梁 敏 劉 靜 李照鑫 申慶徽 彭延?xùn)|

(山東科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院 山東 青島 266590)

1 引言

2016年12月，習(xí)近平總書記在全國(guó)高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)：要用好課堂教學(xué)這個(gè)主渠道，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].2020 年5 月，教育部頒發(fā)了《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》[2]，進(jìn)一步明確了課程思政建設(shè)的總體目標(biāo)和重點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)推進(jìn)高校課程思政建設(shè)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì).大學(xué)物理課程作為理工科學(xué)生一門重要的公共基礎(chǔ)課，能有效地提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，在高校人才培養(yǎng)中發(fā)揮著十分重要的作用.同時(shí)大學(xué)物理課程內(nèi)容中蘊(yùn)含著廣博深刻的辯證唯物主義思想，利用大學(xué)物理進(jìn)行課程思政教學(xué)具有無可比擬的優(yōu)越性和可行性，無論是對(duì)提高課程教學(xué)質(zhì)量，還是對(duì)解決“培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人”這個(gè)根本問題上，都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義.

2020年9月，為推動(dòng)全國(guó)高校教師提升教學(xué)創(chuàng)新能力、打造一流課程，中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)決定于2021年舉行首屆全國(guó)高校教師教學(xué)創(chuàng)新大賽.教學(xué)創(chuàng)新改革中一個(gè)重要的目標(biāo)是落實(shí)以人為本，強(qiáng)化人才培養(yǎng)的中心地位和本科教學(xué)的基礎(chǔ)地位，運(yùn)用先進(jìn)的教學(xué)理念，優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)，設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)新教學(xué)方法，改革考核方式，通過教學(xué)改革促進(jìn)學(xué)習(xí)革命.在進(jìn)行課程創(chuàng)新教學(xué)改革時(shí)，優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)、重塑教學(xué)內(nèi)容，又是課程內(nèi)容創(chuàng)新的重中之重.結(jié)合當(dāng)前課程思政的時(shí)代要求，教學(xué)內(nèi)容中如何有機(jī)融入思政教育，是擺在課程創(chuàng)新面前的首要任務(wù).

筆者參加了首屆全國(guó)高校教師教學(xué)創(chuàng)新大賽省級(jí)初賽，就參賽課程大學(xué)物理中選取了有關(guān)“光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)”的內(nèi)容，通過創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)中將課程內(nèi)容重塑并與課程思政有機(jī)融合，賦予知識(shí)點(diǎn)新的授課內(nèi)容和教學(xué)模式.下面以本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)為例，進(jìn)一步討論如何在課程教學(xué)創(chuàng)新中體現(xiàn)思政教育.

2 課程設(shè)計(jì)及課程思政

2.1 課程設(shè)計(jì)

“光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)”一節(jié)選自大學(xué)物理課程中波動(dòng)光學(xué)部分[3].通常在單縫夫瑯禾費(fèi)衍射后，會(huì)進(jìn)一步講授圓孔衍射，而圓孔衍射的一個(gè)重要應(yīng)用就是在光學(xué)儀器中存在分辨率即分辨本領(lǐng)的問題.對(duì)于光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)的問題，學(xué)生通常有所體會(huì)，比如日常生活中會(huì)接觸到“顯示器、照相機(jī)鏡頭的分辨率” 等概念，但對(duì)這部分知識(shí)的理論部分認(rèn)知不深入，理解也不透徹.典型的光學(xué)儀器有望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等，如何有效促進(jìn)課程內(nèi)容和思政內(nèi)容有機(jī)融合，讓學(xué)生深刻理解其中的含義并牢牢掌握知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，是本節(jié)教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn).

(1)課前設(shè)置自主學(xué)習(xí)任務(wù)

布置預(yù)習(xí)光學(xué)儀器分辨率知識(shí)；要求學(xué)生觀看在線課程相關(guān)知識(shí)點(diǎn)視頻；推送新華網(wǎng) 《從“中國(guó)天眼”看科技自立自強(qiáng)》[4]和光明網(wǎng)《“中國(guó)天眼之父”南仁東》[5]的專題新聞報(bào)道，引導(dǎo)學(xué)生思考為何要建造如此大尺寸的射電望遠(yuǎn)鏡，引出對(duì)光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)的思考.

