科学思维赋能大学物理课程思政探索

周宏丽,王文波, 曲忠伟 ,圣宗强

(1.安徽理工大学 力学与光电物理学院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大学 数学与大数据学院,安徽 淮南 232001)

新一轮信息技术革命产生的颠覆性突破,不但让人们认识到“思维教育是伴随着以人工智能、大数据等为代表的信息技术飞速发展而出现的一种教育形态,以培养和发展受教育者的思维能力为核心”[1],而且为传统教育模式的变革与创新提供了新的机遇,借机产生的课程思政实践活动在各个学科蓬勃兴起。在国内外政务、商务、司法等各种大小谈判桌上,在法律法规、书籍、广告等各种文案中,在管理、社交、科技创新中,甚至是在一场有知名度的时装秀中,科学思维的编排逻辑尽显,思维的作用和魅力无处不在。科学思维是由马克思和恩格斯提出的,也叫科学逻辑,即形成并运用于科学认识活动、对感性认识材料进行加工处理的方式与途径的理论体系;它是真理在认识的统一过程中,对各种科学的思维方法的有机整合,是人类实践活动的产物。思维包括逻辑思维或抽象思维、形象思维以及灵感三大类[2]。我们从不同的角度,可以对思维进行不同的分类,形成不同的名称,如市场思维、创造思维、批判性思维以及系统思维等。“人们从不同的角度对思维进行研究和描述,进行归纳分类,……对一般人来说,叫什么名字并不重要。只要是科学思维,都应当提倡和推广。”[3]物理学是研究物质结构相互作用及其运动规律的科学,是科学技术中具有引领作用的基础学科。思维能力在个人能力中具有举足轻重的地位,而物理思维的品质对思维能力的提升具有重要作用。在实现国家富强、民族振兴、人民幸福的伟大征程中,引领大学生树立正确的“三观”与掌握知识、技能同样重要。精神世界的健康、丰富程度是与现实生活中的实用性相互作用相互影响的。然而,作为一门自然科学课程,当前大学物理课程思政建设虽成效明显,但也存在不少亟待解决的问题。正如刘志鹏等所指出,“大学物理属于自然学科,不少物理教师对大学物理课程思政的源起和内涵理解不到位,不仅影响落实课程思政的积极性,而且导致对课程深层次思政元素的提炼和挖掘不够”[4]。因此,本文拟首先探讨我国高校全面推进课程思政建设的缘由、现状及存在的问题,然后结合大学物理课程思政建设分析科学思维赋能大学物理课程思政的内涵及其功能,最后以线上教学示范课堂案例进行教学实践,验证该教学方式的可行性。

一、我国高校全面推进课程思政建设的缘由、现状及存在的问题

(一)我国高校全面推进课程思政建设的缘由

首先,国家发展需要高校坚持为党育人、为国育才。“古今中外,每个国家都是按照自己的政治要求来培养人的,世界一流大学都是在服务自己国家发展中成长起来的。”[5]进入新时代,我国经济快速发展,国际地位日渐提升,党领导中国人民日益走近世界舞台中央。然而,当今世界正经历百年未有之大变局,保护主义、单边主义上升,霸权主义和强权政治在国际政治、经济、科技、安全等领域仍然存在并有新的发展,经济全球化遭遇逆流。作为维护世界和平的中流砥柱,中国要为世界的稳定繁荣贡献更多中国智慧和力量,必须打造具有中国特色的人才自主培养体系,全面提高人才自主培养质量,把自身建设得更加繁荣富强。高校全面推进课程思政建设,其目的就是为党育人、为国育才。其次,课程思政是落实立德树人根本任务的关键举措,是高校人才培养理念和方式的重大创新。2012年党的十八大报告明确把“立德树人”作为教育的根本任务。立德树人是树立德业,培养人才。古人总结商亡的教训,认识到了德的重要性,提出了一整套关于德的说教——德之说,即《尚书·周书·康诰》对康叔所言“告汝德之说于罚之行”。德从远古延续到现今,一直是中国传统思想文化中最为重要的概念之一,是中国几千年政治与伦理思想的基本内涵。道德是做人的根本,古人为人处事“三立”原则之首即为“立德”。21世纪以来,我国经济高速增长,国际地位显著提升。然而,发展的背后总会隐藏着一些危机,其中,核心价值观缺失、自我为中心、低俗化等问题在青年大学生群体中逐步凸显。毛泽东曾提出:“一定的物质基础之上,思想掌握一切,思想改变一切;教育工作是思想工作,是要解决学生的精神世界的问题。”[6]高等教育就是要解决青年大学生精神世界的问题,通过采取一系列行之有效的教育教学手段,培养青年大学生成为信念坚定、专业过硬、全面发展、勇于奉献的时代新人,做当代有理想、有学识、有道德、有担当的“四有”大学生,引领他们将理想融入中华民族伟大复兴中国梦,做社会主义事业的合格建设者和可靠接班人。育人是一个系统工程,每门课程都是高校思政育人系统工程里面的一个因子,所以高校要把思想政治教育贯穿于教育教学全过程,实现全员全程全方位育人,统筹推进思政课程和课程思政建设,实现各类课程与思政课程同向同行。

