地質工科力學課程研究性教學中力學史知識的融入*

王志喬 呂建 李鳳蓮

摘要：以培養學生的實踐和創新能力為核心，本文從引入力學史的角度，探討如何將模塊化力學課程體系講活，激發學生的學習興趣，啟發創新思維，培養科學精神。

關鍵詞：力學教學;力學史;創新思維;科學精神

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

力學已經廣泛應用在地質工程、材料、土木和機械等工程領中，同時也是這些專業的本科生和研究生的必修課程。結合我校地質特色的實際情況以及力學課程自身的應用基礎特點，且滿足不同專業和不同層次學生對力學課程的需求，以培養學生的創新和實踐能力為核心，講究教學方法，優化組合模塊化的力學課程教學體系，突破傳統模式，實現相關內容的融合、貫通，形成一個新的思維體系，可以達到提高教學效率的目的[1]。但力學類課程公式推導比較煩瑣、計算結果比較復雜，學生往往陷入一個個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生和演變的，也不能靈活運用這些知識解決實際問題，最終導致很多學生對此類課程產生厭學情緒。如何在講授力學課的過程中，引發學生學習興趣，激發學生的學習熱情，同時靈活掌握該門課程，是一個具有挑戰性的問題，需要高校教師有一套合適的授課方法和授課技巧。

在模塊化力學課程教學中，除了要注重理論與實踐教學有機結合、準確把握各單元模塊的內涵及相互鏈接關系外，還要注重在授課過程中把力學史滲透到某些內容中，也就是說，作為一名力學教師，既要能夠條理清晰地傳授知識，又要對力學發展的歷史有所了解和掌握。“一門學科的歷史是這門科學中最寶貴的一部分，因為科學只能給我們知識，而歷史卻能給我們智慧”[2]。可以說，力學發展史能夠使教師和學生之間搭起一座學習和溝通力學知識的橋梁，因為力學史中貫穿著力學的基本思想和力學理論的基本演化過程及規律、力學家的思維方式和研究方法、力學創造中的挫折困難等。所有這些史料，對幫助學生理解力學科學的本質，養成學生獨立思考的習慣，培養一種懷疑和批判的科學精神，以及培養學生的開放思維和創新能力等都有著獨特的作用。在日常學習中，只有把力學知識和力學史聯系起來，力學知識才會變得鮮活且有靈氣。所以在模塊化力學課程教學中融入力學史的知識可以提高教師的教學效果，激發學生的學習興趣。

一、寓教于史，激發學習興趣

力學源于人們對自然界各種現象的觀察及生產生活中實踐經驗的總結，而力學史可以記載人類從自然現象、生產和生活中認識、觀察和應用物體的機械運動規律。要想了解一門學科的過去和現在，或者正確評價一門學科的教學和研究成果，或者預測一門學科的發展，都需要認真學習該門學科的歷史，掌握它的發展變化規律。

在模塊化力學課程教學中，講解力學史可以使學生增長知識、開闊視野，還會讓學生認識到課程的地位和重要性，也能夠激起學生的學習興趣。早在遠古時代，人們通過使用簡單工具或者機械的一些實踐活動，就逐漸總結出一些力學經驗。公元前2～3世紀前后，靜力學得到了發展，亞里士多德（Aristotle）和阿基米德（Archimedes）是這個時期的兩個典型代表人物。伽利略（Galileo）奠定了動力學的基礎，經哥白尼（Copernicus）和開普勒（Kepler）對行星運動規律的研究，到后來牛頓三大力學定律的建立，逐漸完善了力學學科的科學體系。隨著工業時代的來臨，出現了剛體力學以及拉格朗日（Lagrange）建立了分析力學的體系。后來，大型的建筑結構以及橋梁結構，逐漸要求人們了解可變形體系的運動規律，于是柯西（Cauchy）、納維（Navier）、歐拉（Euler）等人構建的彈性體的平衡和運動開始進行研究。隨著水管流動、溝渠的建設與改進、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實和迫切。近代社會特別是航空航天工程的發展，出現了以普朗特（Prandtl）、卡門（von Karman）為代表的應用力學學派。計算機的問世使力學得到了長足的發展，一些數值模擬，如有限差分和有限元等開始逐步出現。這樣，需要研究的力學模型越來越復雜，進而需要考慮的物理因素越來越多，主要表現為力、熱、電、磁、聲、光、化學等多場耦合，由宏觀、細觀、微觀到納觀，不同尺度下力學行為及其跨尺度鏈接，從而形成了斷裂力學、生物力學、智能材料力學、納米力學和物理力學等一批有學科交叉特點的新學科[2-4]。

