課程思政融入大學(xué)物理的實(shí)踐與探索

摘" 要：大學(xué)物理是全國高等理工院校各專業(yè)學(xué)生必修的公共基礎(chǔ)課，其基本理論思想滲透自然科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域。課程思政是思想政治教育的一種形式，它以專業(yè)課程為載體，在保證思政內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)緊密結(jié)合的前提下，將思想政治教育的內(nèi)涵、要求、原則有機(jī)融入每一門具體課程中。在大學(xué)物理課程中開展思政教育，不僅能使學(xué)生掌握基本的物理理論知識，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，而且對引導(dǎo)學(xué)生塑造獨(dú)立人格、完善道德品性、培養(yǎng)公共精神等方面具有重要價(jià)值。文章以狹義相對論章節(jié)為例，探索了在課程中挖掘蘊(yùn)含的思政元素及課堂融入方法。通過合理設(shè)計(jì)課堂、線上線下混合教學(xué)等途徑，在課程教學(xué)中更好落實(shí)知識傳授和價(jià)值引領(lǐng)的根本任務(wù)。

關(guān)鍵詞：課程思政；大學(xué)物理；狹義相對論；愛國情感

中圖分類號：G641" " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1673-7164（2024）33-0119-04

一、大學(xué)物理課程思政的現(xiàn)狀分析

課程思政是一種旨在將思想政治教育的內(nèi)容、要求、原則與每門具體課程有機(jī)結(jié)合起來的思想政治教育形式，它以課程為重要渠道，以隱性方式進(jìn)行。習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強(qiáng)調(diào)，要堅(jiān)持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學(xué)全過程，因事而化、因時(shí)而進(jìn)、因勢而新，實(shí)現(xiàn)“知識傳授”和“價(jià)值引領(lǐng)”的統(tǒng)一。［1］目前，廣大教師通過有效組織課堂教學(xué)活動，積極深入挖掘課程中蘊(yùn)含的思政元素，營造生動多樣的教學(xué)環(huán)境，在全國高校廣泛推進(jìn)課程思政建設(shè)。將思政元素與課堂教學(xué)完美結(jié)合，通過創(chuàng)設(shè)生動豐富的教學(xué)情境，達(dá)到以課思政的潤物細(xì)無聲的效果。［2-3］習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強(qiáng)調(diào)：“各門課都要守好一段渠、種好責(zé)任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應(yīng)。” ［1］

物理學(xué)是一門關(guān)于物質(zhì)世界存在及其演化之道理的學(xué)科，其關(guān)注的是自然界物質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)存在最基本的形態(tài)以及物質(zhì)最基本、最普遍的各種運(yùn)動的規(guī)律。其知識體系貫穿自然科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，包括經(jīng)典物理理論（力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)）和近代物理理論（相對論和量子力學(xué)）。當(dāng)今物理學(xué)研究的領(lǐng)域從可見的實(shí)物到不可見的場，從基本粒子到極為復(fù)雜的生命和宇宙，包含的尺度從小到質(zhì)子的半徑10-15m到目前可探測到的最遠(yuǎn)的類星體（quasar）的距離1026m，包含的時(shí)間從短到10-25s的最不穩(wěn)定粒子的壽命直到可能長達(dá)1039s的質(zhì)子的壽命。

大學(xué)物理是教育體制和每個(gè)進(jìn)步社會的一個(gè)重要組成部分，是高等理工院校各專業(yè)學(xué)生必修的公共基礎(chǔ)課。在大學(xué)物理課程中開展思政教育，不僅可以使學(xué)生獲得基本物理知識，而且可以培養(yǎng)學(xué)生樹立辯證的唯物主義世界觀、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、深厚的愛國情感，對學(xué)生獨(dú)立的人格塑造、品德的提升，以及培養(yǎng)公共精神等方面也起到重要的導(dǎo)向作用。大學(xué)物理作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，將課程思政育人理念融入課程各個(gè)環(huán)節(jié)，在知識傳播的過程中實(shí)現(xiàn)價(jià)值引領(lǐng)非常有必要。文章以馬文蔚主編的《物理學(xué)》（第七版）第十四章相對論為例，［4］深入挖掘章節(jié)中的思政元素及探討其融入方法。

