课程思政在近代物理实验课程...子验证相对论效应”实验为例_谢承峰.pdf

第 35 卷第 6 期大学物理实验Vol35 No62022 年 12 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEDec2022收稿日期:2022-06-24*通讯联系人文章编号:1007-2934(2022)06-0147-05课程思政在近代物理实验课程教学中的探索 以“用快速电子验证相对论效应”实验为例谢承峰1，明月1，唐吉玉1，2*(1华南师范大学 物理与电信工程学院，广东 广州 510006;2华南师范大学 物理学科基础课实验教学示范中心，广东广州510006)摘要:课程思政是以立德树人为根本任务的教育理念与教育实践，是新时代党和国家对高等教育提出的新要求。本文首先探讨课程思政的内涵，然后以“用快速电子验证相对论效应”实验为例，提出在近代物理实验课程中实施课程思政的具体策略及实践应用，其中涉及多个教学环节和教学内容，深入挖掘实验项目的思政素材。最后，本文总结课程思政在近代物理实验课程五个环节中发挥的作用，并对该课程的“教书”和“育人”功能提出期望。关键词:课程思政;近代物理实验;教学案例;相对论中图分类号:G 642423文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-12282022060302016 年 12 月，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上明确指出“要用好课堂教学这个主渠道，其他各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”1。2018 年，习近平总书记在全国教育大会上指出:“要努力构建德智体美劳全面培养的教育体系，形成更高水平的人才培养体系。要把立德树人融入思想道德教育、文化知识教育、社会实践教育各环节，贯穿基础教育、职业教育、高等教育各领域，学科体系、教学体系、教材体系、管理体系要围绕这个目标来设计，教师要围绕这个目标来教，学生要围绕这个目标来学”2。依据国家政策，高校需要坚持将“立德树人”作为立足点，积极、有效地把课程思政贯穿到教育教学全过程中。“近代物理实验”是物理专业学生必修的专业基础课程，也是其他理工科的有关专业学生的选修课程。该课程涉及的知识面很广，有利于培养学生的动手能力、协作精神和创新意识，并有助于学生开阔眼界、了解物理学史3。因此，如何将课程思政融入近代物理实验的教学过程中，成为了一个值得探讨的课题。1“课程思政”的内涵“课程思政”是以立德树人为根本任务的教育理念与教育实践，其对象是非思政课程，目标是提升育人功效，方法是非思政课程中思政元素的激活与融入4。这说明“课程思政”需要在学生的专业知识的学习和实践中，帮助学生树立科学的世界观、人生观和价值观，为学生未来的生活奠定坚实的思想基础，培养德才兼备的社会主义建设者和接班人。笔者认为，“课程思政”的具体建设内容包括但不仅限于以下三个方面:(1)深度挖掘实验项目背后所蕴含的科学精神与人文素养，如严谨治学、持之以恒、创新思维、爱国奉献等;(2)教师要在教学过程中激发学生主动学习和鼓励学生独立思考、注意知识逻辑、因材施教，从而有意、有机、有效地对学生进行思想教育和智慧启迪4;(3)“课程思政”要在不改变课程本质属性和保持教学连贯性的基础上，在教学过程中融入德育元素和资源，思政要素的引入不应显得突兀，而是春风化雨、润物细无声地渗入科学精神和人文素养，传播思政文化，弘扬马克思主义学风。笔者希望能为国内高校的近代物理实验课程的教学工作提供些许参考和建议，下文将以我国大多数高校的近代物理实验课程中开设的“用快速电子验证相对论效应”实验为例，详细介绍将“课程思政”融入高校物理实验教学的实施方案。2课程思政融入近代物理实验课程的策略21明确实验教学的专业目标在近代物理实验课程中开展课程思政是希望实现专业知识和思政元素的有机融合，在深入挖掘思想政治元素的同时也需要保证课程专业内容的教学质量，因此教师需要明确教学的专业目标并围绕目标开展课程思政。