摘要: 现代教育不仅仅是传授知识和技能，更重视培养学生的综合素质，包括品德修养、社会责任感和公民意识等。在大学物理教学中融入思政元素是为了更好地实现这一理念。随着社会的发展，各行各业都需要既有专业技能又有良好道德品质的人才。特别是在科学技术领域，掌握先进科技的同时，还需要具备正确的价值观和社会责任感。国家提倡在高校课程中融入思想政治教育，旨在培养德智体美劳全面发展的社会主义建设者和接班人。通过这样的教学方式，学生不仅能够掌握物理学的知识和技能，还能在价值观、社会责任感等方面得到提升，成为更加全面的人才。将思政元素与物理教学相结合，可以使课程内容更加丰富有趣，提高学生的学习兴趣和参与度。学生在了解科学技术对社会的影响后，能够更好地理解自己未来职业中的责任，为社会做出积极贡献。
Abstract: Modern education is not only about imparting knowledge and skills, but also emphasizes the cultivation of students’ comprehensive qualities, including moral cultivation, social responsibility, and civic awareness. Integrating ideological and political elements into college physics teaching is to better realize this concept. With the development of society, all industries require talents who possess both professional skills and good moral qualities. Especially in the field of science and technology, while mastering advanced technology, it is also necessary to have correct values and a sense of social responsibility. The state advocates integrating ideological and political education into university courses, aiming to cultivate socialist builders and successors with comprehensive development in morality, intelligence, physical fitness, aesthetics, and labor. Through this teaching method, students can not only master the knowledge and skills of physics, but also improve their values, and sense of social responsibility, and become more comprehensive talents. Combining ideological and political elements with physics teaching can make the course content richer and more interesting, and enhance students’ interest and participation in learning. After understanding the impact of science and technology on society, students can better understand their responsibilities in their future careers and make positive contributions to society.
1. 引言
现代教育强调全面发展，不仅要求学生掌握专业知识，还要培养其社会责任感、创新精神和道德素养。传统的专业教育与思政教育分离，难以满足这一要求。随着社会的快速发展，对于人才的要求越来越高。社会需要的是具备创新意识、道德品质和社会责任感的高素质人才。物理学作为一门自然科学，不仅包含丰富的知识体系，其发展历程和科学方法也蕴含着深刻的思政教育价值[1]。
因此，将思政元素融入大学物理教学，可以使学生在学习专业知识的同时，接受思政教育的熏陶，从而提高教育的整体效果。通过思政教育，学生不仅能掌握物理知识，还能形成正确的世界观、人生观、价值观，成为德才兼备的社会主义建设者。物理学的发展与社会进步紧密相关。在物理教学中融入思政元素，可以让学生认识到科学技术的社会影响，增强其社会责任感。物理学的发展历史充满了创新和探索。通过学习物理学史和科学家的创新故事，可以激发学生的创新意识和探索精神[2]。思政教育有助于提升学生的道德素养、批判性思维和沟通能力，这些都是现代社会所需的重要素质。将思政元素融入物理教学，可以促进物理学与其他学科的交叉融合，拓宽学生的知识视野。