(二)我国高校全面推进课程思政建设现状及存在的问题

近5年,各地高校课程思政建设如沐春风、如火如荼。以“课程思政”为关键词在中国知网进行搜索,可以发现近5年有关学术论文数量呈逐年增加趋势(如图1所示)。尤其值得注意的是,课程思政类学术论文重要学术期刊发文量及其期刊文献总数占比也同时呈现递增趋势。回顾近5年高校课程思政建设相关研究成果,研究视域逐步拓宽,研究方法持续更新,研究问题逐渐深刻,课程思政建设的内涵不断丰富。具体到大学物理课程思政建设来看,2021年7月教育部评选出课程思政示范课程699门,普通本科教育有300门,其中以大学物理为名称的有6门,若加上以普通物理为名称的示范课程,实际上作为公共基础课的大学物理共有8门课程思政示范课程,占普通本科教育课程思政示范课程总数的2.7%[7],这表明大学物理课程思政建设已初具规模。

图1 2017—2021年课程思政建设研究成果统计

课程思政建设在取得显著成效的同时,还客观存在不少亟待解决的问题。如,王小力指出,“目前,对开展课程思政建设尚存有一些认识误区和盲区,课程教学与思政教育、教书与育人‘两张皮’现象尚未得到根本解决。课程教学中如何融汇和体现科学思想、科学精神、科学方法、人类进步、家国情怀、人文价值等,都还存有不同程度的模糊认识和差距。其问题实质是,站位不高”[8]。徐初东等指出,“如何找到契合点,使思想政治教育水到渠成地融入大学物理教学,既不牵强附会,也不喧宾夺主,做到知识传授与价值引领有机融合、相辅相成,存在困难和挑战”[9]。李爽等指出,“对课程思政的定位、育人元素的挖掘和提高教师课程思政的意识和能力等方面还存在一定程度的认识局限和实践困惑”[10]。综合学者们的已有研究可以发现:教师育人能力不足、“两张皮”、思政元素硬融入等是当前课程思政建设面临的主要问题。对于大学物理课程来说,本文认为,在以教师为主导、学生为主体的教育过程中,科学思维赋能大学物理课程思政是解决上述问题的杀手锏。

二、科学思维赋能大学物理课程思政的内涵

科学思维也叫科学逻辑,是人类智力系统的核心,是人类在学习、认识、操作和其他活动中所表现出来的理解、分析、比较、综合、概括、抽象、推理、讨论等所组成的综合思维,包括理性思维和非理性思维。科学思维与大学物理思维有共性,如逻辑性、立体性、系统性等,但相对大学物理思维,科学思维是更高维度的。“赋能”意指赋予能力和使能够。本文所说的赋能是指“为行为主体实现既定目标而提供一种新的方法、路径或可能性”[11]。所谓科学思维赋能大学物理课程思政,是指基于高等教育未来可持续发展视角,本着“培养什么人、怎样培养人、为谁培养人”[12]的初心,抓住以人——学生为本,重视环境、榜样的作用,遵从个体思维差异,提升大学物理的教学质量,创新课程思政思路和方法,使大学物理课程思政协同高效,进而真正落实高等教育立德树人根本任务。科学思维属于高等思维认知层次,将科学思维全面融入大学物理课程思政建设,有助于持续有效地推进大学物理课程思政教学创新发展,真正践行价值引领、知识传授、能力培养三位一体人才培养模式,引领学生开启德才兼备的智慧之门。

