中华优秀传统文化融入“大学物理”课程教学的探索

杨远贵，郝文清，陈 三，马千惠

习近平总书记强调：“文化自信，是更基础、更广泛、更深厚的自信.在5 000多年文明发展中孕育的中华优秀传统文化，在党和人民伟大斗争中孕育的革命文化和社会主义先进文化，积淀着中华民族最深层的精神追求，代表着中华民族独特的精神标识［1］.”因此，“大学物理”教学中融入中华优秀传统文化，深入挖掘中华优秀传统文化中蕴含的思政元素，将其融合应用于教学实践中，有助于培养大学生的爱国主义情怀，增强文化自信.

“大学物理”是实现“立德树人”教育根本任务的重要课程，是理工科大学生的必修课程，也是部分文科大学生的选修课，其涉及的专业范围广，选课的学生多.中华优秀传统文化蕴含着丰富的物理学知识，把这些物理知识融合到“大学物理”教学中，有利于实现价值塑造、知识传授和能力培养三位一体的教学目标.

通过知网进行检索（截止2023年10月30日），185篇文章的标题同时有“大学物理”和“课程思政”，其中研究性论文80余篇，多数论文为教学案例，如力学、电磁学和光学等案例［2-6］.本文以“大学物理”为载体，从中华优秀传统文化中挖掘课程思政素材.在“大学物理”教学中融入中华优秀传统文化，可以激发学生的爱国主义情怀，坚定文化自信，做担当民族复兴大任的时代新人.

1 中华优秀传统文化中蕴含的物理知识

中国具有悠久的历史，五千年的文明孕育出灿烂的文化.在许多经典著作中留下了物理学的印迹，如古代的科技专著《墨经》《梦溪笔谈》等.此外，在中国古代的诗词、古典文学名著中也有许多对物理现象和物理规律的描述.

1.1 古代科技专著中蕴含的物理知识

在我国古代科技专著中，涉及物理知识的专著有《墨经》《梦溪笔谈》《考工记》《天工开物》等.中国科学院自然科学史研究所戴念祖先生在《中国古代物理学》一书中指出，“在古代图书分类的经、史、子、集四部中，几乎没有一本是丝毫不涉及物理现象的著作”［7］.例如，我们熟悉的“两小儿辩日”（出自《列子·汤问》），关于太阳离我们的远近和太阳的视圆面大小等问题的争论，可以用光的散射和视觉误差来解释［8］.尽管古代经典著述中涉及与物理相关现象的文字着墨不多，但却是我国劳动人民智慧和文化的结晶.此外，这些专著蕴含的物理知识在物理学史和科学思想史中也有介绍［9-10］，下文对《墨经》《梦溪笔谈》中的物理现象进行个例分析.

《墨经》是先秦墨家的著作，全书包含丰富的物理学知识，尤重力学和光学.《墨经》中有关于力、力的平衡和杠杆、斜面等简单机械的论述；同时记载了许多光学知识如小孔成像、光的反射和面镜（包括平面镜、凹面镜和凸面镜）成像等.《墨经·经上》有：“力，刑（形）之所以奋也.”“刑”即今谓有形体，“奋”原指鸟展翅从田野飞起，借此形容有形体的状态改变.这说明力是改变物体运动状态的原因.

《梦溪笔谈》是宋代沈括的著作，主要记述北宋时期的科技成就，涉及声学、磁学和光学等内容，如油膜干涉色彩、凹面镜和凸面镜、共振“应声”、地磁偏角等［11］.著名的科学史学家李约瑟博士称赞沈括是“中国整部科学史最卓越的人物”，《梦溪笔谈》是“中国科学史的里程碑”［12］.沈括《梦溪笔谈》卷二十四载有“方家以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也.”这是世界上关于地磁偏角的最早记载［13］，比欧洲人对地磁偏角的发现早四百多年.其中包括的物理知识有铁针被磁石磁化，受地磁场的作用能指南，地球存在地磁偏角.从“常”与“微”两字可见，地磁偏角不是凭空猜测的，而是沈括在多次观察与实验的基础上才得以发现.可见，中国古代的科学家很早就认识到了观测与实验是物理学研究的基本方法.

1.2 中国古代诗词中的物理知识

诗词是我国五千年灿烂文化的瑰宝，在不经意中记录了许多物理现象和物理学知识.如陆游《村居书喜》中的诗句：“花气袭人知骤暖，鹊声穿树喜新晴”，“花气袭人”是由花朵分泌的芳香油分子做无规则运动引起的，温度升高进而加快沁人心脾，对应的物理学知识是：温度是衡量物体内部分子运动程度的物理量，温度越高，分子无规则运动越快.