1.1. 目前大学物理课程的思政教育现状
目前，大学物理课程中的思政教育在中国已经取得了一定的进展和成果。自2014年课程思政概念被提出以来，越来越多的高校开始重视将思想政治教育与学科教学相结合，特别是在物理课程中[3] [4]。课程思政的目的是将价值塑造、知识传授、能力培养融为一体，实现全程育人、全方位育人的目标。
在大学物理课程中实施课程思政具有显著的优势。首先，大学物理蕴含丰富的思政元素，如中外物理学家的故事、近现代科技成就等，这些都可以作为思政教育的切入点。其次，大学物理作为一门公共基础课，覆盖面广，几乎涵盖所有理工、农科、医科、文科专业，使得更多的学生能够受益于课程思政[5]。此外，大学阶段是学生形成人生观、价值观的关键时期，大学物理课程在此时开设，对于学生的思想启迪和价值引领尤为重要。
然而，尽管课程思政在大学物理课程中取得了一定的成效，但仍存在一些挑战和不足。目前，很多高校的课程思政建设仍处于混合层次，即将思政元素与专业内容简单结合，而未能真正实现有机融合。为了提升课程思政的效果，需要从混合层次向融合层次乃至更高层次的化合层次发展，使思政内容与专业内容真正融为一体，创生出新观点、新形态的课程[6]。
总体来看，大学物理课程中的思政教育正在逐步深化和发展，但仍需进一步探索和努力，以实现更高质量的课程思政建设。
1.2. 课程思政的发展趋势
课程思政的本质是结合专业特点分类推进课程思政建设，将课程思政融入教学建设全过程。这表明，课程思政不仅关注思想政治理论课，还强调其他课程在育人方面的作用，形成一个立体化的育人体系[7] [8]。这种教育模式旨在培养符合社会主义事业要求的建设者和接班人。
在课程思政的研究中，应更加关注对学生的研究，并注重课程思政的实施路径和组织建设，以提高教学效果。这意味着，课程思政的实施需要综合考虑课程设置、教师角色、学生需求等多个方面，以确保其有效性和影响力[8]。课程思政的研究和实践正逐渐从注重思想政治理论课的建设转变为凸显课程育人体系的协同创新。这表明，课程思政正在朝着更加综合和系统化的方向发展，强调各门课程与思想政治理论课之间的融合和互动。
综上所述，课程思政作为一种新的教育理念，正在我国高校中得到广泛的实践和研究。它不仅关注思想政治理论课，还强调其他课程在育人方面的作用，形成一个立体化的育人体系。同时，课程思政的实施需要综合考虑课程设置、教师角色、学生需求等多个方面，以确保其有效性和影响力。未来，课程思政的研究和实践将继续深化，以更好地服务于我国高等教育的发展和社会主义事业的需要。
2. 教学设计的整体思路
在教学过程中，利用多种手段在很多环节融入思政元素。首先，应当明确希望通过思政教育达成的目标，比如培养学生的科学精神、创新意识、爱国情怀，社会责任感等。确保思政目标与物理教学目标相协调，使两者相互促进而非相互冲突。
在设计教学内容上，可以选择具有代表性的物理学家或科学事件作为案例，比如中国科学家在物理学领域的贡献，用以展示科学家的探索精神、科学态度和社会责任感。可以介绍物理学发展史上的重要事件，讲述科学家如何克服困难，追求真理，让学生了解科学进步背后的文化和社会背景，培养学生的批判性思维以及坚韧不拔的精神。还可以讨论物理学在现代社会的应用，如新能源技术、环保材料等，让学生认识到科学对社会的影响及自身的社会责任。我们在课堂上可以设计一些主题讨论，如“物理学的社会影响”，引导学生思考科学与社会的关系，增强社会责任感。在实验课上，我们要在物理实验中强调实事求是、严谨治学的科学态度，培养学生的实践能力和创新精神[3] [4]。
接下来将采用多样化的教学方法来实现教学内容的设计从而完成既定的教学目标。首先，创设问题情境，围绕实际问题设计学习任务，鼓励学生通过团队合作解决问题，同时融入思政元素，如探讨新技术的伦理问题等，让学生在解决实际问题的过程中，体会物理学的应用价值和社会意义[5] [6]。利用思维导图帮助学生整理知识点，同时可以加入思政元素，如科学方法的运用、科学精神的体现等。让学生扮演科学家或历史人物，通过角色扮演体验科学探索的过程，让学生体验科学家面对挑战时的心理状态，理解科学探索的重要性，培养科学精神和历史使命感。选取有代表性的案例，如中国的航天事业，让学生讨论科学成就背后的努力和牺牲，激发爱国情怀。
课后可以从多维度评价，除了传统的考试成绩外，还可以通过作业、报告、小组讨论等形式来评估学生在思政方面的表现。定期收集学生对于思政融入物理教学的意见和建议，及时调整教学策略，确保教学的有效性和学生参与的积极性。同时，确保教学内容反映最新的科技进展和社会发展趋势，比如人工智能、大数据技术等领域的最新成果。根据思政目标和教学实践的反馈，不断更新和完善教学大纲，使之更加贴近实际需要。
