地質(zhì)工科力學(xué)課程研究性教學(xué)中力學(xué)史知識的融入*

王志喬 呂建 李鳳蓮

摘要：以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和創(chuàng)新能力為核心，本文從引入力學(xué)史的角度，探討如何將模塊化力學(xué)課程體系講活，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)創(chuàng)新思維，培養(yǎng)科學(xué)精神。

關(guān)鍵詞：力學(xué)教學(xué);力學(xué)史;創(chuàng)新思維;科學(xué)精神

中圖分類號：G642 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）36-0164-03

力學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在地質(zhì)工程、材料、土木和機(jī)械等工程領(lǐng)中，同時(shí)也是這些專業(yè)的本科生和研究生的必修課程。結(jié)合我校地質(zhì)特色的實(shí)際情況以及力學(xué)課程自身的應(yīng)用基礎(chǔ)特點(diǎn)，且滿足不同專業(yè)和不同層次學(xué)生對力學(xué)課程的需求，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力為核心，講究教學(xué)方法，優(yōu)化組合模塊化的力學(xué)課程教學(xué)體系，突破傳統(tǒng)模式，實(shí)現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容的融合、貫通，形成一個(gè)新的思維體系，可以達(dá)到提高教學(xué)效率的目的[1]。但力學(xué)類課程公式推導(dǎo)比較煩瑣、計(jì)算結(jié)果比較復(fù)雜，學(xué)生往往陷入一個(gè)個(gè)概念和公式的包圍中，不知道這些概念和公式在歷史上是怎么產(chǎn)生和演變的，也不能靈活運(yùn)用這些知識解決實(shí)際問題，最終導(dǎo)致很多學(xué)生對此類課程產(chǎn)生厭學(xué)情緒。如何在講授力學(xué)課的過程中，引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)靈活掌握該門課程，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，需要高校教師有一套合適的授課方法和授課技巧。

在模塊化力學(xué)課程教學(xué)中，除了要注重理論與實(shí)踐教學(xué)有機(jī)結(jié)合、準(zhǔn)確把握各單元模塊的內(nèi)涵及相互鏈接關(guān)系外，還要注重在授課過程中把力學(xué)史滲透到某些內(nèi)容中，也就是說，作為一名力學(xué)教師，既要能夠條理清晰地傳授知識，又要對力學(xué)發(fā)展的歷史有所了解和掌握。“一門學(xué)科的歷史是這門科學(xué)中最寶貴的一部分，因?yàn)榭茖W(xué)只能給我們知識，而歷史卻能給我們智慧”[2]。可以說，力學(xué)發(fā)展史能夠使教師和學(xué)生之間搭起一座學(xué)習(xí)和溝通力學(xué)知識的橋梁，因?yàn)榱W(xué)史中貫穿著力學(xué)的基本思想和力學(xué)理論的基本演化過程及規(guī)律、力學(xué)家的思維方式和研究方法、力學(xué)創(chuàng)造中的挫折困難等。所有這些史料，對幫助學(xué)生理解力學(xué)科學(xué)的本質(zhì)，養(yǎng)成學(xué)生獨(dú)立思考的習(xí)慣，培養(yǎng)一種懷疑和批判的科學(xué)精神，以及培養(yǎng)學(xué)生的開放思維和創(chuàng)新能力等都有著獨(dú)特的作用。在日常學(xué)習(xí)中，只有把力學(xué)知識和力學(xué)史聯(lián)系起來，力學(xué)知識才會變得鮮活且有靈氣。所以在模塊化力學(xué)課程教學(xué)中融入力學(xué)史的知識可以提高教師的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

一、寓教于史，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

力學(xué)源于人們對自然界各種現(xiàn)象的觀察及生產(chǎn)生活中實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，而力學(xué)史可以記載人類從自然現(xiàn)象、生產(chǎn)和生活中認(rèn)識、觀察和應(yīng)用物體的機(jī)械運(yùn)動規(guī)律。要想了解一門學(xué)科的過去和現(xiàn)在，或者正確評價(jià)一門學(xué)科的教學(xué)和研究成果，或者預(yù)測一門學(xué)科的發(fā)展，都需要認(rèn)真學(xué)習(xí)該門學(xué)科的歷史，掌握它的發(fā)展變化規(guī)律。

