在大學物理力學中的課程思政實踐

1、在大學物理力學中的課程思政實踐摘 要 課程思政建設是為了在尊重課程自身建設規(guī)律的前提下，實現價值引領、知識傳授、能 力培養(yǎng)三位一體的課程目標&課程思政建設和課程質量提升的內在目標應是一致的& 我們以大學物理A：力學”課程中變質量體系和角動量守恒定律的教學實踐為例，對 教學內容深化、拓展，結合中國火箭技術發(fā)展和矢量發(fā)動機研制成果以及在脈沖星導 航技術研究方面的探索，把課程思政教育自然融入專業(yè)教育&無論在知識內容的深度 和廣度上，還是在知識內容實際應用的感性認識方面，課程質量和育人效果都得到了 明顯提升，實現課程思政教育和課程質量相互促進、相得益彰&關鍵詞課程思政；大學物理；力學；變質量體系；角動

2、量守恒定律IMPROVEMENTS IN BOTH VALUES EDUCATION ANDQUALITY OF TEACHING：TEACHING Practice IN University Physics MechanicsAbstract Taking the mass variable system and the law of conservation of angular momentum as two examples, in this paper we show the improvement in both values educat i on and quality of

3、 teaching by deepening and wddening the knowledge and with the developments and acheve- ments in rocket technology, the research progress on thrust vector control engines, and the pioneering explorations in pulsar navigation as wel l in China.Key words values education； university physics； mechanics

4、； mass variable system； law of conservationof anguar momentum1 課程思政建設的總體思路課程思政建設是在尊重課程自身建設規(guī)律的 前提下，在實現課程的知識傳授、能力培養(yǎng)等基本功 能的基礎上,挖掘并凸顯其價值引領功能。實現“價 值塑造、能力培養(yǎng)、知識傳授”三位一體的育人目標。人們只有正確認識世界以及自身在世界中的 作用，才能樹立正確的世界觀、價值觀和人生觀& 物理學觀念包括物質觀念、運動觀念、相互作用觀 念、能量觀念，這些觀念是認識世界的核心觀念& 通過物理教學，培養(yǎng)學生正確的世界觀，是物理學 科本身的特點，也是物理學科的優(yōu)勢&物理教師

5、應當發(fā)揮這一優(yōu)勢，把對學生辯證唯物主義世界觀 的培養(yǎng)融匯到教學實踐當中去。例如，世界是物質 的,物質是運動的，運動是有規(guī)律的，規(guī)律是可以認識的,認識是發(fā)展變化的。這些都是辯證唯物主義 世界觀，也是物理教學中的基本觀點。但是僅僅做 到這一點還不夠，除了傳授知識、培養(yǎng)能力以外，課 程思政還可以在人文精神、家國情懷、科學規(guī)范、學 術道德等方面進一步實現課程的價值引領功能。具體來說，可以通過三個方面開展課程思政 教育第一，介紹相關學科的發(fā)展歷史，從發(fā)展的 角度幫助學生建立正確的世界觀、科學觀，傳播辯 證唯物主義思想;第二，通過科學家的故事開展勵 志教育，弘揚科學精神第三，結合國家的重大科 技發(fā)展成果，

6、增強民族自信和民族自豪感，激發(fā)愛 國主義情懷2課程思政元素的挖掘與大學物理力學課程建設思政元素的挖掘是在大學物理A：力學課 程思政建設團隊集中研討、集中備課過程中確定 的。團隊成員分別準備素材、集中備課討論。這 些內容已做成PPT教案供相關課程選用，以輻射 到更多的課程和學生。力學知識單元模塊對應的 課程思政元素及具體內容如表1所示。表1大學物理A：力學知識單元模塊與對應的課程思政元素知識單元模塊課程思政元素通過講述物理學史、力學史，使學生熱愛科學、熱愛物理、勇于創(chuàng)新。 質點運動學2.建立正確的物質觀念、運動觀念、相互作用觀念和能量觀念, 逐步形成正確的世界觀。從空間研究、時間研究、科學方 法

