陳佳敏

(文華學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)部 湖北 武漢 430074)

熊永紅

(文華學(xué)院基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)部 湖北 武漢 430074;華中科技大學(xué)物理學(xué)院 湖北 武漢 430074)

2016年12月習(xí)近平總書記在全國高校思想政治工作會(huì)議上強(qiáng)調(diào)“要堅(jiān)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(xué)全過程[1].為貫徹落實(shí)“立德樹人”根本任務(wù)，全面推進(jìn)高校課程思政建設(shè)，2020年5月28日教育部印發(fā)的《高等學(xué)校課程思政建設(shè)指導(dǎo)綱要》明確指出要堅(jiān)持顯性教育和隱性教育相統(tǒng)一，挖掘其他課程和其他方式中蘊(yùn)含的思想政治資源，實(shí)現(xiàn)全員全程全方位育人[2].高校是教學(xué)育人的主戰(zhàn)場，課程教學(xué)是高校教育的核心，我們要以各類通識(shí)課、基礎(chǔ)課、專業(yè)課的課堂教學(xué)為課程思政建設(shè)的“主渠道”，努力挖掘符合其課程特點(diǎn)的思政元素，構(gòu)建各類典型的思政案例，把思想政治教育貫穿到課堂教學(xué)全過程，全面提高高校人才培養(yǎng)質(zhì)量.

物理學(xué)本質(zhì)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，是自然學(xué)科許多領(lǐng)域和生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)，包含了豐富的世界觀和方法論，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的良好載體.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是一門面向全校大一、大二理工科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，是學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，在學(xué)生的能力提升和素質(zhì)培養(yǎng)方面有著其他課程不可替代的作用.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程知識(shí)豐富、實(shí)踐性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛，蘊(yùn)含了豐富的思政教育元素[3,4]，對該課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)方法等各個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，在課堂教學(xué)中巧妙地加入一些思政元素，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科學(xué)素養(yǎng)，對學(xué)生的世界觀、人生觀和價(jià)值觀進(jìn)行正確引導(dǎo).本文以邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)為例，深度挖掘該實(shí)驗(yàn)所包含的科學(xué)精神和科學(xué)方法，重點(diǎn)討論如何在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中合理地融入思政元素，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì).

1 邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)的科學(xué)精神與科學(xué)方法

從邁克爾孫發(fā)明干涉儀的歷史背景和研究歷程中，感悟他在科學(xué)研究的過程中對真理的執(zhí)著尋求，為求證“以太”的存在，發(fā)明了精密的干涉儀，他的創(chuàng)新思維方法、精妙的設(shè)計(jì)思想和精湛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，創(chuàng)造出多種美輪美奐的精密儀器.追尋他的腳步我們才能真正理解愛因斯坦贊美邁克爾孫為“科學(xué)中的藝術(shù)家”的真正含義.

1881年美國物理學(xué)家邁克爾孫為了證明“以太”的存在設(shè)計(jì)制造了一種精密干涉測量儀器——邁克爾孫干涉儀[5]，這是一種分振幅的雙光束干涉測量儀器，可通過干涉現(xiàn)象來測量光波波長、液體折射率、物體的厚度及微小長度變化等，其精度可與光的波長相比擬.邁克爾孫干涉儀在物理發(fā)展史上具有里程碑的作用，邁克爾孫及其合作者曾用此儀器完成了3項(xiàng)著名的物理實(shí)驗(yàn)[6].第一項(xiàng)就是舉世聞名的邁克爾孫-莫雷“以太漂移”實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，否定了“以太”的存在，這對當(dāng)時(shí)的物理學(xué)界產(chǎn)生了巨大的沖擊，解決了關(guān)于“以太”的爭論，動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，也為愛因斯坦狹義相對論的建立奠定了基礎(chǔ).第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)就是用鎘紅線波長標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)米尺長度，建立了以光波為基準(zhǔn)的絕對長度標(biāo)準(zhǔn)，即國際標(biāo)準(zhǔn)米等于鎘紅線的1 553 163.5個(gè)波長[7]，這是人類首次找到了一種永遠(yuǎn)不變且毀壞不了的長度基準(zhǔn)，而與之前用法國的米原器作為長度基準(zhǔn)相比，其穩(wěn)定性和精確度都提高了很多，實(shí)現(xiàn)了長度單位的標(biāo)準(zhǔn)化.第三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)就是研究光源干涉條紋可見度隨光程差變化的規(guī)律，并以此推斷光譜，他第一次系統(tǒng)地研究光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)，其成果對現(xiàn)代分子物理學(xué)、原子光譜和激光光譜學(xué)等新興學(xué)科都發(fā)生了重大影響.1907年，邁克爾孫因發(fā)明光學(xué)干涉儀并用其進(jìn)行光譜學(xué)和基本度量學(xué)的研究而成為美國歷史上第一位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者.

