藍志強 徐守磊

(廣西大學物理科學與工程技術學院 廣西 南寧 530004)

1 引言

2016年12月,習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上提出:“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,實現(xiàn)全程育人、全方位育人”.為了貫徹落實這一要求,需要全國高校所有老師同心協(xié)力,充分挖掘課程思政資源,將課程思政元素融入課堂教學,實現(xiàn)人才培養(yǎng)與德育目標相結合,為社會培養(yǎng)出具有正確人生觀、世界觀和價值觀的復合型人才.

大學物理實驗是高等院校中理、工、農(nóng)、林、醫(yī)類等學科的一門基礎類通識課程,它涵蓋的學生范圍廣,受眾多,在高校人才培養(yǎng)體系中占據(jù)重要地位.以廣西大學為例,大學物理實驗課程幾乎涵蓋了理、工、農(nóng)、林、動等除文科類專業(yè)外的所有學生,每年必修該課程的學生人數(shù)在4 500人左右.通常情況下,大學物理實驗課程學時數(shù)為64學時,設課時間在學生進入大學后的第二個學期或者第三個學期,是學生進入大學校門后不久必修的一門基礎類通識課程,顯然大學物理實驗課程是實施課程思政教學的前沿陣地.因此,如何將課程思政有機融入大學物理實驗課程的各個教學環(huán)節(jié),是一個值得深入研究的課題[1].目前,對于如何在大學物理實驗教學中融入課程思政,國內(nèi)從事物理實驗教學和管理工作的學者進行了初步的探索.如文獻[1]以邁克耳孫干涉實驗為例,通過介紹大學物理實驗中課程思政內(nèi)涵,從“教書”和“育人”兩方面,深入挖掘“邁克耳孫干涉實驗”中的課程思政元素,闡述了如何將課程思政內(nèi)涵融入實驗課程的教學內(nèi)容.文獻[2]以“金屬楊氏模量的測定”為例,介紹了如何在物理實驗教學中引入課程思政,并提出了具體的實施方案.文獻[3] 以單縫衍射及光強測量為例,介紹如何從課前、課中、課后3個層面推進大學物理實驗課程思政建設.課程思政不是一門獨立課程,而是課程與思政的有機融合,是貫穿著所有課程教學的始終.因此,只有充分挖掘每一門課所蘊含的思政元素,才能全方位提升大學生的人文素質(zhì)和道德情操,向我國社會現(xiàn)代化建設輸送高質(zhì)量建設者.大學物理實驗課程不僅包含力、熱、電、光、磁學等基礎實驗知識,還包含綜合性物理實驗和近代物理實驗,它滲透到自然科學領域各個學科,與現(xiàn)實生活聯(lián)系密切.每一個實驗項目均蘊含著豐富思政元素,如何在每個實驗項目中展開思政教學有待進一步深入研究.基于此,本文以普通高等院校均普遍開設的實驗項目“弗蘭克-赫茲實驗”為例,探討立德樹人視域下如何在大學物理實驗課程教學中融入思政元素,為培養(yǎng)出具有正確的人生觀、世界觀和價值觀,德才兼?zhèn)涞纳鐣髁x建設者做出應有的貢獻.

2 通過實驗背景的講解引入物理學史 激發(fā)學生愛國情懷

弗蘭克-赫茲實驗是原子內(nèi)部結構存在分立能級的直接證據(jù),是對玻爾原子理論的最強有力支持,它是由1914年德國物理學家弗蘭克(J. Franck)和G.赫茲(Gus-tav Ludwig Hertz)共同發(fā)現(xiàn)的.在20世紀初,人們對原子的研究具有濃厚的興趣,在1911年前后,人們對電子電位進行大量的研究,但發(fā)現(xiàn)沒有統(tǒng)一的理論為人們所接受,對電子電位測量所得結果也有較大差別.弗蘭克和赫茲用勒納德的反向電壓法進行汞蒸氣的光譜實驗研究,他們發(fā)現(xiàn)實驗中電子與汞原子發(fā)生非彈性碰撞后損失4.9 eV的能量,也就是說汞原子只能吸收4.9 eV的能量[4].通過在這部分教學內(nèi)容中引入弗蘭克-赫茲實驗的背景,引導同學們對未知領域的積極探索,或通過自己的勤奮努力去解決科學領域中懸而未決的問題,培養(yǎng)學生科學探索的精神[1].此外,我們也應該讓同學們看到,在過去很長一段時間,西方國家在科學研究領域一直占據(jù)的主導地位,涌現(xiàn)出了如牛頓、愛因斯坦、波爾、麥克斯韋等許許多多的科學家.我國與西方世界的科技實力差距懸殊,在西方國家快速發(fā)展階段,我國還處于半封建半殖民地狀態(tài).然而隨著新中國的成立,在黨和政府的領導下,我們一步一個腳印,科技從起步與追趕、改革與探索期,再到創(chuàng)新與跨越期,在短短不到100年的時間里取得了巨大進步.如蛟龍?zhí)柼胶！?單口徑射電望遠鏡、載人航天工程、超級計算機等技術均取得了突破性進展.在這時期涌現(xiàn)出了許許多多的科學家,如錢學森、錢三強、鄧稼先、吳有訓、于敏等.通過物理學史的引入,到中西科技發(fā)展的對比,可以激發(fā)學生愛國情懷,對祖國未來的發(fā)展越來越有信心.

