地质工科力学课程研究性教学中力学史知识的融入*

王志乔 吕建 李凤莲

摘要：以培养学生的实践和创新能力为核心，本文从引入力学史的角度，探讨如何将模块化力学课程体系讲活，激发学生的学习兴趣，启发创新思维，培养科学精神。

关键词：力学教学;力学史;创新思维;科学精神

中图分类号：G642     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2016）36-0164-03

力学已经广泛应用在地质工程、材料、土木和机械等工程领中，同时也是这些专业的本科生和研究生的必修课程。结合我校地质特色的实际情况以及力学课程自身的应用基础特点，且满足不同专业和不同层次学生对力学课程的需求，以培养学生的创新和实践能力为核心，讲究教学方法，优化组合模块化的力学课程教学体系，突破传统模式，实现相关内容的融合、贯通，形成一个新的思维体系，可以达到提高教学效率的目的[1]。但力学类课程公式推导比较烦琐、计算结果比较复杂，学生往往陷入一个个概念和公式的包围中，不知道这些概念和公式在历史上是怎么产生和演变的，也不能灵活运用这些知识解决实际问题，最终导致很多学生对此类课程产生厌学情绪。如何在讲授力学课的过程中，引发学生学习兴趣，激发学生的学习热情，同时灵活掌握该门课程，是一个具有挑战性的问题，需要高校教师有一套合适的授课方法和授课技巧。

在模块化力学课程教学中，除了要注重理论与实践教学有机结合、准确把握各单元模块的内涵及相互链接关系外，还要注重在授课过程中把力学史渗透到某些内容中，也就是说，作为一名力学教师，既要能够条理清晰地传授知识，又要对力学发展的历史有所了解和掌握。“一门学科的历史是这门科学中最宝贵的一部分，因为科学只能给我们知识，而历史却能给我们智慧”[2]。可以说，力学发展史能够使教师和学生之间搭起一座学习和沟通力学知识的桥梁，因为力学史中贯穿着力学的基本思想和力学理论的基本演化过程及规律、力学家的思维方式和研究方法、力学创造中的挫折困难等。所有这些史料，对帮助学生理解力学科学的本质，养成学生独立思考的习惯，培养一种怀疑和批判的科学精神，以及培养学生的开放思维和创新能力等都有着独特的作用。在日常学习中，只有把力学知识和力学史联系起来，力学知识才会变得鲜活且有灵气。所以在模块化力学课程教学中融入力学史的知识可以提高教师的教学效果，激发学生的学习兴趣。

一、寓教于史，激发学习兴趣

力学源于人们对自然界各种现象的观察及生产生活中实践经验的总结，而力学史可以记载人类从自然现象、生产和生活中认识、观察和应用物体的机械运动规律。要想了解一门学科的过去和现在，或者正确评价一门学科的教学和研究成果，或者预测一门学科的发展，都需要认真学习该门学科的历史，掌握它的发展变化规律。

在模块化力学课程教学中，讲解力学史可以使学生增长知识、开阔视野，还会让学生认识到课程的地位和重要性，也能够激起学生的学习兴趣。早在远古时代，人们通过使用简单工具或者机械的一些实践活动，就逐渐总结出一些力学经验。公元前2～3世纪前后，静力学得到了发展，亚里士多德（Aristotle）和阿基米德（Archimedes）是这个时期的两个典型代表人物。伽利略（Galileo）奠定了动力学的基础，经哥白尼（Copernicus）和开普勒（Kepler）对行星运动规律的研究，到后来牛顿三大力学定律的建立，逐渐完善了力学学科的科学体系。随着工业时代的来临，出现了刚体力学以及拉格朗日（Lagrange）建立了分析力学的体系。后来，大型的建筑结构以及桥梁结构，逐渐要求人们了解可变形体系的运动规律，于是柯西（Cauchy）、纳维（Navier）、欧拉（Euler）等人构建的弹性体的平衡和运动开始进行研究。随着水管流动、沟渠的建设与改进、船舶等工程需要，研究流体的平衡、流动引起的阻力等问题变得非常现实和迫切。近代社会特别是航空航天工程的发展，出现了以普朗特（Prandtl）、卡门（von Karman）为代表的应用力学学派。计算机的问世使力学得到了长足的发展，一些数值模拟，如有限差分和有限元等开始逐步出现。这样，需要研究的力学模型越来越复杂，进而需要考虑的物理因素越来越多，主要表现为力、热、电、磁、声、光、化学等多场耦合，由宏观、细观、微观到纳观，不同尺度下力学行为及其跨尺度链接，从而形成了断裂力学、生物力学、智能材料力学、纳米力学和物理力学等一批有学科交叉特点的新学科[2-4]。

通过力学发展史的简单综述，将各个模块化的力学知识链接起来，让学生了解社会发展的不同阶段必然催生相应的力学理论，力学理论的发展必然带有社会和经济发展的印记;同时让学生了解所要学习的力学知识所处的地位和作用。除了讲授力学学科的发展和应用历史，还应让学生了解杰出力学科学家的人生奋斗历程，提高学生学习的积极主动性，培养他们学习的兴趣。

