陳 楚

（新疆大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

引言

課程思政是要把思想政治內(nèi)容融入課堂教學(xué)建設(shè)的全過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，實(shí)現(xiàn)思想啟迪和價(jià)值引領(lǐng)，使各類課程與思想政治理論課同向而行。物理學(xué)是一門(mén)歷史悠久的基礎(chǔ)學(xué)科，具有科學(xué)的世界觀、方法論和科學(xué)精神，這與馬克思主義哲學(xué)所倡導(dǎo)的相應(yīng)的世界觀、方法論和科學(xué)精神高度契合。同時(shí)，大學(xué)物理一般開(kāi)設(shè)在大學(xué)一年級(jí)下學(xué)期，學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)或正在學(xué)習(xí)馬克思主義哲學(xué)原理。因此，大學(xué)物理課程可以為馬克思主義哲學(xué)基本原理提供具體素材，馬克思主義哲學(xué)也可以為大學(xué)物理課程提供科學(xué)的方法論和指導(dǎo)思想。

當(dāng)今世界正在經(jīng)歷百年未有之大變局，創(chuàng)新是當(dāng)今時(shí)代的重大命題，習(xí)近平總書(shū)記指出，以科技創(chuàng)新催生新發(fā)展動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，必須實(shí)現(xiàn)依靠創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的內(nèi)涵型增長(zhǎng)。我國(guó)在“十四五”時(shí)期以及未來(lái)更長(zhǎng)時(shí)期的發(fā)展對(duì)加快科技創(chuàng)新提出了更為迫切的要求。創(chuàng)新能力已經(jīng)成為確保學(xué)生適應(yīng)社會(huì)發(fā)展與提高自身能力的關(guān)鍵因素和基本能力，而創(chuàng)新能力本身是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的能力，很難一蹴而就，需要通過(guò)多種形式和渠道逐漸培養(yǎng)，即科技創(chuàng)新的關(guān)鍵在人才，人才的成長(zhǎng)靠教育。由此可見(jiàn)，培養(yǎng)符合國(guó)家發(fā)展需要的、合格的創(chuàng)新型人才是高校教育的重要方面，而要想取得實(shí)效，必須全方位展開(kāi)，打破學(xué)科之間的壁壘，實(shí)現(xiàn)思政課程和課程思政相結(jié)合，協(xié)同育人。因此，在育人過(guò)程中對(duì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，既是滿足國(guó)家對(duì)科技創(chuàng)新的要求，也是課程思政的重要內(nèi)容。

一、目前狀況的反思

創(chuàng)新能力應(yīng)具備的知識(shí)結(jié)構(gòu)包括基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)、方法論知識(shí)及綜合性知識(shí)四類。目前本科生的創(chuàng)新能力主要體現(xiàn)在各級(jí)各類大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽中。但是根據(jù)最近的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，大部分本科生都能意識(shí)到創(chuàng)新能力的重要性，但依然對(duì)創(chuàng)新項(xiàng)目和賽事的參與度不高，究其原因是大部分本科生依然將創(chuàng)新活動(dòng)視為遙不可及之物，對(duì)自身的專業(yè)知識(shí)和能力缺乏信心，缺乏解決問(wèn)題的科學(xué)方法。

物理學(xué)注重對(duì)自然的探索，研究的是自然界內(nèi)部所存在的普遍聯(lián)系，是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，除了物理學(xué)理論，物理學(xué)的研究方法對(duì)其他自然科學(xué)也具有重要的方法論意義。大學(xué)物理課程涵蓋了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和量子物理等方面的基本內(nèi)容，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究依然是當(dāng)今物理學(xué)的發(fā)展前沿所在，支撐著其他理工科不斷向前發(fā)展，具有深厚的創(chuàng)新基礎(chǔ)。但是，大學(xué)物理教材中的基礎(chǔ)知識(shí)多年來(lái)不會(huì)有太大的變化，這對(duì)創(chuàng)新能力提出了較高的要求。就剛體運(yùn)動(dòng)而言，類比方法已成為學(xué)習(xí)角量的重要方法，在實(shí)踐中也被認(rèn)為是行之有效的方法。由此可見(jiàn)，對(duì)于本科低年級(jí)學(xué)生，掌握科學(xué)的方法論知識(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)思政課程和課程思政同向同行，也是提高學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑。本文以大學(xué)物理中剛體角速度為例，淺議三者融合以提高低年級(jí)本科生的創(chuàng)新能力。

