梁敏 王璟璟 李照鑫 劉靜 劉啟鑫

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

1 引言

2017年國務(wù)院頒布了《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)新形勢下高校思想政治工作的意見》，提出堅(jiān)持全員全過程全方位育人(簡稱“三全育人”)，把思想價(jià)值引領(lǐng)貫穿教育教學(xué)全過程和各環(huán)節(jié)[1]．2020年教育部印發(fā)《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》通知，進(jìn)一步明確把思想政治教育貫穿人才培養(yǎng)體系，全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)，發(fā)揮好每門課程的育人作用，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量[2]．

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，在課程思政育人方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其課程內(nèi)容中蘊(yùn)含著豐富深刻的辯證唯物主義思想，可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法，提升科學(xué)認(rèn)知能力和綜合實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)生科技報(bào)國的家國情懷，激發(fā)探索未知、追求真理、勇攀科技高峰的奮斗精神[3]．但是如果在課程思政切入點(diǎn)與融合度上把握不準(zhǔn)，課程育人與課程內(nèi)容不能有效結(jié)合互相支撐，容易使得課程育人效果不理想．現(xiàn)以大學(xué)物理中剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的“角動(dòng)量守恒”一節(jié)為例，針對如何在教學(xué)中恰當(dāng)融入課程思政理念、切實(shí)提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)進(jìn)行初步的探究分析．

2 教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

“角動(dòng)量守恒”是大學(xué)物理“剛體轉(zhuǎn)動(dòng)和流體運(yùn)動(dòng)”中的一節(jié)內(nèi)容[4]，在學(xué)習(xí)了剛體的角動(dòng)量概念和角動(dòng)量定理后，進(jìn)一步討論角動(dòng)量滿足守恒定律的條件以及角動(dòng)量守恒定律的3種常見形式和具體應(yīng)用．

2.1 課前預(yù)習(xí)任務(wù)

課前通過學(xué)習(xí)通平臺將神舟十號宇航員王亞平“太空授課”中陀螺儀的相關(guān)視頻以及角動(dòng)量守恒相關(guān)資源推送給學(xué)生，發(fā)布預(yù)習(xí)公告，學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)．要求學(xué)生思考陀螺儀實(shí)驗(yàn)背后的原理、查閱資料了解跳水比賽中難度系數(shù)的規(guī)定，為課堂中開展相應(yīng)教學(xué)活動(dòng)做好準(zhǔn)備．

2.2 課堂知識講授

課堂授課開始時(shí)，教師播放航天員王亞平太空授課中做陀螺實(shí)驗(yàn)的視頻，邀請學(xué)生體驗(yàn)陀螺儀的旋轉(zhuǎn)過程，直觀感受旋轉(zhuǎn)的陀螺具有定向作用，引導(dǎo)學(xué)生思考原因．

采用與質(zhì)點(diǎn)的平動(dòng)相類比的教學(xué)方法，推導(dǎo)出剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量定理及其條件．由角動(dòng)量定理的內(nèi)容，即

(1)

進(jìn)一步分析，得出當(dāng)合外力矩為零時(shí)，角動(dòng)量不隨時(shí)間變化，稱為角動(dòng)量守恒．角動(dòng)量守恒是自然界中的基本守恒定律，它和動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律一起稱為自然界中的三大基本守恒定律，對剛體、非剛體均適用．

課堂討論圖1中的3種物理模型下剛體系統(tǒng)角動(dòng)量是否守恒，學(xué)生充分參與、分組討論，利用所學(xué)知識解決問題．通過參與分組討論環(huán)節(jié)，學(xué)生更加明確角動(dòng)量守恒的適用條件，對角動(dòng)量守恒有進(jìn)一步的認(rèn)識．在此過程中訓(xùn)練學(xué)生的探究意識、科學(xué)思維以及協(xié)作創(chuàng)新的團(tuán)隊(duì)精神．

圖1 課堂討論——角動(dòng)量守恒的條件

角動(dòng)量守恒的應(yīng)用是該節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容，通過分析角動(dòng)量守恒的條件和分類，進(jìn)一步介紹角動(dòng)量守恒在航天軍事、慣性導(dǎo)航、體育運(yùn)動(dòng)等不同領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例．主要包括3種情況：

