“大学物理”课程中课程思政教学探究

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  [摘 要] “大学物理”是面向理工科学生开设的一门必修基础课,在“大学物理”课程中引入思政元素具有深远意义。以“薄膜干涉”为例,首先描述相关理论知识,然后阐述思政元素。通过讲述托马斯·杨刻苦钻研的事迹来培养学生勤奋好学的优良品质;使学生体会到物理现象之美、物理理论描述之美与理论结构之美,并将物理理论提升到哲学层面;通过薄膜干涉的应用引出工匠精神,并对学生言传身教。在“大学物理”教学中融入思政元素,实现立德树人的目标。
  [关键词] 大学物理;课程思政;薄膜干涉;立德树人
  [基金项目] 2020年度唐山学院博士创新基金(1402002)
  [作者简介] 段秀芝(1982—),女,河北邢台人,工学博士,唐山学院基础教学部讲师(通信作者),主要从事材料物理与化学研究;户立春(1979—),男,河北唐山人,硕士,唐山学院基础教学部副教授,主要从事磁性材料研究;徐园园(1987—),女,河北邯郸人,理学博士,唐山学院基础教学部讲师,主要从事凝聚态物理研究。
  [中图分类号] C229.29   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324(2021)41-0161-04  [收稿日期] 2020-11-22
  唐代的文学家、思想家韩愈曾在《师说》中将教师的责任描述为“师者,传道授业解惑也”,即教师的责任除了教授专业知识、解决学生困惑,还应对学生进行“传道”。当下经济社会发展迅速,教育的初心和使命显得尤为重要。“教”既上所施,下所效也;“育”是指品格的教化。2016年,习近平总书记提出的“高校思想政治工作关系高校培养什么样的人、如何培养人以及为谁培养人”的观点,把高校思政教育的重要性提升到了一个新高度[1]。教师在完成讲授学科知识的同时,还应对学生进行思想政治教育。思想政治教育的重要性有目共睹,从各学科中挖掘思政元素迫在眉睫。教育工作者应适时在专业知识这盘“菜”中加入一点“盐”——思政元素[2-4]。
  物理学包括力学、热学、光学、电学及量子物理等,而“大学物理”是面向理工科学生开设的一门必修基础课。“大学物理”的基本理论渗透自然科学的许多领域,应用于生产技术的很多部门,它是自然科学的许多领域和工程技术的基础。目的是为了培训学生的科学素养、解决实际问题和科研创新的能力,从而促进专业学习。“大学物理”还是一门以实验为基础的学科,与现实生活联系密切。在“大学物理”中融入思政元素是一项重要的课题。“大学物理”不仅涉及的知识面非常广泛,其各部分的思政元素均需教育工作者进行深入研究。在大学物理课程中进行思想政治教育的相关研究基础上[5],本文以“薄膜干涉”为例,讨论“大学物理”中的思政元素,从而培养学生正确的人生观、世界观和价值观,实现对学生的价值引领。
  一、薄膜干涉相关理论的讲解
  首先将折射率为n的均匀薄膜放入空气中,当光线垂直入射到均匀膜上时,薄膜的上表面和下表面对光线的反射光会发生干涉现象,在膜的表面能够观察到干涉图样。这两条光线的光程差为:
  其中,d为薄膜的厚度,为由于只有一条光线在被反射时产生的半波损失导致的光程差。光程差中是否包含与膜接触的介质的折射率有关。假设与膜上方接触的物质的折射率为n1,与膜下方接触的物质的折射率为n2。当n1n>n2时,光程差中不包含λ/2;当n1n2或n1>n
  1.厚度均匀的薄膜。当厚度均匀分布时,表面各点的光强相同。当用某一单色光垂直照射时,改变薄膜厚度,会看到薄膜由亮变暗,再由暗变亮,明暗交替变化。
  2.劈尖。两块厚度均匀的玻璃板,一侧接触,另一侧用圆柱形金属丝隔开。两块玻璃之间会出现劈形膜,薄膜厚度线性变化,表面呈现出明暗相间的直条纹,条纹均匀分布。当下玻璃板不动,上玻璃板向上缓慢移动时,会看到条纹向棱边方向移动,条纹间距不变;当下玻璃板不动,上玻璃板绕着棱边逆时针旋转时,条纹会向棱边方向移动,条纹间距变小。
  3.牛顿环。一块平凸透镜和一块平板玻璃互相接触,两者之间会出现一层膜,薄膜厚度呈非线性变化,牛顿环装置表面会呈现出明暗相间的圆环,内疏外密。当下方的平板玻璃不动,上方的平凸透镜缓慢向上移动时,明暗相间的圆环会向中心汇聚。
