基于“三位一体”目标的力学一流课程的内涵建设与改革实践

刘冬梅　董科　梁颖　刘文彪　周雨青

关键词 力学课程;一流课程;课程思政;育人育才

物理学是人类在探索自然奥秘的过程中，通过认知的积累而形成的科学，是其他自然科学和工程技术的基础。在物理学发展过程中所形成的一系列的科学世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界的基本认识、思维方式和社会生活，是人类文明发展的思想基石，在人才的科学素质培养中具有重要的作用。

物理学最初是从对力学运动规律的研究发展起来的，它是通过严密的归纳和演绎，运用微积分及微分方程等数学工具，建立起来的统领经典力学的系统理论体系。它的成熟与发展强有力地推动着现代科学和工程技术的发展，例如伽利略和惠更斯关于单摆的研究，为人们精确测量时间开辟了道路，开启了后来整个钟表工业领域;瓦特的离心调速器，是蒸汽机之所以能普遍应用的关键，使蒸汽机成为现代工业的动力;齐奥尔科夫斯基的变质量力学，是火箭运动和航天学的理论基础，开启了宇宙航行的新篇章。在牛顿的《自然哲学的数学原理》的序言中写到：“自然的一切现象，完全可以根据力学的原理用相似的推理一一演示出来。”在《伯克利物理学教程》第Ⅰ卷力学的序言中写到“一个学生如果清楚地理解了力学中所阐述的基本物理内容，即使他（她）还不能在复杂的情形下运用自如，他（她）也克服了学习物理学的大部分真正的困难了”。

1 力学课程的育人优势

力学的重要性不仅仅体现于其在物理学中的基础地位，还体现在它自身发展过程中所包含的自然规律、哲学思想和科学方法在人才培养中起着十分重要和独特的作用。面向大学本科一、二年级学生开设的力学课程在人才特质的培养方面具有得天独厚的优势。力学课程不仅仅使学生学到了力学知识、方法和思想，还在培养科学认知和使命担当方面也起着重要作用。

第一，力学知识体系本身具有独特的吸引力。力学是基础课的基础，其知识体系中本身就蕴含着大量的自然规律和科学方法。力学知识体系所体现出来的历史性和逻辑性，以及力学知识在日常生活应用中所体现出来的实用性，使力学课程本身具有独特的吸引力。例如在日心说和地心说争论过程中所体现出来两种世界观;在铅球比赛中，运动员的最佳抛射角度可以通过抛体运动方程推导出来;台风的形成和潮水的涨落等都与力学知识相关。

第二，力学课程有助于培养学生的科学认知能力。力学知识体系具有严谨的逻辑推理，分析问题和解决问题的方法具有科学的系统性和完整性，掌握严密的逻辑推理等科学认知思维方法有利于提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。同时，根据ETA 物理认知模型[1]，物理学家在实践中的认知过程分为11个具体步骤，即观察物理现象、挑选研究对象、明确研究行为、量化描述性质、寻找实验规律、建立理想模型、建立公理认知、实验证伪检验、解释已有现象、预言可能事件、技术发明创造。力学知识体系的建立与发展清晰体现了这一认知模型，文献[1]中通过以牛顿第一定律为例，介绍了如何通过对简单的匀速直线运动进行教学设计来培养学生的科学认知能力。学生一旦有了科学的认知能力就能形成自己独立的科学的世界观、价值观和人生观，有了独立的科学三观就能有独立的人格。

第三，力学课程有助于激发学生的使命担当。力学知识体系的发展与建立中蕴含着科学家们探索世界的开创精神，通过科学家们探究力学规律的发现过程和逸闻趣事，可以引导学生学习科学家勇攀高峰、敢为人先的创新精神和坚持不懈、追求真理的科学精神等。通过拓展力学知识在先进科技上应用，从各种案例中增强学生的国家民族认同感，培养家国情怀，激励青年学生要勇于担当时代责任和历史使命。例如从动量定理出发，拓展到火箭飞行原理，再结合我们航天技术的发展及最新空间站建设情况（例如神舟十五号的发射成功及神舟十四号宇航员返回地球等最新资讯），以及自主研发的“墨子号”量子卫星、“天问一号”火星探测器等，都能激发学生的家国情怀和使命担当，坚定学生的理想信念。

