馬海霞，蘭秀風，李晉斌，楊雁南

（南京航空航天大學 物理學院，南京 211106）

習總書記在全國高校思想政治工作會議上強調(diào)，“各門課都要守好一段渠、種好責任田，使各類課程與思想政治理論課同向同行，形成協(xié)同效應”。這個實際上就是課程思政的由來。2020年，教育部印發(fā)《高等學校課程思政建設指導綱要》（以下簡稱《綱要》），全面推進高等學校課程思政建設?！毒V要》指出課程思政建設必須緊密結合各專業(yè)類課程的特點有機融入。2021年，國家教材委員會印發(fā)《習近平新時代中國特色社會主義思想進課程教材指南》，明確指出理學、工學類課程教材要結合學科專業(yè)特點，闡釋人民至上、生命至上的思想，培養(yǎng)大學生胸懷祖國、服務人民的愛國精神，勇攀高峰、敢為人先的創(chuàng)新精神，追求真理、嚴謹治學的求實精神，以及淡泊名利、潛心研究的奉獻精神，引導同學們認識到創(chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設全局中的核心地位，理解科技的重大意義。

一、大學物理課程中開展課程思政情況

物理學是研究物質(zhì)的基本結構、物質(zhì)的相互作用及物質(zhì)運動規(guī)律的自然科學。其基本理論滲透在自然科學的各個領域，應用于生產(chǎn)技術的許多部門，是其他自然科學和工程技術的基礎。以物理學基礎為內(nèi)容的大學物理課程，是高等學校理工科各專業(yè)學生的一門重要的必修基礎課。大學物理課程學時長，一般在大一、大二低年級開設，覆蓋學生人數(shù)多。這些學生剛剛經(jīng)過十年寒窗苦讀，他們有積極向上的愿望，對未知有強烈的好奇心，但同時又迷茫、困惑。如果此時能夠適當?shù)匾龑麄?，對提高高校的人才培養(yǎng)質(zhì)量勢必起到事半功倍的作用。因此如何利用好課堂教學這個主渠道，全面推進大學物理課程思政建設，在知識傳授、能力培養(yǎng)的同時，幫助學生塑造正確的世界觀、人生觀和價值觀，實現(xiàn)大學物理課程與思想政治理論課同向同行，成為急需深入研究的課題。王彩霞等[1]針對思政教學在大學物理課程中存在的問題，提出實施思政教育教學改革的具體方法和途徑；謝月娥等[2]基于普通本科生、中外合作辦學學生、民族生和留學生的學習背景和專業(yè)特點，通過課堂教學、日常生活和學科競賽三個主要路徑研究在大學物理課程中課程思政的滲透方法；趙言誠等[3]探討了在大學物理課程中開展德育教育的要素，在德育元素的挖掘與融合方面做了細致的分析；朱憲忠等[4]梳理了大學物理思政內(nèi)容體系及其結構關系，提出了挖掘思政素材的兩種方法；卓士創(chuàng)等[5]提出利用偉人事跡追蹤法、知識應用聯(lián)系法、人文內(nèi)涵拓展法、哲學內(nèi)涵提煉法挖掘思政元素；張修麗等[6]通過詩詞元素融入物理概念和定理的教學，為課程思政融入大學物理課程提供了一種新的探索模式。

目前，大學物理課程開展課程思政工作正面臨一些困難。其中，思政內(nèi)容不夠豐富，在傳授知識時缺乏科學的思政教育切入點，缺乏系統(tǒng)的思想政治教育元素是其中一個重要原因。本校馬克思主義學院院長、博士生導師王智教授指出，對于理工科的課程思政可以從四個方面挖掘思政元素。第一是人，這個主要指主講教師的專業(yè)性、政治素養(yǎng)與道德典范；第二還是人，這個人指課程所涉及的圣哲、大師、先賢與每一個學科科學發(fā)展的貢獻者；第三是事，課程所涉及的行業(yè)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展；第四是理，課程所涉及的道理：道路、理論、制度與文化自信，正確的理想信念，健康的道德身心，文明的行為規(guī)范，內(nèi)在的愛黨、愛國、愛人民等。

