“電動力學”課程思政建設的思考

王振林

(南京大學 物理學院，江蘇 南京 210023 )

2019年3月18日，習近平總書記在學校思想政治理論課教師座談會上強調：“思政課是落實立德樹人根本任務的關鍵課程”，“思想政治理論課要堅持在改進中加強、在創(chuàng)新中提高”.《教育部關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養(yǎng)質量的意見》(教高【2019】6號)要求“把課程思政建設作為落實立德樹人根本任務的關鍵環(huán)節(jié)，堅持知識傳授與價值引領相統(tǒng)一、顯性教育與隱性教育相統(tǒng)一，充分發(fā)掘各類課程和教學方式中蘊含的思想政治教育資源……”.2020年《教育部關于高等學校課程思政建設指導綱要》中指出，理學類專業(yè)課程要注重科學思維方法的訓練和科學倫理的教育，培養(yǎng)學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感.抓好課程思政建設，就是要為人民服務，為中國共產(chǎn)黨治國理政服務，為鞏固和發(fā)展中國特色社會主義制度服務，為改革開放和社會主義現(xiàn)代化建設服務.

圍繞物理類課程思政建設，最近多位學者和教授結合自身實踐提出了具有啟發(fā)性的見解，他們的探索與實踐不但具有與課程相適應的特色，而且產(chǎn)生了良好的成效[1-3].例如，李向東教授總結了在“宇宙簡史”天文課程建設中如何抓住立意、創(chuàng)意、匯意、和達意等幾個關鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)在知識傳授的同時通過把育人理念貫穿于教學的全過程，實現(xiàn)價值觀引導[1].劉玉斌教授則以“理論力學”課程為例，發(fā)揮教學團隊作用，挖掘思政元素，堅持從學生視角設計教學理念、教學內容和教學方法，從而讓學生掌握分析問題、解決問題的能力和終生學習的能力[3].

“電動力學”課程主要介紹電磁場的基本屬性、運動規(guī)律以及電磁場與帶電物質的相互作用.在宇宙中的各類相互作用中，人們對電磁相互作用的認識最完備、最深入，同時它在日常生活中的應用也最廣泛.筆者展示了“電動力學”在探索自然、科學精神、服務社會與價值取向等方面所包含的代表性思政內涵，結合自身近20年的課程教學實踐，從“傳道、授業(yè)、解惑與立德”4個方面，著重談一下對“電動力學”課程思政的認識與體會.

1 傳學術之道，堅守科學之真理

一個社會要不斷推動原始理論創(chuàng)新，技術的不斷更新迭代，才能推動科技進步和國家可持續(xù)的強盛.電動力學的發(fā)展歷程深刻詮釋了科學的發(fā)展得益于社會整體的創(chuàng)新文化與氛圍.在中國歷史上與磁現(xiàn)象相關的了解和認識早有記載.如宋朝沈括的《夢溪筆談》(卷廿四?雜志一)中描述了指南針的一些現(xiàn)象：“方家以磁石磨針鋒，則能指南；然常微偏東，不全南也，水浮多搖蕩.……磁石之指南，猶柏之指西，莫可原其理”.但是這些文字記載大多停留在表象描述，并且是片段的或者零碎的，沒有針對這些現(xiàn)象的系統(tǒng)性研究、分析或闡述.而在中國歷史上始于隋朝大業(yè)元年(605年)、止于清朝光緒三十一年(1905年)的科舉制歷經(jīng)一千三百多年，考試內容陳舊落后，形式僵化，只偏重人文倫理，輕視自然科學，扼殺了人才的科學創(chuàng)造精神和獨立見解.

通過學習“經(jīng)典電動力學”理論可知，為這一完美理論的建立做出杰出貢獻的科學家都集中出現(xiàn)在西方國家，包括丹麥物理學家、化學家漢斯?克里斯汀?奧斯特，法國物理學家安德烈-瑪麗?安培，法國物理學家、天文學家和數(shù)學家讓-巴普蒂斯特?畢奧，法國物理學家、數(shù)學家菲利克斯?薩伐特，英國科學家邁克爾?法拉第，英國物理學家詹姆斯?克拉克?麥克斯韋，丹麥數(shù)學家和物理學家路易斯?瓦倫丁?洛倫茲，生于德國的理論物理學家愛因斯坦，荷蘭物理學家亨德里克?安通?洛倫茲，美國物理學家艾爾伯特?邁克爾遜等.這是因為西方很早就建立起科學研究的文化和相應的系統(tǒng)支撐體系.一個科學家一旦有重要的發(fā)現(xiàn)，可以有公開的渠道去發(fā)表自己的科研成果.而很多重大的與“電動力學”相關的科學發(fā)現(xiàn)集中在十九世紀的歐洲，這也助力了同時期歐洲國家在科技方面的強盛和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展.