邁克爾孫干涉儀結(jié)構(gòu)簡單、光路直觀、精度高，其調(diào)整和使用具有典型性，巧妙地應(yīng)用了干涉法、分光法和放大法等多種實(shí)驗(yàn)方法.盡管邁克爾孫干涉儀發(fā)明至今已有100多年的歷史，但其精妙的設(shè)計(jì)思想與方法現(xiàn)在仍然廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、醫(yī)療和科研等各領(lǐng)域.邁克爾孫終其一生都在致力于干涉儀的研究，對待科學(xué)工作始終保持著實(shí)事求是的精神和精益求精的態(tài)度，實(shí)驗(yàn)過程中一次又一次的失敗沒有打敗他，反而激勵(lì)他不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置、提高儀器精度、繼續(xù)潛心研究，他的成功來源于面對困難的勇氣和無數(shù)次失敗中的堅(jiān)持與毅力.因此，在學(xué)習(xí)邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生不僅要掌握邁克爾孫干涉儀的設(shè)計(jì)思想和實(shí)驗(yàn)方法，而且更重要的是領(lǐng)悟科學(xué)家們獨(dú)特的人格魅力，學(xué)習(xí)他們實(shí)事求是、精益求精、堅(jiān)持不懈的科學(xué)品質(zhì).

2 融入思政元素的教學(xué)設(shè)計(jì)

要在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中有效開展課程思政，我們必須找準(zhǔn)“課程思政”在實(shí)驗(yàn)課堂中的切入點(diǎn)，將思政元素以潤物細(xì)無聲的方式融合在教學(xué)過程中.在邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們以課件、教材、動(dòng)畫和視頻等資源為教學(xué)載體，采用問題導(dǎo)入、理論講授、課堂討論和直觀演示等方式來實(shí)施思政教育.

2.1 制定科學(xué)合理的教學(xué)目標(biāo)

邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中必做的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一，圍繞教學(xué)大綱的基本要求，教師應(yīng)該根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體內(nèi)容，從知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)、價(jià)值引領(lǐng)3個(gè)方面制定教學(xué)目標(biāo).

(1)知識(shí)傳授目標(biāo)

讓學(xué)生觀察研究等傾干涉和等厚干涉現(xiàn)象，加深對光的干涉理論知識(shí)的理解；了解邁克爾孫干涉儀的結(jié)構(gòu)、條紋特性和工作原理.

(2)能力培養(yǎng)目標(biāo)

重溫經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生掌握邁克爾孫干涉儀的調(diào)節(jié)和使用方法，學(xué)會(huì)用干涉儀測量激光波長，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)思維，提高學(xué)生獨(dú)立思考能力、實(shí)踐動(dòng)手能力和自主創(chuàng)新能力，學(xué)會(huì)理論聯(lián)系實(shí)際，應(yīng)用干涉原理解決實(shí)際問題.

(3)價(jià)值引領(lǐng)目標(biāo)

通過介紹邁克爾孫發(fā)明干涉儀的研制背景、實(shí)驗(yàn)開展、歷史影響及應(yīng)用推廣等，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家們實(shí)事求是的科學(xué)精神、精益求精的科學(xué)態(tài)度和堅(jiān)韌不拔的工作作風(fēng)，培養(yǎng)學(xué)生積極主動(dòng)的探索精神和勇于實(shí)踐的創(chuàng)新精神，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注前沿科技發(fā)展，樹立為實(shí)現(xiàn)中國夢不斷奮斗的理想和信念.

2.2 問題導(dǎo)入 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

利用視頻和動(dòng)畫，展示宇航員在太空行走時(shí)隔空對話的情景和生活中水波和聲波的傳播現(xiàn)象，回顧學(xué)生都已熟悉的理論“真空不能傳聲，機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)”，再提出問題“100多年前，人們已經(jīng)知道了光是一種電磁波，那光波的傳播是否也需要介質(zhì)”，由此引出20世紀(jì)初物理學(xué)上空的“兩朵烏云”之一的“以太假說”.然后，以“以太假說”的提出、發(fā)展、證偽的歷史背景為脈絡(luò)，利用視頻或故事的形式，講述邁克爾孫發(fā)明干涉儀的經(jīng)歷，以及邁克爾孫-莫雷“以太漂移”實(shí)驗(yàn)的歷史影響，讓同學(xué)們身臨其境感受到這些科學(xué)巨匠的人格魅力，驚嘆于邁克爾孫干涉儀的設(shè)計(jì)之精妙，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家熱愛科學(xué)、勇于探索、實(shí)事求是、精益求精、堅(jiān)持不懈的科學(xué)精神，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