在模塊化力學(xué)課程教學(xué)中，講解力學(xué)史可以使學(xué)生增長知識、開闊視野，還會讓學(xué)生認(rèn)識到課程的地位和重要性，也能夠激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。早在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們通過使用簡單工具或者機(jī)械的一些實(shí)踐活動，就逐漸總結(jié)出一些力學(xué)經(jīng)驗(yàn)。公元前2～3世紀(jì)前后，靜力學(xué)得到了發(fā)展，亞里士多德（Aristotle）和阿基米德（Archimedes）是這個(gè)時(shí)期的兩個(gè)典型代表人物。伽利略（Galileo）奠定了動力學(xué)的基礎(chǔ)，經(jīng)哥白尼（Copernicus）和開普勒（Kepler）對行星運(yùn)動規(guī)律的研究，到后來牛頓三大力學(xué)定律的建立，逐漸完善了力學(xué)學(xué)科的科學(xué)體系。隨著工業(yè)時(shí)代的來臨，出現(xiàn)了剛體力學(xué)以及拉格朗日（Lagrange）建立了分析力學(xué)的體系。后來，大型的建筑結(jié)構(gòu)以及橋梁結(jié)構(gòu)，逐漸要求人們了解可變形體系的運(yùn)動規(guī)律，于是柯西（Cauchy）、納維（Navier）、歐拉（Euler）等人構(gòu)建的彈性體的平衡和運(yùn)動開始進(jìn)行研究。隨著水管流動、溝渠的建設(shè)與改進(jìn)、船舶等工程需要，研究流體的平衡、流動引起的阻力等問題變得非常現(xiàn)實(shí)和迫切。近代社會特別是航空航天工程的發(fā)展，出現(xiàn)了以普朗特（Prandtl）、卡門（von Karman）為代表的應(yīng)用力學(xué)學(xué)派。計(jì)算機(jī)的問世使力學(xué)得到了長足的發(fā)展，一些數(shù)值模擬，如有限差分和有限元等開始逐步出現(xiàn)。這樣，需要研究的力學(xué)模型越來越復(fù)雜，進(jìn)而需要考慮的物理因素越來越多，主要表現(xiàn)為力、熱、電、磁、聲、光、化學(xué)等多場耦合，由宏觀、細(xì)觀、微觀到納觀，不同尺度下力學(xué)行為及其跨尺度鏈接，從而形成了斷裂力學(xué)、生物力學(xué)、智能材料力學(xué)、納米力學(xué)和物理力學(xué)等一批有學(xué)科交叉特點(diǎn)的新學(xué)科[2-4]。

通過力學(xué)發(fā)展史的簡單綜述，將各個(gè)模塊化的力學(xué)知識鏈接起來，讓學(xué)生了解社會發(fā)展的不同階段必然催生相應(yīng)的力學(xué)理論，力學(xué)理論的發(fā)展必然帶有社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的印記;同時(shí)讓學(xué)生了解所要學(xué)習(xí)的力學(xué)知識所處的地位和作用。除了講授力學(xué)學(xué)科的發(fā)展和應(yīng)用歷史，還應(yīng)讓學(xué)生了解杰出力學(xué)科學(xué)家的人生奮斗歷程，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極主動性，培養(yǎng)他們學(xué)習(xí)的興趣。