7、、邏輯思維等四個方面介紹 伽利略對科學和現代科學研究續(xù)表課程思政元素知識單元模塊角動量、角動量定理與角動量守恒定律萬有引力定律在介紹自然界中脈沖星形成過程 及其形成過程中的角動量守恒的 基礎上，介紹我國在脈沖星導航 技術方面開展的開創(chuàng)性研究，增 強學生民族自信和民族自豪感， 并讓學生了解脈沖星導航技術還 有許多需要攻克的技術難點，弘續(xù)表課程思政元素知識單元模塊角動量、角動量定理與角動量守恒定律萬有引力定律結合科學家開普勒的故事，開 展勵志教育，弘揚科學精神介紹我國科學家羅俊院士團隊 幾十年持之以恒，在萬有引力 常量精確測量研究方面作出的 出色成果，他們的測量精度達 到國際最好水平，為提升我國

8、在基礎物理學領域的話語權、 為物理學界確定高精度的引力 常量的推薦值做出實質性的貢 獻，增強學生民族自信和民族 自豪感%.介紹我國月球探測工程以及 2019年實現嫦娥四號在月球背 面軟著陸，中國成為第一個實 現衛(wèi)星在月球背面軟著陸的國 家,標志著我國從航天大國邁向 了航天強國?！拔矣孙L歸去） “可上九天攬月”在中國的大地 已經成為現實。增強學生民族 自豪感，激發(fā)學生的愛國情懷4.介紹我國引力波探測研究計劃 和進展，激發(fā)學生的愛國情懷。方法的貢獻，使學生具有追求、牛牛頓運動定律探索、捍衛(wèi)真理的科學精神。批判牛頓其人和牛頓的絕對時空觀，倡導唯物辯證法的一分 為二的觀點，體會科學是不斷發(fā)展的，進而

9、培養(yǎng)學生的質疑 和創(chuàng)新意識。介紹中國火箭技術的發(fā)展。在對教學內容深化、拓展的基動量、動量定理和礎上，介紹我國矢量發(fā)動機研動量守恒定律制成果。使學生了解我國航空航天技術的發(fā)展，激發(fā)學生的課程思政教育內容和專業(yè)教學的內容必須做 到有機結合、自然融入；做到相輔相成、相得益彰 則更好；引起共鳴、撥動心弦則是課程思政的最高 境界教師的課堂講授要能夠吸引學生，啟迪學 生教師的人格魅力是課程思政教育具有說服力 的關鍵和保證做到這些，專業(yè)知識教育和課程 思政教育都會令人印象深刻，課程思政的成效也 會水到渠成因此，課程思政建設與課程質量提 升的內在目標是一致的在課程思政建設中必須 堅持專業(yè)知識與育人元素交織交融

10、，實現“教書） 與“育人的相互促進、雙向提升3課程思政在具體力學教學中的實踐舉例3.1變質量系統(tǒng)“大學物理A：力學”變質量體系具體選取火 箭發(fā)射過程開始講授$對于這樣的體系，通過適 當的推導，可得其動力學方程為 TOC o 1-5 h z n # d P 寸廠. dS/ r、M ( 2 F e:ci + S/ (1)dzJdi其中M為火箭在時刻G的質量為火箭相對于 慣性參考系的速度，2 Fmg為火箭所受所有外力 矢量和次/為從箭)向外噴射的物質相對于箭體 的速度$為了幫助學生理解和記憶公式(1)1,先 討論一種特殊情況：如果沒有物質噴射，則箭體質量不變，公式會 回到牛頓第二定律F=ma的形式$

11、由此可見公 式(1)的右側第二項為因箭體噴出物質而獲得的 額外的力，該力可能是推力也可能是阻力，但是力 的方向必與噴出物質相對箭體的速度方向相反， 因為m為負值$接著作為例題分別討論不考慮任何外力和外 力只有重力的情況。通過分離變量法解微分方程 (1)，可得外力只考慮重力情況下火箭這一變質量 體系豎直向上發(fā)射時刻G的速度公式(2)9gt + v#n(M)(2)其中g為重力加速度$ M)和Mt分別為發(fā)射初始 t = 0時刻和t時刻的體系質量$一般教科書或課堂講授變質量體系的動力學 往往到此為止$雖然知道了火箭的發(fā)射過程中速 度如何變化，但是對于實際火箭質量有多大，最終 獲得多高的速度，特別是我國

