在大学物理力学中的课程思政实践

1、在大学物理力学中的课程思政实践摘 要 课程思政建设是为了在尊重课程自身建设规律的前提下，实现价值引领、知识传授、能 力培养三位一体的课程目标&课程思政建设和课程质量提升的内在目标应是一致的& 我们以大学物理A：力学”课程中变质量体系和角动量守恒定律的教学实践为例，对 教学内容深化、拓展，结合中国火箭技术发展和矢量发动机研制成果以及在脉冲星导 航技术研究方面的探索，把课程思政教育自然融入专业教育&无论在知识内容的深度 和广度上，还是在知识内容实际应用的感性认识方面，课程质量和育人效果都得到了 明显提升，实现课程思政教育和课程质量相互促进、相得益彰&关键词课程思政；大学物理；力学；变质量体系；角动

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 课程思政建设的总体思路课程思政建设是在尊重课程自身建设规律的 前提下，在实现课程的知识传授、能力培养等基本功 能的基础上,挖掘并凸显其价值引领功能。实现“价 值塑造、能力培养、知识传授”三位一体的育人目标。人们只有正确认识世界以及自身在世界中的 作用，才能树立正确的世界观、价值观和人生观& 物理学观念包括物质观念、运动观念、相互作用观 念、能量观念，这些观念是认识世界的核心观念& 通过物理教学，培养学生正确的世界观，是物理学 科本身的特点，也是物理学科的优势&物理教师

5、应当发挥这一优势，把对学生辩证唯物主义世界观 的培养融汇到教学实践当中去。例如，世界是物质 的,物质是运动的，运动是有规律的，规律是可以认识的,认识是发展变化的。这些都是辩证唯物主义 世界观，也是物理教学中的基本观点。但是仅仅做 到这一点还不够，除了传授知识、培养能力以外，课 程思政还可以在人文精神、家国情怀、科学规范、学 术道德等方面进一步实现课程的价值引领功能。具体来说，可以通过三个方面开展课程思政 教育第一，介绍相关学科的发展历史，从发展的 角度帮助学生建立正确的世界观、科学观，传播辩 证唯物主义思想;第二，通过科学家的故事开展励 志教育，弘扬科学精神第三，结合国家的重大科 技发展成果，

6、增强民族自信和民族自豪感，激发爱 国主义情怀2课程思政元素的挖掘与大学物理力学课程建设思政元素的挖掘是在大学物理A：力学课 程思政建设团队集中研讨、集中备课过程中确定 的。团队成员分别准备素材、集中备课讨论。这 些内容已做成PPT教案供相关课程选用，以辐射 到更多的课程和学生。力学知识单元模块对应的 课程思政元素及具体内容如表1所示。表1大学物理A：力学知识单元模块与对应的课程思政元素知识单元模块课程思政元素通过讲述物理学史、力学史，使学生热爱科学、热爱物理、勇于创新。 质点运动学2.建立正确的物质观念、运动观念、相互作用观念和能量观念, 逐步形成正确的世界观。从空间研究、时间研究、科学方 法

7、、逻辑思维等四个方面介绍 伽利略对科学和现代科学研究续表课程思政元素知识单元模块角动量、角动量定理与角动量守恒定律万有引力定律在介绍自然界中脉冲星形成过程 及其形成过程中的角动量守恒的 基础上，介绍我国在脉冲星导航 技术方面开展的开创性研究，增 强学生民族自信和民族自豪感， 并让学生了解脉冲星导航技术还 有许多需要攻克的技术难点，弘续表课程思政元素知识单元模块角动量、角动量定理与角动量守恒定律万有引力定律结合科学家开普勒的故事，开 展励志教育，弘扬科学精神介绍我国科学家罗俊院士团队 几十年持之以恒，在万有引力 常量精确测量研究方面作出的 出色成果，他们的测量精度达 到国际最好水平，为提升我国

8、在基础物理学领域的话语权、 为物理学界确定高精度的引力 常量的推荐值做出实质性的贡 献，增强学生民族自信和民族 自豪感%.介绍我国月球探测工程以及 2019年实现嫦娥四号在月球背 面软着陆，中国成为第一个实 现卫星在月球背面软着陆的国 家,标志着我国从航天大国迈向 了航天强国。“我欲乘风归去） “可上九天揽月”在中国的大地 已经成为现实。增强学生民族 自豪感，激发学生的爱国情怀4.介绍我国引力波探测研究计划 和进展，激发学生的爱国情怀。方法的贡献，使学生具有追求、牛牛顿运动定律探索、捍卫真理的科学精神。批判牛顿其人和牛顿的绝对时空观，倡导唯物辩证法的一分 为二的观点，体会科学是不断发展的，进而