二、以角速度為例

物理學(xué)中的方法論是科學(xué)的方法論，具有普適性，對(duì)所有理工科專業(yè)都具有方法論的意義，科學(xué)的方法論內(nèi)容也是大學(xué)物理課程思政的重要內(nèi)容之一。從馬克思主義哲學(xué)的方法論角度來(lái)看，學(xué)生在前期學(xué)過(guò)實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)、整體和部分的辯證關(guān)系、堅(jiān)持聯(lián)系的普遍性和客觀性的觀點(diǎn)看問(wèn)題等內(nèi)容。大學(xué)物理也是基于以上的方法論進(jìn)行學(xué)習(xí)，注重各章節(jié)在內(nèi)容上的相互聯(lián)系和邏輯上的連貫一致。角速度是學(xué)習(xí)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)首先接觸到的基本概念。在生活中，轉(zhuǎn)動(dòng)隨處可見(jiàn)，人們可以隨時(shí)隨地地感受到轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢及其帶來(lái)的影響。但是在實(shí)際教學(xué)中，角速度概念的引入也往往被簡(jiǎn)化成：因?yàn)閯傮w有定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需要一個(gè)描述轉(zhuǎn)動(dòng)快慢的物理量，即角速度。從此之后，角速度概念被認(rèn)為是個(gè)已知概念而用于剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)的學(xué)習(xí)中。突兀出現(xiàn)的角速度概念容易切斷剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)和其他章節(jié)的聯(lián)系，從而顯得較為“獨(dú)立”。除了角速度概念外，《剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)》這一章的內(nèi)容是本科生在中學(xué)階段沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)，因此是學(xué)生學(xué)習(xí)大學(xué)物理的難點(diǎn)內(nèi)容之一。這種情況和很多本科生在大學(xué)生創(chuàng)新類項(xiàng)目中遭遇的情況類似，雖然學(xué)習(xí)了很多基礎(chǔ)知識(shí)，但是遇到具體的創(chuàng)新項(xiàng)目卻又束手無(wú)策，此時(shí)學(xué)生面臨的困境在本質(zhì)上是：如何將已有的知識(shí)和待解決的問(wèn)題建立聯(lián)系，用已有的知識(shí)解決遇到的新問(wèn)題。想要擺脫這個(gè)困境，首先要做的是依靠科學(xué)的方法論找到解決新問(wèn)題的切入點(diǎn)。

類比法是自然科學(xué)研究中的常用方法之一。類比法是在已知事實(shí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)比較兩種事物之間的相似性，仿照已知事物的聯(lián)系做出推測(cè)性描述，其關(guān)鍵是以事實(shí)為基礎(chǔ)，找出兩者之間已知的相似內(nèi)容。在物理學(xué)的發(fā)展歷史中，類比法是常用方法之一，為我們由已知知識(shí)向未知知識(shí)的過(guò)渡提供了方法論的支持。

質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)是牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)理論，對(duì)質(zhì)點(diǎn)或質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)的描述需要位移、速度和加速度這三個(gè)物理量。學(xué)習(xí)掌握基本理論是為了解決問(wèn)題，在學(xué)習(xí)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)內(nèi)容時(shí)，學(xué)習(xí)如何通過(guò)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論解決新遇到的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題。物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，堅(jiān)持實(shí)事求是、堅(jiān)持實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)這個(gè)基本原則就是要在剛體運(yùn)動(dòng)中，從觀察真實(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象開(kāi)始。通過(guò)圖1所示可以看出，車輪上的質(zhì)點(diǎn)有各不相同的速度和位移，因此由已知的概念很難直接發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。而在質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)中，質(zhì)點(diǎn)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)由相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)兩部分組成。剛體可以看成是一種特殊的質(zhì)點(diǎn)系，其中每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)都可以分解成相對(duì)運(yùn)動(dòng)和牽連運(yùn)動(dòng)兩部分。因此，從整體和部分的辯證關(guān)系來(lái)看，整體運(yùn)動(dòng)可以分解成若干個(gè)部分運(yùn)動(dòng)，這里的整體即為剛體，而部分則為組成剛體的質(zhì)點(diǎn)?；诖?，如果將運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系原點(diǎn)建立在車輪的圓心處（即質(zhì)心處），但卻不隨車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，即Oxy坐標(biāo)系，此時(shí)車輪復(fù)雜的整體運(yùn)動(dòng)可以分成兩個(gè)部分：牽連運(yùn)動(dòng)即所有質(zhì)點(diǎn)的直線運(yùn)動(dòng)（質(zhì)心O在x軸方向上的平動(dòng)）和相對(duì)運(yùn)動(dòng)即車輪上所有質(zhì)點(diǎn)都相對(duì)于質(zhì)心做圓周運(yùn)動(dòng)（圍繞垂直于Oxy平面過(guò)質(zhì)心O軸的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)）。至此，剛體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)被分解成兩個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)平動(dòng)和定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 車輪滾動(dòng)示意

