课程思政教学案例九丨《力学》课程思政的设计与实践
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课程简介
《力学》是物理系学生接触的第一门专业课程，其研究的是物理学中最基本也是应用最广泛的规律。力学的研究方法是普适的，通过力学课学习的物理基本规律和概念，以及建立的物理图像是学习后续物理专业课的基础。课程的教学目标一方面希望学生通过课程学习能够熟练掌握物理规律，具备综合运用微积分解决力学问题的能力，提升学生的创新能力；另一方面，则希望通过对物理规律的内在逻辑和历史背景的梳理和学习，让学生融会贯通的理解物理概念，帮助学生建立正确的物理思维方式，提升学生对物理的兴趣与欣赏物理的品味，培养物理直觉与创新思维。
物理的起源来自于人们对于大自然规律的好奇心，物理是一个试图研究万事万物规律的科学，是最讲逻辑和道理的。因此物理的学科体系应该能够最生动，也能最有效地培养学生辩证唯物主义的世界观和科学的宇宙观。同时，物理作为实验的科学，强调实事求是，不迷信权威，能有效地培养学生科学的批判和质疑精神，而科学的批判与质疑正是科技创新的动力。力学作为物理学中第一个成功的科学范例，也是学生在中学阶段接触最多的物理知识，因此在大学一年级通过力学课程合理设计的思政元素最能唤起学生的兴趣和共鸣，在培养学生的创新思维和创新能力的同时，也能逐步熏陶学生的价值取向和爱国情怀，实现“课程思政”与“思政课程”的同向同行。
下面，我们以流体力学部分的教学内容为例，介绍一下我们关于课程思政的设计和实践，抛砖引玉，供同行参考、批评和指正。
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知识背景
在前面的力学课程中，学生已经学过了弹性固体的相关知识，了解了应力和应变的关系，从这次课开始，学习流体力学的相关内容。
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实施方案
课程导入：
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在本次课开始之前，先抛出一个问题：“固体和液体的区别是什么？”让学生讨论。
可能得到的答案（中小学的理解）：
“固体：有确定的大小（体积），也有确定的形状。”
“液体：有确定的大小（体积），没有确定的形状。液体的形状取决于装它的容器的形状。”
老师紧接着追问：“液体为什么不能保持自己的形状？”或者，“从（大学）力学的角度来说，固体和液体（“流体”）的本质区别是什么？”
固体和液体的区别
通过举例和假想实验让学生结合前面弹性固体的知识，认识到固体与流体（液体）在力学上的区别在于：“固体能抗静剪切，而静止的流体内部不能抵抗剪切力”。这导致的一个直接效果就是“流体在重力场的剪切作用下不能保持自己的形状，而只能容器长什么样它就长什么样！”此时，适时引出我们的第一个思政元素：“做人不能像液体一样‘随波逐流’，‘居无定形’，而应该像固体一样能抵抗剪切和诱惑，坚守自己的底线，‘保持自己的形状’。”
数学上的升华：
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“液体不能抗静剪切”从数学的角度来说就是“其内部各点的应力张量矩阵只在主对角线上有三个相等的非零分量——压强”，这也是我们在液体中可以只用“压强P”一个独立变量就描述其力学性质的原因，并随之引出压强可传递的“帕斯卡原理”。
进一步的深入：
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我们在中学就学过浮力的“阿基米德原理”：物体在流体中所受的浮力等于该物体排开同体积流体受到的重力。也熟知阿基米德用浮力定律鉴别真假王冠的故事。但大家有没有想过，这个故事是真的吗？或者说“这个故事可能是真的吗？”
我们不是历史当事人，无法亲见历史的发生。但作为理工科的学生，我们可以用我们的科学知识去分析和判断这些历史故事的可信程度。
阿基米德鉴别真假王冠的故事是真的吗？
这个故事最早记载于公元前1世纪罗马的建筑师维特鲁乌斯（Vitruvius）的著作中：
根据记载，叙拉古的国王耶罗二世（Hiero II)做了一个金冠要献给神祗，但他怀疑金匠私吞一部分金子，而以同等质量的银子代替，便命阿基米德想办法在不破坏王冠的情况下测出它是否为纯金。阿基米德为此冥思苦想，终于在一次洗澡的时候，他发现浴缸里的水随着身体的侵入而不断溢出，于是突然恍然大悟，光着身子跳出浴缸，嘴里还叫着一种多里安方言：Eureka（“我找到了”）！“Eureka”这个词从此也被当作灵感来临的象征，能喊出这个词成为无数人梦寐以求的时刻。
据说，阿基米德的方法是，把金冠扔进一个盛满水的桶中，测得溢出水的体积。然后把同等重量的纯金也扔进满水的桶中，得到溢出水的体积。如果金冠掺银的话，它的体积就要比同等重量的纯金要大，因此排出的水相应地便多。
这听上去当然无懈可击，不过稍作计算的话，我们就很难想象阿基米德真的可以用这种方法来解决实际问题！
