陳佳敏

(文華學院基礎科學學部 湖北 武漢 430074)

熊永紅

(文華學院基礎科學學部 湖北 武漢 430074;華中科技大學物理學院 湖北 武漢 430074)

2016年12月習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程[1].為貫徹落實“立德樹人”根本任務，全面推進高校課程思政建設，2020年5月28日教育部印發(fā)的《高等學校課程思政建設指導綱要》明確指出要堅持顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，挖掘其他課程和其他方式中蘊含的思想政治資源，實現(xiàn)全員全程全方位育人[2].高校是教學育人的主戰(zhàn)場，課程教學是高校教育的核心，我們要以各類通識課、基礎課、專業(yè)課的課堂教學為課程思政建設的“主渠道”，努力挖掘符合其課程特點的思政元素，構(gòu)建各類典型的思政案例，把思想政治教育貫穿到課堂教學全過程，全面提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量.

物理學本質(zhì)是一門以實驗為基礎的學科，是自然學科許多領(lǐng)域和生產(chǎn)技術(shù)的基礎，包含了豐富的世界觀和方法論，是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的良好載體.大學物理實驗課程是一門面向全校大一、大二理工科專業(yè)的重要基礎課程，是學生接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓練的開端，在學生的能力提升和素質(zhì)培養(yǎng)方面有著其他課程不可替代的作用.大學物理實驗課程知識豐富、實踐性強、應用廣泛，蘊含了豐富的思政教育元素[3,4]，對該課程的教學目標、教學內(nèi)容以及教學方法等各個教學環(huán)節(jié)進行精心設計，在課堂教學中巧妙地加入一些思政元素，有利于培養(yǎng)學生的科學精神和科學素養(yǎng)，對學生的世界觀、人生觀和價值觀進行正確引導.本文以邁克爾孫干涉實驗為例，深度挖掘該實驗所包含的科學精神和科學方法，重點討論如何在大學物理實驗課程中合理地融入思政元素，進行物理實驗教學設計.

1 邁克爾孫干涉實驗的科學精神與科學方法

從邁克爾孫發(fā)明干涉儀的歷史背景和研究歷程中，感悟他在科學研究的過程中對真理的執(zhí)著尋求，為求證“以太”的存在，發(fā)明了精密的干涉儀，他的創(chuàng)新思維方法、精妙的設計思想和精湛的實驗技術(shù)，創(chuàng)造出多種美輪美奐的精密儀器.追尋他的腳步我們才能真正理解愛因斯坦贊美邁克爾孫為“科學中的藝術(shù)家”的真正含義.

1881年美國物理學家邁克爾孫為了證明“以太”的存在設計制造了一種精密干涉測量儀器——邁克爾孫干涉儀[5]，這是一種分振幅的雙光束干涉測量儀器，可通過干涉現(xiàn)象來測量光波波長、液體折射率、物體的厚度及微小長度變化等，其精度可與光的波長相比擬.邁克爾孫干涉儀在物理發(fā)展史上具有里程碑的作用，邁克爾孫及其合作者曾用此儀器完成了3項著名的物理實驗[6].第一項就是舉世聞名的邁克爾孫-莫雷“以太漂移”實驗，該實驗結(jié)果證明了光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，否定了“以太”的存在，這對當時的物理學界產(chǎn)生了巨大的沖擊，解決了關(guān)于“以太”的爭論，動搖了經(jīng)典物理學的基礎，也為愛因斯坦狹義相對論的建立奠定了基礎.第二項實驗就是用鎘紅線波長標定標準米尺長度，建立了以光波為基準的絕對長度標準，即國際標準米等于鎘紅線的1 553 163.5個波長[7]，這是人類首次找到了一種永遠不變且毀壞不了的長度基準，而與之前用法國的米原器作為長度基準相比，其穩(wěn)定性和精確度都提高了很多，實現(xiàn)了長度單位的標準化.第三項實驗就是研究光源干涉條紋可見度隨光程差變化的規(guī)律，并以此推斷光譜，他第一次系統(tǒng)地研究光譜線的精細結(jié)構(gòu)，其成果對現(xiàn)代分子物理學、原子光譜和激光光譜學等新興學科都發(fā)生了重大影響.1907年，邁克爾孫因發(fā)明光學干涉儀并用其進行光譜學和基本度量學的研究而成為美國歷史上第一位諾貝爾物理學獎獲得者.