五代十国佚名《敦煌曲子·浪淘沙》如下：“五两竿头风欲平，长风举棹觉船轻.柔橹不施停却棹，是船行.满眼风波多闪烁，看山恰似走来迎.仔细看山山不动，是船行.”这首词描述了以船做参照物，山迎面而来；以山做参照物，船在向前行，因此运动具有相对性.现代诗文中对此现象也进行了描述，如毛泽东《七律二首·送瘟神》诗句“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”，分别以地球和太阳做参照物，判断物体的运动情况.

1.3 中国古典文学名著中的物理知识

四大名著是明清时期的中国古代长篇小说的代表，集文学性和趣味性于一体，许多动听的故事深受民众的欢迎.《西游记》第六十八回和六十九回中孙悟空为朱紫国国王“悬丝诊脉”，通过丝线接收到脉搏的振动，进而诊断病人的病情，这可以利用“纵波在固体中传播”来解释.《水浒传》杨志卖刀误杀牛二，是反作用力所致.《红楼梦》中黛玉刚进贾府凤姐出场“未见其人，但闻其声”，是通过音色判断是凤姐.此外，还有大量生活中的物理现象，存在夸大甚至科幻思想［15］.

以《三国演义》第四十九回“七星坛诸葛祭风，三江口周瑜纵火”中“舟自横”现象为例，研究船在水中的稳定性问题.小说中是这样描述的：“言讫，箭到处，射断徐盛船上篷索.那篷堕落下水，其船便横.赵云却教自己船上拽起满帆，乘顺风而去.”在水流湍急的长江中，船帆被射落下后，船因失去风力而不能继续向前行驶，就横在江中.这种现象可以追溯到唐德宗建中二年（公元781年），韦应物的山水诗《滁州西涧》：“独怜幽草间边生，上有黄鹂深处鸣.春潮带雨晚来急，野渡无人舟自横.”中国科学院自然科学史研究所戴念祖先生对此现象进行了深入的研究和探讨［7］.产生此现象的原因是船与水流垂直时处于稳定平衡状态.天津大学王振东教授对这种现象进行了理论推导［16］和实验研究［17］.由此可见古人对船体的稳定性进行了细致入微地观察，其中蕴含着深奥的物理规律.

2 中华优秀传统文化融入“大学物理”的教学实践——以“力学中的常见力和基本力”为例

中华优秀传统文化中蕴含着丰富的物理知识，在“大学物理”课程内容的各章节中都有所涉及.因此把中华优秀传统文化中所蕴含的思政元素自然地融合到“大学物理”课程教学中，是实现课程育人的重要方式.以《普通物理学简明教程》“§1.4力学中的常见力和基本力”［18］为例，将中华优秀传统文化融入“大学物理”教学的教学设计和教学实践.

2.1 教学目标

大学物理中“力学中的常见力和基本力”这一节主要讲授力的概念、几种常见力和四种基本力；通过本节的教学，学生需要掌握力的概念，熟悉几种常见力和四种基本力；掌握重力、弹力、摩擦力和万有引力的特点和产生条件.通过融入《墨经》对“力”的定义和《考工记》对弹力和滚动摩擦力的记载，使学生了解中国古人对力的观测和研究，增强学生的文化自信.

2.2 思政元素的挖掘与融入

（1）《墨经》对“力”的认知.“力”是日常生活中常见的一种物理现象.学生在中学物理课上已经对“力”这个概念有了基本的了解.为深化学生对“力”概念的进一步认知，须从古人对“力”的发现和认知入手.在讲授这一部分内容时，先从汉字“力”的产生和演变入手，然后融入先秦思想家墨子对物体改变运动状态的解释.在《墨经》中对此的回答是“力，刑之所以奋也”.也就是说，一个物体的状态变化是要用力的，这同牛顿经典力学对力的看法基本一致.因为根据牛顿第二定律，F=ma，物体受力就产生加速度，说明我国古代劳动人民在日常生活中观测的现象，已建立起“力”的作用效果雏形.这表明中国人对“力”的认知与研究比西方早了近千年.

（3）《考工记》对滚动摩擦力的记述.据《考工记·官序》记载：“凡察车之道，欲其朴属而微至.不朴属，无以为完之也；不微至，无以为戚速也.”检查一辆车子的好坏，先从轮子开始.车轮是否圆，通过检查车轮与地面是否接触于一点，即“微至”.尽管《考工记》没做出具体的受力分析或数学描述，但是它记述的经验结论完全符合力学理论.这表明我国在春秋时期就已掌握造车的技术，理解滚动摩擦产生的条件.

2.3 教学过程

任何物体都受其周围物体的作用，正是这种作用支配着物理运动状态的变化，因此力是物体间的相互作用.力有两种作用效果：一是改变物体的运动状态；二是改变物体的形状.下面介绍四种常见力.

