中華優秀傳統文化融入“大學物理”課程教學的探索

楊遠貴，郝文清，陳 三，馬千惠

習近平總書記強調：“文化自信，是更基礎、更廣泛、更深厚的自信.在5 000多年文明發展中孕育的中華優秀傳統文化，在黨和人民偉大斗爭中孕育的革命文化和社會主義先進文化，積淀著中華民族最深層的精神追求，代表著中華民族獨特的精神標識［1］.”因此，“大學物理”教學中融入中華優秀傳統文化，深入挖掘中華優秀傳統文化中蘊含的思政元素，將其融合應用于教學實踐中，有助于培養大學生的愛國主義情懷，增強文化自信.

“大學物理”是實現“立德樹人”教育根本任務的重要課程，是理工科大學生的必修課程，也是部分文科大學生的選修課，其涉及的專業范圍廣，選課的學生多.中華優秀傳統文化蘊含著豐富的物理學知識，把這些物理知識融合到“大學物理”教學中，有利于實現價值塑造、知識傳授和能力培養三位一體的教學目標.

通過知網進行檢索（截止2023年10月30日），185篇文章的標題同時有“大學物理”和“課程思政”，其中研究性論文80余篇，多數論文為教學案例，如力學、電磁學和光學等案例［2-6］.本文以“大學物理”為載體，從中華優秀傳統文化中挖掘課程思政素材.在“大學物理”教學中融入中華優秀傳統文化，可以激發學生的愛國主義情懷，堅定文化自信，做擔當民族復興大任的時代新人.

1 中華優秀傳統文化中蘊含的物理知識

中國具有悠久的歷史，五千年的文明孕育出燦爛的文化.在許多經典著作中留下了物理學的印跡，如古代的科技專著《墨經》《夢溪筆談》等.此外，在中國古代的詩詞、古典文學名著中也有許多對物理現象和物理規律的描述.

1.1 古代科技專著中蘊含的物理知識

在我國古代科技專著中，涉及物理知識的專著有《墨經》《夢溪筆談》《考工記》《天工開物》等.中國科學院自然科學史研究所戴念祖先生在《中國古代物理學》一書中指出，“在古代圖書分類的經、史、子、集四部中，幾乎沒有一本是絲毫不涉及物理現象的著作”［7］.例如，我們熟悉的“兩小兒辯日”（出自《列子·湯問》），關于太陽離我們的遠近和太陽的視圓面大小等問題的爭論，可以用光的散射和視覺誤差來解釋［8］.盡管古代經典著述中涉及與物理相關現象的文字著墨不多，但卻是我國勞動人民智慧和文化的結晶.此外，這些專著蘊含的物理知識在物理學史和科學思想史中也有介紹［9-10］，下文對《墨經》《夢溪筆談》中的物理現象進行個例分析.

《墨經》是先秦墨家的著作，全書包含豐富的物理學知識，尤重力學和光學.《墨經》中有關于力、力的平衡和杠桿、斜面等簡單機械的論述；同時記載了許多光學知識如小孔成像、光的反射和面鏡（包括平面鏡、凹面鏡和凸面鏡）成像等.《墨經·經上》有：“力，刑（形）之所以奮也.”“刑”即今謂有形體，“奮”原指鳥展翅從田野飛起，借此形容有形體的狀態改變.這說明力是改變物體運動狀態的原因.

《夢溪筆談》是宋代沈括的著作，主要記述北宋時期的科技成就，涉及聲學、磁學和光學等內容，如油膜干涉色彩、凹面鏡和凸面鏡、共振“應聲”、地磁偏角等［11］.著名的科學史學家李約瑟博士稱贊沈括是“中國整部科學史最卓越的人物”，《夢溪筆談》是“中國科學史的里程碑”［12］.沈括《夢溪筆談》卷二十四載有“方家以磁石磨針鋒，則能指南，然常微偏東，不全南也.”這是世界上關于地磁偏角的最早記載［13］，比歐洲人對地磁偏角的發現早四百多年.其中包括的物理知識有鐵針被磁石磁化，受地磁場的作用能指南，地球存在地磁偏角.從“常”與“微”兩字可見，地磁偏角不是憑空猜測的，而是沈括在多次觀察與實驗的基礎上才得以發現.可見，中國古代的科學家很早就認識到了觀測與實驗是物理學研究的基本方法.

1.2 中國古代詩詞中的物理知識

詩詞是我國五千年燦爛文化的瑰寶，在不經意中記錄了許多物理現象和物理學知識.如陸游《村居書喜》中的詩句：“花氣襲人知驟暖，鵲聲穿樹喜新晴”，“花氣襲人”是由花朵分泌的芳香油分子做無規則運動引起的，溫度升高進而加快沁人心脾，對應的物理學知識是：溫度是衡量物體內部分子運動程度的物理量，溫度越高，分子無規則運動越快.