讲授流体静力学时，总会向学生们介绍阿基米德的贡献。阿基米德在古希腊西西里的叙拉古出生，他的父亲是天文学家，父亲本想让阿基米德学医，但是他却痴迷上了数学。当阿基米德在思考问题或演算的时候，他习惯于在沙土上写写画画。在公元前212年，罗马人攻入叙拉古，当时阿基米德正在沙地上画数学图形，罗马大兵向他寻问，可是正陷入沉思中的阿基米德当时并没有理会罗马大兵问的是什么问题，自己只是警告罗马战士别动他的这些图，于是罗马大兵将阿基米德给捅死了。也就是说，阿基米德忠诚于科学，为全神贯注于数学而丧生。又如讲授材料力学、弹性力学和流体力学时，经常会介绍欧拉的学术贡献。欧拉是力学史上非常杰出的学者，同时也是有史以来的四大数学家之一。他13岁时入读巴塞尔大学，15岁大学毕业，16岁获得硕士学位，26岁成为圣彼得堡科学院院士;然而在他28岁时，右眼失明，56岁时，欧拉的左眼也失明，可以说他在黑暗中整整拼搏了20年，并且他一生所有的作品中，有一半是凭着惊人的记忆和心算进行写作和研究的。后来，由于圣彼得堡科学院发生火灾，64岁的欧拉险些葬身火海。据统计，欧拉发表的著作和论文达560部，且还留下了大量未发表的手稿。所以可以说欧拉做科研就如同鸟在空中飞翔或鱼在水里游弋一样自然。我们应该学习欧拉的这种勇于探索的精神，为科学奋力拼搏的意志。在力学史中，有许多像阿基米德那样对科学执着以及像欧拉那样顽强拼搏之类的故事，其间蕴含着丰富的人生哲理。课堂适当讲述，让学生详细了解科学家对力学发展的学术贡献以及他们的奋斗历程，将激发学生学习的兴趣，激励他们更加积极主动的学习。

二、史鉴明智，激励探索精神，启发创新思维

英国哲学家培根说过“史鉴使人明智。”通过向学生介绍力学史知识，让学生了解前辈科学家的奋斗史和探索精神，学习他们处理问题的思想和方法，激励学生在后来的学习过程中能够去探索和发现力学规律，同时得到启发，不断地进行思考。

如在讲授材料力学的梁理论时，简略介绍梁理论的历史，可以使学生掌握梁理论从提出到发展成熟的创新过程，从中受到启发。伽利略在1638年所著的《关于两门新科学的对话》一书中提出了关于柱、梁和杆的强度方面的相关命题。他认为在梁的截面上应力是均匀分布的，因而并没有正确解决他提出来的问题。在1686年，马略特（Mariotte）通过研究，认为应力应该是从梁最下面的纤维起沿高度线性分布的，与伽利略的结果相比，马略特的结果虽然有了进步，但与伽利略一样也默认中性层是在梁的下侧，结果仍然不正确。然而，胡克（Hooke）在1867年就曾正确地指出，在弯曲时杆的一侧的纤维伸长，另一侧被压缩，不过他没有进一步展开研究这个思想。从变形角度第一次比较精确的研究梁的问题，应当说是从雅科比·白努利（Jacob Bernoulli）在1694年的论文《弹性梁的弯曲》以及他在1705年的论文中，不是像以前研究梁从应力出发，而是最早用微积分工具研究梁的变形。他假定梁在变形时梁的横截面保持平面，这就是平截面最早的提法。不过，伯努利并没有彻底解决梁的问题，原因是，他对中性层的位置仍然没有跳出马略特的思路。梁的中性层最后准确定位是直到1826年法国力学家纳维给出的。到19世纪发展起来的已有的梁的理论，对于求解静力学问题，在工程实际问题中精确程度是足够了，但是对于求解动力学问题却表现出冲击传播速度无限大的不合理性。后来，美籍乌克兰裔学者铁摩辛科（Timoshenko）放弃了平截面假定，考虑了梁内的剪切变形的一阶近似，并且通过在惯性项中加进截面转动的惯性力，从而有效地解决了上述问题[3]。从伽利略提出关于梁的问题到铁摩辛科梁对于动力问题的完善，一共经过了漫长的近400年的时间，所以说人类科学技术的发展是无穷尽的，并且随着科技的进步发展，工程技术问题还会提出更精确的要求，不断激励着人们去探索发现。纵观这些历史，一方面可以让学生认识到要想完全解决一个实际问题，需要经过许多学者的不断努力和探索，而且还需要经过实践的不断检验和修正;另一方面可以使学生提高学习兴趣，增加学习的热情，加深对学习知识背景的理解和掌握。