图2 科学思维与大学物理思维培养、课程思政关系网

大学物理课程思政的特殊性在于,它是在以引导学生探究自然科学规律为主线基础上开展的思政教育。当科学思维、大学物理课程教学与课程思政三者耦合时,大学物理课程思政建设将如鱼得水。传统大学物理课堂教学仅涉及对学生进行逻辑思维能力、抽象思维能力的培养,教师在教学过程中既是主演又是导演,很少考虑学生个体的思维差异、实践感受,学生被动接受教师呈现的公式推导、结论及思政育人理论,课堂学习过程似机器运转,比较枯燥。而科学思维赋能大学物理课程思政课堂教学,主要是指教师运用科学思维将思政教育融入大学物理课堂教学。其基本设计流程为:首先,导入“科学发展过程中科学家那些值得探寻的不同思路和故事”[13],并设置问题,问题涉及物理专业知识与思政教育两方面,以激起学生好奇心;其次,遵从学生个体思维发展规律,让学生自由分组针对问题进行讨论,引导学生勇于说出自己的想法、作出科学判断和推理;再次,引导学生进行数学建模,推导结果;从次,理论推导完成后,利用学生小组制作的课堂演示实验教具进行验证;最后,总结结论和规律,实现课堂教学高阶“五重境界”[14]。

三、科学思维赋能大学物理课程思政的功能分析

传统大学物理教学模式重教材知识硬性灌输,轻实践教学,且有逐步与社会需求脱节的倾向,导致学生学习缺乏积极性、主动性。而在科学思维赋能大学物理课程思政这种教学形式中,教师运用科学思维进行教学设计,课堂教学与实践教学相结合,专业知识传授与思政育人相结合,实现了积极主动适时融入思政教育,做到了专业课与思政课同向同行。

在这种教学形式中,学生取代教师成为教学活动的主体、主演,教师角色转换成一个睿智的引导者;教师运用战略思维全面系统把握大学物理课程教学目标和思政目标,基于学生个体思维发展规律设计问题,运用科学思维方法引导学生分析问题、解决问题;无论是学习过程中产生的知识把握问题,还是社会实践、人际交往中产生的沟通交流问题,都会在教师的指导下得到圆满解决。这种教学形式突破了传统课堂教科书式讲解的桎梏,提高了学生学习的积极性、主动性,不但能够有效提高学生学习效率,而且能够帮助教师把思政教育融入大学物理实践课程,不但能够培养学生辩证思维能力、逻辑思维能力、系统思维能力、创新思维能力、语言文字表达能力、团结协作能力、人际交往能力以及科学精神、奋斗精神,提升学生思想道德素质与人文素养,还有助于强化学生宪法法治意识与国家安全意识、坚定学生理想信念、厚植学生爱国主义情怀。

四、教学实践探索——以大学物理“电磁学”部分的开篇为例

科学思维赋能的过程是一种以科学思维为核心的理性逻辑和非理性逻辑重塑的过程。科学思维赋能大学物理课程思政的关键在于,教学过程中如何基于科学思维将课程思政巧妙融入大学物理的课堂教学,使之成为一个有机整体,发挥出科学思维高维度和网的作用。教师要从学好物理知识需要理性思维、创新基础科学教育需要理性思维和非理性思维、引领心智发展需要理性和非理性思维交叉融合等视角研究大学物理课程思政提质增效的方式方法。下面以大学物理中“电磁学”部分的开篇为例进行教学实践探索。

电磁学起源于18世纪,主要研究电磁波、电磁场以及有关电荷、带电物体的动力学等。电磁学是芯片集成电路的基础,学好基础知识,才能掌握模拟电路、数字电路、半导体物理、集成电路等理论。因此,开篇能否激发学生学习兴趣,直接影响着后续学习的教学成效。

(一)大学物理中“电磁学”部分的开篇课堂教学设计方案

1.导入。播放兼具视听美感的“2nm芯片GAA架构突破物理极限”视频激发学生学习兴趣和好奇心。

2.设问。点电荷、试探电荷的区别有哪些?你能列举生活中有关点电荷、试探电荷应用的例子?你从我国半导体高端技术尤其是芯片技术的发展历程中感悟到什么?对我国半导体技术研发作出卓越贡献的科学家你最敬重哪位?为什么?