五代十國佚名《敦煌曲子·浪淘沙》如下：“五兩竿頭風欲平，長風舉棹覺船輕.柔櫓不施停卻棹，是船行.滿眼風波多閃爍，看山恰似走來迎.仔細看山山不動，是船行.”這首詞描述了以船做參照物，山迎面而來；以山做參照物，船在向前行，因此運動具有相對性.現代詩文中對此現象也進行了描述，如毛澤東《七律二首·送瘟神》詩句“坐地日行八萬里，巡天遙看一千河”，分別以地球和太陽做參照物，判斷物體的運動情況.

1.3 中國古典文學名著中的物理知識

四大名著是明清時期的中國古代長篇小說的代表，集文學性和趣味性于一體，許多動聽的故事深受民眾的歡迎.《西游記》第六十八回和六十九回中孫悟空為朱紫國國王“懸絲診脈”，通過絲線接收到脈搏的振動，進而診斷病人的病情，這可以利用“縱波在固體中傳播”來解釋.《水滸傳》楊志賣刀誤殺牛二，是反作用力所致.《紅樓夢》中黛玉剛進賈府鳳姐出場“未見其人，但聞其聲”，是通過音色判斷是鳳姐.此外，還有大量生活中的物理現象，存在夸大甚至科幻思想［15］.

以《三國演義》第四十九回“七星壇諸葛祭風，三江口周瑜縱火”中“舟自橫”現象為例，研究船在水中的穩定性問題.小說中是這樣描述的：“言訖，箭到處，射斷徐盛船上篷索.那篷墮落下水，其船便橫.趙云卻教自己船上拽起滿帆，乘順風而去.”在水流湍急的長江中，船帆被射落下后，船因失去風力而不能繼續向前行駛，就橫在江中.這種現象可以追溯到唐德宗建中二年（公元781年），韋應物的山水詩《滁州西澗》：“獨憐幽草間邊生，上有黃鸝深處鳴.春潮帶雨晚來急，野渡無人舟自橫.”中國科學院自然科學史研究所戴念祖先生對此現象進行了深入的研究和探討［7］.產生此現象的原因是船與水流垂直時處于穩定平衡狀態.天津大學王振東教授對這種現象進行了理論推導［16］和實驗研究［17］.由此可見古人對船體的穩定性進行了細致入微地觀察，其中蘊含著深奧的物理規律.

2 中華優秀傳統文化融入“大學物理”的教學實踐——以“力學中的常見力和基本力”為例

中華優秀傳統文化中蘊含著豐富的物理知識，在“大學物理”課程內容的各章節中都有所涉及.因此把中華優秀傳統文化中所蘊含的思政元素自然地融合到“大學物理”課程教學中，是實現課程育人的重要方式.以《普通物理學簡明教程》“§1.4力學中的常見力和基本力”［18］為例，將中華優秀傳統文化融入“大學物理”教學的教學設計和教學實踐.

2.1 教學目標

大學物理中“力學中的常見力和基本力”這一節主要講授力的概念、幾種常見力和四種基本力；通過本節的教學，學生需要掌握力的概念，熟悉幾種常見力和四種基本力；掌握重力、彈力、摩擦力和萬有引力的特點和產生條件.通過融入《墨經》對“力”的定義和《考工記》對彈力和滾動摩擦力的記載，使學生了解中國古人對力的觀測和研究，增強學生的文化自信.

2.2 思政元素的挖掘與融入

（1）《墨經》對“力”的認知.“力”是日常生活中常見的一種物理現象.學生在中學物理課上已經對“力”這個概念有了基本的了解.為深化學生對“力”概念的進一步認知，須從古人對“力”的發現和認知入手.在講授這一部分內容時，先從漢字“力”的產生和演變入手，然后融入先秦思想家墨子對物體改變運動狀態的解釋.在《墨經》中對此的回答是“力，刑之所以奮也”.也就是說，一個物體的狀態變化是要用力的，這同牛頓經典力學對力的看法基本一致.因為根據牛頓第二定律，F=ma，物體受力就產生加速度，說明我國古代勞動人民在日常生活中觀測的現象，已建立起“力”的作用效果雛形.這表明中國人對“力”的認知與研究比西方早了近千年.

（3）《考工記》對滾動摩擦力的記述.據《考工記·官序》記載：“凡察車之道，欲其樸屬而微至.不樸屬，無以為完之也；不微至，無以為戚速也.”檢查一輛車子的好壞，先從輪子開始.車輪是否圓，通過檢查車輪與地面是否接觸于一點，即“微至”.盡管《考工記》沒做出具體的受力分析或數學描述，但是它記述的經驗結論完全符合力學理論.這表明我國在春秋時期就已掌握造車的技術，理解滾動摩擦產生的條件.

2.3 教學過程

任何物體都受其周圍物體的作用，正是這種作用支配著物理運動狀態的變化，因此力是物體間的相互作用.力有兩種作用效果：一是改變物體的運動狀態；二是改變物體的形狀.下面介紹四種常見力.