剛體的平動(dòng)可以類比為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，往往用質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)來(lái)表示，由此，我們建立了剛體運(yùn)動(dòng)和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，但是剛體運(yùn)動(dòng)相對(duì)于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)具有其特殊性，即剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，很多學(xué)生在中學(xué)階段了解不多，這也產(chǎn)生了一定程度的畏難情緒，而剛體運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容主要圍繞剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)展開(kāi)。因此，在剛體平動(dòng)和剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)之間，足夠的過(guò)渡內(nèi)容是排解畏難情緒，以及建立其后以類比法學(xué)習(xí)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵。

剛體的平動(dòng)和定軸轉(zhuǎn)動(dòng)是兩種獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。平動(dòng)可以看成是質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，屬于中學(xué)就已經(jīng)學(xué)過(guò)的已知知識(shí)，而定軸轉(zhuǎn)動(dòng)屬于要學(xué)習(xí)的未知知識(shí)。根據(jù)類比法，需要在兩者之間建立某種相似的屬性。對(duì)于剛體平動(dòng)，其屬性可以認(rèn)為是所有質(zhì)點(diǎn)在相同時(shí)間間隔移動(dòng)相同的位移，也正是由于這一點(diǎn)，平動(dòng)可以用質(zhì)量集中在質(zhì)心的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)描述，體現(xiàn)為質(zhì)心的位移、速度（位移的變化率）和加速度（速度的變化率）。對(duì)于定軸轉(zhuǎn)動(dòng)是否也有相似的屬性，其依據(jù)依然是以事實(shí)為基礎(chǔ)，即以實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為主。我們繼續(xù)將圖1中提到的車輪安裝在一個(gè)固定軸上并做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將其或快或慢的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)觀察，學(xué)生可以得到轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律：在剛體條件限制下，無(wú)論車輪定軸轉(zhuǎn)動(dòng)是快是慢，其上的每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在相同的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)過(guò)相同的角度。需要注意的是，這一規(guī)律是所有質(zhì)點(diǎn)都應(yīng)遵循的規(guī)律，即為整體所體現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律，這和剛體平動(dòng)位移是對(duì)應(yīng)的，由此做出與位移類似的定義：某一時(shí)間間隔剛體轉(zhuǎn)過(guò)的角度為角位移（圖1中的∠AOB）。上述實(shí)驗(yàn)可以直觀地觀察到轉(zhuǎn)動(dòng)也有快慢，并類比質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的定義，得到角速度和角加速度的定義：角位移的變化率和角速度的變化率，即=/，=/。由于剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，剛體上每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)具有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即具有不同的位移、速度和加速度，但是轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角量為整個(gè)剛體所有質(zhì)點(diǎn)所共有，此時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)單的幾何知識(shí)即可建立起剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)線量和角量之間的關(guān)系：=，v=/=/=，=/=/=。

我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展始終堅(jiān)持獨(dú)立自主研制的路線，從革命先輩的夢(mèng)想開(kāi)始，一路披荊斬棘，為角速度的相關(guān)內(nèi)容提供了豐富的思想政治素材。毛澤東同志寫(xiě)的“坐地日行八萬(wàn)里”形象地描述了角量和線量之間的關(guān)系，即地球自轉(zhuǎn)1周的弧度需要24小時(shí)，角速度為7.27×10rad/s，若地球半徑為6250km，則線速度為454m/s，速率之大，已超過(guò)聲速。光陰荏苒，2003年10月15日楊利偉搭乘神舟五號(hào)載人飛船升空，成為執(zhí)行中國(guó)首次載人航天飛行任務(wù)的宇航員。神舟五號(hào)的總計(jì)飛行時(shí)間為21小時(shí)，繞地球14圈后成功著陸。至此，中國(guó)首次載人航天飛行任務(wù)圓滿成功，標(biāo)志著中國(guó)成為世界上第三個(gè)具備獨(dú)立載人航天飛行能力的國(guó)家。神舟五號(hào)飛船繞行地球一周用時(shí)1.5小時(shí)，即角速度為1.5×10rad/s。若考慮到飛船的軌道高度為3.43×10m，則其線速度可達(dá)到7.65km/s，接近于地面上最快的洲際導(dǎo)彈的速度。在如此高的速度下，即使是直徑約為1cm的太空碎片也會(huì)對(duì)飛船和宇航員造成極大傷害。2008年9月25日，神舟七號(hào)載人飛船發(fā)射升空，宇航員翟志剛實(shí)現(xiàn)了中國(guó)人的第一次太空漫步，具有劃時(shí)代的意義。2016年10月19日，神舟十一號(hào)飛船與天宮二號(hào)成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，兩名宇航員入駐天宮二號(hào)，我國(guó)第一個(gè)真正意義上的太空實(shí)驗(yàn)室建成。在這次對(duì)接過(guò)程中，神舟十一號(hào)飛船通過(guò)變軌技術(shù)由軌道高度為343km處進(jìn)入天宮二號(hào)的軌道393km處完成對(duì)接。根據(jù)萬(wàn)有引力和離心力相等的條件可知，這次變軌要求飛船上的發(fā)動(dòng)機(jī)將飛船速度由7.65km/s提高到7.71km/s，即角速度由1.15×10rad/s提高到1.16×10rad/s。由此可見(jiàn)，線速度或角速度的輕微變化都會(huì)導(dǎo)致軌道的巨大變化，這次對(duì)接也被稱為太空中的“穿針引線”。此次對(duì)接的成功充分顯示出我國(guó)航天事業(yè)的飛速發(fā)展。2021年4月29日，天和核心艙發(fā)射升空，代表著我國(guó)擁有了完整的空間站技術(shù)，我國(guó)自己的空間站在軌組裝建造就此全面展開(kāi)。先輩們的夢(mèng)想得以實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)無(wú)數(shù)科技工作者的勇立潮頭、銳意進(jìn)取，以及在此過(guò)程中所展現(xiàn)出的堅(jiān)定的理想信念、高昂的愛(ài)國(guó)熱情、強(qiáng)烈的責(zé)任擔(dān)當(dāng)、良好的精神風(fēng)貌。這些事跡和精神都將激勵(lì)學(xué)生在推進(jìn)偉大事業(yè)中，實(shí)現(xiàn)自己的人生價(jià)值，并努力為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，做出更大的貢獻(xiàn)。