作为教师，我们自身也需要定期参加相关的培训和支持，帮助我们更好地掌握如何将思政元素融入物理教学的方法和技术。建立教师间的交流平台，共享优秀教学案例和资源，促进教师之间的经验和知识交流。
3. 以“电子自旋”为例
自旋是量子力学中的一个重要概念， 它描述了电子的一种内禀角动量，并没有经典概念的对应。我将以“电子自旋”这一部分内容为例，具体介绍如何将思政元素融入课堂。
3.1. 实验探索
首先，让学生思考在量子力学里原子核外的电子是如何运动的，以及原子光谱是如何产生的。然后，通过图片或者视频的形式让学生观察氢原子光谱及其精细结构。氢原子是最简单的原子，由一个质子和一个电子组成。在量子力学中，氢原子的电子能级是量子化的，即电子只能存在于特定的能级上。因此，氢原子光谱是由一系列离散的谱线组成，而不是连续的光谱，这意味着它是一种线状光谱[7]。发现在逐渐提高仪器的分辨率的情况下，原来的一条谱线渐渐分裂成两条靠得非常近的谱线，并让学生留意那些相距非常接近的谱线，同时思考产生的可能原因。
接下来，让学生观看图片或者视频，并介绍斯特恩–格拉赫实验的装置，以及整个实验的过程。该实验是由德国物理学家奥托·斯特恩(Otto Stern)和瓦尔特·格拉赫(Walter Gerlach)在1922年进行的一项重要实验，当时的目的是直接观察原子的角动量量子化[8] [9]。在此之前，电子自旋的概念尚未被明确提出，但物理学家已经知道原子角动量在磁场中的行为表现出量子化的特征。实验使用了一束银原子作为实验对象。银原子被加热到高温，使其蒸发并通过一个小孔形成一束细小的定向原子流。实验的核心部分是一个非均匀磁场，由两个平行的磁铁产生。这两个磁铁之间的磁场强度在垂直方向上逐渐变化，形成一个磁场梯度。这束银原子流随后被引导通过非均匀磁场。根据经典物理学，原子在非均匀磁场中的轨迹应该连续分布，形成一个范围广泛的沉积区域。在磁铁的出口处放置了一个荧光屏或照相底片，用来检测银原子的沉积位置。然而，实验结果显示，银原子并没有在荧光屏上形成连续的沉积带，而是形成了两个非常明显的分离点。这表明银原子的角动量在垂直于磁场方向的分量是量子化的。
让学生分小组讨论，该实验观察到银原子只沉积在两个特定的位置，而不是连续分布，这表明了什么？是由什么物理机制导致的？
3.2. 理论探讨
那么，如何解释上一小节中所描述的实验现象呢？
在20世纪初，物理学家在研究原子结构时遇到了一些难题。特别是，他们无法解释为何电子在原子中的某些排布模式是静止的，以及为何原子的光谱线具有特定的模式。这些问题卢瑟福–玻尔模型解释不了。为了解决这些问题，奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)在1924年提出了他的不相容原理[10]。泡利不相容原理指出，在由费米子(一类遵守费米–狄拉克统计的粒子，如电子、质子、中子等)组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。这意味着，如果一个系统中有两个或多个费米子，则它们不能拥有完全相同的量子数集。在原子中，这个原理表现为：不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数(主量子数n、角量子数l、磁量子数ml以及他引入的一个新量子数，后来被称为自旋量子数s)。换句话说，在一个原子轨道上(由n，l，ml确定)，最多只能有两个电子，而且这两个电子的自旋方向必须相反。
泡利不相容原理说明了电子如何在原子中排布，以及为何某些排布是稳定的，而某些则不是。原理帮助物理学家理解了原子光谱线的规律性。原理为理解化学元素的周期性和化学键的形成提供了基础。泡利不相容原理成为了量子力学的一个重要组成部分，对后来的物理学和化学理论发展产生了深远影响。
我们再来看看另外一则故事。
乌伦贝克(George Uhlenbeck)和古德斯密特(Samuel Goudsmit)在了解到斯特恩–格拉赫实验的结果后，试图解释这些实验现象以及原子光谱的精细结构。他们提出了一种新的假设，即电子除了绕原子核运动之外，还具有一种内在的旋转运动，这种旋转被称为“自旋”[11]。类似于轨道角动量的做法，乌伦贝克和古德斯密特提出电子有一个额外的量子数，称为自旋量子数s，对于电子来说，
。这意味着电子可以有两种不同的自旋状态，通常标记为↑和↓，分别对应“自旋向上”和“自旋向下”。自旋产生了一个与电子电荷相关的磁矩，这个磁矩与电子的自旋方向有关。斯特恩–格拉赫实验中的偏转正是由于电子磁矩与磁场相互作用的结果。同时，电子自旋的存在可以解释原子光谱中观察到的精细结构。当电子处于不同的自旋状态时，其能量也会有所不同，导致光谱线分裂成相近的两部分。
他们的假设最初遭到了导师亨德里克·安东·洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz)的怀疑，但最终还是被接受了。1925年，他们的论文《关于电子自旋的理论》发表在了《物理评论》杂志上。