(1)單個(gè)剛體，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，角速度也不變

通過課堂演示回轉(zhuǎn)儀，引導(dǎo)學(xué)生回顧王亞平太空授課的視頻，解釋高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有定向作用的原因是滿足角動(dòng)量守恒條件，陀螺在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不變，則陀螺儀的角速度大小和方向都不變．進(jìn)一步講解陀螺儀在天宮對接等航空航天中的作用，播放中國陀螺儀發(fā)展歷史的相關(guān)紀(jì)錄片，介紹我國西漢時(shí)期發(fā)明的“被中香爐”的基本結(jié)構(gòu)和原理．學(xué)生對陀螺儀和導(dǎo)航系統(tǒng)有初步了解，明確角動(dòng)量守恒在國防科技、航天航海技術(shù)中的重要應(yīng)用．

(2)剛體系統(tǒng)，分體反向轉(zhuǎn)動(dòng)性質(zhì)

剛體系統(tǒng)若滿足角動(dòng)量守恒的條件，如果系統(tǒng)中的一部分轉(zhuǎn)動(dòng)起來，則系統(tǒng)的另一部分一定向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，且總角動(dòng)量守恒．播放視頻，視頻中實(shí)驗(yàn)者手拿轉(zhuǎn)輪，一開始實(shí)驗(yàn)者和轉(zhuǎn)輪都靜止．當(dāng)轉(zhuǎn)輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，人向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，學(xué)生通過角動(dòng)量守恒定律分析其中的原因．展示單旋翼直升機(jī)和雙翼直升機(jī)等不同直升飛機(jī)的圖片，讓學(xué)生進(jìn)一步討論分析單翼直升機(jī)中尾翼的作用，以及雙翼直升機(jī)為何無尾翼的原因等．進(jìn)一步理解掌握由兩個(gè)剛體組成的剛體系統(tǒng)，角動(dòng)量守恒的條件和結(jié)論，使學(xué)生了解角動(dòng)量守恒在生活和科技生產(chǎn)中的具體應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣．

(3)非剛體，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度的反比例關(guān)系

非剛體系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量發(fā)生變化，則角速度也隨之發(fā)生變化，即二者存在反比關(guān)系．學(xué)生在課堂上親身體驗(yàn)茹科夫斯基凳，直觀感受手握啞鈴時(shí)，手臂伸開和收攏過程中，身體轉(zhuǎn)速會發(fā)生明顯變化，體會角動(dòng)量守恒的含義．播放奧運(yùn)跳水項(xiàng)目和花樣滑冰項(xiàng)目的視頻，展示體育運(yùn)動(dòng)中遵循的角動(dòng)量守恒定律，理解運(yùn)動(dòng)員高質(zhì)量完成優(yōu)美動(dòng)作背后所蘊(yùn)含的物理原理．結(jié)合課前任務(wù)中了解的跳水比賽中難度系數(shù)的規(guī)定，安排學(xué)生小組討論跳水運(yùn)動(dòng)難度系數(shù)規(guī)定的原因．

2.3 課后拓展研究活動(dòng)

布置課后拓展研究性任務(wù)：(1)學(xué)生思考日常生活中還有哪些現(xiàn)象體現(xiàn)了角動(dòng)量守恒.(2)俗語說“貓有九條命”，為什么貓從高處下落時(shí)最后總能四腳著地而不會受傷？學(xué)生課后查找資料，觀察貓下落過程中身姿體態(tài)的變化情況，利用角動(dòng)量守恒知識解釋說明．

3 課程思政元素

3.1 神舟飛船宇航員兩次太空授課中的角動(dòng)量守恒應(yīng)用

2013年6月20日上午10點(diǎn)，神舟十號航天員王亞平在天宮一號給地面的全國中小學(xué)生講課，其中有一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)就是陀螺運(yùn)動(dòng)[5]．王亞平取出一個(gè)陀螺，用手輕推，陀螺竟然翻滾著向前，行進(jìn)路線變幻莫測．隨后，她又取出一個(gè)陀螺，抽動(dòng)它后，再用手輕推，陀螺沿著固定的軸向向前飛去．這是我國航天員首次面向中小學(xué)生開展太空授課和天地互動(dòng)交流等科普教育活動(dòng)，也是神舟十號飛行任務(wù)的一大亮點(diǎn)．通過太空授課的陀螺儀演示實(shí)例，既切合角動(dòng)量守恒的主題，又可以展示我國航天成就，彰顯中國力量．