(2)課程內(nèi)容講授

通過復(fù)習(xí)回顧單縫夫瑯禾費(fèi)衍射知識(shí)，介紹圓孔衍射相關(guān)知識(shí).圓孔衍射圖樣中央有一個(gè)又大又亮的光斑，稱為艾里光斑，周圍是明暗相間的同心圓環(huán).其中艾里光斑半徑對(duì)應(yīng)的衍射角θ1滿足

(1)

式中λ為入射光波長(zhǎng)，d為艾里光斑直徑，f為透鏡焦距，D為通光孔徑直徑.點(diǎn)光源經(jīng)圓形孔徑后，由于衍射的影響，所成的像不是一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)明暗相間的圓形光斑.通過對(duì)兩個(gè)物點(diǎn)相對(duì)距離不同的3種情況分析其在光學(xué)儀器后所成的像斑能否被分辨，引出兩個(gè)物點(diǎn)能否被光學(xué)儀器所分辨的問題，指出光學(xué)儀器存在一個(gè)最小分辨的問題.進(jìn)而介紹瑞利判據(jù)的判斷準(zhǔn)則，即兩個(gè)強(qiáng)度相等的不相干的點(diǎn)光源(物點(diǎn))，一個(gè)點(diǎn)光源的衍射圖樣的艾里光斑中心處剛好和另一點(diǎn)光源衍射圖樣的艾里光斑邊緣處重合，這時(shí)兩個(gè)點(diǎn)光源(或物點(diǎn))恰為這一光學(xué)儀器所分辨.進(jìn)一步的分析可知，滿足瑞利判據(jù)時(shí)的兩物點(diǎn)對(duì)光學(xué)儀器中心的張角為最小分辨角，其在數(shù)值上等于艾里光斑半徑對(duì)應(yīng)的衍射角，由式(1)得最小分辨角

(2)

定義光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)R為最小分辨角的倒數(shù)，即有

(3)

由式(3)可知，光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)與儀器孔徑D成正比，與入射光波長(zhǎng)λ成反比.

2.2 課程思政元素融入

望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡都是常見的光學(xué)儀器，在實(shí)際應(yīng)用中提高望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的分辨本領(lǐng)有不同的方式，且應(yīng)用中蘊(yùn)含著豐富的課程思政元素，下面具體說明.

(1)射電望遠(yuǎn)鏡與“中國(guó)天眼”

對(duì)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)而言，入射光波長(zhǎng)不可選擇，若要提高望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)，通常選擇增大光學(xué)儀器通光孔徑的方法.光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的是可見光范圍內(nèi)的波長(zhǎng)，受天氣影響比較嚴(yán)重.目前世界上最大的太空望遠(yuǎn)鏡是哈勃望遠(yuǎn)鏡，其主鏡直徑達(dá)到了2.4 m，這樣可以提高望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)，因此哈勃望遠(yuǎn)鏡能夠拍攝到清晰度非常高的宇宙天體照片.但是制作大尺寸的光學(xué)透鏡工藝復(fù)雜、造價(jià)不菲.

射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)不能像光學(xué)望遠(yuǎn)鏡那樣靠眼睛觀測(cè)，而是采用雷達(dá)探測(cè)的方法研究來自宇宙間無線電波段的電磁輻射，無線電輻射不受大氣層顯著影響而能到達(dá)地面，且由于無線電波可以穿過可見光不能穿過的塵霧，因此射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的電磁波不受氣象條件的影響，白天夜晚都可以觀測(cè)，具有全天候工作的能力；且由于波長(zhǎng)長(zhǎng)，不受星際和星系塵埃云的阻擋，因而大大擴(kuò)展了人類對(duì)宇宙空間的觀測(cè)范圍.