通過(guò)學(xué)習(xí)角速度概念，建立角量和線量之間的聯(lián)系，課堂教學(xué)的重點(diǎn)由熟悉的線量轉(zhuǎn)向新學(xué)的角量，類比法成為學(xué)習(xí)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的重要方法，但是類比法容易掩蓋剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的特殊性。質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的位移為矢量，可以沿著3個(gè)坐標(biāo)軸分解成3個(gè)分矢量，分量之間的加法是矢量加法，滿足矢量加法的交換律。而對(duì)于有限轉(zhuǎn)動(dòng)而言，定軸轉(zhuǎn)動(dòng)只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，角位移的方向由人來(lái)規(guī)定，并且定軸轉(zhuǎn)動(dòng)中的角量只有兩個(gè)分量（沿著軸的正向和負(fù)向），分量之間的加法是代數(shù)加法，因此角位移作為矢量不滿足矢量加法的交換律。但是，對(duì)于無(wú)限小轉(zhuǎn)動(dòng)而言，無(wú)限小的角位移滿足矢量的交換律，即為矢量，由角速度的定義可以看出角速度為矢量。

角速度是描述剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵物理量，從此之后，剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)各物理量的學(xué)習(xí)都和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比，闡釋其中的相似和區(qū)別之處，如力與力矩、質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、動(dòng)量與角動(dòng)量等。在剛體運(yùn)動(dòng)之后，對(duì)于熱學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的方法也在與剛體運(yùn)動(dòng)類比后得出，即剛體各質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)各不相同（速度不一樣），但整體運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)出規(guī)律性（相同的角速度、角加速等）；熱學(xué)系統(tǒng)在平衡態(tài)中的各分子運(yùn)動(dòng)具有隨機(jī)性，但整體上具有不變的宏觀物理量。由此可見(jiàn)，學(xué)生應(yīng)該學(xué)會(huì)將在大學(xué)物理中學(xué)到的科學(xué)方法論應(yīng)用于其他專業(yè)課的學(xué)習(xí)中。例如：生物群落中個(gè)體性質(zhì)的隨機(jī)性和整個(gè)群落整體性質(zhì)的規(guī)律性可以和熱學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行類比，并在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)掌握學(xué)習(xí)新知識(shí)的本領(lǐng)，提高解決新問(wèn)題的能力，切實(shí)增強(qiáng)創(chuàng)新能力。

結(jié)語(yǔ)

剛體轉(zhuǎn)動(dòng)是大學(xué)物理課程與中學(xué)物理課程的明顯區(qū)別之一，因此也是課程的難點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容。如何通過(guò)已學(xué)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)來(lái)學(xué)習(xí)未知的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)容，是通過(guò)方法論來(lái)提高學(xué)生創(chuàng)新能力的很好方式。本文對(duì)目前的創(chuàng)新能力培養(yǎng)和課程思政進(jìn)行了反思，并以角速度的學(xué)習(xí)為例，利用課程思政促進(jìn)學(xué)生對(duì)方法論的掌握。通過(guò)將質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)和剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)做類比，得到與剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度相關(guān)的概念?？茖W(xué)的方法論最終將使學(xué)生有能力、有信心地去面對(duì)具體的問(wèn)題，并因此提高學(xué)生對(duì)未知的探索能力，彌補(bǔ)本科低年級(jí)階段創(chuàng)新能力的短板。