二、大學(xué)物理思政元素挖掘及課程融入探索——以相對論章節(jié)為例

大學(xué)物理課程本身包含了豐富的思政元素，更需要巧妙的課堂設(shè)計(jì)才能將思政元素潤物無聲地融入其中。因?yàn)檎n程內(nèi)容對學(xué)生來說難度較大，學(xué)時(shí)壓縮的前提下，采用線上線下混合式教學(xué)模式，利用線上平臺及時(shí)推送與課程相關(guān)的視頻或讀物，讓學(xué)生利用碎片化的時(shí)間了解這些知識，在課堂上進(jìn)行討論學(xué)習(xí)，既能節(jié)省課堂時(shí)間，又能更深層次地引導(dǎo)學(xué)生的思想。

（一）運(yùn)用相對論誕生歷史培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新精神

相對論是一門關(guān)于時(shí)間、空間、物質(zhì)及其運(yùn)動規(guī)律相互聯(lián)系的物理學(xué)理論，它的創(chuàng)立并不是源于愛因斯坦的突發(fā)奇想，而源自人們對經(jīng)典力學(xué)和電磁理論的綜合與突破。相對論的提出主要為了解決經(jīng)典力學(xué)和電磁理論在時(shí)空概念上的矛盾，而相對論的建立則完全體現(xiàn)著愛因斯坦對物理規(guī)律統(tǒng)一性和客觀性的追求。從17世紀(jì)到19世紀(jì)，經(jīng)典的力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，都已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)完善的程度，人類不僅可以解決包括天體運(yùn)行在內(nèi)的宏觀物體低速運(yùn)動的問題，而且也成功地描述了電磁場運(yùn)動變化的規(guī)律。

隨著電磁學(xué)的發(fā)展，人們認(rèn)識到光即電磁波，其運(yùn)動遵循麥克斯韋方程組描述。然而，麥克斯韋方程組在伽利略時(shí)空轉(zhuǎn)換下無法維持形式不變，違背了力學(xué)相對性原理。因此，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)的理論自洽，物理學(xué)家們迫切希望找到一個(gè)能使麥克斯韋方程組成立的絕對的慣性系統(tǒng)。光和電磁波的傳播需要借助類似于機(jī)械波的媒介，這是在光和電磁理論剛剛發(fā)展之時(shí)就被學(xué)者廣泛認(rèn)同的。這種媒介被19世紀(jì)的科學(xué)家稱為“以太”。他們認(rèn)為，以太充滿整個(gè)空間（包括真空），且能夠滲透所有物質(zhì)。在相對以太靜止的參照系中，光速各向同性，麥克斯韋方程組才能成立，此參照系可稱為以太參照系，也是經(jīng)典力學(xué)中尋找的絕對參照系。這時(shí)又產(chǎn)生了另一個(gè)問題，既然物體中也存在著以太，如果物體運(yùn)動，其中的以太如何運(yùn)動，是完全被拖曳著一起運(yùn)動，還是部分地被拖曳著運(yùn)動，或者以太完全不被拖曳。為了解答此問題，人們投入了大量的精力并設(shè)計(jì)了很多實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明物體中的以太或部分被拖曳或完全不被拖曳，不管是何種說法，對折射率為1的透明物體如空氣，其運(yùn)動時(shí)應(yīng)該完全不能拖曳以太。也就是說，在地球運(yùn)動的時(shí)候，空氣不會拖曳以太一起運(yùn)動，這樣應(yīng)該能夠測出地球相對于以太的運(yùn)動速度，而著名的邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)就是為了這個(gè)目的而被巧妙地設(shè)計(jì)出來，然而最終的結(jié)果表明這個(gè)速度為零，以太假說陷入危機(jī)。