又如在讲述弹性波理论的时候，可以介绍关于以太的故事。可以说，以太是历史上一种假想的物质，它是由思辨和推理所产生的。当确立了星球之间吸引力的思想后，人们很难理解力的这种超距作用，因此为了解释超距作用，人们假想空间不是虚无的，而是充满着一种名为“以太”的物质，这种物质就是来传递星球之间的吸引力，从太阳或星球传来的光线自然也是由以太传递的，麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象[3]。所以在整个19世纪，一个热门研究课题就是探索以太行为的研究。尽管经过后来一系列实验和理论论证，在20世纪初否定了以太的存在，不过人类通过它的研究得到了丰硕的回报。由于以太被假想为一种连续介质，为了弄清楚它的力学性质，极大地推动了连续介质力学和弹性动力学的发展。

通过讲述这些例子，可以使学生了解力学的发展过程，使许多力学家在一系列正确思想和方法的指导下，成功研究了力学现象和构建力学理论体系的探索过程。在探索过程中，并非总是一翻风顺的，有时甚至会碰得头破血流，因此需要探索勇气。通过这些史例，可以培养学生独立思考的习惯，树立怀疑、批判的态度，激励学生的探索精神，启发他们的创新思维。

三、弘扬文化，培养科学精神和素养

在模块化力学课程的教学过程中，力学知识的传授可以增加学生的专业技能，而中国力学史知识的适当穿插又可以弘扬我们的民族文化，增加学生的民族自豪感。如隋朝开皇大业年间（594-605年）在河北赵县城南5里，隋匠人李春所建的赵州桥，是现存世界上跨度最大且最古老的敞肩拱桥。赵州桥不论在结构还是外观，或者地基处理等方面都达到尽善尽美，如结构上减少了重量，增加了可靠性，所以说它的结构是美丽而合乎逻辑的，优于大部分西方古桥。可以说，赵州桥是桥梁建筑史上的一绝。此外，位于山西省应县城内的佛宫寺中建于1056年（辽代清宁2年）的释迦塔是现今世界上已存的最古老的木结构塔式建筑。由于结构上的合理性，近千年间经历了12次6级以上的大地震，迄今安然无恙。在讲授振动力学时，可以介绍我国在古钟方面的成就。我国古钟从史前（公元前2800）的陶钟开始到周初（公元前1100）的铜钟，一直是合瓦状。圆钟是汉朝随着佛教传入的宗教礼仪用钟，多半不能用作奏乐。北宋的沈括在《梦溪笔谈》（补笔谈卷上）中说：“古乐钟皆扁如盒（合）瓦。盖钟圆则声长，扁则声短。声短则节，声长则曲，节短处皆相乱，不成音律。后人不知此意，悉为圆钟，急叩之，多晃晃耳，清浊不复可辨。”沈括的解释是很符合力学原理的。这段话的意思是说，圆钟声音衰减得慢，扁钟衰减得快，若以圆钟奏乐，节奏快时，前音与后音相混，不可分辨。于1978年，在湖北随县发掘的战国曾国君主乙的墓，出土了一批古乐器，其中尤为重要的是一套编钟，音阶与钟上的铭文证明精度可靠;整套编钟具有转调、和声演奏的能力。它的出土不仅说明我国在振动、乐律上的高水平，也说明沈括对编钟优点分析的正确[2]。

在欣赏我国古代光辉文化、激励学生爱国热情的同时，让他们了解、明白我国古代有先进的技术，但没有精确的科学;或者说我国的发明大部分是技术性和观察性的，同时还具有个别性，但是缺乏逻辑的、抽象的和演绎的系统科学。此时教师可以举例进行阐明，如我们一直以来发展的数学有应用性很广的代数，而缺乏逻辑演绎性的几何;又如我们有精巧细致的结构设计，而缺乏抽象的力学模型原理的建立;我们的哲学中心是伦理论，阐述的是人与人或者人与社会的关系，但却缺乏西欧的哲学。那么中国为什么没有产生科学？是因为没有科学的精神和素养。西方的现代科学技术是汲取、利用和继承了经典力学的科学精神、研究方法和成果发展起来的，所以说中国科学技术的落后，是从经典力学形成与发展开始的落后，也就是力学的落后。在新的世纪，我们要迎头赶上，力学教育不应单纯的传授力学知识，而应不断地培养学生的科学精神和素养，让学生从力学学科的发展历史背景中受到熏陶，得到领悟，最终成为具有深厚文化底蕴的创新人才。

四、结语

结合我校地质特色的实际情况以及力学课程自身的应用基础特点，进行力学课程的模块化体系建设。在教学实践中，力学史的融入，对提高学生学习力学课程热情，培养分析、解决问题的能力起到了一定的作用。但是在授课过程中，要注意力学史内容选材的得当和准确性，同时注意讲授的方法，使效果达到最佳。

参考文献：

[1]吕建国，王志乔.模块化结构的分层次力学课程体系构建[J].中国地质教育，2010，（8）：121-122.

[2]武际可.力学史[M].重庆出版社，2000.

[3]武际可.力学史杂谈[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]余寿文.固体力学史与方法论的几点注记[A].力学史与方法论论文集[C].北京：中国林业出版社，2003：111-118.