（1）重力.在《墨經·經下》有：“凡重，上弗挈，下弗收，旁弗劫，則下直.”這是人們對重力現象的最早描述.地球表面附近的物體都受到地球的吸引，這種由地球的吸引而使物體受到的力叫做重力.重力的大小F=mg，其中重力加速度g=9.8 m/s2；重力的方向豎直向下.在地表附近和一些要求精度不高的計算中，可以認為重力近似等于地球的引力.

重力加速度的應用：①可通過重力加速度的測量來探測地球內某處是否存在大型礦藏，當地球質量的對稱性分布破壞時，該處的重力加速度值表現出異常.這種技術在“深部探測技術和高靈敏度航空重力梯度儀”方面有重要的應用.

②在距離地面數百公里的高空中，重力很小，故稱為微重力環境.2013年6月20日上午10點，在距離地球300多公里之外的天宮一號艙內，神舟十號的三名航天員為全國青少年進行了我國首次太空授課，通過質量測量、單擺運動、陀螺運動、水膜和水球5個基礎物理實驗，展示了失重環境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現象.

（2）彈力.發生形變的物體，由于要恢復原狀，對與它接觸的物體會產生力的作用，這種力叫彈力.其表現形式多種多樣，主要有三種：①兩物體相互擠壓；②繩線對物體的拉力；③彈簧的彈性力.

如圖1所示，當彈簧被拉伸或壓縮時，它就會對與之相連的物體有彈力作用，這種力總是力圖使彈簧恢復原狀，因此又叫恢復力.在彈性限度內，其大小與形變量成正比，即有胡克定律：F=-kx.式中k叫做彈簧的勁度系數或勁度，負號表示彈力的方向總是與彈簧的變化量方向相反.可引入《考工記》對彈力的記述，并計算“弓”的勁度系數.

圖1 彈簧所受的彈性力

（3）摩擦力.兩個相互接觸的物體在沿接觸面相對運動時，或者有相對運動的趨勢時，就會在接觸面上產生阻礙相對運動或相對運動趨勢的力，這種力稱為摩擦力.

①靜摩擦力和滑動摩擦力.相互接觸的兩個物體在外力作用下，雖有相對運動趨勢，但并不產生相對運動，這時的摩擦力叫靜摩擦力；當外力超過最大靜摩擦力時，物體間產生了相對運動，這時的摩擦力稱為滑動摩擦力，如圖2所示.實驗表明，滑動摩擦力fk正比于正壓力N，即fk=μN，其中μ叫做滑動摩擦因數，它的大小取決于接觸面的材料、表面情況和物體間的相對速度.

圖2 滑動摩擦力

②滾動摩擦力.當一物體在另一物體表面上滾動或有滾動的趨勢時，在接觸面上有一種阻礙它們相對滾動的力，叫做滾動摩擦力.可引入《考工記·官序》記載車輪滾動的摩擦力.

G=6.673 84(80)×10-11N·m2/kg2，式 中 叫做引力常量.

事實上，重力可以理解為萬有引力的一個分力，另外一個分力提供給物體在地球表面的向心力，如圖3所示.在地球表面附近，如果忽略地球的自轉的影響，其最大誤差不超過0.4%，因此常把物體所受的重力稱為是它所受的萬有引力.在講授萬有引力時可融入張若虛的唐詩《春江花月夜》“春江潮水連海平，海上明月共潮生”，此句描述了潮汐現象，其形成原因主要是地球、月亮和太陽之間的相對運動及其引力的變化.

圖3 重力與萬有引力的關系

2.4 教學總結

通過本節教學，將《墨經》中對力的認知、《考工記》中對彈力和摩擦力的描述與記載融入教學內容中，實現了將價值塑造、知識傳授和能力培養融為一體的目標，也是開展社會主義核心價值觀和中華優秀傳統文化教育的成功范例.通過“弓”的勁度系數等典型案例，將純粹的抽象說教轉變成真實的計算數據，激發了大學生對中華優秀傳統文化和現代科學技術成就的興趣和自豪感，將顯性教育與隱性教育相統一，以形成思政教育的協調效應.

3 結語

中華優秀傳統文化中蘊含著豐富的物理學知識和物理學研究方法.在“大學物理”教學中，深入挖掘中華優秀傳統文化中所蘊含的物理學知識、所描述的物理學現象和所記載的物理學研究方法，不僅能夠做到古為今用，而且能夠通過對中華優秀傳統文化中物理學知識的學習和了解，增強學生的民族自豪感，堅定文化自信.習近平總書記指出：“沒有先進文化的積極引領，沒有人民精神世界的極大豐富，沒有民族精神理論的不斷增強，一個國家、一個民族就不可能屹立于世界民族之林.”［19］.因此，“大學物理”授課教師要深入學習貫徹習近平文化思想，在“大學物理”教學中注重知識傳授的同時，對學生進行歷史文化熏陶，從中華優秀傳統文化中汲取營養，滋養學生健康成長，并使之內化為學生的精神追求、外化為學生的自覺行動.