事實(shí)上，包括邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)和其他多次實(shí)驗(yàn)以及光速測量結(jié)果都一致認(rèn)為光在真空中的傳播速度不依賴于參考系的選擇和光源的運(yùn)動狀態(tài)。這個(gè)結(jié)論實(shí)際上是麥克斯韋電磁理論的一個(gè)推論，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在任何慣性系統(tǒng)中，麥克斯韋方程組都可以成立，由此方程組可以推得電磁波在任何慣性系統(tǒng)中的傳播速度都是光速c。然而，現(xiàn)有的麥克斯韋電磁定律經(jīng)過伽利略時(shí)空變換后形式會發(fā)生改變，這表明麥克斯韋方程或伽利略時(shí)空變換至少有一個(gè)是有問題的。事實(shí)上光速的不變性明顯地使經(jīng)典力學(xué)中的伽利略速度變換公式面臨巨大的挑戰(zhàn)。面對實(shí)驗(yàn)事實(shí)，當(dāng)時(shí)的多數(shù)物理學(xué)家仍擺脫不了對時(shí)間和空間的絕對認(rèn)識的束縛，總是試圖在牛頓力學(xué)的框架內(nèi)協(xié)調(diào)上述矛盾。在上述物理時(shí)代背景下，愛因斯坦的相對論誕生了。相對論的建立，不僅徹底打破了伽利略的速度變換原則，而且也徹底超越了經(jīng)典力學(xué)中僵化的時(shí)空觀念。面對實(shí)驗(yàn)與理論的沖突，面對一切試圖改良舊理論的失敗，愛因斯坦堅(jiān)信麥克斯韋方程組的普適性，拋棄絕對的時(shí)空觀念，并科學(xué)提出了兩個(gè)基本假設(shè)，產(chǎn)生了狹義相對論，并將結(jié)果發(fā)表于1905年的論文《論運(yùn)動物體的電動力學(xué)》。相對論的建立不僅帶來了人類時(shí)空觀念上的深刻變革，而且對近代物理學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響，對核物理、高能物理和宇宙物理學(xué)的發(fā)展影響尤甚。［5］

教師可基于“狹義相對論”的誕生歷史，讓學(xué)生感受物理定律的客觀性，盡管不同的觀測者所觀測到的物理現(xiàn)象會有所不同，但他們最終感受到的物理規(guī)律卻應(yīng)該是相同的。這種所謂具有統(tǒng)一性的物理規(guī)律就是人們努力從大自然中發(fā)掘出的、決不因人而異的客觀真理。任何一個(gè)偉大的科學(xué)理論的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展都需要前人的積累，還要有自身不懈的努力和堅(jiān)持、敏銳的思維視角，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)創(chuàng)新精神。

（二）運(yùn)用相對論在現(xiàn)代科學(xué)的應(yīng)用厚植學(xué)生愛國情感

對比較抽象的知識的理解，可以從生活常識出發(fā)去學(xué)習(xí)。愛因斯坦相對論的應(yīng)用最貼近我們生活的就是全球定位系統(tǒng)（GPS）。GPS定位的誤差來源包括相對論效應(yīng)的影響，更精確的位置信息可以通過這種效應(yīng)的修正獲得。愛因斯坦的時(shí)空一體化理論表明，衛(wèi)星時(shí)鐘與接收器所處的狀態(tài)（運(yùn)動速度與重力位置）不同，會導(dǎo)致衛(wèi)星時(shí)鐘與接收器之間的相對誤差。因?yàn)镚PS定位是依靠衛(wèi)星上的原子鐘提供精確時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，所以導(dǎo)航定位的精準(zhǔn)度取決于原子鐘的準(zhǔn)確度。相對論效應(yīng)是提供精確衛(wèi)星定位服務(wù)時(shí)必須考慮的一項(xiàng)參數(shù)。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，回顧我國北斗的發(fā)展史，有助于厚植學(xué)生的愛國情感。我國北斗衛(wèi)星工程起步于1994年，首顆測試衛(wèi)星于2000年發(fā)射成功，隨后第一代北斗衛(wèi)星于 2007年發(fā)射升空。［6］截至2020年6月，共完成44次任務(wù)，共計(jì)55顆衛(wèi)星成功發(fā)射，成功率高達(dá)100%。［7］中國北斗完成組網(wǎng)表明我國在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域已處于全球領(lǐng)先地位。然而，北斗的研發(fā)是在屈辱與逼迫中進(jìn)行的。1993年，美國制造了震驚世界的“銀河號”事件。［8］由于全球衛(wèi)星定位依賴美國GPS，美國關(guān)閉了我國“銀河號”貨輪的GPS信號，致使該貨輪失去方向，被迫同意美國進(jìn)行登船檢查。2000年，在世界舉行的無線電會議上，美國提議取消北斗衛(wèi)星使用的s頻段，2003年，中國出資2億歐元加入歐盟“伽利略”計(jì)劃，卻無法進(jìn)入核心技術(shù)層，受制于人。后來中國的衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)的專利達(dá)7萬件，名列全球第一。［6］基于我國2020年6月份“北斗全球定位系統(tǒng)”組網(wǎng)成功背后的艱辛與不易，激發(fā)學(xué)生的愛國熱情，厚植學(xué)生愛國情感。在培養(yǎng)學(xué)生道路自信、理論自信、制度自信、文化自信的同時(shí)，更要培養(yǎng)學(xué)生的自強(qiáng)精神。