12、發(fā)射的火箭的諸多 參數依然不甚了了$而這正是體現思政教育的大 )時機$因此在這里我們將教學非常自然地過渡 到介紹我國航天事業(yè)的發(fā)展歷程$中國是火藥的故鄉(xiāng)，煙花爆竹可以認為是原始 的噴氣式火箭。長征一號是我國第一枚三級運載 火箭，起飛質量M)為81.5噸，起飛推力約100噸， 1970年把300公斤的人造地球衛(wèi)星“東方紅一號” 送入近地軌道。進入新世紀后，中國火箭運載能力 得到大幅提升，長征五號火箭起飛時推力達到1060 噸。2018年發(fā)射次數超越美國位列世界第一。 2020年7月23日長征五號火箭搭載“天問一號”火 星探測器在海南文昌發(fā)射成功。這樣自然融入思 政元素，不僅增強了學生對課堂所學知

13、識實際的掌 (程度，而且還激發(fā)了學生的民族自豪感，增強了 民族自信心;很好體現了課程思政教育的效果。為了促進學生的發(fā)散;思維，拓展知識的深 度和廣度，滿足優(yōu)秀學生深入學習的要求，在以火 箭為例講解變質量體系時，還可以進一步提出一 系列問題啟發(fā)學生討論、思考$如假設火箭有多 個噴口，各個噴口同時噴射的總推力如何計算$ 又如對于多發(fā)動機的噴氣式飛機，飛行時吸入機 外空氣，與汽油混合燃燒后噴出氣體獲得動力；這 時候既有物質吸入，又有物質噴出，凈推力又該如 何計算？此時我們向學生強調說明，在這種情況 下公式(1)已經不再適用，需要對其修改，改成可 以推廣的形式，推廣到有多個吸入口和噴口吸入 或者噴出物

14、質的情形$設單位時間體系某噴口噴出物質的質 量為az，噴出物質相對體系的速度為！2，則可將公 式(1)改寫為公式(3)M ( 2 F.t + ()a2 s)(3)改寫后的公式(3)可以推廣到多個噴口的情 形，即公式(4)M ( 2 + mg + 2 ()a2,)(4)上式最右邊一項對所有噴口累加，每個噴口 因噴出物質而獲得的力的計算在形式上完全一 樣，因為它們的作用地位都是等同的$這也體現 了利用對稱;分析和解決物理問題的基本思想$公式(1)也可以推廣到吸入物質的情 形$設單位時間體系從噴口吸入物質的質量為 a1，吸入物質的相對速度為！1，則公式(1)改寫為M ( 2 + mg + a1 s(

15、5)推廣到多個噴口吸入物質情形，即M ( 2 + mg + 2 a*(6)上式最右邊一項對所有吸入口累加$因此，多個噴口噴出或吸入口吸入物質的情 形下，變質量體系的動力學方程為M d = 2 FMt + 2 ()a2,) + 2 (a* !* )( 7 ) 其中最右邊的兩項表示多個噴口、吸入口以不同 速度噴出和吸入物質時的靜推力。如前所述，噴氣式飛機飛行時，吸入機外氣 ），氣體與汽油燃燒后噴出氣體獲得動力。但是， 一般噴氣式飛機噴出的氣體相對于機身的速度方 向是固定的，即動力方向相對于機身不變如果 飛機發(fā)動機噴出氣體相對于機身的方向可以改變 則稱為矢量發(fā)動機，其噴出氣體的動力方向和形 成的力矩

