深挖机械振动思政元素,提升课程育人质量
时间：2023-02-28 15:40:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
马海霞，兰秀风，李晋斌，杨雁南
（南京航空航天大学 物理学院，南京 211106）
习总书记在全国高校思想政治工作会议上强调，“各门课都要守好一段渠、种好责任田，使各类课程与思想政治理论课同向同行，形成协同效应”。这个实际上就是课程思政的由来。2020年，教育部印发《高等学校课程思政建设指导纲要》（以下简称《纲要》），全面推进高等学校课程思政建设。《纲要》指出课程思政建设必须紧密结合各专业类课程的特点有机融入。2021年，国家教材委员会印发《习近平新时代中国特色社会主义思想进课程教材指南》，明确指出理学、工学类课程教材要结合学科专业特点，阐释人民至上、生命至上的思想，培养大学生胸怀祖国、服务人民的爱国精神，勇攀高峰、敢为人先的创新精神，追求真理、严谨治学的求实精神，以及淡泊名利、潜心研究的奉献精神，引导同学们认识到创新在我国现代化建设全局中的核心地位，理解科技的重大意义。
物理学是研究物质的基本结构、物质的相互作用及物质运动规律的自然科学。其基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是其他自然科学和工程技术的基础。以物理学基础为内容的大学物理课程，是高等学校理工科各专业学生的一门重要的必修基础课。大学物理课程学时长，一般在大一、大二低年级开设，覆盖学生人数多。这些学生刚刚经过十年寒窗苦读，他们有积极向上的愿望，对未知有强烈的好奇心，但同时又迷茫、困惑。如果此时能够适当地引导他们，对提高高校的人才培养质量势必起到事半功倍的作用。因此如何利用好课堂教学这个主渠道，全面推进大学物理课程思政建设，在知识传授、能力培养的同时，帮助学生塑造正确的世界观、人生观和价值观，实现大学物理课程与思想政治理论课同向同行，成为急需深入研究的课题。王彩霞等[1]针对思政教学在大学物理课程中存在的问题，提出实施思政教育教学改革的具体方法和途径；
谢月娥等[2]基于普通本科生、中外合作办学学生、民族生和留学生的学习背景和专业特点，通过课堂教学、日常生活和学科竞赛三个主要路径研究在大学物理课程中课程思政的渗透方法；
赵言诚等[3]探讨了在大学物理课程中开展德育教育的要素，在德育元素的挖掘与融合方面做了细致的分析；
朱宪忠等[4]梳理了大学物理思政内容体系及其结构关系，提出了挖掘思政素材的两种方法；
卓士创等[5]提出利用伟人事迹追踪法、知识应用联系法、人文内涵拓展法、哲学内涵提炼法挖掘思政元素；
张修丽等[6]通过诗词元素融入物理概念和定理的教学，为课程思政融入大学物理课程提供了一种新的探索模式。
目前，大学物理课程开展课程思政工作正面临一些困难。其中，思政内容不够丰富，在传授知识时缺乏科学的思政教育切入点，缺乏系统的思想政治教育元素是其中一个重要原因。本校马克思主义学院院长、博士生导师王智教授指出，对于理工科的课程思政可以从四个方面挖掘思政元素。第一是人，这个主要指主讲教师的专业性、政治素养与道德典范；
第二还是人，这个人指课程所涉及的圣哲、大师、先贤与每一个学科科学发展的贡献者；
第三是事，课程所涉及的行业、产业发展；
第四是理，课程所涉及的道理：道路、理论、制度与文化自信，正确的理想信念，健康的道德身心，文明的行为规范，内在的爱党、爱国、爱人民等。
机械振动是大学物理的一个必修内容，在这部分主要学习简谐振动、阻尼振动、受迫振动和共振等知识。本文深度挖掘了该部分的思政元素，给出详实的案例，希望能够为大学物理课程思政的实践应用提供参考与借鉴。
（一）实践出真知，歌颂劳动人民的智慧