2.3 內(nèi)容傳授 啟發(fā)學(xué)生思維

通過圖片、動(dòng)畫展示邁克爾孫干涉儀的結(jié)構(gòu)，對光路圖進(jìn)行分析，加深學(xué)生對邁克爾孫干涉儀工作原理的理解.在講解過程中多采用設(shè)問的方式，啟發(fā)學(xué)生自主思考.例如，提問“在光路中補(bǔ)償板的作用是什么”，學(xué)生從干涉儀的光路圖分析，回答“在光路中放置補(bǔ)償板時(shí)兩條反射光線都3次穿過了玻璃板，使得兩束光在玻璃中的光程相同，所以在討論干涉現(xiàn)象時(shí)，它們的光程差完全取決于在空氣中的幾何路程差”，然后再進(jìn)一步探究性提問“若使用激光做光源，不加入補(bǔ)償板是否也能觀測到干涉現(xiàn)象”，讓學(xué)生在實(shí)踐操作的過程中找到答案，并理解其原因.

通過光路幾何關(guān)系可計(jì)算出兩反射光線之間的光程差，再利用等傾干涉原理和干涉極值條件，引導(dǎo)學(xué)生推出邁克爾孫干涉儀的光程差與波長之間的關(guān)系，再結(jié)合動(dòng)畫展示等傾干涉圖樣形成過程，引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析、歸納邁克爾孫干涉儀產(chǎn)生的干涉圖樣特點(diǎn)：其等傾干涉條紋是一系列明暗相間的同心圓環(huán)，內(nèi)疏外密，中心級次高邊緣級次低.然后，根據(jù)干涉儀的結(jié)構(gòu)、干涉圖樣的特點(diǎn)和中心干涉明紋的條件，引導(dǎo)學(xué)生思考用干涉儀測量激光波長的方法：兩束相干光在空間上完全分開，可用移動(dòng)反射鏡的方法改變兩光束的光程差.當(dāng)反射鏡沿儀器導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，兩相干光束之間的光程差會(huì)增加或減少，干涉條紋會(huì)產(chǎn)生變化，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象上可以觀察到不斷有圓環(huán)從中心“吐出”或“吞進(jìn)”.在觀察屏上每觀察到中心“吐出”或者“吞進(jìn)”一個(gè)圓環(huán)，反射鏡就相對移動(dòng)了半個(gè)波長，由此可以推導(dǎo)出干涉儀測量激光波長的公式.在講授實(shí)驗(yàn)原理與測量方法時(shí)，要充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，突出學(xué)生的主體地位，多設(shè)問激發(fā)學(xué)生潛能，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)觀測、勤于思考、善于分析，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式，增強(qiáng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力.

在介紹實(shí)驗(yàn)儀器和測量調(diào)節(jié)主要步驟時(shí)，先結(jié)合儀器實(shí)物簡要說明儀器各重要組成部分，然后采用虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式，可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作模擬展示，讓學(xué)生對儀器和調(diào)節(jié)過程有更全面、直觀、清晰的認(rèn)識(shí).通過多媒體展示干涉儀的讀數(shù)規(guī)則，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到干涉儀高精度的測量優(yōu)勢，同時(shí)突出實(shí)驗(yàn)操作時(shí)應(yīng)該注意的細(xì)節(jié)問題，如“在移動(dòng)反射鏡測量數(shù)據(jù)時(shí)，微調(diào)手輪只能單向轉(zhuǎn)動(dòng)，避免空程誤差”.在學(xué)生進(jìn)行課堂實(shí)踐操作過程中，鼓勵(lì)學(xué)生多提問，可以采取提問式、討論式和探究式的方法為學(xué)生講授疑難問題，提高課堂的互動(dòng)性和學(xué)生的參與度，讓學(xué)生理解必要的物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)，熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作技能與方法，達(dá)到潛移默化的學(xué)習(xí)效果，提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng).

2.4 應(yīng)用拓展 培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)

以邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)為例，很多生活中實(shí)際應(yīng)用和前沿科技都是與基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)密切相關(guān)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師既要立足基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的講解，也要增加一些拓展延伸的教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新意識(shí).