2021年12月9日下午15時(shí)40分，時(shí)隔8年之后，神舟十三號乘組3名航天員翟志剛、王亞平、葉光富擔(dān)任“太空教師”，再次進(jìn)行太空授課，在中國空間站為廣大青少年帶來了一場精彩的太空科普課，這也是中國空間站首次太空授課活動(dòng)[6]．航天員為學(xué)生們展示了在太空中轉(zhuǎn)身的神奇現(xiàn)象，這個(gè)原本在地面上難度系數(shù)為零的普通動(dòng)作，在太空中卻變得不那么容易．太空轉(zhuǎn)身實(shí)驗(yàn)的核心即利用了角動(dòng)量守恒，在微重力的環(huán)境中，航天員在不接觸空間站的情況下，類似于理想狀態(tài)下驗(yàn)證“沒有外力矩，物體會處于角動(dòng)量守恒”．航天員上半身向左轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，按照角動(dòng)量守恒定律，下半身就會向右轉(zhuǎn)．

太空授課“柔性”展示了中國航天軟實(shí)力，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的同時(shí)，也為我國航空航天事業(yè)的發(fā)展和取得的偉大成就感到驕傲和自豪，激發(fā)學(xué)生愛國熱情和科技報(bào)國的家國情懷．

3.2 陀螺儀的發(fā)展歷史及在航空航天技術(shù)中的應(yīng)用

遵循角動(dòng)量守恒定律的陀螺儀，具有導(dǎo)航作用，在航空航天中具有關(guān)鍵作用．播放紀(jì)錄片《陀螺儀發(fā)展歷史》視頻[7]，視頻中介紹：陀螺在中國有著悠久的歷史，據(jù)查目前最早的應(yīng)用例子記載在西漢的《西京雜記》中，提到了能工巧匠丁緩制作出失傳的“被中香爐”，又稱銀薰球，無論銀薰球如何滾動(dòng)，其中的香盂都會保持穩(wěn)定狀態(tài)，其原理與現(xiàn)代陀螺儀的基本原理完全相同．現(xiàn)在陀螺儀在很多方面都有應(yīng)用，如手機(jī)、體感游戲機(jī)、防抖攝像機(jī)等，都有陀螺儀的身影．陀螺儀的發(fā)展經(jīng)歷了機(jī)械陀螺、光纖陀螺、原子陀螺三代發(fā)展，我國以林士諤先生、張惟敘教授為代表的陀螺儀表人刻苦鉆研、勇于開拓，實(shí)現(xiàn)了我國陀螺儀從無到有的里程碑式發(fā)展，為國防事業(yè)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)．通過觀看紀(jì)錄片，了解陀螺儀的發(fā)展歷史，鼓勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)傳承老一代科學(xué)家愛國奉獻(xiàn)、淡泊名利的優(yōu)良品質(zhì)，投身于中華民族的偉大復(fù)興中．通過了解陀螺儀在航空航海技術(shù)中的重要應(yīng)用，切實(shí)感受到科技改變世界的神奇魅力．

3.3 角動(dòng)量守恒定律在體育運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用

討論非剛體在角動(dòng)量守恒條件下轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度的反比關(guān)系時(shí)，通過視頻展示體育運(yùn)動(dòng)中遵循的角動(dòng)量守恒現(xiàn)象，讓學(xué)生親身體驗(yàn)茹科夫斯基凳實(shí)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)學(xué)生分組討論．學(xué)生通過參與并完成演示實(shí)驗(yàn)，體會角動(dòng)量守恒，進(jìn)一步理解“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”．