（三）在內(nèi)容講解過程中培育學(xué)生的科學(xué)世界觀和公共精神

科學(xué)的世界觀就是馬克思主義的世界觀，就是辯證唯物主義的世界觀。黨的十八大以來，習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)要樹立正確的世界觀，而且在黨的十九大報(bào)告中也明確提出，“解決好世界觀、人生觀、價(jià)值觀這個(gè)‘總開關(guān)’問題”。在紀(jì)念馬克思200周年誕辰大會上，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，“我們要堅(jiān)持和運(yùn)用辯證唯物主義和歷史唯物主義的世界觀和方法論，堅(jiān)持和運(yùn)用馬克思主義立場、觀點(diǎn)、方法”“真正把馬克思主義這個(gè)看家本領(lǐng)學(xué)精悟透用好”。［9］

公共精神包括獨(dú)立的人格精神、社會公德意識、自律自制的行為規(guī)范、善待生命的慈悲胸懷和仁愛精神等。相對論知識很多不是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷默F(xiàn)象，因此更需要用科學(xué)的世界觀去看待問題。例如，在講力學(xué)相對性原理時(shí)，力學(xué)定律在各個(gè)慣性系統(tǒng)中的形態(tài)也完全相同。這意味著在不同參照系中，物理量的演化會遵循完全相同的規(guī)律，由此可見，這些慣性系都是等價(jià)的，沒有優(yōu)劣之分。換個(gè)角度看，力學(xué)法則告訴我們，觀察者是平等的，在任何慣性系統(tǒng)中都是如此。這一思想最早由伽利略完整地表述出來，但實(shí)際上，在我國古籍中早有關(guān)于這一相對性原理的思想記載，西漢時(shí)成書的《尚書緯·考靈曜》（早于伽利略1700年）就有“地恒動不止而人不知，譬如人在大舟中，閉牖而坐，舟行而不覺也”的記載。

相對論的兩條基本原理：1. 相對性原理：物理規(guī)律在所有慣性參照系中都將具有同樣的數(shù)學(xué)形式；2. 光速不變原理：在一切慣性系中，真空中的光速沿任何方向都表現(xiàn)為恒定的常數(shù)c。兩條原理簡潔明了，但思想深刻，意義深遠(yuǎn)。從數(shù)學(xué)角度上講，它表明了物理定律對慣性系之間的時(shí)空變換必須具有不變性，即物理定律經(jīng)過慣性參照系間的時(shí)空變換后形式必須保持不變。從物理角度上講，它表明了物理定律與慣性系的無關(guān)性，即物理定律是客觀的、絕對的。或者說，在物理定律（自然法則）面前，所有慣性系中的觀察者都是平等的。相對性原理反過來表明：一個(gè)真正意義上的物理定律，必然要滿足相對性原理，體現(xiàn)人人平等的原則，明顯地體現(xiàn)了對物理定律的制約作用，也就是說相對性原理實(shí)際上是一個(gè)關(guān)于物理定律的定律。［5］