機械振動是大學物理的一個必修內(nèi)容，在這部分主要學習簡諧振動、阻尼振動、受迫振動和共振等知識。本文深度挖掘了該部分的思政元素，給出詳實的案例，希望能夠為大學物理課程思政的實踐應用提供參考與借鑒。

二、機械振動中的思政元素

（一）實踐出真知，歌頌勞動人民的智慧

在講授簡諧振動時，我們會引入描述諧振動振動快慢的物理量：圓頻率、周期和頻率，它們都是由系統(tǒng)本身的固有性質(zhì)決定的，與初始條件無關。工程中常利用自由振動固有頻率的特性判斷系統(tǒng)及材料的特性。在這兒我們會講述廣西鐵路普通職工陳衛(wèi)國的故事[7]，他通過用榔頭敲擊螺栓（圖1），憑借音色分辨螺栓有無松動，是否有裂痕。他將榔頭一頭抵上柴油機（圖2），另一頭抵上耳朵，就能聽出機體是否有破裂。因為如果部件有損傷或裂紋，肉眼往往很難察覺，但用榔頭一敲，系統(tǒng)將發(fā)生振動，振動頻率與部件本身性質(zhì)有關，損傷或有裂痕的部位會引起材料的固有性質(zhì)發(fā)生改變，這樣系統(tǒng)的固有頻率也將發(fā)生變化，聽到的聲音頻率也就不同了。勞動人民的智慧是無窮的！再比如在弦樂器的演奏中，一根弦所產(chǎn)生的振動頻率和弦的拉緊程度及弦長有關，所以在交響樂等音樂會開始之前，音樂家們都要通過松緊弦來調(diào)整弦的張力以調(diào)節(jié)琴的基調(diào)（圖3），使得演奏時樂器發(fā)出準確頻率的音樂。在演奏中，音樂家用手指壓迫琴弦的不同位置來改變琴弦的振動頻率（圖4），從而演奏出變化多端的美妙樂曲。

圖1 陳衛(wèi)國用榔頭敲擊螺栓，通過音色判斷有無故障

圖2 陳衛(wèi)國用榔頭聽柴油機的運轉(zhuǎn)情況

圖3 調(diào)節(jié)弦的松緊

圖4 彈吉他

（二）學習伽利略探索求真的科學精神

理想單擺做的也是諧振動。因此單擺每做一次完整的全振動是等時的，實際上單擺的等時性早在幾百年前就被發(fā)現(xiàn)了。伽利略（圖5）是一位虔誠的天主教徒，他每周都要到教堂做禮拜。1582 年的一天，伽利略做禮拜時，一位修理工人不經(jīng)意間觸動了教堂中的大吊燈，使它來回擺動，這個現(xiàn)象引起了伽利略的注意，他腦海中突然閃出測量吊燈擺動時間的念頭，他利用脈搏計時的方法進行了測量。但是喜歡親自探索、研究和證明問題的伽利略怎么會輕易罷休呢？他根本不會滿足只從一次實驗中得到結果，他進行了反復的實驗研究。經(jīng)過嚴密的邏輯推理，他不但發(fā)現(xiàn)了單擺的等時性，而且還發(fā)現(xiàn)了決定單擺周期的因素。不僅如此，伽利略還利用單擺的等時性制成了世界上最早的脈搏儀，為制造擺鐘奠定了堅實的基礎，為人類更加精準地測量時間開辟了道路。

圖5 伽利略

（三）一分為二，辯證地看待問題

對于豎直放置的彈簧振子，在受到某種擾動后，在不考慮損耗時系統(tǒng)將會在平衡位置附近做來回往復的簡諧振動，而實際情況則是系統(tǒng)振動幾下后就會停下來。原因很簡單，實際系統(tǒng)會受到空氣阻力、摩擦阻力等因素的影響，能量一定會衰減，它做的是阻尼運動。阻尼是不是一定就是壞事呢？當然不一定，我們要學習辯證地看待這個問題。如果希望振動系統(tǒng)盡量接近于簡諧振動，應使阻尼充分小。比如為了減小鐘表擺輪的阻尼，就要經(jīng)常在擺軸的軸承里添加高質(zhì)量的潤滑油。如果不希望系統(tǒng)往返振動，而是希望它在偏離平衡位置后盡快地回到平衡位置并且靜止下來，應使阻尼加大，最好是臨界阻尼。靈敏電流計，電壓表中都有這樣的要求（圖6）。有時我們?yōu)榱藴p震、防震，需要增大阻尼，各種樂器，我們都希望它有足夠大的聲音，這時可以增大它的輻射阻尼，如各種弦樂器的空氣箱就可以實現(xiàn)這個目的（圖7）。