“用快速电子验证相对论效应”实验是一个检验相对论力学关系的实验，通过对快速电子的动量及动能的同时测定来检验动量与动能之间的相对论关系，同时，从中学习有关磁谱仪测量原理，闪烁记数器的使用方法及一些实验数据处理的理想方法5。其专业目标主要包括:(1)了解和掌握相对论中的一些基本概念和基本原理;(2)了解平面半圆形聚焦 谱仪的工作原理和实验方法;(3)通过对快速电子的动量值和动能值的测定，验证动量和动能之间的相对论关系。22挖掘实验背景中的思政元素相对论是现代物理学的两大支柱之一，颠覆了经典力学时空观，使整个自然科学进入了一个崭新的阶段，同时爱因斯坦在创立相对论过程中所表现出的科学精神和科学态度也值得人们推崇和学习。庞加莱、洛伦兹等当时最杰出的物理学家实际上已经徘徊在相对论的“门前”，但由于思维的局限性，导致他们未能向前迈出关键的一步。而爱因斯坦的大胆突破则充分体现了科学家应具备的创新精神:一，摒弃“以太”学说 思维创新;二，否定牛顿力学的绝对时空观 思维创新;三，提出狭义相对论的两个基本原理 理论创新;四，由两个基本原理导出洛伦兹坐标变换式 方 法 创 新;五，创 立 相 对 论 归 纳创新6。另外，爱因斯坦创立相对论的过程还体现了尊重实验成果的科学态度和追求真理的科学精神等思政元素。笔者认为，在介绍“用快速电子验证相对论效应”的实验背景时需要向学生传达相对论创立过程中爱因斯坦的科学态度和科学精神，启发学生的创新性思维和培养学生的科学发展观。23突出科技重要性，让爱国主义融入实验课堂在介绍相对论应用中，可以通过“银河号”事件和北斗卫星导航系统，让学生明白在科技领域的“卡脖子”问题是亟待解决的，并顺势介绍我国北斗卫星导航系统所取得的突出成就和国际贡献，还可以讲述中国科学家研发北斗系统过程中体现的奉献精神和民族智慧，帮助学生树立民族自信和文化自信，并倡导学生掌握理论知识，为科技兴国和民族复兴贡献一份力。除北斗系统外，新中国成立之初研发核武器的艰辛过程中也蕴含了许多的思政元素。钱学森、邓稼先等科学家放弃国外优越的条件，不顾阻挠依然回国建设，为我国核武器事业做出了巨大贡献。黄旭华、于敏等先辈隐姓埋名三十载，寂然无名，在环境艰苦的戈壁滩为祖国事业倾尽心血。通过弘扬老一辈物理学界献身祖国、艰苦奋斗的精神，点燃学生的民族自豪感和激发学生科技报国的意志。3课程思政在教学中的实践应用31精心做好实验准备工作教师在上课之前精心准备实验环境，确保实验场地干净整洁，设备运转正常，仪器摆放规整，并提早在实验室等候，这在学生看来是教师以身作则的表现，展现了教师一丝不苟、精益求精的工作态度。实验前，教师可要求学生事先做好预习报告否则会有相应惩罚，以此培养学生养成提前预习的学习习惯;还需向学生说明实验室的规章制度，强化学生的安全规范操作意识，并告诫学生实验结束后需关闭电源、整理仪器、保证实验场地整洁，从而培养学生守纪律、讲规矩的良好品德。841大学物理实验2022 年32相对论的创立背景讲述在讲解实验原理前的序言部分或者课堂引入环节，可以详细讲述相对论的创立背景以激发学生的学习兴趣和拓宽学生的知识储备，并带领学生一起学习爱因斯坦的科学态度和创新精神。在 19 世纪，麦克斯韦电磁理论认为传播光和电磁波的介质是“以太”。“以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，并具有机械力学的性质，它是绝对静止的参考系，一切运动都相对于它进行。这样，电磁理论与伽利略变换和相对性原理取得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为当时的物理学界所认同并接受，但并没有实验证据证明“以太”存在7。1887 年的迈克尔逊-莫雷实验的零结果宣告了寻找“以太”失败，此后许多科学家提出各种假说理论企图解释迈克尔逊-莫雷实验的零结果，并做了大量工作来拯救“以太”8，而爱因斯坦则大胆摒弃了“以太”理论。