  上述干涉属于等厚干涉,薄膜厚度相同的点的轨迹是同一级条纹。在劈形膜中,如果构成劈形膜的一块玻璃板是平整的,可通过干涉条纹的形状来判断另一块玻璃是否平整。如果能观察到明暗相间的直条纹,说明另一块玻璃是平整的。如果发现条纹存在弯曲,则在弯曲位置有瑕疵(存在凹陷或凸起)。同样,也可以采用牛顿环装置中的薄膜干涉来检测平凸透镜的质量。透射光线也能够发生干涉现象,透射出的两条光线的光程差与反射出的两条光线的光程差相差半个波长,相遇后两个分振动叠加之后的光强与反射光的光强互补,这是能量守恒的一种体现。当光线的斜入射到膜的上表面时,会出现等倾干涉,入射角相同的光线被薄膜的上下表面反射后,干涉叠加之后的点的轨迹是同一级谱线,其干涉图样是明暗相间的圆环。
  二、课程思政元素的探讨
  考虑到科学家发现薄膜干涉的过程、薄膜干涉的特征及其与现实生活中的联系,我们从物理学史、物理之美及薄膜干涉的应用三个方面,对思政元素进行挖掘。
  (一)引入物理学史
  光的本性是光学研究中的重要方面。早在公元前388年,我国的《墨经》中就记载了一些光学现象,如:影子是如何形成的;光的直线传播;光的反射特性及平面镜、凹透镜和凸透镜反射成像等。此外,墨家解释了为什么能够看见周围的物体,相关描述为:人依靠眼睛见物,而眼睛依靠光见物。《墨经》是两千多年前一部伟大的光学著作,可见我国的学者在很早之前就对光的特性进行了研究。
  西方学者也对光学进行了研究,在19世纪以前,牛顿提出的“微粒说”比较盛行,此学说认为组成光的微粒沿直线传播。随着对光学的进一步研究,人们发现有的现象无法采用光的直线传播来解释,如:干涉和衍射现象,而波动光学能够对此现象进行解释。英国科学家托马斯·杨在这个方面做出了巨大贡献。他从小就聪慧好学。17岁时就已精读过牛顿的力学和光学著作。尽管他是一名医生,但对物理学有着深入地研究。他在研究眼睛接受不同颜色的光时,对光的波动性有了进一步认识,于1801年成功地解釋了光的干涉现象,既“当同束光的两部分从不同的路径,精确地或非常接近地沿同一方向进入人眼,则在光线上的路程差是某一长度的整数倍处,光强最强,而在干涉加强之间的中间带则最弱,这一长度对于颜色不同的光是不同的。”这为进一步研究干涉现象奠定了基础。尽管后来科学家们通过深入研究,发现光不仅具有粒子性,还具有波动性,出现了量子光学,并且量子光学具有许许多多的应用,如:激光技术和显示技术等,但英国科学家托马斯·杨在波动光学中的贡献依然很重要,他坚持不懈、努力钻研的品质值得我们学习。通过介绍光学方面的物理学史来激发学生的学习兴趣。从我国对光学的研究来介绍这部分内容,体现出中华民族自古以来就是努力奋斗、拼搏进取的民族,这种民族精神需要青年一代传承。强调他们肩负责任的重要性,这不仅有利于培养学生的民族意识,增强学生的爱国主义精神,而且有助于学生成长为有担当、有责任感的社会主义建设者。   (二)阐述物理之美
  物理之美包括现象之美、理论描述之美和理论结构之美。现象之美是现实生活中或实验中呈现出的美。在日常生活中,我们会观察到绚丽的彩虹、广阔的蓝天、洁白的雪花等。在做物理实验时,我们会观察到明暗相间的条纹。理论描述之美是物理规律体现出的一种美感,如:万有引力定律、热力学定律、欧姆定律及能量守恒定律等。理论结构之美是指理论具有漂亮的数学结构,如:麦克斯韦方程组和薛定谔方程等。下面来讨论薄膜干涉中的物理之美及其蕴含的物理本质。在引入物理学史之后,讲授“薄膜干涉”理论知识之前,列举一些与“薄膜干涉”相关的现象,给学生展示一些相关的图片,如:五颜六色的贝壳,颜色深浅不一的蓝紫色的蝴蝶,阳光下五颜六色的肥皂泡,几张在圆环上呈现出彩色条纹的肥皂膜。这些美丽的图片能够引起学生的注意。再说明这些美丽现象需要采用“薄膜干涉”的相关理论来解释。这有利于学生集中精力来学习理论知识,同时使学生认识到“大学物理”中的“现象美”。这些现象背后蕴含着抽象的本质,从而上升到哲学层面。使学生意识到“大学物理”与哲学存在着一定的联系。观察蝴蝶翅膀的颜色时,从不同的角度观察,看到的颜色不同,与“横看成岭侧成峰”异曲同工。在“盲人摸象”的寓言故事中,每个人只摸到了大象的局部特征,由于结论不同而发生争执,虽然每个人得出的结论不能说完全错误,但肯定不够全面,谁也不能描述出大象的全部特征。由此联想到从不同的角度观察事物,得出的结论不同。启发学生从不同的角度看待事物,全面思考问题,避免得出片面的结论。在与人交往的过程中,从双方角度对问题进行思考,避免陷入死角,达到提升学生的思维层面深层次教学效果,培养学生健全的人格。