在講時(shí)鐘延滯、尺度收縮等相對論效應(yīng)時(shí)，由于相對論效應(yīng)是四維時(shí)空變換的結(jié)果，在三維空間中很難想象。動尺變短效應(yīng)是絕對的，只要被觀測到的物體相對于觀測者運(yùn)動，就會觀察到物體的長度比它固有的長度稍短。這個(gè)問題可以通過測量μ子的平均壽命來反映，時(shí)間的延遲和長度的縮短有一定的關(guān)系。從宇宙深處來到地球的高能宇宙射線進(jìn)入大氣層時(shí)，與距地面10 km以上的大氣層中的氣體分子發(fā)生劇烈碰撞而產(chǎn)生大量的μ子。μ子為不穩(wěn)定的微觀粒子，其平均壽命為2.15×10-6s。因此，按經(jīng)典理論計(jì)算，即便是假定μ子以光速運(yùn)動，μ子也只能飛行630米左右，根本無法在其自身平均壽命內(nèi)到達(dá)地面。然而，不可否認(rèn)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)是，地面上確實(shí)能夠探測到由高空而來，且速度約為0.998 c的大量μ子。這一結(jié)果只有利用相對論相關(guān)公式才能解釋。非超光速運(yùn)動的μ子卻能夠在較短的壽命期間內(nèi)穿越大氣層的事實(shí)表明，時(shí)空與運(yùn)動不再是分離的和毫不相干的，而是表現(xiàn)出了顯著的依賴關(guān)系。因此，相對論時(shí)空觀表明，時(shí)空是運(yùn)動物質(zhì)的存在形式，時(shí)間和空間的量度不僅與參考系的選擇有關(guān)，并且與物質(zhì)密不可分。在世界上既不存在孤立的時(shí)間，也不存在孤立的空間。時(shí)間、空間與運(yùn)動三者之間的密切相連，深刻地反映了時(shí)空的性質(zhì)。相對論時(shí)空觀是人們對時(shí)空的新認(rèn)識，這種認(rèn)識隨著實(shí)踐的發(fā)展而逐步發(fā)展，同時(shí)也必將會隨著實(shí)踐的發(fā)展而變得更加深入，但它絕不是最終的理論。比如，在廣義相對論中，人們又提出了時(shí)空彎曲以及時(shí)空與引力場的關(guān)系等概念。然而在微觀領(lǐng)域，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)則證明了相對論在10-18m尺度范圍內(nèi)依然有效。因此，在教學(xué)過程中，要不斷引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)的世界觀去認(rèn)識世界。

三、結(jié)語

大學(xué)物理課程思政是一種旨在把思想政治教育的內(nèi)容、要求、原則與大學(xué)物理課程有機(jī)結(jié)合起來的教育形式，它是以大學(xué)物理課程為重要渠道，通過隱性方式，實(shí)現(xiàn)思想政治理論的傳播。本文以“相對論”章節(jié)為例，介紹了在課程中有效融入科學(xué)創(chuàng)新精神、愛國情懷、公共精神等價(jià)值觀的方法。通過合理設(shè)計(jì)課堂、線上線下混合教學(xué)等途徑，在課程教學(xué)中更好落實(shí)知識傳授和價(jià)值引領(lǐng)的根本任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 習(xí)近平在全國高校思想政治工作會議上強(qiáng)調(diào)：把思想政治工作貫穿教育 教學(xué)全過程開創(chuàng)我國高等教育事業(yè)發(fā)展新局面［N］. 人民日報(bào)，2016-12-09（01）.

［2］ 李俊玉，馮學(xué)超，吳杰，等. 依托超星平臺大學(xué)物理課程思政探索與實(shí)踐［J］. 物理通報(bào)，2022（02）：69-72.

［3］ 吳杰，蔣逢春，馮學(xué)超. 大學(xué)物理融入課程思政的探索：以恒定磁場為例［J］. 物理通報(bào)，2021（06）：36-39.

［4］ 馬文蔚，解希順，周雨青. 物理學(xué)（第7版）下冊［M］. 北京：高等教育出版社，2020：10.

［5］ 吳明陽，馮學(xué)超. 大學(xué)物理學(xué)［M］. 北京：高等教育出版社，2022：327-334.

［6］ 李國利，武中奇. 北斗追夢 領(lǐng)航蒼穹——中國北斗建設(shè)發(fā)展三十周年記事［N］. 人民日報(bào)，2024-09-20（07）.

［7］ 蔡婷. “長征”三號B成功發(fā)射第55顆“北斗”衛(wèi)星“北斗”三號全球星座部署完畢［J］. 中國航天，2020（06）：24.

［8］ 強(qiáng)行指控“銀河號” 蓄意挑釁中國［EB/OL］. （2021-11-12）［2023-07-16］. https：//m.gmw.cn/baijia/2021-11/12/35307509.html.

［9］ 習(xí)近平. 在紀(jì)念馬克思誕辰200周年大會上的講話［N］. 人民日報(bào)，2018-05-05（02）.

（責(zé)任編輯：牛雪璐）