3.分组讨论。5人自由成组讨论上述问题。

4.小组交流。各小组派1名学生代表陈述小组观点后相互交流。

5.重点知识讲解及公式推导。

(1)引导学生由熟知的库伦定律推导电介质中点电荷受力公式。

首先,由库伦定律导出真空中点电荷受力公式。库伦定律

(1)

式(1)中,k≈9.0×109N·m2/C2是静电力常数,且

(2)

式(2)中,ε0=8.85×10-12C2/(N·m2)是真空中介电常数;将式(2)带入式(1)可导出真空中点电荷受力公式

(3)

其次,由真空中点电荷受力公式导出电介质中点电荷受力公式。

将式(3)中的真空中介电常数ε0换成电介质中介电常数ε;

ε=ε0εr

(4)

式(4)中,εr为相对介电常数;由式(3)和式(4)推导出电介质中点电荷受力公式

(5)

(2)引导学生讨论如何由已知电场强度定义式、点电荷受力公式(5)推导点电荷电场强度(Electric Field Intensity)公式。由电场强度定义式

(6)

在点电荷q1产生的电场中,任意位置放置试探电荷q2,q2对应式(6)中的q;将式(5)带入式(6),可推导出点电荷在空间任意一点产生的电场强度公式

(7)

获得此公式后,教师可提出扩展性问题:使用式(7)时是否需带入电性?

(3)引导学生小组讨论并推导“点电荷系”在空间任一点产生的场强公式。即,由前面所推导的一个点电荷q的电场强度定义式(6)推导多个点电荷构成的点电荷系的电场强度。式(6)中的力F是所有点电荷受力的矢量和,即

(8)

将式(8)带入式(6),再根据式(5),即可得到重要的电场强度叠加原理:

(9)

6.数学建模。以“求电偶极子(electric dipole)延长线上任一点的电场强度”为例指导学生进行数学建模。首先,网络查询电偶极子内涵,明确它的定义、方向、表征方式,引导学生全面深入认识这个重要物理模型;其次,利用点电荷在空间任一点场强公式、场强叠加原理进行数学建模。由于前面已经推导过单个点电荷、点电荷系在空间任一点的场强公式,所以学生可独立完成。学生完成此建模后,教师可进一步拓展到均匀连续带电体,使问题进一步复杂化。例如,求有限长均匀带电细杆延长线上a点处场强、均匀带电圆环轴线上任一点场强、均匀带电圆盘轴线上任一点场强等,指导学生借助“切割的思想”,小组讨论并进行数学建模。

(二)教学设计方案小结

专业知识传授方面,在上述教学设计中,教师作为课堂教学的设计者,积极发挥引导、组织作用,遵循学生的认知规律,严格按照从简单到复杂、由已知到未知原则设计问题。学生由被动接受者转变为积极参与者、执行者,成为学习过程中的“主角”,通过小组讨论与发言不仅提升了辩证思维能力、逻辑思维能力与创新思维能力,还提高了语言表达能力与团结协作意识。

从思政育人角度来说,此节知识点有较多可融入思政元素之处。如,可由导入视频引出华为5G芯片被“卡脖子”事件,以及“中国龙芯之母”黄令仪院士80岁高龄仍奋战科研一线为国鞠躬尽瘁、无私奉献的科研经历等,引导学生思索我们应如何应对当前美西方国家对我国进行半导体技术尤其是高端芯片技术进行封锁,用科学家精神涵养大学生报国情怀,引导学生树立为我国科技事业发展贡献力量的远大理想。

五、结束语

提倡科学思维就是坚持利用科学规律、坚持以学生为本、坚持遵从个体思维差异发展。大学物理教师要准确把握科学思维赋能大学物理课程思政的内涵,运用科学思维精心设计课堂教学,充分发挥科学思维高维度和网的力量,使知识传授和思政育人相辅相成、相互促进形成一个有机整体。将科学思维融入大学物理课程思政,十分契合这个既要用脑又要用心的时代要求。