在讲授简谐振动时，我们会引入描述谐振动振动快慢的物理量：圆频率、周期和频率，它们都是由系统本身的固有性质决定的，与初始条件无关。工程中常利用自由振动固有频率的特性判断系统及材料的特性。在这儿我们会讲述广西铁路普通职工陈卫国的故事[7]，他通过用榔头敲击螺栓（图1），凭借音色分辨螺栓有无松动，是否有裂痕。他将榔头一头抵上柴油机（图2），另一头抵上耳朵，就能听出机体是否有破裂。因为如果部件有损伤或裂纹，肉眼往往很难察觉，但用榔头一敲，系统将发生振动，振动频率与部件本身性质有关，损伤或有裂痕的部位会引起材料的固有性质发生改变，这样系统的固有频率也将发生变化，听到的声音频率也就不同了。劳动人民的智慧是无穷的！再比如在弦乐器的演奏中，一根弦所产生的振动频率和弦的拉紧程度及弦长有关，所以在交响乐等音乐会开始之前，音乐家们都要通过松紧弦来调整弦的张力以调节琴的基调（图3），使得演奏时乐器发出准确频率的音乐。在演奏中，音乐家用手指压迫琴弦的不同位置来改变琴弦的振动频率（图4），从而演奏出变化多端的美妙乐曲。
图1 陈卫国用榔头敲击螺栓，通过音色判断有无故障
图2 陈卫国用榔头听柴油机的运转情况
图3 调节弦的松紧
图4 弹吉他
（二）学习伽利略探索求真的科学精神
理想单摆做的也是谐振动。因此单摆每做一次完整的全振动是等时的，实际上单摆的等时性早在几百年前就被发现了。伽利略（图5）是一位虔诚的天主教徒，他每周都要到教堂做礼拜。1582 年的一天，伽利略做礼拜时，一位修理工人不经意间触动了教堂中的大吊灯，使它来回摆动，这个现象引起了伽利略的注意，他脑海中突然闪出测量吊灯摆动时间的念头，他利用脉搏计时的方法进行了测量。但是喜欢亲自探索、研究和证明问题的伽利略怎么会轻易罢休呢？他根本不会满足只从一次实验中得到结果，他进行了反复的实验研究。经过严密的逻辑推理，他不但发现了单摆的等时性，而且还发现了决定单摆周期的因素。不仅如此，伽利略还利用单摆的等时性制成了世界上最早的脉搏仪，为制造摆钟奠定了坚实的基础，为人类更加精准地测量时间开辟了道路。
图5 伽利略
（三）一分为二，辩证地看待问题
对于竖直放置的弹簧振子，在受到某种扰动后，在不考虑损耗时系统将会在平衡位置附近做来回往复的简谐振动，而实际情况则是系统振动几下后就会停下来。原因很简单，实际系统会受到空气阻力、摩擦阻力等因素的影响，能量一定会衰减，它做的是阻尼运动。阻尼是不是一定就是坏事呢？当然不一定，我们要学习辩证地看待这个问题。如果希望振动系统尽量接近于简谐振动，应使阻尼充分小。比如为了减小钟表摆轮的阻尼，就要经常在摆轴的轴承里添加高质量的润滑油。如果不希望系统往返振动，而是希望它在偏离平衡位置后尽快地回到平衡位置并且静止下来，应使阻尼加大，最好是临界阻尼。灵敏电流计，电压表中都有这样的要求（图6）。有时我们为了减震、防震，需要增大阻尼，各种乐器，我们都希望它有足够大的声音，这时可以增大它的辐射阻尼，如各种弦乐器的空气箱就可以实现这个目的（图7）。
图6 电流计
图7 琴箱
（四）引入工程问题，培养学生的工程意识
1940 年美国西海岸华盛顿州建成了一座当时位居世界第三的Tacoma 大桥（图8），大桥中央跨距为853 m，为悬索桥结构，最初设计可以抵抗60 m/s 的大风。但不幸的是大桥刚建成4 个月就在19 m/s 的小风吹拂下整体塌毁（图9）。我们播放Tacoma 大桥塌毁的视频，并引入问题：出事那天的风并不是很大，为什么大桥会被破坏呢？答案就是共振，因为桥在风的作用下产生了共振，振幅不断增大，直至大桥被破坏。调查这次倒塌事故的包括空气动力学家冯·卡门教授。他说在桥的顶部和底部涌出了旋涡，它们以桥的共振频率推动着桥，桥的振幅越来越大，最后导致桥的倒塌。在华盛顿大学和加利福尼亚州理工学院的风洞实验室用结构模型做的实验证实了冯·卡门教授的解释。桥梁建筑师关心的是静态的力，他们构筑了极强的强度来面对最大的负载、水流和大风等，但他们不考虑动态的力。从那场灾难事件以后，桥梁工程师们就不得不考虑设计中的空气动力学问题。所有重要的桥梁在建造之前都需要在风洞里做测试。提到风洞就要说一说我们南航人自己的风洞了。南京航空航天大学有个风洞群，全国高校最大风洞NH2就在这里（图10）。国内生产的有型号的飞机，基本上都在这个实验室测试过。比如国产大型客机C919 就在这里做过实验，还有我国最尖端的战斗机歼-20 等。南京长江二桥在台风天气中能否做到不左右摇晃，新街口的高楼建筑群是否能承受怪异大风……，这些问题都能在南京航空航天大学的风洞实验室里得出结论。实际上，除了飞机、大桥和高楼大厦，体育运动、汽车及铁道车辆等都会用到风洞实验。NH2 风洞属于低速风洞，除了低速风洞，南航风洞实验室还有高速风洞及超高音速风洞，形成了一个风洞群。在全国高校里，南航的风洞是最大的。通过讲述学校自己的故事，一定可以大大增加学生的荣誉感。