介紹與本實(shí)驗(yàn)相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用、科技發(fā)展和前沿研究成果.邁克爾孫干涉儀結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)精巧、測量精度高，所以，其設(shè)計(jì)思想與方法沿用至今，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域.在基礎(chǔ)測量方面，邁克爾孫干涉儀可用于測量微小位移量、氣體濃度、薄透明體的厚度及折射率等.在醫(yī)學(xué)檢測方面，基于邁克爾孫干涉儀工作原理的光學(xué)相干斷層掃描儀(OCT)[8]，空間分辨率可達(dá)微米級別，可應(yīng)用于眼部視網(wǎng)膜細(xì)節(jié)圖像、心臟病研究以及冠狀動(dòng)脈的疾病診斷，其優(yōu)勢在于分辨率高，而且無接觸、無侵入、無損傷.在科學(xué)研究方面，2016年美國激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)宣布人類首次直接探測到了引力波，證實(shí)了100多年前愛因斯坦的預(yù)言，宣告引力波天文學(xué)時(shí)代的到來，2017年這一發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[9].這項(xiàng)物理學(xué)上巨大的突破也離不開邁克爾孫干涉儀的貢獻(xiàn)，LIGO實(shí)際上就是由兩臺(tái)相聚3 000公里的邁克爾孫干涉儀構(gòu)成，利用干涉原理探測引力波，其測量精度可以達(dá)到10-22量級.

在學(xué)生已經(jīng)掌握邁克爾孫干涉儀的工作原理和使用方法的基礎(chǔ)上，除了完成基本的激光波長測量，還可以增加一些提升性、進(jìn)階性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，比如利用邁克爾孫干涉儀測量透明材料的折射率：將待測物體放入其中一條光路中，可以導(dǎo)致兩個(gè)光路中光程發(fā)生變化，進(jìn)而引起條紋移動(dòng)，再根據(jù)條紋移動(dòng)數(shù)目可以測量透明材料的折射率，充分體現(xiàn)了邁克爾孫干涉儀的精妙之處.另外，給學(xué)生提供一些設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)思考題，比如思考如何利用邁克爾孫干涉儀可精確測量微小長度這一特性測量楊氏模量、熱膨脹系數(shù)或者模擬引力波探測等.這樣可以增加學(xué)生學(xué)習(xí)的深度和廣度，進(jìn)一步與物理學(xué)科競賽相關(guān)聯(lián)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力和創(chuàng)新熱情，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

最后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注我國在物理方面的進(jìn)展，比如在探測引力波這一最前沿的科學(xué)問題上，中國科學(xué)家們一直在積極探索引力波探測新方案，2021年中國科學(xué)家龔云貴、羅俊和王斌第一次在頂尖國際雜志《Nature Astronomy》(《自然·天文》)對中國空間引力波探測計(jì)劃作完整系統(tǒng)的介紹，如果中外的空間引力波探測計(jì)劃如期實(shí)現(xiàn)，到21世紀(jì)30年代，中國的天琴計(jì)劃、太極計(jì)劃和歐洲的LISA，通過優(yōu)勢互補(bǔ)、相互協(xié)作，將有望確定引力波波源等重大宇宙信息，從而為人類揭開更多宇宙奧秘[10].通過了解我國在前沿科技方面的發(fā)展和突出貢獻(xiàn)，增強(qiáng)學(xué)生的民族自豪感和自信心，激勵(lì)學(xué)生奮發(fā)向上，努力學(xué)好知識(shí)報(bào)效國家，為實(shí)現(xiàn)中華民族的偉大復(fù)興奉獻(xiàn)自己的力量.

3 總結(jié)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程是高校理工科專業(yè)的重要必修課程，蘊(yùn)含了豐富的思政元素，在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中加入思想政治教育是十分必要的.以邁克爾孫干涉實(shí)驗(yàn)為例，為更好地在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中開展課程思政，教師應(yīng)該明確實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含的科學(xué)精神和科學(xué)方法，制定相應(yīng)的課程思政教學(xué)目標(biāo)，精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，采用提問式、討論式和探究式的教學(xué)方法，將思政元素巧妙融入教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié).在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要充分發(fā)揮課堂教學(xué)這一高校課程思政建設(shè)“主渠道”的作用，在傳授學(xué)生知識(shí)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國的愛國情懷和使命擔(dān)當(dāng)，真正實(shí)現(xiàn)立德樹人的教育根本目標(biāo).