通過力學發展史的簡單綜述，將各個模塊化的力學知識鏈接起來，讓學生了解社會發展的不同階段必然催生相應的力學理論，力學理論的發展必然帶有社會和經濟發展的印記;同時讓學生了解所要學習的力學知識所處的地位和作用。除了講授力學學科的發展和應用歷史，還應讓學生了解杰出力學科學家的人生奮斗歷程，提高學生學習的積極主動性，培養他們學習的興趣。

講授流體靜力學時，總會向學生們介紹阿基米德的貢獻。阿基米德在古希臘西西里的敘拉古出生，他的父親是天文學家，父親本想讓阿基米德學醫，但是他卻癡迷上了數學。當阿基米德在思考問題或演算的時候，他習慣于在沙土上寫寫畫畫。在公元前212年，羅馬人攻入敘拉古，當時阿基米德正在沙地上畫數學圖形，羅馬大兵向他尋問，可是正陷入沉思中的阿基米德當時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，為全神貫注于數學而喪生。又如講授材料力學、彈性力學和流體力學時，經常會介紹歐拉的學術貢獻。歐拉是力學史上非常杰出的學者，同時也是有史以來的四大數學家之一。他13歲時入讀巴塞爾大學，15歲大學畢業，16歲獲得碩士學位，26歲成為圣彼得堡科學院院士;然而在他28歲時，右眼失明，56歲時，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行寫作和研究的。后來，由于圣彼得堡科學院發生火災，64歲的歐拉險些葬身火海。據統計，歐拉發表的著作和論文達560部，且還留下了大量未發表的手稿。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。我們應該學習歐拉的這種勇于探索的精神，為科學奮力拼搏的意志。在力學史中，有許多像阿基米德那樣對科學執著以及像歐拉那樣頑強拼搏之類的故事，其間蘊含著豐富的人生哲理。課堂適當講述，讓學生詳細了解科學家對力學發展的學術貢獻以及他們的奮斗歷程，將激發學生學習的興趣，激勵他們更加積極主動的學習。

二、史鑒明智，激勵探索精神，啟發創新思維

英國哲學家培根說過“史鑒使人明智。”通過向學生介紹力學史知識，讓學生了解前輩科學家的奮斗史和探索精神，學習他們處理問題的思想和方法，激勵學生在后來的學習過程中能夠去探索和發現力學規律，同時得到啟發，不斷地進行思考。

如在講授材料力學的梁理論時，簡略介紹梁理論的歷史，可以使學生掌握梁理論從提出到發展成熟的創新過程，從中受到啟發。伽利略在1638年所著的《關于兩門新科學的對話》一書中提出了關于柱、梁和桿的強度方面的相關命題。他認為在梁的截面上應力是均勻分布的，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，認為應力應該是從梁最下面的纖維起沿高度線性分布的，與伽利略的結果相比，馬略特的結果雖然有了進步，但與伽利略一樣也默認中性層是在梁的下側，結果仍然不正確。然而，胡克（Hooke）在1867年就曾正確地指出，在彎曲時桿的一側的纖維伸長，另一側被壓縮，不過他沒有進一步展開研究這個思想。從變形角度第一次比較精確的研究梁的問題，應當說是從雅科比·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力出發，而是最早用微積分工具研究梁的變形。他假定梁在變形時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。梁的中性層最后準確定位是直到1826年法國力學家納維給出的。到19世紀發展起來的已有的梁的理論，對于求解靜力學問題，在工程實際問題中精確程度是足夠了，但是對于求解動力學問題卻表現出沖擊傳播速度無限大的不合理性。后來，美籍烏克蘭裔學者鐵摩辛科（Timoshenko）放棄了平截面假定，考慮了梁內的剪切變形的一階近似，并且通過在慣性項中加進截面轉動的慣性力，從而有效地解決了上述問題[3]。從伽利略提出關于梁的問題到鐵摩辛科梁對于動力問題的完善，一共經過了漫長的近400年的時間，所以說人類科學技術的發展是無窮盡的，并且隨著科技的進步發展，工程技術問題還會提出更精確的要求，不斷激勵著人們去探索發現。縱觀這些歷史，一方面可以讓學生認識到要想完全解決一個實際問題，需要經過許多學者的不斷努力和探索，而且還需要經過實踐的不斷檢驗和修正;另一方面可以使學生提高學習興趣，增加學習的熱情，加深對學習知識背景的理解和掌握。