希腊时代的王冠其实就是“桂冠”，也就是像奥运会上用橄榄枝圈戴在头上的那种“花环”。从考古实物来说，目前出土的最大的王冠重714克，直径18.5厘米，为了简便，我们往宽里计算，假设阿基米德的王冠重1千克，直径20厘米好了。因为纯金的比重是19.3g/cm3，所以1千克重的金子实占体积51.8cm3。现在假设金匠往王冠里掺了30%的银子，那么银子的比重是10.6g/cm3,该王冠实占体积差不多是64.6cm3。
把王冠和纯金放进尽可能窄的筒里，这样水面上升最明显。（王冠直径20cm，筒口面积最小314cm2），则筒内水面的升高：
纯金 51.8/314=0.165cm；
王冠 64.6/314=0.206cm。
两者相差：0.041cm=0.41mm！
显然，这种差别即使今天在量筒中都很难用肉眼观察出来，更何况故事中的阿基米德还要收集溢出的水滴去比较体积。水的表面张力，水珠挂壁和气泡都能轻易造成同等量级的误差。因此，我们很难想象阿基米德能够用这样的方法去糊弄国王而不被国王杀头！
事实上，姑且不论此方法在实践上的难度，罗马建筑师的本意在于颂扬阿基米德的天才成就，然而这个检测方法却是异常拙劣的，更糟糕的是：这里面根本就没有用到阿基米德本人的伟大发现——浮力定律！（故事中用到的结论仅仅是：同样质量不同密度的物体排开水的体积不同。“浮力”大小根本没有体现！）
用浮力定律鉴别真假王冠的正确方法
如果真的想用浮力定律解决真假王冠的问题的话，最简单的方法其实是：直接用提秤去称！（如图所示）同样质量，不同体积的物体在水中将受到不同的浮力，秤将出现偏转。这才是伟大的浮力定律！
故事到这里讲完了，但我想给同学们展示的却不仅仅是一个故事，而是更多的思考：你从小就听过这个故事，但你质疑过它的真实性吗？
在引发同学们深思的同时，也自然引出我们的第二个思政元素：“实事求是的科学质疑精神”。实事求是既是唯物主义的理论实质，也是科学精神的直接体现。我们知道，科学其实就是在质疑和推翻前人结论的基础上前进的。但大学以前，同学们却很少受到这方面的训练和熏陶，不敢质疑，更不会质疑。因此，通过这个故事，我更希望向同学们传递的是“大胆假设，小心求证”，“用事实和数据说话”的科学精神，这对于理工科的学生尤其重要！
继续的深入：
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讲过了浮力，自然就会提到“浮心”与“重心”的问题。重心是重力的作用点，而浮心就是“浮力的作用点”：浮心位于被物体所排开的同体积、同形状的流体的重心上。
一个浮在水面的船所受的重力（黑色）和浮力（红色）如图所示：
浮心与重心的示意图
对于同样载货量的船，浮力是一样的，浮心的位置也是一样的，但是货物摆放的不同（在“舱底”还是在“甲板”上）却会带来不同的重心位置，而重力和浮力这对力偶带来的力矩则会在不同的情况下带来不同的效果。如中图所示，重力和浮力的力矩会把受横风偏转的船体拉回到平衡位置，从而保证船的安全；而右图所示的情形，由于重心的上移，重力和浮力的力矩则会加速船体的倾翻。这也正是我们造船时，为什么需要在舱底加上压舱石以降低重心的原因（这也就是我们常说“压舱底”的东西）。如果不这么做，后果将十分严重！
例如湘江上的挖沙船，常年将沙子堆在甲板上，重心过高，抗横风的能力就会很差，因此我们经常可以看到挖沙船倾倒的新闻！
湘江上的挖沙船总是那么容易侧翻
韩国“岁月号”（世越号）客轮为什么会沉没？
2014年4月16日，韩国“岁月号”（又称“世越号”）游轮的倾翻造成近300学生的死亡。据调查，其原因之一就是游轮为了多装货而放掉了船体的“平衡水”，从而导致了船重心的提高，晾成悲剧！
由此可见，不管是做事还是做人，我们都需要“降低重心，脚踏实地”，切忌“头重脚轻根基浅”，这也是我们的第三个思政元素。
至此，本节课结束！
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教学效果和反思
这一部分关于流体力学课程思政的教学设计，实际上在本次疫情开展线上教学之前，就已经在往届的《力学》教学中实施过几届。从教学的效果看，学生普遍反映良好，反响热烈。从应力抗剪切的角度描述固体和液体的区别让同学们感觉到了知识上的提高，对固、液体的认识从中学的“形貌论”拔高到了大学的“力学论”，更加接近内在和本质。适时将人生与固、液体所做的思政类比让同学们在欢笑中感受体会，不显突兀。而关于“阿基米德浮力定律”的小故事则引起了同学们的广泛深思，不少同学在课后和老师交流感慨，从来没有想过这个从小就知道的科学故事竟然可能不是真实的，“实事求是”的科学质疑精神开始在同学们的心底萌芽。最后“重心”和“浮心”的例子，则是通过“湘江上的挖沙船”以及韩国“世越号”游轮这样具体的实例让同学们印象深刻，“放低重心，脚踏实地”的观念也适时地在同学们中间得到共鸣。
由于课时所限，在《力学》课中涉及到的流体力学知识比较有限，但即使在有限的内容中仍然可以提炼出不少合适的思政元素，在传授科学知识的同时，提升学生的科学精神，陶冶学生的情操。
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结语
课程思政，不是简单僵硬的拼凑与说教，强调的是“润物细无声”；老师可以通过巧妙的设计，合理的安排，让学生在学习具体科学知识的同时得到价值观的熏陶，并最终实现与社会主义核心价值观的共鸣。
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