2 力学一流课程建设思路

建设力学一流课程，关键在落实立德树人的育人目标，课程思政建设有利于实现“三位一体”的育才目标。力学富含课程思政元素，在遵循学生发展特点和认知规律的前提下，充分利用这一优势在力学课堂中开展全方位、多维度的、“润物无声”的课程思政教育，最终在力学课程中落实立德树人，实现价值塑造、能力培养和知识传授“三位一体”的培养目标。为此，我们须在以下两个方面作出探索。

2.1 更新课程教学目标

根据《高等学校课程建设指导纲要》[2]中的理学类课程思政要求，结合新时代高质量人才培养的需要，基于课程本身所包含的知识、方法和价值三个维度，将“育人育才，培養德才兼备的新时代人才”作为力学一流课程的教学目标。以力学课程体系中的基本知识和基本概念为出发点，通过挖掘知识体系背后所蕴藏的科学思维、科学方法和科学精神，以及思维方法与思维模式背后潜隐藏的情感、态度和价值观，培养学生探索未知、勇于担当、敢于创新、追求真理，从而帮助学生塑造正确的世界观、人生观、价值观。知识目标、能力培养和价值塑造三个维度并非独立的，而是相互联系、相互贯通、相互渗透的，只有三个维度目标互相融合地实现，才能真正实现知识目标、能力培养和价值塑造“三位一体”的育人目标（见图1）。

2.2 思政元素的挖掘与融入

依托课程知识体系，挖掘那些能够启迪学生智慧、培养科学思维、凸显家国情怀、充满人文精神等价值范式的思政元素。在挖掘过程中需要遵循思政元素的内源性而非外源性[3]，即从本门课程内部生出来的，而不是从课程外部加进去，否则将可能出现“两张皮”或“生搬硬套”的现象。基于内源性原则，从力学课程知识体系出发，深入挖掘力学知识体系中蕴含的思想价值和精神内涵，合理拓展力学课程思政元素的深度;从力学知识所涉及的专业与行业、国家与国际、历史文化等角度，增加力学课程思政元素的广度;从力学课程知识体系建立过程中所涉及的物理学家的科学故事与闲闻趣事等人文特点，增加力学课程思政元素的温度。在教学设计过程中可以通过上好绪论课、问题驱动导入、课堂拓展提升、课外拓展研学、单元小结复习、指导学生画思维导图、前测题和后测题题目设计等方式全方位融入相关知识的思政元素，让课程思政“润物无声”地进行，真正实现“盐溶于水”。

3 力学一流课程实施策略

为了实现课程建设思路，还需要有配套的改革策略。

3.1 提升教师德育能力

《师说》曰：“师者，传道授业解惑也”，传道为首要任务，即教师先要教会学生为人处世的道理，培养学生的人格品质;之后才是授业，即教授学生学科基本知识与基本技能;解惑是指教师要培养学生独立面对未知、独立解决问题的能力。可见教师对培养人才的品格、素质、能力起着十分重要的作用。清华大学于歆杰[4]提及全方位开展课程思政建设，教师需要在理解层面、行动层面、内容层面、方法层面、手段层面实行“合五为一”的课程思政建设模式，想要连通课程思政建设的最后一公里，关键在教师。教师作为课程思政的推动者和实践者，首先要提高自身的思想政治素养，用自身的言语行为为学生树立正确的榜样，用自己的身教以德育人，用自己的灵魂去塑造学生的灵魂，做到知行合一或心口合一，所谓“身正为范”，这本身就是一种思政。其次教师要努力提升自身的教学科研水平，用较高水平教学经验和科研成果反哺教学，实现教学相长，具有扎实的专业知识和较高的学术水平才能称为师，所谓“学高为师”。最后，教师需要转变教学定位，在现代信息技术环境下，学生随手可获取学科相关的优质资源，学生不再需要传统的传授知识的教师，教师需要把自己的定位从知识的传授者、资源的提供者，逐渐转变为了高质量学习的促进者和陪伴者，为培养高素质人才打下夯实的基础，以此实现课程思政建设，达到最终育人目的。

