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浅谈工程力学教学中力学史知识的渗透

2020-1-2 12:46| 发布者: weixin| 查看: 190| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 本文综合了很多有丰富教学经验的老教师的心得,结合自己多年从事基础科学与工程技术研究的体会,试图对工程力学的授课提出新的见解,使本门课程注入新的活力。
工程力学 (Engineering Mechanics) 在石油、地质、水利、航空航天、汽车、机械、土木、材料等工程领域得到广泛的应用,也是上述各专业本科生、研究生所必修的一门课程。在北美以及西欧的大学中,工程力学主要包括国内所谓的“理论力学”以及“材料力学”两门课程的内容。该课程内容较多,公式推导比较繁琐,计算结果比较复杂,因而导致了很多学生对此课程产生厌学情绪,以致上课感到“害怕”,最终大量同学考试不及格。如何将这门课程讲活,引起学生的兴趣,是一个难度很大的问题,也给高校力学教师提出了更高的要求。

本文综合了很多有丰富教学经验的老教师的心得,结合自己多年从事基础科学与工程技术研究的体会,试图对工程力学的授课提出新的见解,使本门课程注入新的活力。其中一个主要的思想就是在课程学习过程中渗透进力学史的内容,当然这对于仅仅会“手把手”讲课的老师来说短时间内恐怕很难达到。所以作为一名教授工程力学的老师,一方面要能够条理清晰地传授知识,另一方面必须掌握力学研究的历史以及当今科研的热点。

一、国内外力学史研究的现状
力学史算是力学的一个分支,也是科学史的一个分支,它记述和研究人类从自然现象和生产活动中认识和应用物体机械运动规律的历史。谈到力学史,首先要熟悉有哪些材料可以供我们选择使用。目前关于这方面的研究还是非常少。一方面,力学的研究进展很快,向着工程技术的各个领域快速扩展,同时在纳米、生物等一些新兴领域中起着越来越重要的作用,很难有人熟悉这么多领域;另一方面,力学并非像物理、化学、机械等领域广为普通人所熟悉,因为它是一种“软科学”,是一种辅助其它学科发展的科学。正如国家自然科学基金委对力学的定义所言:“力学是一门应用性强的基础科学,是研究力与运动规律的科学。力学是建立在牛顿力学和经典热力学的基础上,主要涉及宏观运动,目前已扩展到微、纳观层次。”这种对力学的定位,决定了力学的性质,即它的跨度非常大,同时也给力学史家带来了困难。

力学本身的发展有悠久的历史,但是关于力学历史的著作是在经典力学臻于完善以后才出现的,其中著名的是E.马赫的《力学的一般批判发展史》(1883)。当代力学史专著有R.杜加斯的《力学史》(1950),其中把力学作为物理学的一部分。运用历史唯物主义观点阐明力学史的有以Н.莫伊谢耶夫为代表的莫斯科大学学派的著述,如A.T.格里戈良所写《力学,从古到今》(1974)。力学的专科史有I.托德亨特和K.皮尔孙的《弹性理论和材料强度学史》两卷 (1886、1893),S.P.铁木辛柯的《材料力学史》(1953)。其中铁木辛柯的著作内容翔实,对工程中的大量实例以及力学史上的重大创举都进行了分析。

中国从50年代起开始把力学史作为物理学史的一个组成部分,而对力学史进行单独的、系统的研究则刚刚开始。戴念祖著《中国力学史》,老亮著《中国古代材料力学史》等对中国古代在力学上的贡献进行了评述。而北京大学的武际可老师对力学史进行了深入研究,写出了《力学史》一书,以及《近代力学在中国的传播与发展》对中外力学的发展进行了哲学意义上的思考。

上述关于力学史的书籍不仅有着重要的学术价值,同时也为我们在力学教学中提供了大量的丰富材料,以渗透到授课之中,使学生听起来感到兴味盎然。

二、寓教于史
力学史的书籍已经给我们提供了大量的素材,然后我们要在课程适当的地方将这些素材插进去。这些例子会让学生认识到这些大科学家的伟大,同时也感受到学科交叉的必要性,从而受到人文气息与科学精神的双重熏陶。

如在讲到弹性模量(杨氏模量)E时,应该向学生提及汤姆斯·杨的学术贡献。汤姆斯·杨是一位多才多艺的科学家,曾经在物理上提出了著名的杨氏双缝干涉实验,还利用罗赛塔石辨认了埃及的象形文字从而成为一名考古学家。汤姆斯·杨在固体的表面物理科学也卓有成就:他在1804年提出了杨氏接触角。而接触角的概念却是现在科学研究的前沿与热点,并且得到了广泛的应用。例如笔者所研究的表面放生力学领域里面,荷花的叶子“出淤泥而不染”的超疏水功能,水黾能够飞速地在水面跑跳,沙漠里的蜥蜴能够通过表面的毛细管吸水等等,都与杨氏接触角的概念有关。