圖6 電流計

圖7 琴箱

（四）引入工程問題，培養(yǎng)學生的工程意識

1940 年美國西海岸華盛頓州建成了一座當時位居世界第三的Tacoma 大橋（圖8），大橋中央跨距為853 m，為懸索橋結構，最初設計可以抵抗60 m/s 的大風。但不幸的是大橋剛建成4 個月就在19 m/s 的小風吹拂下整體塌毀（圖9）。我們播放Tacoma 大橋塌毀的視頻，并引入問題：出事那天的風并不是很大，為什么大橋會被破壞呢？答案就是共振，因為橋在風的作用下產(chǎn)生了共振，振幅不斷增大，直至大橋被破壞。調(diào)查這次倒塌事故的包括空氣動力學家馮·卡門教授。他說在橋的頂部和底部涌出了旋渦，它們以橋的共振頻率推動著橋，橋的振幅越來越大，最后導致橋的倒塌。在華盛頓大學和加利福尼亞州理工學院的風洞實驗室用結構模型做的實驗證實了馮·卡門教授的解釋。橋梁建筑師關心的是靜態(tài)的力，他們構筑了極強的強度來面對最大的負載、水流和大風等，但他們不考慮動態(tài)的力。從那場災難事件以后，橋梁工程師們就不得不考慮設計中的空氣動力學問題。所有重要的橋梁在建造之前都需要在風洞里做測試。提到風洞就要說一說我們南航人自己的風洞了。南京航空航天大學有個風洞群，全國高校最大風洞NH2就在這里（圖10）。國內(nèi)生產(chǎn)的有型號的飛機，基本上都在這個實驗室測試過。比如國產(chǎn)大型客機C919 就在這里做過實驗，還有我國最尖端的戰(zhàn)斗機殲-20 等。南京長江二橋在臺風天氣中能否做到不左右搖晃，新街口的高樓建筑群是否能承受怪異大風……，這些問題都能在南京航空航天大學的風洞實驗室里得出結論。實際上，除了飛機、大橋和高樓大廈，體育運動、汽車及鐵道車輛等都會用到風洞實驗。NH2 風洞屬于低速風洞，除了低速風洞，南航風洞實驗室還有高速風洞及超高音速風洞，形成了一個風洞群。在全國高校里，南航的風洞是最大的。通過講述學校自己的故事，一定可以大大增加學生的榮譽感。

圖8 1940 年Tacoma 大橋坍塌前照片

圖9 Tacoma 大橋被風吹拂扭曲、坍塌

圖10 南京航空航天大學風洞實驗

（五）歌頌我國古代人民的智慧

實際上我國古代很早就有對共振現(xiàn)象的記述。在《墨子·備穴篇》中記述了共振現(xiàn)象的具體應用：“穿井城內(nèi)，五步一井，傅城足。高地，丈五尺，下地，得泉三尺而止。令陶者為罌，容四十斗以上，固順之以薄革置井中，使聰耳者伏罌而聽之，審知穴之所在，鑿穴迎之”。它的意思是：在城墻下每隔幾米，挖一個坑，坑內(nèi)埋置陶甕，在翁口蒙上皮革。如果有敵人挖地道攻城，就可以根據(jù)各陶甕聲響情況，確定敵人挖掘的位置和方向。11 世紀，我國宋代科學家沈括是世界上最早進行共振實驗的人。沈括在《夢溪筆談》中精心設計了一個聲學共振實驗，他剪了一個紙人，把它固定在一根弦上，彈動和該弦頻率成簡單整數(shù)比的弦時，這根弦就振動使紙人跳躍，而彈其他弦時，紙人則不動。沈括把這種現(xiàn)象稱為“應聲”。在西方直到15 世紀，意大利人達芬奇才開始做共振實驗。通過介紹我國古代科學成就中的物理學，激發(fā)學生強烈的民族自信心和自豪感，弘揚以愛國主義為核心的民族精神。