“中國(guó)天眼”又稱為FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope)，是500 m口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡的簡(jiǎn)稱.它位于貴州省平塘縣，由中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)主導(dǎo)建設(shè)，是目前世界上最大、最靈敏的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡[4].與光學(xué)望遠(yuǎn)鏡類似，若要提高射電望遠(yuǎn)鏡的分辨本領(lǐng)，同樣要求增大望遠(yuǎn)鏡的孔徑.這樣我們就能理解國(guó)家為何耗費(fèi)巨大的人力物力建造大尺寸的射電望遠(yuǎn)鏡FAST，呼應(yīng)課程引入階段提出的思考問題，同時(shí)指出大尺寸射電望遠(yuǎn)鏡還可以獲得更高的探測(cè)靈敏度.

課程思政切入點(diǎn)：“中國(guó)天眼”項(xiàng)目從選址到建設(shè)完成歷經(jīng)22年，是由中國(guó)天文學(xué)家南仁東先生主導(dǎo)并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成.南仁東被稱為“中國(guó)天眼之父”，是項(xiàng)目的發(fā)起者和項(xiàng)目主要負(fù)責(zé)人，他20多年嘔心瀝血、不懈奮斗.南仁東先生于2017年9月因病逝世，之后被追授“時(shí)代楷?！焙汀叭嗣窨茖W(xué)家”等榮譽(yù)稱號(hào)[5].南仁東先生留給我們的不僅是“中國(guó)天眼”這項(xiàng)偉大工程，更是留給我們“南仁東精神”這樣的寶貴財(cái)富.通過播放紀(jì)錄片視頻展示南仁東先生獻(xiàn)身科學(xué)的事跡，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)南仁東先生愛國(guó)敬業(yè)、不忘初心、淡泊名利、鞠躬盡瘁的精神，激發(fā)學(xué)生愛國(guó)情懷，激勵(lì)學(xué)生投身中華民族的偉大復(fù)興.

(2)電子顯微鏡與新冠病毒

對(duì)顯微鏡系統(tǒng)而言，它的鏡筒孔徑不宜太大，因此主要依靠減小入射光波長(zhǎng)的方式提高分辨本領(lǐng).

可見光波的波長(zhǎng)范圍為390～760 nm，即使選取波長(zhǎng)較短的紫光，較波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光而言，其分辨本領(lǐng)也僅能夠提高1倍左右.順著電磁波譜往短波長(zhǎng)方向看, 紫外光的波長(zhǎng)比可見光短，在390～130 nm 范圍.用紫外線作照明源，石英玻璃透鏡聚焦成像的紫外線顯微鏡其分辨本領(lǐng)比可見光顯微鏡提高1倍.電子顯微鏡則是利用了電子的波動(dòng)性，其波長(zhǎng)比光的波長(zhǎng)短，用電子束代替光束，從而使其分辨本領(lǐng)較光學(xué)顯微鏡提高大約1 000倍.電子顯微鏡比光學(xué)顯微鏡更精密，能夠觀察到光學(xué)顯微鏡觀察不到的尺度范圍.

課程思政切入點(diǎn)：當(dāng)物理學(xué)與生物學(xué)結(jié)合，我們得以通過顯微鏡等成像技術(shù)看到細(xì)胞、病毒、分子等細(xì)微結(jié)構(gòu)成分.近50年來，電子顯微鏡的發(fā)展為生物醫(yī)學(xué)的研究打開了不一樣的視窗，在2020年新冠疫情爆發(fā)初期對(duì)病毒形態(tài)結(jié)構(gòu)的了解上起到了關(guān)鍵作用.病毒尺寸比較小，一般要用放大倍數(shù)超過萬倍的電子顯微鏡才能看到.2020年1月中國(guó)微生物組數(shù)據(jù)中心發(fā)布了新冠病毒在電子顯微鏡下的圖像；2020年2月美國(guó)國(guó)家過敏與傳染病研究所在網(wǎng)站公布了新冠病毒在電子顯微鏡下的一組圖像.病毒是微小的感染性斑點(diǎn)，由包裹在蛋白質(zhì)外殼中的DNA或RNA組成，通過掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡獲取新冠病毒的基本圖像.課程中引入電子顯微鏡觀察到新冠病毒圖樣的最近研究的相關(guān)科技成果，結(jié)合當(dāng)前抗疫形勢(shì)和階段性成果進(jìn)行講授，堅(jiān)定學(xué)生們戰(zhàn)勝病毒的信念.