一個國家只有重視并堅持基礎研究，才能為現(xiàn)代化工業(yè)奠定堅實的基礎.我們知道，1865年麥克斯韋建立了電磁場理論，不但統(tǒng)一了電學與磁學，預言電磁波的存在并以光速傳播，并預言光本身就是電磁波.1888年，德國物理學家海因里希?魯?shù)婪?赫茲在實驗上成功地激發(fā)并探測到無線電波，證明它和光具有相同的傳播速度，從而證實了麥克斯韋理論預言.1894年，意大利無線電工程師伽利爾摩?馬可尼覺察到赫茲所觀察到的無線電波有可能用于商用的無線通信.其實在此之前，發(fā)送電報采用的是有線方式，而無線電報的研究和探索雖然已經(jīng)持續(xù)50余年，但一直未能在技術和商業(yè)上取得成功.1895年馬可尼成功進行了無線電波傳輸信號的實驗，申請了無線電專利，并很快應用于航海遠洋業(yè)[4].跨海無線通信的成功也使得各國政府加強無線通信的技術研究，人類通信方式由此發(fā)生了巨變.

通過歷史的回顧可以看到，從看似獨立的結論到一個統(tǒng)一理論的建立，從理論預言到實驗驗證，從純粹基礎研究到廣泛的商業(yè)應用所產(chǎn)生的巨大經(jīng)濟效益和社會影響,都需經(jīng)歷曲折而漫長的過程.中國民營企業(yè)代表之一的華為公司擁有18萬員工，遍布全球100多個國家，華為特別注重基礎科學研究和產(chǎn)品應用研發(fā).據(jù)了解，2017年華為在研發(fā)上的投入為900億美元，2018年超過1000億美元，2019年達1300億美元，2020年估計1500億美元.這樣高額的研發(fā)投入，保證了華為在與全球智能手機廠商的競爭中始終具有領先的地位.

2 授創(chuàng)新之業(yè)，培育專業(yè)之精神

“電動力學”理論“大廈”從來就不是按部就班建成的，它是不同時代的物理學家從不同的角度、以不同的方式接力完成的，但他們的工作有一個共同的特征，就是批判和創(chuàng)新.例如，電磁場理論的建立，是一個由特殊現(xiàn)象測量到普遍規(guī)律的建立，由實驗現(xiàn)象分析上升到定量理論歸納過程.同時，也有理論上的大膽假設，例如麥克斯韋位移電流假設.要知道，麥克斯韋提出隨時間變化的電場也能產(chǎn)生磁場的理論假設在當時并沒有相應的實驗依據(jù)，而這一理論的正確性則是在25年后由赫茲通過實驗進行了證明.

同時，在“電動力學”中也有通過實驗證據(jù)推翻一些理論假設的例子.最有代表性的例子就是人們最初關于以太的設想，這一設想是源于當時人們對伽利略相對性原理的認知.基于伽利略相對性原理的牛頓力學在研究宏觀低速運動物體方面取得了巨大的成功，因此人們自然有這樣的“慣性”思維認為，即牛頓力學的絕對時間是正確的.然而，在解釋電磁現(xiàn)象方面，牛頓的絕對時空觀遇到了困難，麥克斯韋方程組在伽利略變換下并不能保持協(xié)變.愛因斯坦相對論的建立徹底推翻了以太這一假設，而原先為了尋找以太存在的邁克耳孫-莫萊實驗也成為證明愛因斯坦相對論正確性的證據(jù)之一.最近，科學家又利用高速運動的高精度光學原子鐘，借助高精度光譜技術、先進的Li+離子束存儲及冷卻技術，對狹義相對論的運動時鐘時間膨脹效應給予了到目前為止最高精度的實驗驗證[5].