当然，一个理论的提出并不是一帆风顺的，在上述正确的理论提出之前，还有很多科学家提出了一些最终被证明不正确而被抛弃的模型。比如最早的电子自旋模型设想电子是一个自身不断旋转的带电质量，但当人们详细检查时，发现这个模型失败了。一是电子所需的空间分布与电子半径的限制不匹配；二是所需旋转速度超过了光速。在标准模型中，基本粒子都被认为是“点状的”。它们通过周围的场产生影响。任何基于质量旋转的自旋模型都需要与该模型保持一致。那么，显然基本粒子自身旋转的这种模型是与现代理论相冲突的，因此不能作为我们理解电子自旋的基本图像。
正如我们先前所提到的，在1925年前后，物理学家们已经知道电子具有一种内禀的角动量，即自旋。然而，对于电子自旋的本质和如何量化，当时的理论并没有给出明确的解释。
1927年，泡利为了描述电子在外电磁场中的运动，提出了薛定谔–泡利方程(Schrodinger-Pauli equation)。他利用泡利矩阵构建了电子自旋与外电磁场的相互作用，并用二维数组作为电子自旋波函数[12]。但是，泡利方程是非相对论性的，只适用于电子的速度远小于光速的情况。
1928年，狄拉克提出了一个描述电子行为的方程，即狄拉克方程[13]。这个方程是相对论性量子力学的基础，它将电子的波动性和粒子性统一起来。狄拉克方程表明，电子具有波粒二象性，即它们可以表现为波动，也可以表现为粒子。这个方程同时满足薛定谔方程和相对论质量–能量关系。狄拉克在提出狄拉克方程的同时也引入了电子自旋的概念。他利用泡利矩阵重新构建除了四维γ矩阵来作为自旋算符，并用一个四维数组代表电子旋量波函数，给出了电子自旋的量子化的数学表达式。狄拉克引入了电子自旋量子数(s)，它只能取两个值：
或
。这一假设为电子自旋的量子化提供了数学基础。狄拉克方程的一个重要贡献是它对电子自旋的相对论性描述。通过狄拉克方程，电子自旋不再是一个自由参数，而是与电子的波函数和能量紧密相关。狄拉克方程是第一个相对论性量子力学方程，它将量子力学与狭义相对论相结合。它为理解电子的相对论性质提供了理论框架。至此，整个关于电子自旋的认识才算完整。
此外，作为课程的推广，不仅电子具有内禀自旋自由度，所有的微观粒子，不管是标准模型中的基本粒子还是复合粒子，都具有内禀自旋自由度。1940年，泡利重新推导了自旋统计定理，这是量子场论的一个关键结果。该定理指出，根据自旋量子数可以将微观粒子分成两大类。一类是费米子，例如电子，质子，中子，夸克等等，它们的自旋量子数为半整数。另外一类是玻色子，例如光子，pi介子等，它们的自旋量子数为整数。
这一部分的内容相对来说比较难，主要是老师讲解为主，着重让学生跟着逻辑思路走，厘清理论发展的脉络，理解电子自旋的数学表示方法，学会原子内电子能级的四个量子数表述方法。
3.3. 应用与拓展
先介绍关于电子自旋在现代科技中的应用，例如磁性随机存取存储器，核磁共振，量子计算，量子通信等。特别地，目前我国在量子通信技术方面的积累位于世界前列。然后，让学生分小组讨论，分享听后感。和学生探讨这些技术的进步可能会带来伦理和社会问题，如隐私保护、信息安全等。通过这些讨论，让学生认识到作为科技工作者应该具备的伦理观念和社会责任感。分析历史上的一些案例，如原子弹的开发及其对人类社会的影响，让学生思考科技进步与道德伦理之间的关系，以及科学家在面对重大决策时的责任[14]-[16]。
3.4. 教学反思
自旋是电子的一种内禀属性，具有丰富的物理内涵。但是，一般的大学生在学习了这部分内容后只会觉得这个概念太抽象，难以理解，甚至仅仅按照“自旋”这个词的表面意思错误地理解电子自旋的物理图像。让学生以现代物理知识理解自旋的概念是这一部分内容的重点和难点。上文的教学设计加入了思政元素，不仅丰富了课堂教学内容，而且使学生从历史角度了解电子自旋的发现与理论的建立过程，无限贴近历史中对电子自旋概念由经典概念向量子概念转变的过程，具象化了现代电子自旋概念。这些元素的融入，不仅完善课程教学内容，活跃课堂气氛，开阔学生视野，激发学生思考，更让学生在学习过程中充满兴趣，并积极主动参与课堂的讨论，实现了思政教育和专业知识教育的有机统一。
4. 结语
本文选取大学物理课程中的电子自旋这一节为例，详细介绍了如何在教学过程中融入课程思政元素。例如，介绍电子自旋概念的提出背景和发展历程，包括斯特恩–格拉赫实验，泡利不相容原理的提出，乌伦贝克和古德斯密特的发现等。这些历史事件展示了科学家们在面对未知领域的探索精神和勇于挑战权威的勇气。通过讲述泡利以及乌伦贝克和古德斯密特如何面对一反常态的实验现象，勇敢提出电子自旋的概念，强调科学家的创新精神和坚持真理的重要性。这可以激发学生的求知欲和创新意识。在理论探讨部分，还讲述了物理学家们在探索过程中提出过的错误理论模型。让学生认识到，科学的发展不总是一帆风顺的，而是经过很多人无数次的尝试与探索，最终走出的一条人类共同的康庄大道。
基金项目
本论文得到上海理工大学理学院引进人才科研启动经费以及2023年上海市教育委员会“上海高校青年教师培养资助计划”项目(编号：10-24-341-003)的资助。