  能量守恒在物理学的各个方面均有体现,如:质点力学中的机械能守恒定律及热力学基础中的热力学第一定律等。在薄膜干涉中,透射光相干光强与反射光相干光强具有互补性,也体现出了能量守恒。能量守恒在自然界中普遍存在,在薄膜干涉中具有其特殊的内涵,是普遍性和特殊性的统一。从哲学层面对能量守恒进行讲解,使学生感受到物理理论之美。
  在薄膜干涉中,还可以向学生讲述薄膜厚度均匀、薄膜厚度线性变化到非线性变化的相关理论遵循由简单到复杂的顺序,尽管这三种情况在现象上差别很大,但在理论上是一致的,公式(1)是在托马斯·杨对干涉现象进行解释的基础上总结出来的,并以数学的形式呈现在我们面前。托马斯·杨对薄膜干涉理论的描述体现出了理论描述之美;而公式(1)是此理论在数学形式的具体描述,向我们呈现出了理论结构之美,从而引导学生体会到薄膜干涉理论由理论描述之美到理论结构之美的过渡。
  (三)薄膜干涉的应用
  工匠曾经是一个与我国老百姓生活密切相关的职业,各类手工匠人,如:铁匠、木匠、裁缝等在传统生活中传承着精湛技艺、宝贵的精神品质、高尚的职业道德。随着社会的发展工匠精神具有了新的内涵,包含精益求精、专注和创新等方面的内涵,同时也是坚持不懈、实事求是及爱岗敬业等职业道德的表现,是每个人都应该追求的新境界。中国古代工匠精神的代表人物有很多,如:发明了造纸术的蔡伦、制造了木工手工工具的鲁班和发明了皮鞋的孙膑等,这种工匠精神得到了传承。当代中国,钳工胡双钱仅用一双手和一台传统的铣钻床锻出了孔的精度为0.24毫米的零件,此精度的工作一般靠数控车床来完成;电焊第一人高凤林能够为火箭焊接发动机,焊点的宽度仅2.16毫米,完成焊接的时间误差仅0.1秒。他在30多年里攻破了200多个难题,焊接了90多个发动机,为我国航天事业的发展做出了巨大贡献。高凤林还是全球级电焊工,他曾被诺贝尔奖获得者邀请参与反物质探测器的焊接,并出色解决了世界级难题;美国生产航天仪器时曾邀请他去焊接;2014年,他在德国发明展会议上拿到了3个金奖。在大学物理的教学过程中,可适时向学生言传身教工匠精神的本质及其重要性。
  薄膜干涉的应用包含许多方面,如:在镜头表面镀上一层介质膜能够实现增强反射光强或增强透射光强的作用;采用劈尖干涉检查平面的平整程度;采用牛顿环干涉能够检測透镜的质量;采用迈克尔逊干涉仪能够测量微小的长度等。可通过讲授薄膜干涉的应用,使学生了解到物理知识可用于日常生产生活当中,并没有脱离实际。强调在检查平面的平整度时能够检查出微小的瑕疵,采用迈克尔逊干涉仪能够测量出微小的长度,从而在“大学物理”教学过程中渗透工匠精神。使学生在学习过程中注重细节,在学习上追求完美和极致,挖掘新思路,以获得新突破。在做“大学物理”习题时,考虑到每个步骤及步骤之间的衔接,避免解答过程缺少步骤的情况。并尝试采用多种方法来解答,拓宽思路,沉浸在学习的乐趣中,激发出自身的学习兴趣。将这种学习习惯与思维方式延续到以后的工作之中,牢记工匠精神,做到爱岗敬业、吃苦耐劳,践行社会主义核心价值观;具有精雕细琢、精益求精的优良品质;具有坚持不懈的精神,对职业具有责任感;与时俱进、善于创新。在岗位上作出成绩,从而为我国的社会主义建设贡献力量。综上,我们从“大学物理”薄膜干涉中挖掘了一些思政元素,并将其融入讲授大薄膜干涉相关知识教学中。上述思政元素的融入方式是自然而然的,不会使学生感到生搬硬套,没有突兀感,能够达到润物细无声的教学效果。
  三、结论
  本文以薄膜干涉为例,讨论了怎样在“大学物理”课程中融入思政元素,所讨论的思政元素主要包括从科学家的研究过程中学习勤奋好学的优良品质;从美丽的现象中挖掘其背后的本质,了解到自然科学和哲学之间的联系,这在现实生活中具有重要的指导意义,还进一步阐明了薄膜干涉中的理论描述之美和理论结构之美,从哲学层面对相关理论进行了详细地描述;通过强调薄膜干涉可应用于检测平面是否平整引入工匠精神,培养学生精益求精和勇于创新的优良品质,使学生在以后的工作中具有工匠精神。在“大学物理”课程的讲授过程中,适时进行思想政治教育,实现在传授大学物理知识的同时,培养学生正确的世界观、人生观和价值观的教学目标,使学生将来为社会主义现代化建设服务。   參考文献