9、培养学生的质疑 和创新意识。介绍中国火箭技术的发展。在对教学内容深化、拓展的基动量、动量定理和础上，介绍我国矢量发动机研动量守恒定律制成果。使学生了解我国航空航天技术的发展，激发学生的课程思政教育内容和专业教学的内容必须做 到有机结合、自然融入；做到相辅相成、相得益彰 则更好；引起共鸣、拨动心弦则是课程思政的最高 境界教师的课堂讲授要能够吸引学生，启迪学 生教师的人格魅力是课程思政教育具有说服力 的关键和保证做到这些，专业知识教育和课程 思政教育都会令人印象深刻，课程思政的成效也 会水到渠成因此，课程思政建设与课程质量提 升的内在目标是一致的在课程思政建设中必须 坚持专业知识与育人元素交织交融

10、，实现“教书） 与“育人的相互促进、双向提升3课程思政在具体力学教学中的实践举例3.1变质量系统“大学物理A：力学”变质量体系具体选取火 箭发射过程开始讲授$对于这样的体系，通过适 当的推导，可得其动力学方程为 TOC o 1-5 h z n # d P 寸厂. dS/ r、M ( 2 F e:ci + S/ (1)dzJdi其中M为火箭在时刻G的质量为火箭相对于 惯性参考系的速度，2 Fmg为火箭所受所有外力 矢量和次/为从箭)向外喷射的物质相对于箭体 的速度$为了帮助学生理解和记忆公式(1)1,先 讨论一种特殊情况：如果没有物质喷射，则箭体质量不变，公式会 回到牛顿第二定律F=ma的形式$

11、由此可见公 式(1)的右侧第二项为因箭体喷出物质而获得的 额外的力，该力可能是推力也可能是阻力，但是力 的方向必与喷出物质相对箭体的速度方向相反， 因为m为负值$接着作为例题分别讨论不考虑任何外力和外 力只有重力的情况。通过分离变量法解微分方程 (1)，可得外力只考虑重力情况下火箭这一变质量 体系竖直向上发射时刻G的速度公式(2)9gt + v#n(M)(2)其中g为重力加速度$ M)和Mt分别为发射初始 t = 0时刻和t时刻的体系质量$一般教科书或课堂讲授变质量体系的动力学 往往到此为止$虽然知道了火箭的发射过程中速 度如何变化，但是对于实际火箭质量有多大，最终 获得多高的速度，特别是我国

12、发射的火箭的诸多 参数依然不甚了了$而这正是体现思政教育的大 )时机$因此在这里我们将教学非常自然地过渡 到介绍我国航天事业的发展历程$中国是火药的故乡，烟花爆竹可以认为是原始 的喷气式火箭。长征一号是我国第一枚三级运载 火箭，起飞质量M)为81.5吨，起飞推力约100吨， 1970年把300公斤的人造地球卫星“东方红一号” 送入近地轨道。进入新世纪后，中国火箭运载能力 得到大幅提升，长征五号火箭起飞时推力达到1060 吨。2018年发射次数超越美国位列世界第一。 2020年7月23日长征五号火箭搭载“天问一号”火 星探测器在海南文昌发射成功。这样自然融入思 政元素，不仅增强了学生对课堂所学知

13、识实际的掌 (程度，而且还激发了学生的民族自豪感，增强了 民族自信心;很好体现了课程思政教育的效果。为了促进学生的发散;思维，拓展知识的深 度和广度，满足优秀学生深入学习的要求，在以火 箭为例讲解变质量体系时，还可以进一步提出一 系列问题启发学生讨论、思考$如假设火箭有多 个喷口，各个喷口同时喷射的总推力如何计算$ 又如对于多发动机的喷气式飞机，飞行时吸入机 外空气，与汽油混合燃烧后喷出气体获得动力；这 时候既有物质吸入，又有物质喷出，净推力又该如 何计算？此时我们向学生强调说明，在这种情况 下公式(1)已经不再适用，需要对其修改，改成可 以推广的形式，推广到有多个吸入口和喷口吸入 或者喷出物

14、质的情形$设单位时间体系某喷口喷出物质的质 量为az，喷出物质相对体系的速度为！2，则可将公 式(1)改写为公式(3)M ( 2 F.t + ()a2 s)(3)改写后的公式(3)可以推广到多个喷口的情 形，即公式(4)M ( 2 + mg + 2 ()a2,)(4)上式最右边一项对所有喷口累加，每个喷口 因喷出物质而获得的力的计算在形式上完全一 样，因为它们的作用地位都是等同的$这也体现 了利用对称;分析和解决物理问题的基本思想$公式(1)也可以推广到吸入物质的情 形$设单位时间体系从喷口吸入物质的质量为 a1，吸入物质的相对速度为！1，则公式(1)改写为M ( 2 + mg + a1 s(