（1）重力.在《墨经·经下》有：“凡重，上弗挈，下弗收，旁弗劫，则下直.”这是人们对重力现象的最早描述.地球表面附近的物体都受到地球的吸引，这种由地球的吸引而使物体受到的力叫做重力.重力的大小F=mg，其中重力加速度g=9.8 m/s2；重力的方向竖直向下.在地表附近和一些要求精度不高的计算中，可以认为重力近似等于地球的引力.

重力加速度的应用：①可通过重力加速度的测量来探测地球内某处是否存在大型矿藏，当地球质量的对称性分布破坏时，该处的重力加速度值表现出异常.这种技术在“深部探测技术和高灵敏度航空重力梯度仪”方面有重要的应用.

②在距离地面数百公里的高空中，重力很小，故称为微重力环境.2013年6月20日上午10点，在距离地球300多公里之外的天宫一号舱内，神舟十号的三名航天员为全国青少年进行了我国首次太空授课，通过质量测量、单摆运动、陀螺运动、水膜和水球5个基础物理实验，展示了失重环境下物体运动特性、液体表面张力特性等物理现象.

（2）弹力.发生形变的物体，由于要恢复原状，对与它接触的物体会产生力的作用，这种力叫弹力.其表现形式多种多样，主要有三种：①两物体相互挤压；②绳线对物体的拉力；③弹簧的弹性力.

如图1所示，当弹簧被拉伸或压缩时，它就会对与之相连的物体有弹力作用，这种力总是力图使弹簧恢复原状，因此又叫恢复力.在弹性限度内，其大小与形变量成正比，即有胡克定律：F=-kx.式中k叫做弹簧的劲度系数或劲度，负号表示弹力的方向总是与弹簧的变化量方向相反.可引入《考工记》对弹力的记述，并计算“弓”的劲度系数.

图1 弹簧所受的弹性力

（3）摩擦力.两个相互接触的物体在沿接触面相对运动时，或者有相对运动的趋势时，就会在接触面上产生阻碍相对运动或相对运动趋势的力，这种力称为摩擦力.

①静摩擦力和滑动摩擦力.相互接触的两个物体在外力作用下，虽有相对运动趋势，但并不产生相对运动，这时的摩擦力叫静摩擦力；当外力超过最大静摩擦力时，物体间产生了相对运动，这时的摩擦力称为滑动摩擦力，如图2所示.实验表明，滑动摩擦力fk正比于正压力N，即fk=μN，其中μ叫做滑动摩擦因数，它的大小取决于接触面的材料、表面情况和物体间的相对速度.

图2 滑动摩擦力

②滚动摩擦力.当一物体在另一物体表面上滚动或有滚动的趋势时，在接触面上有一种阻碍它们相对滚动的力，叫做滚动摩擦力.可引入《考工记·官序》记载车轮滚动的摩擦力.

G=6.673 84(80)×10-11N·m2/kg2，式 中 叫做引力常量.

事实上，重力可以理解为万有引力的一个分力，另外一个分力提供给物体在地球表面的向心力，如图3所示.在地球表面附近，如果忽略地球的自转的影响，其最大误差不超过0.4%，因此常把物体所受的重力称为是它所受的万有引力.在讲授万有引力时可融入张若虚的唐诗《春江花月夜》“春江潮水连海平，海上明月共潮生”，此句描述了潮汐现象，其形成原因主要是地球、月亮和太阳之间的相对运动及其引力的变化.

图3 重力与万有引力的关系

2.4 教学总结

通过本节教学，将《墨经》中对力的认知、《考工记》中对弹力和摩擦力的描述与记载融入教学内容中，实现了将价值塑造、知识传授和能力培养融为一体的目标，也是开展社会主义核心价值观和中华优秀传统文化教育的成功范例.通过“弓”的劲度系数等典型案例，将纯粹的抽象说教转变成真实的计算数据，激发了大学生对中华优秀传统文化和现代科学技术成就的兴趣和自豪感，将显性教育与隐性教育相统一，以形成思政教育的协调效应.

3 结语

中华优秀传统文化中蕴含着丰富的物理学知识和物理学研究方法.在“大学物理”教学中，深入挖掘中华优秀传统文化中所蕴含的物理学知识、所描述的物理学现象和所记载的物理学研究方法，不仅能够做到古为今用，而且能够通过对中华优秀传统文化中物理学知识的学习和了解，增强学生的民族自豪感，坚定文化自信.习近平总书记指出：“没有先进文化的积极引领，没有人民精神世界的极大丰富，没有民族精神理论的不断增强，一个国家、一个民族就不可能屹立于世界民族之林.”［19］.因此，“大学物理”授课教师要深入学习贯彻习近平文化思想，在“大学物理”教学中注重知识传授的同时，对学生进行历史文化熏陶，从中华优秀传统文化中汲取营养，滋养学生健康成长，并使之内化为学生的精神追求、外化为学生的自觉行动.