3.2 打造一体化课程教材

课程教材是课程思政的重要载体，是课程之根本。课程教材是高校落实立德树人根本任务的重要载体;是高校课程团队实现课程思政、教材思政与新时代中国特色社会主义思想进教材、进课堂、进头脑一体化设计的重要载体;是新时代中国特色高校课程与教材内容一体化设计、融合创新的重要载体[5]。要打造一流力学课程，就要从力学课程研究开始，深挖课程思政元素，遴选课程教材的知识点，通过增加与力学知识的相对应的拓展应用（如力学知识在工程技术中的应用）、物理学家在定理定律发现过程中的科学精神和科学思维、力学知识在科技应用的最新前沿、力学相关原理定律所蕴含的物理之美等。充分利用现代教育技术手段，利用图片、视频、文档等形式，借助二维码、MOOC平台展现基本知识、拓展应用、科学趣闻等相关内容，力求实现平面化载具与层级性、梯度性、实用性的内容以及立体化的展现和贯通形式相融合。教学团队已经出版融入课程思政建设的一体化教材《新编大学物理学》（力学），通过融入课程思政，实现力学课程与教材一体化设计、线上资源与线下课程教材内容一体化设计，打造具有时代特色的新形态力学课程教材。

3.3 丰富优质线上资源

随着公开课、共享课的流行，后疫情时代线上资源不再稀缺，但缺优质线上资源，同时如何合理有效地利用这些资源，融入平时的教学过程中，使之为学生高效利用成为关注的重点。团队在力学一流课程思政方面广泛学习采纳先进经验，大胆尝试，打造出了系列优质线上资源，目前已有的力学部分线上资源包括思想之光、专题讨论、核心知识、习题课等，均已在MOOC上线并被多个高校使用。通过重构力学知识体系，结合线上优质资源，全方位的线上线下混合式教学，打造丰富优质的力学课程思政线上资源。核心知识中通过“引题思考—知识讲解—回答引题”问题驱动式教学设计，例如“质点运动的描述——坐地日行八万里？”“牛顿定律——没有力的作用，我们能干什么？”“非惯性系——离心力哪儿来的？”等启发学生思考，培养学生科学思维;再例如专题讨论中的“对称在物理学中的作用——兼谈对称之美”“相对论与高速火箭、卫星导航”“道路千万条，安全第一条——汽车驾乘人员安全性力学问题”“砸墙也是技術活——哑铃式铁锤的力学特点”“大海航行靠什么？ ——舰船多普勒声呐的测速原理”等，在“振动的利与弊——兼谈振动的数学描述”中通过振动带来积极的影响和消极的影响举例，让同学们明白“事物积极和消极是相伴存在的，振动这一物理学中最基本的运动形式也不例外，这是科学辩证法告诉我们的客观事实，以科学的态度对待它们，通过各类现象的本质的深入研究，做到扬长避短，造福人类，这就是同学们学习科学知识过程中应对事物的态度，也是工作作风，更是处事风格。”通过精心巧妙的设计优质线上资源，让教学中润物无声地融入思政元素，实施课程思政教学，最终达到知识传授过程中培养能力和塑造价值的教学目标。

3.4 实现全方位的线上线下混合式教学

作为当代网络原住民的大学生，生活已离不开手机、平板等网络工具，碎片化、移动性、随时性等特点成为他们这一代学习方式和学习行为的共性。加上受疫情影响，混合式学习和混合式教学应运而生。以学生为中心，就需要从学生的实际情况出发，教学也需要符合他们的学习特点，开展教学也要全方位地线上线下混合。建设力学一流课程，应从学生认知规律和发展特点出发，结合线上优质资源和线下资源，实现全方位的线上线下混合式教学，其教学模式及实施路径如图2所示。

4 力学一流课程实践案例*

所有的思路也好，策略也罢，没有教学实践的实施都是空谈，为此我们设计了力学课程中的一个有关参考系的案例，并以东南大学和北京师范大学的两位老师的实际教学活动，来支撑上述理论的阐述。

4.1 案例简介

以第一章质点运动学中“质点运动的描述之参考系”为例，基于知识体系重新设计教学，从教学目标出发，通过历史故事融入思政元素。

由于参照物选择不同，历史上发生了一段世界观、方法论之争，即托勒密的地心说与哥白尼的日心说之争。该争论甚至付出了“血腥”代价。从亚里士多德到托勒密，地球一直被认为是宇宙的中心，太阳、月亮以及所有的恒星、行星均围绕地球运转，在相当长一段时间内，地心说在天文学界占据了主导地位，这一学说在今天早已被日心说取代，但地心说结论的得出也是基于先前的理论基础和观察得出的“科学论断”，只不过那时的科学与宗教神学紧密结合在一起，自然科学思想难以自由生长。哥白尼从自然本体出发，走进了科学，大胆地提出了地球是同时围绕地轴自转和环绕太阳作轨道运转的猜想，构建了“日心说”体系。用现代科学观点来看，地心说与日心说的论断中都存在一些合理与不足之处，两者没有绝对的正确也没有绝对的错误，只是针对太阳系来说，日心说模型更加便利、精确和优美。本案例试图展现科学观形成过程中的曲折、是非和科学理论的形式美，提升学生科学素养。