15、5)推广到多个喷口吸入物质情形，即M ( 2 + mg + 2 a*(6)上式最右边一项对所有吸入口累加$因此，多个喷口喷出或吸入口吸入物质的情 形下，变质量体系的动力学方程为M d = 2 FMt + 2 ()a2,) + 2 (a* !* )( 7 ) 其中最右边的两项表示多个喷口、吸入口以不同 速度喷出和吸入物质时的静推力。如前所述，喷气式飞机飞行时，吸入机外气 ），气体与汽油燃烧后喷出气体获得动力。但是， 一般喷气式飞机喷出的气体相对于机身的速度方 向是固定的，即动力方向相对于机身不变如果 飞机发动机喷出气体相对于机身的方向可以改变 则称为矢量发动机，其喷出气体的动力方向和形 成的力矩

16、均可调矢量发动机又可以分为二元和 三元矢量发动机二元矢量发动机喷口方向可以 上下偏转，三元矢量发动机喷口方向可以上下左 右偏转矢量发动机可以极大地提高飞机的机动 ;在教学实践中可以穿插介绍我国在矢量大推 力发动机方面的研发成果课堂上组织学生观看 2018年珠海航展时装备矢量大推力发动机的国 产X-10B战机表演“眼镜蛇机动”“落叶飘”等高） 度机动动作的视频，帮助学生了解我国是继美 俄之后世界上第三个掌握矢量大推力发动机技术 的国家。在课堂讲授这部分内容时，学生对中国 在矢量发动机研发方面取得的成绩表现出很高的 热情和关注度，不仅帮助学生拓展了知识范围，培 养了他们发现问题、解决问题的能力，也

17、很好地激 发了学生的爱国主义情怀以及敢于创新、勇攀高 峰的科学精神。如果不讲中国火箭技术的发展和矢量发动机 研发的内容，对变质量体系动力学方程的理解无论 从深度、广度以及感性认识上都不够到位，课程讲 解也没有特色，缺乏理论联系实际。变质量体系的 教学使我们认识到，课程思政教育与课程质量提升 能够做到并且应该做到相互促进、相得益彰。3.2角动量守恒定律在大学物理力学的知识点中，角动量守恒定 律是一个非常重要的概念。在课堂讲解这部分内 容时，通常会利用许多演示实验加强学生对角动量 守恒定律的直观和深刻的理解。那么在自然界中 有没有天然的角动量守恒系统的例子呢？脉冲星 形成过程中的角动量守恒就是一个

18、很好的例子。当恒星到达其寿命周期的尽头时由于引力和 聚变的辐射压不能维持平衡，恒星会发生坍缩，质 量为太阳质量1*倍以上的恒星，其核心由中子 组成，称为中子星。坍塌使得中子星半径广大大 减小，因而转动惯量1= （2/5）Mr2大大减小。根 据角动量守恒）=常量，中子星转动的角速度） 会大大增加。中子星的磁场可以束缚电子，高（ 旋转的电子在切线方向辐射能量。于是，在地球 上的观察者可以接收到周期性的脉冲信号。所 以，高速自转的中子星又称脉冲星。1967年8月，剑桥射电天文台的女研究生贝 尔在记录纸带上察觉到一个奇怪的“干扰”信号! 经多次反复钻研，她成功地认证：地球每隔1.33 秒接收到一个极其

19、规则的脉冲。进一步的测量表 明，这个天体发出脉冲的频率精确得令人难以置 信。接下来，贝尔又发现了另外3个类似的脉冲 信号源，排除了外星人信号的可能性%3&。许多人 认为，贝尔在发现脉冲星的过程中起到了关键的 作用。可是，1974年的诺贝尔奖没有授予贝尔, 只授予了她的导师休伊什，这样的失误是难于原 谅的，人们对诺贝尔奖委员会授奖前的调查欠周 密提出了批评。这个至高无上的学术奖励也出现 如此严重的问题，提醒我们学术严谨、学术规范以 及学术道德必须时刻（记心间，这样才能使我们 的科研之路走得更远。脉冲星是恒星核能耗尽后的一种遗骸，属于 高速自转的中子星，由于角动量守恒，其自转周期 极其稳定，尤其是毫秒脉冲星的自转周期变化率 小到10191021 ,被誉为自然界最精准的天文时 钟%4,5&。因此，脉冲星可以成为人类在宇宙中航行 的“灯塔”，为近地轨道、深空和星际空间飞行的航 天器提供自主导航信息服务%6&。2016年11月10 日我国发射一颗脉冲星导航试验卫星（XPNAV- 1）,验证了脉冲星导航的可行;。这一次，中国不 再跟随美欧的脚步，而要成为“第一个吃螃蟹的 人”。我们打算通过5年到10年的努力，探测26 颗脉冲星，建立