業(yè)素養(yǎng)和技能的同時，還使學生養(yǎng)成敢創(chuàng)新、善創(chuàng)新的習慣和能力，樹立正確的三觀，成為中國特色社會主義事業(yè)的合格建設(shè)者和可靠接班人[6,9]。

3.2 需要解決的關(guān)鍵問題

利用VR技術(shù)進行物理學史課程思政教學實踐是一次復雜而煩瑣的教學改革，需要解決大量的實踐問題，其中需要解決的關(guān)鍵問題主要有以下三個方面。

1）如何實現(xiàn)以“以史聯(lián)知、以史激趣、以史育德、以史明志、以史增信”的形式將課程思政元素融入物理學史的教學內(nèi)容中。

2）如何制作高質(zhì)量的物理學史VR 課件。制作高質(zhì)量的VR 課件需要大量的人力、物力資源，因此，需要采取“自主開發(fā)+廣泛獲取”相結(jié)合的方式，完成物理學史思政課程VR 課件的制作、建設(shè)物理學史的思政課程的VR 教學資源庫。

3）如何利用VR 開展物理學史的課程思政教學，激發(fā)學生的學習熱情，提升學生的思政素質(zhì)、提高學生的學習效果。實現(xiàn)“知識傳授、能力培養(yǎng)”和“價值引領(lǐng)”雙目標[2]。

4 結(jié)束語

本文探討了如何將VR技術(shù)應(yīng)用于物理學史課程思政教學實踐，主要解決物理學史課程思政教學實踐中存在的兩個難點問題，即重要的物理問題爭論和高危險性物理實驗難以通過簡單的課程教學達到課程思政的教學目標。

由于VR應(yīng)用于課程思政教學還處于起步階段，其應(yīng)用范圍仍然不廣，但是，可以想見，隨著VR技術(shù)的發(fā)展，VR技術(shù)在課程思政教學實踐中的應(yīng)用將越來越廣泛。