4.2 基本信息

表1列出了“质点运动的描述”教学案例的基本信息。

4.3 内容展示

参考系是质点运动描述教学中必备的知识点，由于参照系选择的不同会带来对运动状态认识上的不一样，而运动状态往往可以通过测量或观察得到。借助这个物理结论引出历史上的世界观之争——日心说与地心说。该思政元素可从如下几个方面（选择）展开（注：可用 10 分钟进行一定的讨论或活动）：

（1） 纯科学性讨论优劣。结论：从惯性系角度看，日心说优于地心说;从便利角度看，地心说优于日心说;从简单性角度看，日心说优于地心说。

（2） 从科学的社会功能分析。地心说符合当时欧洲宗教认知的地球中心论，而日心说被视为异教邪说，这是科学产生的社会功能，所以人类社会中的纯科学总会打上社会功能的烙印。

（3） 从世界观分析。世界万事万物的运动是永恒的，认识也必将无穷无尽，没有“绝对”只有“相对”。

（4） 从科学精神看。地心说与日心说都是有科学观察数据的，而天文数据的获得不是一朝一夕的事，需要有持之以恒的坚持和细致入微的探究才能获得的。

（5） 科学理论的优美是一种朴实的判据。从日心说（图3）相对地心说（图4）的简单（轨迹）、和谐（近似同心圆）、统一（规律一致）推广至一般的未知规律探索中的方法，广义引力方程就是如此。

（6） 科学理论的可证伪。宗教色彩的地心说——地球为宇宙的中心是无法证伪的。

表2是东南大学和北京师范大学两位教师实际教学活动的主要内容展示。

4.4 教学拓展（

1） 自然优美、和谐统一、简洁明了和对称工整是自然规律的首选形式。 追求自然的和谐统一是科学思想观的出发点，遵于此，科学理论的形式也追求简单明了、形式优美的方式构建物理理论，比如日心说、引力理论和规范场论等。

（2） 持之以恒是成功的保证。行星运动变化是一个“漫长”的变化过程（在地球上观测），需要有耐心、恒心和信心，这是科学研究应具备素养，日心说和地心说的提出都是在具有大量观察数据获取之后提出的科学论断。

（3） 争论是科学发展的不竭动力。 历史上的所有科学争论无一例外都促进了科学的发展。正确的科学理论建立之前的任何一次争论都是对科学真理的探究过程，比如光理论的发展和建立等，那么，地心说和日心说之争亦是如此。

5 力学一流课程思政评价方案

《纲要》[2]中指出“人才培养效果是检验课程思政建设的首要标准”。建设课程思政是培养高质量人才的重要举措，人才培养过程中其知识、能力、价值塑造方面是否有所提高并非一下子体现出来，需要各方同向同行，协同发展。在文献[6]中，从课程师资水平发展、课程教学设计、教学内容、教学实施过程、学生认知和成长发展等五个维度上构建了物理学类专业课的课程思政成效评价指标体系;在文献[7]中通过对学生问卷调查得到了课程思政成效的反馈。建设力学一流课程思政，可通过课程思政教学实施后对教学工作和学习成效进行评价，从学生的角度和教师的角度两方面去衡量课程思政工作的有效性。教师方面可从教学大纲、教学设计、教学内容、教学模式、教学评价等方面进行评价。从学生角度，以学生的体验感和获得感进行评价，全方面地反馈学生情况，根据文献[8]中的构建课程思政评价体系的方法，结合力学课程自身特点与教学目标，从教学资源、教学方案、教学过程与教师表现、学习过程与学生表现以及教学效果设计了课程思政评价体系量表，如表3所示。

6 结语

本文借助力学课程独有的育人特点，从力学一流课程建设的具体思路、实施策略、案例实践和思政评价体系进行了实践性的介绍。利用物理學史“日心说与地心说之争”融入到“质点运动的描述”这一教学中，对案例进行设计与实践，展示课程思政教学的开展。通过借助力学一流课程建设，落实立德树人，实现价值塑造、能力培养和知识传授“三位一体”的培养目标。