（六）學習中國載人航天精神

在中華人民共和國成立72 周年之際，國家發(fā)布了第一批納入中國共產(chǎn)黨人精神譜系的偉大精神，其中就包括載人航天精神，此處我們會講述楊利偉的故事。任課教師在介紹共振的危害時，也會介紹共振對人類健康產(chǎn)生的危害。人體或者人體的某個器官都可以看作彈性質(zhì)量系統(tǒng)，它們都有自己的固有頻率。人體的固有頻率平均在4～5 Hz，各主要器官的固有頻率在3～6 Hz。因此當外界有這些頻率的振動源時，人體就會感到不舒服，事實上人類的周圍就存在著這些振動源，這就是次聲。次聲是頻率低于20 Hz 的聲波，這個頻率范圍與人體的一些主要器官固有頻率處于同一頻段，因此它很容易引起人體重要器官的共振。雖然人耳不能感覺到這個頻率段的聲波，但是我們的身體在不知不覺中會遭到次聲的損害，因此次聲又被稱為無聲無息的“殺手”。1986年，法國次聲波實驗室發(fā)生了次聲泄露（圖11），時值農(nóng)忙季節(jié)，附近16 km 內(nèi)很多農(nóng)民在勞作，在次聲泄露的瞬間，有30 多名農(nóng)民應聲倒地。職業(yè)駕駛員往往容易患胃病，除了與工作緊張有關外，還與車輛的次聲振動有關。人們的暈車暈船除了和身體體質(zhì)有關外，也和次聲有關。有的人乘坐越高級的轎車反而暈得越厲害，主要原因是高級轎車采取了很多措施控制振動，但次聲段的低頻振動很難控制，這樣，高級轎車里次聲頻段振動的相對比例反而更大，易暈車的人乘坐后反應就特別大。中國首飛航天員楊利偉（圖12）在他的自傳《天地九重》寫道：“但就在火箭上升到三四十公里的高度時，火箭和飛船開始急劇抖動，產(chǎn)生了共振，這讓我感到非常痛苦。人體對10 Hz 以下的低頻振動非常敏感，它會讓人的內(nèi)臟產(chǎn)生共振。而這時不單單是低頻振動的問題，而是這個新的振動要疊加在大約6 G 的一個負荷之上。這種疊加太可怕了，我們從來沒有進行過這種訓練，我擔心的意外還是發(fā)生了?！憋w行回來后楊利偉詳細地描述了這個過程。工作人員研究后認為，飛船的共振主要來自火箭的振動。之后改進了技術參數(shù)，解決了共振問題。在神舟六號及以后的飛船飛行時，得到了很好地改善。在中國航天事業(yè)取得輝煌成就的背后很多人獻出了不為人知的艱辛與努力。結合航空航天的巨大成就，培養(yǎng)學生探索未知、追求真理和勇攀科學高峰的責任感和使命感，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

圖11 1986 年法國次聲波實驗室發(fā)生次聲泄露

圖12 楊利偉

（七）課外實踐活動拓展，激發(fā)學生的創(chuàng)新意識

大學物理是一門與實踐緊密聯(lián)系的學科，除了從課本上學習，還要從實踐中學習。物理學原理在工程技術中有廣泛的應用，如在共振的學習過程中，我們通過調(diào)查報告的形式讓同學們調(diào)研影響火車危險速率的因素，從物理學的角度考慮，在火車提速的過程中應考慮的問題。通過調(diào)研，同學們一方面可以進一步了解中國高鐵的發(fā)展，另一方面也可以激發(fā)物理的學習興趣。通過鼓勵同學們參加中國大學生物理學術競賽，全國大學物理實驗競賽及自主探究活動等，激發(fā)大家的學習積極性，這不僅增加了學生學習的成就感和獲得感，在這個過程中也增強了學生的團隊意識，培養(yǎng)學生實事求是、追求真理和精益求精的科學精神和創(chuàng)新意識。