講授流體靜力學(xué)時(shí)，總會向?qū)W生們介紹阿基米德的貢獻(xiàn)。阿基米德在古希臘西西里的敘拉古出生，他的父親是天文學(xué)家，父親本想讓阿基米德學(xué)醫(yī)，但是他卻癡迷上了數(shù)學(xué)。當(dāng)阿基米德在思考問題或演算的時(shí)候，他習(xí)慣于在沙土上寫寫畫畫。在公元前212年，羅馬人攻入敘拉古，當(dāng)時(shí)阿基米德正在沙地上畫數(shù)學(xué)圖形，羅馬大兵向他尋問，可是正陷入沉思中的阿基米德當(dāng)時(shí)并沒有理會羅馬大兵問的是什么問題，自己只是警告羅馬戰(zhàn)士別動他的這些圖，于是羅馬大兵將阿基米德給捅死了。也就是說，阿基米德忠誠于科學(xué)，為全神貫注于數(shù)學(xué)而喪生。又如講授材料力學(xué)、彈性力學(xué)和流體力學(xué)時(shí)，經(jīng)常會介紹歐拉的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。歐拉是力學(xué)史上非常杰出的學(xué)者，同時(shí)也是有史以來的四大數(shù)學(xué)家之一。他13歲時(shí)入讀巴塞爾大學(xué)，15歲大學(xué)畢業(yè)，16歲獲得碩士學(xué)位，26歲成為圣彼得堡科學(xué)院院士;然而在他28歲時(shí)，右眼失明，56歲時(shí)，歐拉的左眼也失明，可以說他在黑暗中整整拼搏了20年，并且他一生所有的作品中，有一半是憑著驚人的記憶和心算進(jìn)行寫作和研究的。后來，由于圣彼得堡科學(xué)院發(fā)生火災(zāi)，64歲的歐拉險(xiǎn)些葬身火海。據(jù)統(tǒng)計(jì)，歐拉發(fā)表的著作和論文達(dá)560部，且還留下了大量未發(fā)表的手稿。所以可以說歐拉做科研就如同鳥在空中飛翔或魚在水里游弋一樣自然。我們應(yīng)該學(xué)習(xí)歐拉的這種勇于探索的精神，為科學(xué)奮力拼搏的意志。在力學(xué)史中，有許多像阿基米德那樣對科學(xué)執(zhí)著以及像歐拉那樣頑強(qiáng)拼搏之類的故事，其間蘊(yùn)含著豐富的人生哲理。課堂適當(dāng)講述，讓學(xué)生詳細(xì)了解科學(xué)家對力學(xué)發(fā)展的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)以及他們的奮斗歷程，將激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，激勵(lì)他們更加積極主動的學(xué)習(xí)。

二、史鑒明智，激勵(lì)探索精神，啟發(fā)創(chuàng)新思維

英國哲學(xué)家培根說過“史鑒使人明智。”通過向?qū)W生介紹力學(xué)史知識，讓學(xué)生了解前輩科學(xué)家的奮斗史和探索精神，學(xué)習(xí)他們處理問題的思想和方法，激勵(lì)學(xué)生在后來的學(xué)習(xí)過程中能夠去探索和發(fā)現(xiàn)力學(xué)規(guī)律，同時(shí)得到啟發(fā)，不斷地進(jìn)行思考。

如在講授材料力學(xué)的梁理論時(shí)，簡略介紹梁理論的歷史，可以使學(xué)生掌握梁理論從提出到發(fā)展成熟的創(chuàng)新過程，從中受到啟發(fā)。伽利略在1638年所著的《關(guān)于兩門新科學(xué)的對話》一書中提出了關(guān)于柱、梁和桿的強(qiáng)度方面的相關(guān)命題。他認(rèn)為在梁的截面上應(yīng)力是均勻分布的，因而并沒有正確解決他提出來的問題。在1686年，馬略特（Mariotte）通過研究，認(rèn)為應(yīng)力應(yīng)該是從梁最下面的纖維起沿高度線性分布的，與伽利略的結(jié)果相比，馬略特的結(jié)果雖然有了進(jìn)步，但與伽利略一樣也默認(rèn)中性層是在梁的下側(cè)，結(jié)果仍然不正確。然而，胡克（Hooke）在1867年就曾正確地指出，在彎曲時(shí)桿的一側(cè)的纖維伸長，另一側(cè)被壓縮，不過他沒有進(jìn)一步展開研究這個(gè)思想。從變形角度第一次比較精確的研究梁的問題，應(yīng)當(dāng)說是從雅科比·白努利（Jacob Bernoulli）在1694年的論文《彈性梁的彎曲》以及他在1705年的論文中，不是像以前研究梁從應(yīng)力出發(fā)，而是最早用微積分工具研究梁的變形。他假定梁在變形時(shí)梁的橫截面保持平面，這就是平截面最早的提法。不過，伯努利并沒有徹底解決梁的問題，原因是，他對中性層的位置仍然沒有跳出馬略特的思路。梁的中性層最后準(zhǔn)確定位是直到1826年法國力學(xué)家納維給出的。到19世紀(jì)發(fā)展起來的已有的梁的理論，對于求解靜力學(xué)問題，在工程實(shí)際問題中精確程度是足夠了，但是對于求解動力學(xué)問題卻表現(xiàn)出沖擊傳播速度無限大的不合理性。后來，美籍烏克蘭裔學(xué)者鐵摩辛科（Timoshenko）放棄了平截面假定，考慮了梁內(nèi)的剪切變形的一階近似，并且通過在慣性項(xiàng)中加進(jìn)截面轉(zhuǎn)動的慣性力，從而有效地解決了上述問題[3]。從伽利略提出關(guān)于梁的問題到鐵摩辛科梁對于動力問題的完善，一共經(jīng)過了漫長的近400年的時(shí)間，所以說人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是無窮盡的，并且隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，工程技術(shù)問題還會提出更精確的要求，不斷激勵(lì)著人們?nèi)ヌ剿靼l(fā)現(xiàn)。縱觀這些歷史，一方面可以讓學(xué)生認(rèn)識到要想完全解決一個(gè)實(shí)際問題，需要經(jīng)過許多學(xué)者的不斷努力和探索，而且還需要經(jīng)過實(shí)踐的不斷檢驗(yàn)和修正;另一方面可以使學(xué)生提高學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)習(xí)的熱情，加深對學(xué)習(xí)知識背景的理解和掌握。