  [1]习近平.把思想政治工作贯穿教育教学全过程 开创我国高等教育事业发展新局面[N].人民日报,2016-12-09(1).
  [2]夏雄平,曹雪丽,卓亚琦,等.“大学物理”课程教学中的思政教育探究[J].科教导刊(上旬刊),2018(34):113-114.
  [3]王文文.充分发挥大学物理公共课程的育人功能[J].中国高等教育,2019(6):48-50.
  [4]王秀敏.大学物理课程教学中课程思政的探索与研究[J].科技资讯,2019(16):167+169.
  [5]吴钊峰,李志军,张冬波.大学物理中力学部分“课程思政”研究[J].新疆师范大学学报(自然科学版),2020(39):62-66.
  Study on the “Curriculum Ideological and Political Education” in the Course of College Physics: Taking “Film Interference” as an Example
  DUAN Xiu-zhi, HU Li-chun, XU Yuan-yuan
  (Department of Basic Education, Tangshan University, Tangshan, Hebei 063000, China)
  Abstract: College Physics is a compulsory basic course for science and engineering university students. Introducing ideological and political education elements to College Physics is of far-reaching significance. This paper takes “film interference” as an example, firstly describes the relevant theoretical knowledge, and then elaborates the ideological and political education elements. Students’ diligent and studious learning quality can be cultivated by explaining the story of Thomas Yang. It is important to make student realize the beauty of physics in terms of phenomenon, theoretical description, and theoretical structure. We describe the theory from philosophical aspect furthermore. Besides, the “craftsman spirit” has been introduced through describing the application of film interference and students are taught by teachers’ words and deeds. We aim to realize the goal of “building morality and cultivating talents” by integrating ideological and political education elements into College Physics teaching.
  Key words: College Physics; “curriculum ideological and political education”; “film interference”; “building morality and cultivating talents”
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