又如在講述彈性波理論的時候，可以介紹關于以太的故事。可以說，以太是歷史上一種假想的物質，它是由思辨和推理所產生的。當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，這種物質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，麥克斯韋還設想用以太的力學運動來解釋電磁現象[3]。所以在整個19世紀，一個熱門研究課題就是探索以太行為的研究。盡管經過后來一系列實驗和理論論證，在20世紀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。由于以太被假想為一種連續介質，為了弄清楚它的力學性質，極大地推動了連續介質力學和彈性動力學的發展。

通過講述這些例子，可以使學生了解力學的發展過程，使許多力學家在一系列正確思想和方法的指導下，成功研究了力學現象和構建力學理論體系的探索過程。在探索過程中，并非總是一翻風順的，有時甚至會碰得頭破血流，因此需要探索勇氣。通過這些史例，可以培養學生獨立思考的習慣，樹立懷疑、批判的態度，激勵學生的探索精神，啟發他們的創新思維。

三、弘揚文化，培養科學精神和素養

在模塊化力學課程的教學過程中，力學知識的傳授可以增加學生的專業技能，而中國力學史知識的適當穿插又可以弘揚我們的民族文化，增加學生的民族自豪感。如隋朝開皇大業年間（594-605年）在河北趙縣城南5里，隋匠人李春所建的趙州橋，是現存世界上跨度最大且最古老的敞肩拱橋。趙州橋不論在結構還是外觀，或者地基處理等方面都達到盡善盡美，如結構上減少了重量，增加了可靠性，所以說它的結構是美麗而合乎邏輯的，優于大部分西方古橋。可以說，趙州橋是橋梁建筑史上的一絕。此外，位于山西省應縣城內的佛宮寺中建于1056年（遼代清寧2年）的釋迦塔是現今世界上已存的最古老的木結構塔式建筑。由于結構上的合理性，近千年間經歷了12次6級以上的大地震，迄今安然無恙。在講授振動力學時，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，聲長則曲，節短處皆相亂，不成音律。后人不知此意，悉為圓鐘，急叩之，多晃晃耳，清濁不復可辨。”沈括的解釋是很符合力學原理的。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，節奏快時，前音與后音相混，不可分辨。于1978年，在湖北隨縣發掘的戰國曾國君主乙的墓，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;整套編鐘具有轉調、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點分析的正確[2]。

在欣賞我國古代光輝文化、激勵學生愛國熱情的同時，讓他們了解、明白我國古代有先進的技術，但沒有精確的科學;或者說我國的發明大部分是技術性和觀察性的，同時還具有個別性，但是缺乏邏輯的、抽象的和演繹的系統科學。此時教師可以舉例進行闡明，如我們一直以來發展的數學有應用性很廣的代數，而缺乏邏輯演繹性的幾何;又如我們有精巧細致的結構設計，而缺乏抽象的力學模型原理的建立;我們的哲學中心是倫理論，闡述的是人與人或者人與社會的關系，但卻缺乏西歐的哲學。那么中國為什么沒有產生科學？是因為沒有科學的精神和素養。西方的現代科學技術是汲取、利用和繼承了經典力學的科學精神、研究方法和成果發展起來的，所以說中國科學技術的落后，是從經典力學形成與發展開始的落后，也就是力學的落后。在新的世紀，我們要迎頭趕上，力學教育不應單純的傳授力學知識，而應不斷地培養學生的科學精神和素養，讓學生從力學學科的發展歷史背景中受到熏陶，得到領悟，最終成為具有深厚文化底蘊的創新人才。

四、結語

結合我校地質特色的實際情況以及力學課程自身的應用基礎特點，進行力學課程的模塊化體系建設。在教學實踐中，力學史的融入，對提高學生學習力學課程熱情，培養分析、解決問題的能力起到了一定的作用。但是在授課過程中，要注意力學史內容選材的得當和準確性，同時注意講授的方法，使效果達到最佳。

參考文獻：

[1]呂建國，王志喬.模塊化結構的分層次力學課程體系構建[J].中國地質教育，2010，（8）：121-122.

[2]武際可.力學史[M].重慶出版社，2000.

[3]武際可.力學史雜談[M].北京：高等教育出版社，2009.

[4]余壽文.固體力學史與方法論的幾點注記[A].力學史與方法論論文集[C].北京：中國林業出版社，2003：111-118.