又如在講述彈性波理論的時(shí)候，可以介紹關(guān)于以太的故事。可以說，以太是歷史上一種假想的物質(zhì)，它是由思辨和推理所產(chǎn)生的。當(dāng)確立了星球之間吸引力的思想后，人們很難理解力的這種超距作用，因此為了解釋超距作用，人們假想空間不是虛無的，而是充滿著一種名為“以太”的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是來傳遞星球之間的吸引力，從太陽或星球傳來的光線自然也是由以太傳遞的，麥克斯韋還設(shè)想用以太的力學(xué)運(yùn)動來解釋電磁現(xiàn)象[3]。所以在整個(gè)19世紀(jì)，一個(gè)熱門研究課題就是探索以太行為的研究。盡管經(jīng)過后來一系列實(shí)驗(yàn)和理論論證，在20世紀(jì)初否定了以太的存在，不過人類通過它的研究得到了豐碩的回報(bào)。由于以太被假想為一種連續(xù)介質(zhì)，為了弄清楚它的力學(xué)性質(zhì)，極大地推動了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和彈性動力學(xué)的發(fā)展。

通過講述這些例子，可以使學(xué)生了解力學(xué)的發(fā)展過程，使許多力學(xué)家在一系列正確思想和方法的指導(dǎo)下，成功研究了力學(xué)現(xiàn)象和構(gòu)建力學(xué)理論體系的探索過程。在探索過程中，并非總是一翻風(fēng)順的，有時(shí)甚至?xí)龅妙^破血流，因此需要探索勇氣。通過這些史例，可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考的習(xí)慣，樹立懷疑、批判的態(tài)度，激勵(lì)學(xué)生的探索精神，啟發(fā)他們的創(chuàng)新思維。

三、弘揚(yáng)文化，培養(yǎng)科學(xué)精神和素養(yǎng)