爱因斯坦接受了奥地利物理学家马赫的思想，即“凡不能由实验证实的概念和陈述，都不应在物理学中占有任何地位”，于是他抛弃当时物理学家们坚守的“以太”理论，否定绝对参考系的存在，修改伽利略变换，并提出狭义相对论的两个基本原理:相对性原理和光速不变原理，采用洛伦兹时空变换来协调相对性原理与电磁理论7。1905 年 6 月，爱因斯坦发表了狭义相对论的奠基性论文 论动体的电动力学，提出了新的时空观念，成为经典物理学的颠覆者。此后爱因斯坦继续钻研、致力于将相对论推广至非惯性系，于1915 年完成广义相对论，并在次年正式发表。至此，爱因斯坦成功创立相对论。在相对论这种突破性理论的创立过程中，面对迈克尔逊-莫雷实验的结果，大多数科学家坚信没有实验依据的“以太”理论、抱着传统时空观不放，而爱因斯坦未拘囿于已有的概念和理论，根据实验事实而大胆突破了传统思维模式的禁锢、勇于质疑绝对的时空观，最终能在科学上取得开创性的突破。他尊重实验成果的科学态度以及批判性的创新思维都极大地影响着后来的科学家们。一百多年来，爱因斯坦的相对论几乎得到所有天文观测和实验的支持，为了庆祝爱因斯坦在1905 年首先发表的关于狭义相对论的传奇论文100 周年，2005 年已被称为“世界物理年”。相对论的创立故事深刻的启示了，事物的关键性突破需要的不是墨守成规的附庸者，而是追求真理不断创新的开拓者。另外，正是由于迈克尔逊-莫雷实验的零结果与“以太”理论的矛盾，爱因斯坦才能推陈出新、最终实现电磁理论与经典力学理论统一的综合创新。可见事物的变化和发展是由矛盾驱动的，矛盾是事物发展的源泉与动力，旧理论所蕴含的矛盾往往为创立新理论提供出发点。这就是辩证唯物主义的对立统一规律，启发在未来的学习和生活中，要相信眼前的困难和矛盾正是黎明前的黑暗，敢于正视它们，因为解决问题的突破性进展就隐藏在这些矛盾之中。正如爱因斯坦所说:“通向人类真正伟大境界的道路只有一条 苦难的道路。”33相对论实际应用的介绍和拓展由于日常生活在宏观低速的世界中，相对论效应无法体现，所以学生可能会对学习相对论的目的感到不解，教师可通过相对论的时空效应和质能关系在卫星导航系统、原子弹、粒子加速器等例子中的应用来阐述学习相对论的重要性。其中可以具体讲解早已深入人们生活的卫星导航系统，除了讲授 GPS 导航的定位原理、时钟延缓效应外，还可以引申 1993 年的中国“银河号”事件 中国“银河号”货轮正常行驶到印度洋公海时，货轮导航系统因美国关闭“银河号”货轮附近的 GPS 信号而失灵，导致货轮无法继续航行而受困于万里外的大海长达 33 天，无奈下中国只好接受了美国无理的登船检查要求9。另外，自 19世纪末的海湾战争开始，卫星导航系统的战略地位与日俱增，所以中国决定:无论付出多大代价，都要建立自己的导航系统，也就是北斗卫星导航系统。通过实例让学生明白，拥有自主建设研发的卫星导航系统对国家的经济社会发展和公共安全是何等重要，正如习近平总书记所说:“真正的大国重器，一定要掌握在自己手里”，从而激发学生的报国斗志和学习热情。并顺势向学生介绍我国北斗系统的研发历程及取得的重要成就，让学生941第 6 期谢承峰，等:课程思政在近代物理实验课程教学中的探索从中体会中国科学家献身科学、爱国奉献的精神和中华民族睿智勤奋、勇于探索的品质，培养学生对中国科学技术发展史的了解和认同，激发民族自豪感和社会责任感。34实验过程指导341定标和抽真空实验过程中进行定标操作时，学生们一般会有疑惑:两点就可以确定一条直线，为什么不是测量两组数据来进行定标而是要测量三组数据?这是因为两点连成的定标直线可能会导致拟合数据和实际偏差较大，因此需要第三个点来矫正误差，以三组数据确定的定标直线可以有效降低实验误差。另外，学生们也往往会遗忘对真空室进行抽真空，导致电子出射后会和空气分子发生碰撞损失能量，造成较大的实验误差。针对以上两点，教师需要在实验过程对学生进行提醒和指导。在解释“测量三组数据来定标”和“抽真空”操作的原因的同时，教师还需教导学生不可贪图方便而省略看似“无用”的实验操作，这可能会大大影响实验结果的置信度，帮助学生建立严谨务实的治学精神。342测量60Co 的 能谱在测量60Co 的 能谱时，若需 133MeV 光电峰的峰顶计数达