在讲到材料的最大剪应力破坏准则时,应该讲述整个历史的来龙去脉。最早对材料的强度破坏问题产生兴趣的是文艺复兴时期的巨人达·芬奇。达·芬奇是世界上最伟大的艺术家之一,他的两幅画《蒙纳利莎》和《最后的晚餐》是人类文化的瑰宝。同时他是世界上最早设计飞机的人,他还是一位建筑师、工程师、解剖学家。达·芬奇曾经说过:“力学是数学的乐园。因为我们在这儿获得了数学的果实。”由此可见,他对数学、力学的重视。他对材料的破坏做了一些实验,但是并未提出合理的强度准则。随后,意大利文艺复兴后期伟大的天文学家、力学家、哲学家、物理学家、数学家,也是近代实验物理学的开拓者,被誉为“近代科学之父”的伽利略进行了进一步研究。伽利略是为维护真理而进行不屈不挠的战士,恩格斯称他是“不管有何障碍,都能不顾一切而打破旧说,创立新说的巨人之一”。他对于材料进行了弯曲试验,但是得到的破坏准则是错误的。直到1864年,由法国的工程师屈雷斯加 (Tresca) 提出了“最大剪应力”准则,才与实验结果一致。这个理论也称为“Tresca准则”,也就是材料力学上讲到的第三强度理论。而我们国家的一些科学家在强度理论方面也做了大量工作,例如西安交通大学的俞茂宏教授提出了“双剪切理论”,已经被写进教科书。同学听了这些力学史料,将会被故事所吸引,同时会对达·芬奇、伽利略等人的多才多艺发出由衷的感叹,进而对于强度理论发展的曲折历程有了深入体会。同时提到中国科学家的贡献,将会增强同学们的民族自豪感。

而在理论力学领域,可讲的“故事”较少,因为理论力学更加偏重于基础,更注重于推导公式。但是实际上,理论力学中也有大量的史料可以补充。例如在讲动量、动能时,可以讲述笛卡儿与莱布尼兹学派之争。莱布尼兹比牛顿小四岁,是那个时代最博学的人。他精通法律、外交、数学、物理、哲学、化学、冶金,以及曾经设计过计算机。他最早区分了动量与动能,认为用“活力”mv2来表征动能更加合适。在讲流体动量的时候,也可以讲到欧拉的故事。欧拉是有史以来四大数学家之一,到晚年双目失明,但是还是非常刻苦地工作,一共写了1000多篇论文。有人称赞他做计算,“就像鸟在空中飞翔,像鱼在水里游泳,像人的呼吸一样自然。”而与欧拉同时代的拉格朗日则将理论力学的研究推上了高峰。他的《分析力学》一书没有一个图形,全部是公式的推导。鉴于拉格朗日的学术贡献,他被拿破仑称赞为“一座耸立的高峰”。

三、力学的最新进展
授课时除了传统的力学史的渗透外,应该给学生灌输一些关于力学的最新进展,这就需要一个力学教师必须坚持不懈地从事科学研究,不能固步自封,墨守陈规。当今我们正处于一个“知识爆炸”的时代,各种新知识、新观点层出不穷,而一些传统的概念可能不够准确,或者被证明是错误的,这也是我们要注意的一个重要问题。

对于书上的一些公式,应该说明其适应的范围,从而加深学生的理解,同时又给他们以“尽信书则不如无书”的启示。例如屈服极限和强度极限的计算都是用力除以试件的原始横截面积,这仅仅适用于小变形的情况;而实际试件在达到强度极限时变形较大,用此公式计算将有误差。所以应该给学生指出,这是名义应力而非实际应力。

课本上对于泊松比的概念介绍往往不够详细,因为对于工程中的各个专业,其面对的材料大部分都是金属。而实际上,近代的材料科学发展迅速,除了传统的硬物质之外,尚还有大量的性能特殊的“软物质 (soft matter)”。工程中的金属等材料的泊松比一般取正值,课本上也很少提到泊松比为负值的情况。对于软物质,或者其它的材料,在拉伸过程中体积会发生变化,从而呈现出“负泊松比”的现象。例如对于学术界新发现的碳纳米管类“负泊松比材料”,在拉伸过程中出现体积膨胀的反常现象。这些例子当然会引起学生的极大兴趣,同时也会意识到科学的发展一日千里,我们要以严谨的态度来面对整个世界。

除了讲述具体的力学知识外,还可以讲到力学的方法、思路,讲述力学与其它学科的交叉。例如力学与地质的交叉形成了地质力学,与生物的交叉形成了生物力学,与纳米的交叉形成了纳米力学。而今后力学可能与经济、社会、历史、考古等领域进军,正如中科院院士白以龙教授所提倡的“要开拓力学的新边境”,从而给学生学习力学以精神上的鼓舞。

四、结束语
本文提出了在工程力学授课时适当补充力学史知识的见解,并在实践检验中初步获得了成功,大大激发了学生学习本课程的主动性和兴趣。本文首先评述了中外力学史的研究以及相应的书籍,这些书籍给我们讲课将提供丰富的素材。然后详细讲了一些具体的力学史,以便于在讲课过程中的适当章节进行穿插。最后文中还提到了力学的最新进展的一些例子,可以让学生接触到科学研究的最前沿领域。

尽管上述方法在一定范围内取得了成效,但是要做到尽善完美,还需要一个长期探索的过程。这需要老师必须坚持不懈地从事科学研究,不能固步自封,墨守陈规。同时还要注意老师与学生的互相交流、教学相长。

参考文献:

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[2] Young T. An essay on the cohesion of fluids. Phil Trans Roy Soc London, 1805, 95:65-87.

[3] 武际可. 力学史 [M]. 重庆: 重庆出版社, 2000

[4] 侯密山, 胡玉林. 工程力学(II) [M]. 东营: 中国石油大学出版社, 2006

[5] 黄海燕, 沈超明, 汪雅棋. 基础力学实验教学改革的实践与探索. 实验技术与管理 [J], 2008,25(1):119-122

来源:刘建林科学网博客,作者:刘建林 中国石油大学(华东)工程力学系。

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