在模塊化力學(xué)課程的教學(xué)過程中，力學(xué)知識的傳授可以增加學(xué)生的專業(yè)技能，而中國力學(xué)史知識的適當(dāng)穿插又可以弘揚(yáng)我們的民族文化，增加學(xué)生的民族自豪感。如隋朝開皇大業(yè)年間（594-605年）在河北趙縣城南5里，隋匠人李春所建的趙州橋，是現(xiàn)存世界上跨度最大且最古老的敞肩拱橋。趙州橋不論在結(jié)構(gòu)還是外觀，或者地基處理等方面都達(dá)到盡善盡美，如結(jié)構(gòu)上減少了重量，增加了可靠性，所以說它的結(jié)構(gòu)是美麗而合乎邏輯的，優(yōu)于大部分西方古橋。可以說，趙州橋是橋梁建筑史上的一絕。此外，位于山西省應(yīng)縣城內(nèi)的佛宮寺中建于1056年（遼代清寧2年）的釋迦塔是現(xiàn)今世界上已存的最古老的木結(jié)構(gòu)塔式建筑。由于結(jié)構(gòu)上的合理性，近千年間經(jīng)歷了12次6級以上的大地震，迄今安然無恙。在講授振動力學(xué)時(shí)，可以介紹我國在古鐘方面的成就。我國古鐘從史前（公元前2800）的陶鐘開始到周初（公元前1100）的銅鐘，一直是合瓦狀。圓鐘是漢朝隨著佛教傳入的宗教禮儀用鐘，多半不能用作奏樂。北宋的沈括在《夢溪筆談》（補(bǔ)筆談卷上）中說：“古樂鐘皆扁如盒（合）瓦。蓋鐘圓則聲長，扁則聲短。聲短則節(jié)，聲長則曲，節(jié)短處皆相亂，不成音律。后人不知此意，悉為圓鐘，急叩之，多晃晃耳，清濁不復(fù)可辨。”沈括的解釋是很符合力學(xué)原理的。這段話的意思是說，圓鐘聲音衰減得慢，扁鐘衰減得快，若以圓鐘奏樂，節(jié)奏快時(shí)，前音與后音相混，不可分辨。于1978年，在湖北隨縣發(fā)掘的戰(zhàn)國曾國君主乙的墓，出土了一批古樂器，其中尤為重要的是一套編鐘，音階與鐘上的銘文證明精度可靠;整套編鐘具有轉(zhuǎn)調(diào)、和聲演奏的能力。它的出土不僅說明我國在振動、樂律上的高水平，也說明沈括對編鐘優(yōu)點(diǎn)分析的正確[2]。

在欣賞我國古代光輝文化、激勵(lì)學(xué)生愛國熱情的同時(shí)，讓他們了解、明白我國古代有先進(jìn)的技術(shù)，但沒有精確的科學(xué);或者說我國的發(fā)明大部分是技術(shù)性和觀察性的，同時(shí)還具有個(gè)別性，但是缺乏邏輯的、抽象的和演繹的系統(tǒng)科學(xué)。此時(shí)教師可以舉例進(jìn)行闡明，如我們一直以來發(fā)展的數(shù)學(xué)有應(yīng)用性很廣的代數(shù)，而缺乏邏輯演繹性的幾何;又如我們有精巧細(xì)致的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而缺乏抽象的力學(xué)模型原理的建立;我們的哲學(xué)中心是倫理論，闡述的是人與人或者人與社會的關(guān)系，但卻缺乏西歐的哲學(xué)。那么中國為什么沒有產(chǎn)生科學(xué)？是因?yàn)闆]有科學(xué)的精神和素養(yǎng)。西方的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)是汲取、利用和繼承了經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)精神、研究方法和成果發(fā)展起來的，所以說中國科學(xué)技術(shù)的落后，是從經(jīng)典力學(xué)形成與發(fā)展開始的落后，也就是力學(xué)的落后。在新的世紀(jì)，我們要迎頭趕上，力學(xué)教育不應(yīng)單純的傳授力學(xué)知識，而應(yīng)不斷地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和素養(yǎng)，讓學(xué)生從力學(xué)學(xué)科的發(fā)展歷史背景中受到熏陶，得到領(lǐng)悟，最終成為具有深厚文化底蘊(yùn)的創(chuàng)新人才。

四、結(jié)語

結(jié)合我校地質(zhì)特色的實(shí)際情況以及力學(xué)課程自身的應(yīng)用基礎(chǔ)特點(diǎn)，進(jìn)行力學(xué)課程的模塊化體系建設(shè)。在教學(xué)實(shí)踐中，力學(xué)史的融入，對提高學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)課程熱情，培養(yǎng)分析、解決問題的能力起到了一定的作用。但是在授課過程中，要注意力學(xué)史內(nèi)容選材的得當(dāng)和準(zhǔn)確性，同時(shí)注意講授的方法，使效果達(dá)到最佳。

參考文獻(xiàn)：

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