三、課程思政的實踐效果和反思

任課教師通過合理提升學業(yè)挑戰(zhàn)度、增加課程難度、拓展課程深度、挖掘課程思政元素和改革課程考核方式等措施，大大激發(fā)了學生的學習積極性，課堂表現(xiàn)明顯改善。2021—2022 第一學期期末考試及格率為95%，優(yōu)秀率達33%。本門課程教學評估成績占全校前15%，很多學生對于該課程給予了很高的評價。一位學生寫道“從小到大，我都是一個對物理不太感興趣的人，我已經(jīng)不記得自己在物理課上走了多少次神。但是，遇見您之后，我開始上課認真記筆記，開始十分認真地思考一些物理問題”。另一位學生寫道：“通過學習大學物理，我知道了許多現(xiàn)象的解釋，比如哈勃望遠鏡為什么口徑很大，為什么鳴笛的火車駛近或遠離我們時聽到的音調(diào)會變化。馬老師激勵我們向物理更加深層次方向探究，使我對學習有了更多的自信，也讓我不再恐懼對未做的事情的擔憂”。還有學生寫道：“許多偉大年輕的物理學家們極高的造詣，他們敢于創(chuàng)新、用于探索的精神值得我們學習”。有些同學寫到“飲其流者懷其源，學有成時念吾師”。在自由探索項目展示環(huán)節(jié)，有諸如“四軸風扇翼無人機的研究與制作”“動態(tài)無線充電小車”等與專業(yè)緊密聯(lián)系的探究，也有“牛肉發(fā)綠還能吃嗎”“防盜門貓眼的光學原理”等接地氣的問題，雖然自由探索項目不做強制要求，但有近三分之一的同學積極地參與了這個活動。近五年來，班級學生作為南航參賽團隊的隊員參加中國大學生物理學術競賽，獲得兩次一等獎，兩次二等獎，兩次三等獎；在2020 年第一屆全國大學物理實驗競賽（創(chuàng)新賽）中獲得一等獎一項，二等獎一項，三等獎兩項；近三年在全國大學物理實驗競賽（教學賽）中獲得二等獎四項，三等獎五項。不僅如此，班級學生還在“中國航天日航天放飛中國夢”科普巡展、“南京航空航天科技夏令營”等活動中作為志愿者，利用所學知識，向孩子們講述中國人的航天故事，點燃孩子們的航天夢。

雖然目前課程思政建設取得了一定的成效，但課程思政還存在零星化、碎片化的現(xiàn)象，建立大學物理課程思政案例庫，形成課程思政元素矩陣是一個亟待解決的問題。

四、結束語

機械振動是大學物理的必修內(nèi)容之一，通過本部分內(nèi)容的學習，不僅要求學生能夠掌握簡諧振動、阻尼振動、受迫振動的有關知識，而且共振現(xiàn)象和工程緊密相連，對于培養(yǎng)學生的工程意識和理論聯(lián)系實際的能力具有重要的意義。本部分學習內(nèi)容蘊含豐富的思政元素，通過知識點的講解和思政元素的有機融合，實現(xiàn)了課程育人。物理學的研究圍繞物質(zhì)展開，大至宇宙，小至粒子，涉及生產(chǎn)生活的方方面面。物理學規(guī)律來自人們對自然萬物的研究，是許多物理學家們堅持不懈、銳意創(chuàng)新的結果。因此大學物理課程思政素材豐富多樣、真實自然。在大學物理課堂授課過程中，教師可以從物理學故事激發(fā)人生情懷、物理學思想引領新世界觀、物理學發(fā)展促進人類文明、物理學知識點燃思想火花、物理學拓展塑造價值追求、物理學素養(yǎng)構建科學精神和結合時事熱點七個方面建立大學物理課程思政案例庫，構建課程思政教學內(nèi)容體系。好老師心中要有國家和民族，要明確意識到自己肩負的國家使命和社會責任。任課教師通過整合教學資源，充分挖掘思政元素才能促進學生全面發(fā)展、健康成長。本文以機械振動為例，深入挖掘其中的思政元素，希望能夠為大學物理課程思政的實踐應用提供參考借鑒。