16、均可調矢量發(fā)動機又可以分為二元和 三元矢量發(fā)動機二元矢量發(fā)動機噴口方向可以 上下偏轉，三元矢量發(fā)動機噴口方向可以上下左 右偏轉矢量發(fā)動機可以極大地提高飛機的機動 ;在教學實踐中可以穿插介紹我國在矢量大推 力發(fā)動機方面的研發(fā)成果課堂上組織學生觀看 2018年珠海航展時裝備矢量大推力發(fā)動機的國 產X-10B戰(zhàn)機表演“眼鏡蛇機動”“落葉飄”等高） 度機動動作的視頻，幫助學生了解我國是繼美 俄之后世界上第三個掌握矢量大推力發(fā)動機技術 的國家。在課堂講授這部分內容時，學生對中國 在矢量發(fā)動機研發(fā)方面取得的成績表現出很高的 熱情和關注度，不僅幫助學生拓展了知識范圍，培 養(yǎng)了他們發(fā)現問題、解決問題的能力，也

17、很好地激 發(fā)了學生的愛國主義情懷以及敢于創(chuàng)新、勇攀高 峰的科學精神。如果不講中國火箭技術的發(fā)展和矢量發(fā)動機 研發(fā)的內容，對變質量體系動力學方程的理解無論 從深度、廣度以及感性認識上都不夠到位，課程講 解也沒有特色，缺乏理論聯(lián)系實際。變質量體系的 教學使我們認識到，課程思政教育與課程質量提升 能夠做到并且應該做到相互促進、相得益彰。3.2角動量守恒定律在大學物理力學的知識點中，角動量守恒定 律是一個非常重要的概念。在課堂講解這部分內 容時，通常會利用許多演示實驗加強學生對角動量 守恒定律的直觀和深刻的理解。那么在自然界中 有沒有天然的角動量守恒系統(tǒng)的例子呢？脈沖星 形成過程中的角動量守恒就是一個

18、很好的例子。當恒星到達其壽命周期的盡頭時由于引力和 聚變的輻射壓不能維持平衡，恒星會發(fā)生坍縮，質 量為太陽質量1*倍以上的恒星，其核心由中子 組成，稱為中子星。坍塌使得中子星半徑廣大大 減小，因而轉動慣量1= （2/5）Mr2大大減小。根 據角動量守恒）=常量，中子星轉動的角速度） 會大大增加。中子星的磁場可以束縛電子，高（ 旋轉的電子在切線方向輻射能量。于是，在地球 上的觀察者可以接收到周期性的脈沖信號。所 以，高速自轉的中子星又稱脈沖星。1967年8月，劍橋射電天文臺的女研究生貝 爾在記錄紙帶上察覺到一個奇怪的“干擾”信號! 經多次反復鉆研，她成功地認證：地球每隔1.33 秒接收到一個極其

19、規(guī)則的脈沖。進一步的測量表 明，這個天體發(fā)出脈沖的頻率精確得令人難以置 信。接下來，貝爾又發(fā)現了另外3個類似的脈沖 信號源，排除了外星人信號的可能性%3&。許多人 認為，貝爾在發(fā)現脈沖星的過程中起到了關鍵的 作用?？墒?，1974年的諾貝爾獎沒有授予貝爾, 只授予了她的導師休伊什，這樣的失誤是難于原 諒的，人們對諾貝爾獎委員會授獎前的調查欠周 密提出了批評。這個至高無上的學術獎勵也出現 如此嚴重的問題，提醒我們學術嚴謹、學術規(guī)范以 及學術道德必須時刻（記心間，這樣才能使我們 的科研之路走得更遠。脈沖星是恒星核能耗盡后的一種遺骸，屬于 高速自轉的中子星，由于角動量守恒，其自轉周期 極其穩(wěn)定，尤其是毫秒脈沖星的自轉周期變化率 小到10191021 ,被譽為自然界最精準的天文時 鐘%4,5&。因此，脈沖星可以成為人類在宇宙中航行 的“燈塔”，為近地軌道、深空和星際空間飛行的航 天器提供自主導航信息服務%6&。2016年11月10 日我國發(fā)射一顆脈沖星導航試驗衛(wèi)星（XPNAV- 1）,驗證了脈沖星導航的可行;。這一次，中國不 再跟隨美歐的腳步，而要成為“第一個吃螃蟹的 人”。我們打算通過5年到10年的努力，探測26 顆脈沖星，建立