邁克爾孫干涉儀結(jié)構(gòu)簡單、光路直觀、精度高，其調(diào)整和使用具有典型性，巧妙地應用了干涉法、分光法和放大法等多種實驗方法.盡管邁克爾孫干涉儀發(fā)明至今已有100多年的歷史，但其精妙的設計思想與方法現(xiàn)在仍然廣泛應用于生產(chǎn)、醫(yī)療和科研等各領(lǐng)域.邁克爾孫終其一生都在致力于干涉儀的研究，對待科學工作始終保持著實事求是的精神和精益求精的態(tài)度，實驗過程中一次又一次的失敗沒有打敗他，反而激勵他不斷改進實驗裝置、提高儀器精度、繼續(xù)潛心研究，他的成功來源于面對困難的勇氣和無數(shù)次失敗中的堅持與毅力.因此，在學習邁克爾孫干涉實驗的過程中，學生不僅要掌握邁克爾孫干涉儀的設計思想和實驗方法，而且更重要的是領(lǐng)悟科學家們獨特的人格魅力，學習他們實事求是、精益求精、堅持不懈的科學品質(zhì).

2 融入思政元素的教學設計

要在大學物理實驗課程中有效開展課程思政，我們必須找準“課程思政”在實驗課堂中的切入點，將思政元素以潤物細無聲的方式融合在教學過程中.在邁克爾孫干涉實驗教學中，我們以課件、教材、動畫和視頻等資源為教學載體，采用問題導入、理論講授、課堂討論和直觀演示等方式來實施思政教育.

2.1 制定科學合理的教學目標

邁克爾孫干涉實驗是大學物理實驗課程中必做的基礎實驗之一，圍繞教學大綱的基本要求，教師應該根據(jù)實驗具體內(nèi)容，從知識傳授、能力培養(yǎng)、價值引領(lǐng)3個方面制定教學目標.

(1)知識傳授目標

讓學生觀察研究等傾干涉和等厚干涉現(xiàn)象，加深對光的干涉理論知識的理解；了解邁克爾孫干涉儀的結(jié)構(gòu)、條紋特性和工作原理.

(2)能力培養(yǎng)目標

重溫經(jīng)典實驗，讓學生掌握邁克爾孫干涉儀的調(diào)節(jié)和使用方法，學會用干涉儀測量激光波長，培養(yǎng)學生科學系統(tǒng)的實驗思維，提高學生獨立思考能力、實踐動手能力和自主創(chuàng)新能力，學會理論聯(lián)系實際，應用干涉原理解決實際問題.

(3)價值引領(lǐng)目標

通過介紹邁克爾孫發(fā)明干涉儀的研制背景、實驗開展、歷史影響及應用推廣等，啟發(fā)學生學習科學家們實事求是的科學精神、精益求精的科學態(tài)度和堅韌不拔的工作作風，培養(yǎng)學生積極主動的探索精神和勇于實踐的創(chuàng)新精神，引導學生關(guān)注前沿科技發(fā)展，樹立為實現(xiàn)中國夢不斷奮斗的理想和信念.

2.2 問題導入 激發(fā)學習興趣

利用視頻和動畫，展示宇航員在太空行走時隔空對話的情景和生活中水波和聲波的傳播現(xiàn)象，回顧學生都已熟悉的理論“真空不能傳聲，機械波的傳播需要介質(zhì)”，再提出問題“100多年前，人們已經(jīng)知道了光是一種電磁波，那光波的傳播是否也需要介質(zhì)”，由此引出20世紀初物理學上空的“兩朵烏云”之一的“以太假說”.然后，以“以太假說”的提出、發(fā)展、證偽的歷史背景為脈絡，利用視頻或故事的形式，講述邁克爾孫發(fā)明干涉儀的經(jīng)歷，以及邁克爾孫-莫雷“以太漂移”實驗的歷史影響，讓同學們身臨其境感受到這些科學巨匠的人格魅力，驚嘆于邁克爾孫干涉儀的設計之精妙，引導學生學習科學家熱愛科學、勇于探索、實事求是、精益求精、堅持不懈的科學精神，激發(fā)學生的學習興趣.