因此每個時代都需要批判性的原始理論創(chuàng)新，應對社會發(fā)展中遇到的新問題.今天中國進入了一個新的時代，同時也遇到了一系列的新問題和新挑戰(zhàn)，需要黨和政府謀劃布局創(chuàng)新的社會治理新體系和新思路，既需要理論創(chuàng)新，也需要用實踐來檢驗“真理”的正確性，兩者相互促進.

3 解時代之惑，堅定發(fā)展之自信

“電動力學”原本起源于理論和實驗物理學家的思想游戲，但今天已成為現(xiàn)實生活中須臾不能或缺的一部分，展示出科學發(fā)展的巨大威力，因而具有重要的現(xiàn)實意義.雖然相對論主要應用于高速運動下的微觀世界和宇觀世界，但也有貼近生活的一面，這也成為“電動力學”教學中最具代表性的思政元素之一.一個例子就是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS).目前，世界上主要有美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯、歐盟的伽利略以及中國的北斗等四個系統(tǒng).衛(wèi)星導航是如何實現(xiàn)全球定位的？簡單來說，通過精心設計，在地球表面任意一點總可以同時接收到至少4顆衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號，通過比較地面接收信號之間的時間差，就可以確定目標所處的位置.其中，衛(wèi)星的坐標是已知的，光速確定，那么只需要精確區(qū)分出接受四個衛(wèi)星信號的時間差，就可得到地球上接收器所處的坐標.正是因為衛(wèi)星上搭載的光學原子鐘精度可高達300萬年只差1秒,才可以實現(xiàn)衛(wèi)星導航.

我們知道，衛(wèi)星相對地面做快速運動，時速大約為1.4萬千米，根據(jù)狹義相對論，從地面觀測衛(wèi)星上的時間會變慢，根據(jù)運動時鐘的延緩效應，可計算出每天大約慢7微秒.同時衛(wèi)星由于圍繞地球運轉，還需考慮引力場對時間產(chǎn)生的影響，即廣義相對論效應.此外，衛(wèi)星實際運行的軌道其實是橢圓，由相對論效應引發(fā)的變化會有周期性變化，再加上電磁波在大氣中傳播時受電離層、對流層影響速度也會變化等等.這些因素對精確導航都會產(chǎn)生重要的影響.

中國從1994年開始分“三步走”建設北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)[6].在過去26年間一共發(fā)射了59顆衛(wèi)星，目前有45顆衛(wèi)星正常在軌工作，數(shù)量要多于其他三個系統(tǒng)(GPS30顆，格洛納斯23顆，伽利略22顆).相比于其他幾個系統(tǒng)，北斗的星座架構除了在中遠地球軌道有27顆衛(wèi)星環(huán)繞全球外，還有10顆在傾斜地球同步軌道，以及8顆在地球靜止軌道，更多的衛(wèi)星和軌道類型增強了衛(wèi)星對全球的覆蓋.今天，北斗可以做到全球的定位精度優(yōu)于10米，且通過基于大量地面基準站的地基增強、星基增強等方式，能實現(xiàn)分米級乃至厘米級的高精度定位[7].這種高精度定位技術已經(jīng)在國民生產(chǎn)和生活中大顯身手，從大壩監(jiān)測、電力通信、精準農(nóng)業(yè)到公交車、共享單車和手機都可以看到北斗的身影.

北斗取得矚目成績值得每個中國人驕傲.但是我們也應該清醒地認識到，美國在四十多年前就已建成全球定位系統(tǒng)，中國整體的科學技術與美國等其他發(fā)達國家相比還有很大的差距，在很多“卡脖子”的關鍵性技術上還受制于人，亟待解決，中國的現(xiàn)代化建設還有很漫長的道路要走.

4 立人生之德，弘揚師者之風范

作為“電動力學”課程的任課教師，要在學生心中樹立起師德師風的榜樣與風范，必須不斷提高自身學與教的能力，要及時跟進前沿科學研究新進展，加強課堂教學內容的更新，同時結合新時代社會對人才培養(yǎng)的新要求，注重對學生的綜合評價，啟發(fā)學生探索新問題、激發(fā)創(chuàng)新自信心，為學生走向社會夯實知識基礎和綜合能力.