3 通過實驗研究過程陳述 培養(yǎng)學生科學態(tài)度

弗蘭克和赫茲這一發(fā)現(xiàn)以論文形式正式發(fā)表后備受爭議,質(zhì)疑者認為弗蘭克和赫茲的這一發(fā)現(xiàn)不過是記錄非彈性碰撞出現(xiàn)的能量損失罷了,其激發(fā)電位的測量值得懷疑.因為根據(jù)波爾理論,汞的電離電位為10.5V,而弗蘭克和赫茲實驗的測量值為4.9V,兩者相差極為懸殊,因此如果弗蘭克和赫茲實驗結論正確,那么波爾的原子理論就會受到挑戰(zhàn).質(zhì)疑者一直認為,4.9V就是對應斯塔克理論中所指光譜線的產(chǎn)生,源于原子或者電子的分離.然而可能源于信息不通暢,他們對波爾理論不了解,后經(jīng)科學家反復實驗以及波爾對弗蘭克-赫茲實驗結果的解釋,尤其是1915年波爾在《論輻射的量子理論和原子結構》書中指出:“如果電子的能量小于4.9 eV,那么在碰撞過程其能量是不損失,而如果電子能量達到4.9 eV,在碰撞時其很大可能失去它的全部能量,原子發(fā)出的波長為2536埃對應汞的紫外線輻射”[5],波爾認為他們的結論是不正確的.1916年,弗蘭克和赫茲撰文表示不接受波爾的質(zhì)疑,直到1919年,弗蘭克和赫茲重新審查1914年所做的實驗時發(fā)現(xiàn)4.9 V并不能使汞原子發(fā)生電離,他們同意了波爾此前的觀點,即4.9 V并不能使汞原子發(fā)生電離,該電壓對應汞原子的第一激發(fā)電位[4].這個爭論導致一個具有劃時代意義的波爾原子理論被實驗所證實.這個實驗從實驗現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),到對實驗結果的質(zhì)疑,再到對實驗結論的修正,不但蘊含了實驗物理科學家們的創(chuàng)新思維和孜孜以求科學精神,更是體現(xiàn)出了物理學家們追求真理、實事求是、嚴謹求實的科學態(tài)度與科學素養(yǎng),同時也蘊含著科學發(fā)現(xiàn)是在不斷地糾錯過程中取得了進步.

4 借助實驗原理講解 激發(fā)學生科學探索精神

在弗蘭克-赫茲實驗的設計中,其設計原理如圖1所示[6].在圖1中,Uf對應的是燈絲電壓,用于加熱燈絲使其發(fā)射出熱電子;UG1為陰極K和柵極之間的一個加速電壓,其作用是消除電子在陰極K附近堆積;UG2為加速電壓,其作用是讓電子獲得加速度,提高電子的能量;UP為拒斥電壓,其作用是篩選電子,只有能量E>eUP的電子才能通過G2→P區(qū)間達到陽極P定向移動形成電流,通過電流表G我們可以觀測到電流IP的大小,通過觀測IP隨UG2的變化情況,繪制IP-UG2關系曲線,即可測量出氬原子的第一激發(fā)電位.通常情況下,在實驗過程所用的理想四極管中各種電壓參數(shù)是給定的,同學們只需按照特定的參數(shù)進行調(diào)節(jié),測量出IP隨UG2的變化情況,繪制相應的IP-UG2曲線即可完成實驗,這極不利于培養(yǎng)學生們的科學探索精神.為此,我們可以對上述儀器參數(shù)進行重新設置,并提出實驗參數(shù)(如燈絲電壓Uf、第一加速電壓UG1和拒斥電壓UP)對氬原子第一激發(fā)電位的測量結果有何影響.這會引起學生們積極探討實驗儀器的各項參數(shù)與實驗結果的關系,同時分析儀器參數(shù)的變化所引起實驗結果的差異,有利于激發(fā)學生們的科學探索精神.