(3)中國(guó)古詩詞中蘊(yùn)含的物理原理

在課堂討論環(huán)節(jié)，給出一句學(xué)生十分熟悉的古詩,“天街小雨潤(rùn)如酥，草色遙看近卻無.”古詩選自唐代詩人韓愈的《早春呈水部張十八員外二首》一詩，描寫了早春時(shí)節(jié)的景色.就詩中的這句“草色遙看近卻無”，以小組討論的形式，引導(dǎo)學(xué)生利用分辨本領(lǐng)的相關(guān)知識(shí)理解這句詩背后蘊(yùn)含的物理原理(圖1).學(xué)生通過小組討論分析得出：遠(yuǎn)看早春草地上的稀疏小草，由于眼睛的分辨本領(lǐng)有限，并不能清楚分辨，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去一片郁郁蔥蔥，即看到的是模糊一片的“草色”；走近之后，小草之間對(duì)眼睛的張角大于眼睛的最小分辨角，很容易分辨出一棵棵小草，通過眼睛觀察到草地上小草清晰可辨，小草下裸露的土地顏色明顯，即是草色“近卻無”.

圖1 課堂討論——古詩詞中蘊(yùn)含的物理原理

課程思政切入點(diǎn)：教學(xué)設(shè)計(jì)中利用新學(xué)習(xí)的知識(shí)解釋古詩句描述的場(chǎng)景，不但加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和思考，還進(jìn)一步弘揚(yáng)了中國(guó)傳統(tǒng)文化，增強(qiáng)了學(xué)生的民族自豪感.同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成善于觀察、勤于思考的良好習(xí)慣.

3 結(jié)束語

本文以大學(xué)物理課程中“光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)”一節(jié)為例，詳細(xì)討論了如何在大學(xué)物理課程創(chuàng)新教學(xué)中有機(jī)融入課程思政.光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng)應(yīng)用中，望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡是兩種典型的光學(xué)儀器，在分析了如何提高它們的分辨本領(lǐng)的基礎(chǔ)上，順勢(shì)舉出“中國(guó)天眼”的案例，引導(dǎo)學(xué)生分析其背后的物理本質(zhì)，介紹“中國(guó)天眼之父”南仁東院士的感人事跡，弘揚(yáng)老一輩科學(xué)家胸懷祖國(guó)的愛國(guó)精神和淡泊名利的奉獻(xiàn)精神.顯微鏡對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究方面的貢獻(xiàn)功不可沒，介紹光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡的發(fā)展歷史和特點(diǎn)，指出電子顯微鏡具有更高的分辨本領(lǐng)，可以觀察到更小的病毒結(jié)構(gòu)，在新冠疫情爆發(fā)初期，幫助科研工作者快速獲得病毒的清晰結(jié)構(gòu)，為全球公共防御疫情、戰(zhàn)勝病毒提供了有力幫助.在課堂討論中設(shè)置小組討論問題，啟發(fā)學(xué)生利用新知識(shí)解釋中國(guó)古詩句中描寫的景象，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)文化的理解和傳承，增強(qiáng)民族自豪感.

課程思政在創(chuàng)新教學(xué)中作為一個(gè)重要組成部分，既承擔(dān)著教書育人的責(zé)任，同時(shí)也與課程內(nèi)容互為支撐，相得益彰.思政教學(xué)應(yīng)該結(jié)合課程特點(diǎn)找準(zhǔn)切入點(diǎn)，有針對(duì)性地開展思政教學(xué)，將知識(shí)傳授和價(jià)值引領(lǐng)有機(jī)結(jié)合，真正做到用好課堂教學(xué)這個(gè)主渠道，實(shí)現(xiàn)立德樹人這一根本目標(biāo).