2.3 內(nèi)容傳授 啟發(fā)學生思維

通過圖片、動畫展示邁克爾孫干涉儀的結(jié)構(gòu)，對光路圖進行分析，加深學生對邁克爾孫干涉儀工作原理的理解.在講解過程中多采用設問的方式，啟發(fā)學生自主思考.例如，提問“在光路中補償板的作用是什么”，學生從干涉儀的光路圖分析，回答“在光路中放置補償板時兩條反射光線都3次穿過了玻璃板，使得兩束光在玻璃中的光程相同，所以在討論干涉現(xiàn)象時，它們的光程差完全取決于在空氣中的幾何路程差”，然后再進一步探究性提問“若使用激光做光源，不加入補償板是否也能觀測到干涉現(xiàn)象”，讓學生在實踐操作的過程中找到答案，并理解其原因.

通過光路幾何關(guān)系可計算出兩反射光線之間的光程差，再利用等傾干涉原理和干涉極值條件，引導學生推出邁克爾孫干涉儀的光程差與波長之間的關(guān)系，再結(jié)合動畫展示等傾干涉圖樣形成過程，引導學生觀察、分析、歸納邁克爾孫干涉儀產(chǎn)生的干涉圖樣特點：其等傾干涉條紋是一系列明暗相間的同心圓環(huán)，內(nèi)疏外密，中心級次高邊緣級次低.然后，根據(jù)干涉儀的結(jié)構(gòu)、干涉圖樣的特點和中心干涉明紋的條件，引導學生思考用干涉儀測量激光波長的方法：兩束相干光在空間上完全分開，可用移動反射鏡的方法改變兩光束的光程差.當反射鏡沿儀器導軌移動時，兩相干光束之間的光程差會增加或減少，干涉條紋會產(chǎn)生變化，從實驗現(xiàn)象上可以觀察到不斷有圓環(huán)從中心“吐出”或“吞進”.在觀察屏上每觀察到中心“吐出”或者“吞進”一個圓環(huán)，反射鏡就相對移動了半個波長，由此可以推導出干涉儀測量激光波長的公式.在講授實驗原理與測量方法時，要充分發(fā)揮教師的主導作用，突出學生的主體地位，多設問激發(fā)學生潛能，引導學生主動觀測、勤于思考、善于分析，培養(yǎng)學生科學的思維方式，增強學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力.

在介紹實驗儀器和測量調(diào)節(jié)主要步驟時，先結(jié)合儀器實物簡要說明儀器各重要組成部分，然后采用虛實結(jié)合的教學方式，可以利用虛擬仿真實驗動畫進行實驗操作模擬展示，讓學生對儀器和調(diào)節(jié)過程有更全面、直觀、清晰的認識.通過多媒體展示干涉儀的讀數(shù)規(guī)則，讓學生認識到干涉儀高精度的測量優(yōu)勢，同時突出實驗操作時應該注意的細節(jié)問題，如“在移動反射鏡測量數(shù)據(jù)時，微調(diào)手輪只能單向轉(zhuǎn)動，避免空程誤差”.在學生進行課堂實踐操作過程中，鼓勵學生多提問，可以采取提問式、討論式和探究式的方法為學生講授疑難問題，提高課堂的互動性和學生的參與度，讓學生理解必要的物理實驗知識，熟練掌握實驗操作技能與方法，達到潛移默化的學習效果，提升學生科學素養(yǎng).

2.4 應用拓展 培養(yǎng)創(chuàng)新意識

以邁克爾孫干涉實驗為例，很多生活中實際應用和前沿科技都是與基礎學科知識密切相關(guān)，在實驗教學過程中，教師既要立足基礎實驗原理和實驗內(nèi)容的講解，也要增加一些拓展延伸的教學內(nèi)容，培養(yǎng)學生的探索精神和創(chuàng)新意識.