圖1 弗蘭克-赫茲管結構圖

5 利用實驗過程監(jiān)督 激發(fā)求真務實精神

過程化管理是大學物理實驗的一個重要環(huán)節(jié),他是培養(yǎng)同學們嚴謹科學態(tài)度和嚴肅工作作風的基礎.在實驗過程中,雖然每一臺儀器的基本結構相同,但由于受到實驗參數(shù)以及系統(tǒng)誤差等各項因素的影響,每臺儀器即使在相同情況下記錄的數(shù)據(jù)不一定相同,在不同情況下記錄的數(shù)據(jù)差異更大.因此,我們在實驗過程中一直強調(diào)如實記錄實驗數(shù)據(jù),不能照搬照抄別人的數(shù)據(jù),或者自己構造實驗數(shù)據(jù),要確保是在合理參考參數(shù)下,自己的操作正確即可.因此需要同學們在實驗過程中認真觀察、客觀真實地記錄數(shù)據(jù),認真分析實驗結果.逐漸培養(yǎng)學生誠實守信、求真務實、尊重事實的科學精神.

6 結合實驗報告改革 培養(yǎng)綜合創(chuàng)新能力

實驗報告是實驗工作的一個總結,它是檢驗學生課堂實驗效果的最后一個重要環(huán)節(jié).實驗報告內(nèi)容通常包含實驗名稱、實驗目的、實驗原理、實驗步驟、實驗數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理以及誤差分析等.傳統(tǒng)的實驗報告格式固化,內(nèi)容千篇一律,大有雷同,區(qū)分不出學生水平的高低,也難以激發(fā)同學們學習熱情.為此,對于弗蘭克-赫茲實驗,我們以科技小論文的形式替代傳統(tǒng)的實驗報告,這不僅能豐富大學物理實驗的課程內(nèi)容,還能培養(yǎng)同學們的科技寫作能力.通常情況下,科技論文包含摘要、關鍵詞、引言、實驗方法、分析與討論、結論、致謝、參考文獻等要素,弗蘭克-赫茲實驗的內(nèi)容具備寫成科技小論文形式的一切要素.在引言部分可介紹弗蘭克和赫茲基于何種原因去做這個實驗,以及在弗蘭克和赫茲設計這個實驗之前,都有哪些人在從事這方面的研究,一方面可以加深同學們對物理學史的認識,另一方面也可提高同學們查閱文獻,總結文獻的能力.此外,在分析討論部分,雖然氬原子的第一激發(fā)電位與各種電壓沒有關系,但燈絲電壓、第一加速電壓、以及拒斥電壓的大小對陽極電流大小均會有不同程度的影響,同時由于測量誤差的存在也會導致測量所得的第一激發(fā)電位略有波動.如文獻[7]作者通過改變第一柵極電壓研究氬原子的第一激發(fā)電位發(fā)現(xiàn),測量所得的結果在11 V～12 V之間波動.文獻[8]研究弗蘭克-赫茲實驗中爐溫、燈絲電壓、柵極電壓與激發(fā)電位的關聯(lián)中也發(fā)現(xiàn)了類似的問題.因此,我們通過科技小論文的形式,將課程與科研、教與學有機結合,通過“潤物細無聲”的方式,讓學生從被動的學習模式向主動學習模式轉(zhuǎn)變,培養(yǎng)學生從提出問題、分析問題再到解決問題的能力,實現(xiàn)認知→應用→拓展→創(chuàng)新能力的全面提升.

7 總結

大學物理實驗課程是高等院校中理、工、農(nóng)、醫(yī)類專業(yè)必不可少的一門必修課,教學對象廣、受眾范圍大,在課程思政貫穿著高等院校所有課程的背景下,大學物理實驗課程在課程思政實施過程中占據(jù)重要的地位.本文以大學物理實驗課程中一個經(jīng)典的實驗項目——弗蘭克赫茲實驗為例,通過對實驗背景、實驗原理、實驗過程以及實驗報告等教學環(huán)節(jié)進行精心設計,將課程思政與課堂教學有機融合,將人才培養(yǎng)與德育目標相結合,實現(xiàn)知識傳授和價值引領相統(tǒng)一,為新時代社會主義現(xiàn)代化建設培養(yǎng)合格的建設者.