播放我國奧運(yùn)健兒在跳水運(yùn)動(dòng)和花樣滑冰運(yùn)動(dòng)比賽中的精彩片段，啟發(fā)學(xué)生思考：為何在跳水運(yùn)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)員在空中完成高難度動(dòng)作時(shí)一般都是屈體或抱膝的動(dòng)作，而在入水之前則將身體完全打開？為何花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員在凌空旋轉(zhuǎn)時(shí)收攏手臂，而在落地之前要張開手臂？學(xué)生運(yùn)用本節(jié)學(xué)習(xí)的角動(dòng)量守恒的知識，分析運(yùn)動(dòng)員在收緊身體或收攏手臂的情況下，人體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，轉(zhuǎn)速就大，更容易完成高難度動(dòng)作；當(dāng)運(yùn)動(dòng)員在打開身體或伸開手臂時(shí)，人體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，轉(zhuǎn)速降低，更容易順利入水或平穩(wěn)落地．課堂中結(jié)合學(xué)生課前了解到的跳水運(yùn)動(dòng)中的難度系數(shù)規(guī)則的內(nèi)容，分析其背后的原因．一般來說，同一類型的動(dòng)作屈體難度大于抱膝，比如107B的難度就比107C大，課件如圖2所示．學(xué)生運(yùn)用角動(dòng)量守恒的知識思考跳水比賽難度系數(shù)規(guī)定其背后的原因，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣．

圖2 跳水運(yùn)動(dòng)背后的物理原理及難度系數(shù)的規(guī)定

結(jié)合2020東京奧運(yùn)會上我國跳水隊(duì)以全紅蟬為代表的年輕一代的體育健兒們奮力拼搏、勇奪金牌的事跡和他們刻苦訓(xùn)練、頑強(qiáng)拼搏的奧運(yùn)精神[8]，鼓勵(lì)學(xué)生立足當(dāng)下、刻苦學(xué)習(xí)、掌握專業(yè)知識本領(lǐng)，為祖國富強(qiáng)偉大貢獻(xiàn)自己的力量．

3.4 角動(dòng)量守恒在直升飛機(jī)等實(shí)際中的應(yīng)用

通過圖片展示單旋翼直升機(jī)和雙翼直升機(jī)，提問學(xué)生：為何單翼螺旋槳直升飛機(jī)除了頂部有螺旋槳之外，尾部還有一個(gè)尾翼螺旋槳？雙翼直升機(jī)為何沒有尾翼螺旋槳？引發(fā)學(xué)生思考，加深對角動(dòng)量守恒含義的深刻理解．將角動(dòng)量守恒定律知識和生活中常見實(shí)際問題的解決有機(jī)地結(jié)合起來，體現(xiàn)“從生活走向物理，讓物理回歸生活”的教學(xué)理念，有利于促進(jìn)學(xué)生思維能力和科學(xué)素養(yǎng)的全面提升．

4 結(jié)束語

本文以大學(xué)物理課程中“角動(dòng)量守恒”內(nèi)容為例，詳細(xì)討論了如何將課程思政理念有機(jī)融合于大學(xué)物理課程教學(xué)．通過介紹陀螺儀在航空航天的應(yīng)用引出中國航天成就，體會國家科技的進(jìn)步和團(tuán)隊(duì)的巨大力量，學(xué)習(xí)我國老一輩科學(xué)家們的無私奉獻(xiàn)精神，鼓勵(lì)學(xué)生投身于中華民族的偉大復(fù)興，激發(fā)學(xué)生愛國熱情，增強(qiáng)民族自豪感．介紹奧運(yùn)項(xiàng)目中跳水運(yùn)動(dòng)、花樣滑冰等運(yùn)動(dòng)背后的物理原理，鼓勵(lì)青年學(xué)生學(xué)習(xí)奧運(yùn)健兒頑強(qiáng)拼搏、勇于挑戰(zhàn)的精神，激勵(lì)他們心懷夢想、勇于超越自我．課后拓展作業(yè)要求運(yùn)用所學(xué)的知識解釋日常生活中的現(xiàn)象，使學(xué)生體會到學(xué)以致用的滿足感和獲得感．

物理課程中蘊(yùn)含豐富的思政元素，如何有效且恰當(dāng)?shù)厝谒颊逃谡n程內(nèi)容教學(xué)中，是高校教師都應(yīng)該深入思考并不斷實(shí)踐的課題．課程思政的有機(jī)融入，可以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)認(rèn)知態(tài)度，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)及自主獲取其他知識奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量．