图8 1940 年Tacoma 大桥坍塌前照片
图9 Tacoma 大桥被风吹拂扭曲、坍塌
图10 南京航空航天大学风洞实验
（五）歌颂我国古代人民的智慧
实际上我国古代很早就有对共振现象的记述。在《墨子·备穴篇》中记述了共振现象的具体应用：“穿井城内，五步一井，傅城足。高地，丈五尺，下地，得泉三尺而止。令陶者为罂，容四十斗以上，固顺之以薄革置井中，使聪耳者伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之”。它的意思是：在城墙下每隔几米，挖一个坑，坑内埋置陶瓮，在翁口蒙上皮革。如果有敌人挖地道攻城，就可以根据各陶瓮声响情况，确定敌人挖掘的位置和方向。11 世纪，我国宋代科学家沈括是世界上最早进行共振实验的人。沈括在《梦溪笔谈》中精心设计了一个声学共振实验，他剪了一个纸人，把它固定在一根弦上，弹动和该弦频率成简单整数比的弦时，这根弦就振动使纸人跳跃，而弹其他弦时，纸人则不动。沈括把这种现象称为“应声”。在西方直到15 世纪，意大利人达芬奇才开始做共振实验。通过介绍我国古代科学成就中的物理学，激发学生强烈的民族自信心和自豪感，弘扬以爱国主义为核心的民族精神。
（六）学习中国载人航天精神
在中华人民共和国成立72 周年之际，国家发布了第一批纳入中国共产党人精神谱系的伟大精神，其中就包括载人航天精神，此处我们会讲述杨利伟的故事。任课教师在介绍共振的危害时，也会介绍共振对人类健康产生的危害。人体或者人体的某个器官都可以看作弹性质量系统，它们都有自己的固有频率。人体的固有频率平均在4～5 Hz，各主要器官的固有频率在3～6 Hz。因此当外界有这些频率的振动源时，人体就会感到不舒服，事实上人类的周围就存在着这些振动源，这就是次声。次声是频率低于20 Hz 的声波，这个频率范围与人体的一些主要器官固有频率处于同一频段，因此它很容易引起人体重要器官的共振。虽然人耳不能感觉到这个频率段的声波，但是我们的身体在不知不觉中会遭到次声的损害，因此次声又被称为无声无息的“杀手”。1986年，法国次声波实验室发生了次声泄露（图11），时值农忙季节，附近16 km 内很多农民在劳作，在次声泄露的瞬间，有30 多名农民应声倒地。职业驾驶员往往容易患胃病，除了与工作紧张有关外，还与车辆的次声振动有关。人们的晕车晕船除了和身体体质有关外，也和次声有关。有的人乘坐越高级的轿车反而晕得越厉害，主要原因是高级轿车采取了很多措施控制振动，但次声段的低频振动很难控制，这样，高级轿车里次声频段振动的相对比例反而更大，易晕车的人乘坐后反应就特别大。中国首飞航天员杨利伟（图12）在他的自传《天地九重》写道：“但就在火箭上升到三四十公里的高度时，火箭和飞船开始急剧抖动，产生了共振，这让我感到非常痛苦。人体对10 Hz 以下的低频振动非常敏感，它会让人的内脏产生共振。而这时不单单是低频振动的问题，而是这个新的振动要叠加在大约6 G 的一个负荷之上。这种叠加太可怕了，我们从来没有进行过这种训练，我担心的意外还是发生了。”飞行回来后杨利伟详细地描述了这个过程。工作人员研究后认为，飞船的共振主要来自火箭的振动。之后改进了技术参数，解决了共振问题。在神舟六号及以后的飞船飞行时，得到了很好地改善。在中国航天事业取得辉煌成就的背后很多人献出了不为人知的艰辛与努力。结合航空航天的巨大成就，培养学生探索未知、追求真理和勇攀科学高峰的责任感和使命感，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。