介紹與本實驗相關(guān)的實際應用、科技發(fā)展和前沿研究成果.邁克爾孫干涉儀結(jié)構(gòu)簡單、設計精巧、測量精度高，所以，其設計思想與方法沿用至今，被廣泛應用于各個領(lǐng)域.在基礎測量方面，邁克爾孫干涉儀可用于測量微小位移量、氣體濃度、薄透明體的厚度及折射率等.在醫(yī)學檢測方面，基于邁克爾孫干涉儀工作原理的光學相干斷層掃描儀(OCT)[8]，空間分辨率可達微米級別，可應用于眼部視網(wǎng)膜細節(jié)圖像、心臟病研究以及冠狀動脈的疾病診斷，其優(yōu)勢在于分辨率高，而且無接觸、無侵入、無損傷.在科學研究方面，2016年美國激光干涉引力波天文臺(LIGO)宣布人類首次直接探測到了引力波，證實了100多年前愛因斯坦的預言，宣告引力波天文學時代的到來，2017年這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學獎[9].這項物理學上巨大的突破也離不開邁克爾孫干涉儀的貢獻，LIGO實際上就是由兩臺相聚3 000公里的邁克爾孫干涉儀構(gòu)成，利用干涉原理探測引力波，其測量精度可以達到10-22量級.

在學生已經(jīng)掌握邁克爾孫干涉儀的工作原理和使用方法的基礎上，除了完成基本的激光波長測量，還可以增加一些提升性、進階性的實驗內(nèi)容，比如利用邁克爾孫干涉儀測量透明材料的折射率：將待測物體放入其中一條光路中，可以導致兩個光路中光程發(fā)生變化，進而引起條紋移動，再根據(jù)條紋移動數(shù)目可以測量透明材料的折射率，充分體現(xiàn)了邁克爾孫干涉儀的精妙之處.另外，給學生提供一些設計性實驗思考題，比如思考如何利用邁克爾孫干涉儀可精確測量微小長度這一特性測量楊氏模量、熱膨脹系數(shù)或者模擬引力波探測等.這樣可以增加學生學習的深度和廣度，進一步與物理學科競賽相關(guān)聯(lián)，激發(fā)學生的學習動力和創(chuàng)新熱情，提升實驗教學效果.

最后，教師需要引導學生關(guān)注我國在物理方面的進展，比如在探測引力波這一最前沿的科學問題上，中國科學家們一直在積極探索引力波探測新方案，2021年中國科學家龔云貴、羅俊和王斌第一次在頂尖國際雜志《Nature Astronomy》(《自然·天文》)對中國空間引力波探測計劃作完整系統(tǒng)的介紹，如果中外的空間引力波探測計劃如期實現(xiàn)，到21世紀30年代，中國的天琴計劃、太極計劃和歐洲的LISA，通過優(yōu)勢互補、相互協(xié)作，將有望確定引力波波源等重大宇宙信息，從而為人類揭開更多宇宙奧秘[10].通過了解我國在前沿科技方面的發(fā)展和突出貢獻，增強學生的民族自豪感和自信心，激勵學生奮發(fā)向上，努力學好知識報效國家，為實現(xiàn)中華民族的偉大復興奉獻自己的力量.

3 總結(jié)

大學物理實驗課程是高校理工科專業(yè)的重要必修課程，蘊含了豐富的思政元素，在大學物理實驗教學過程中加入思想政治教育是十分必要的.以邁克爾孫干涉實驗為例，為更好地在大學物理實驗課程中開展課程思政，教師應該明確實驗蘊含的科學精神和科學方法，制定相應的課程思政教學目標，精心設計實驗教學過程，采用提問式、討論式和探究式的教學方法，將思政元素巧妙融入教學的各個環(huán)節(jié).在大學物理實驗教學中，教師要充分發(fā)揮課堂教學這一高校課程思政建設“主渠道”的作用，在傳授學生知識的同時，培養(yǎng)學生科學思維、創(chuàng)新精神和實踐能力，激發(fā)學生科技報國的愛國情懷和使命擔當，真正實現(xiàn)立德樹人的教育根本目標.