一是密切關注與課程知識體系相關的前沿性研究成果，汲取相關基礎知識并穿插到課堂教學或課外閱讀中.例如在討論電磁波在半無限大介質表面的反射之后，補充介紹單層介質膜和周期性多層膜的光學特性，相關理論拓展和結果分析并不復雜，學生亦容易理解.同時作為課外閱讀，介紹科學家對一種由漸變周期多層介質膜光透射特性的研究結果，這種多層膜表現(xiàn)出對p偏振電磁波在其它任何角度都產(chǎn)生全反射，但在Brewster角入射下則表現(xiàn)出寬波段透明現(xiàn)象[8]，啟發(fā)學生思考并理解Brewster效應在這一現(xiàn)象中所發(fā)揮的關鍵作用.又例如，關于導電薄膜的透射特性，在給出一般性理論分析基礎上繼續(xù)推論發(fā)現(xiàn)，當導電薄膜厚度趨于零時其吸收率為零，此時可介紹科學家關于石墨烯二維電子材料光吸收率實驗研究結果，實驗測量發(fā)現(xiàn)單層石墨烯的光吸收率為A≈2.3%[9]，以此作為課外閱讀素材，啟發(fā)學生去思考二維電子材料與傳統(tǒng)導電薄膜光吸收率存在差異的根源.再例如，在有關半波天線直線陣的討論，可簡要介紹對天線陣設計產(chǎn)生重要和廣泛影響的八木-宇田(Yagi-Uda)天線具有無線電波端射效果的工作原理，以及科學家將這類天線尺寸縮小到納米尺度，實現(xiàn)了可見光定向輻射的新進展[10]，讓學生看到將傳統(tǒng)無線電波天線工作原理推進到更短波段的新探索和新突破.這些問題導向的驅動式教學對知識接受能力突出的學生群體是一種極好的科研訓練[11,12].

二是加強教學效果與質量的過程監(jiān)控.“電動力學”的教學牽涉到較多矢量運算且推導過程繁瑣.為加強課程學習效果，可采取每講授完一章之后穿插一節(jié)章節(jié)課堂測驗，來強化學生對知識點的及時掌握和對課堂教學內容的重視.實踐證明，章節(jié)測驗對學生學習的積極性、主動性可以形成持續(xù)性的壓力傳遞[13].以2015—2016學年南京大學物理學院兩個平行班級為例，在探索初，一個班級啟動了章節(jié)測驗，另一個班級則沒有.圖1是兩個班級期中和期末考試成績對比結果，可以清楚地看到，章節(jié)測驗對好學生起到了激勵作用，對后進學生也有鞭策效果，并且經(jīng)過一個學期的實施這種效果越加明顯.

圖1 啟動章節(jié)測驗的班級與未啟動章節(jié)測驗的班級的期中和期末考試成績分布對比

三是加強學生學習和知識掌握能力的綜合評價.鼓勵學生通過課外閱讀和口頭報告，多方位展示自我學習能力.同時，將章節(jié)測驗成績納入總成績的一部分，并與平時作業(yè)、期中期末考試一起形成對教學質量的全過程監(jiān)控，更加科學評估學生對知識的理解、掌握和運用，避免傳統(tǒng)單一評價方式中部分學生只會在期中或期末前夕“突擊”看書、復習的現(xiàn)象.

四是通過與助教、教務員、輔導員的協(xié)同，加強對后進生、困難生的溝通、關愛和幫扶.例如，通過輔導員在開學之前及時掌握班級學生的總體學習情況，確認重點關注的部分學生；助教盡可能選派從事電磁波相關專業(yè)研究的博士生；每次章節(jié)測驗之后，任課老師及時找表現(xiàn)欠佳的學生談心交流，關注他們的出勤、作業(yè)和狀況；任課老師還要及時幫助學習或心理乃至生活上遇到困難的學生，讓他們盡早走出困境、收獲出彩人生.這些貫穿于教學環(huán)節(jié)中的師生互動都會潛移默化、春風化雨影響著所關愛的學生，因而同樣起到課程思政的目的和效果.

2014年9月9日習近平總書記到北京師范大學看望教師學生時指出：“百年大計，教育為本.教育大計，教師為本.” 作為教師，我們要忠誠于黨的教育事業(yè)，自覺踐行社會主義核心價值觀，要謹記老一輩學者嚴謹治學的態(tài)度、謙虛淡泊的品行，做有理想信念、有道德情操、有扎實學識、有仁愛之心的高?！八挠泻美蠋煛?，全心投入課程教學，教育和引導大學生“忠于祖國、忠于人民”，增強學生對國家制度和文化的自信，樹立學生的民族自豪感，為基礎學科人才培養(yǎng)作出自己應有的貢獻.