图11 1986 年法国次声波实验室发生次声泄露
图12 杨利伟
（七）课外实践活动拓展，激发学生的创新意识
大学物理是一门与实践紧密联系的学科，除了从课本上学习，还要从实践中学习。物理学原理在工程技术中有广泛的应用，如在共振的学习过程中，我们通过调查报告的形式让同学们调研影响火车危险速率的因素，从物理学的角度考虑，在火车提速的过程中应考虑的问题。通过调研，同学们一方面可以进一步了解中国高铁的发展，另一方面也可以激发物理的学习兴趣。通过鼓励同学们参加中国大学生物理学术竞赛，全国大学物理实验竞赛及自主探究活动等，激发大家的学习积极性，这不仅增加了学生学习的成就感和获得感，在这个过程中也增强了学生的团队意识，培养学生实事求是、追求真理和精益求精的科学精神和创新意识。
任课教师通过合理提升学业挑战度、增加课程难度、拓展课程深度、挖掘课程思政元素和改革课程考核方式等措施，大大激发了学生的学习积极性，课堂表现明显改善。2021—2022 第一学期期末考试及格率为95%，优秀率达33%。本门课程教学评估成绩占全校前15%，很多学生对于该课程给予了很高的评价。一位学生写道“从小到大，我都是一个对物理不太感兴趣的人，我已经不记得自己在物理课上走了多少次神。但是，遇见您之后，我开始上课认真记笔记，开始十分认真地思考一些物理问题”。另一位学生写道：“通过学习大学物理，我知道了许多现象的解释，比如哈勃望远镜为什么口径很大，为什么鸣笛的火车驶近或远离我们时听到的音调会变化。马老师激励我们向物理更加深层次方向探究，使我对学习有了更多的自信，也让我不再恐惧对未做的事情的担忧”。还有学生写道：“许多伟大年轻的物理学家们极高的造诣，他们敢于创新、用于探索的精神值得我们学习”。有些同学写到“饮其流者怀其源，学有成时念吾师”。在自由探索项目展示环节，有诸如“四轴风扇翼无人机的研究与制作”“动态无线充电小车”等与专业紧密联系的探究，也有“牛肉发绿还能吃吗”“防盗门猫眼的光学原理”等接地气的问题，虽然自由探索项目不做强制要求，但有近三分之一的同学积极地参与了这个活动。近五年来，班级学生作为南航参赛团队的队员参加中国大学生物理学术竞赛，获得两次一等奖，两次二等奖，两次三等奖；
在2020 年第一届全国大学物理实验竞赛（创新赛）中获得一等奖一项，二等奖一项，三等奖两项；
近三年在全国大学物理实验竞赛（教学赛）中获得二等奖四项，三等奖五项。不仅如此，班级学生还在“中国航天日航天放飞中国梦”科普巡展、“南京航空航天科技夏令营”等活动中作为志愿者，利用所学知识，向孩子们讲述中国人的航天故事，点燃孩子们的航天梦。
虽然目前课程思政建设取得了一定的成效，但课程思政还存在零星化、碎片化的现象，建立大学物理课程思政案例库，形成课程思政元素矩阵是一个亟待解决的问题。
机械振动是大学物理的必修内容之一，通过本部分内容的学习，不仅要求学生能够掌握简谐振动、阻尼振动、受迫振动的有关知识，而且共振现象和工程紧密相连，对于培养学生的工程意识和理论联系实际的能力具有重要的意义。本部分学习内容蕴含丰富的思政元素，通过知识点的讲解和思政元素的有机融合，实现了课程育人。物理学的研究围绕物质展开，大至宇宙，小至粒子，涉及生产生活的方方面面。物理学规律来自人们对自然万物的研究，是许多物理学家们坚持不懈、锐意创新的结果。因此大学物理课程思政素材丰富多样、真实自然。在大学物理课堂授课过程中，教师可以从物理学故事激发人生情怀、物理学思想引领新世界观、物理学发展促进人类文明、物理学知识点燃思想火花、物理学拓展塑造价值追求、物理学素养构建科学精神和结合时事热点七个方面建立大学物理课程思政案例库，构建课程思政教学内容体系。好老师心中要有国家和民族，要明确意识到自己肩负的国家使命和社会责任。任课教师通过整合教学资源，充分挖掘思政元素才能促进学生全面发展、健康成长。本文以机械振动为例，深入挖掘其中的思政元素，希望能够为大学物理课程思政的实践应用提供参考借鉴。
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