紀(jì)冬梅

摘要：本文簡要介紹R.C.Hibbeler的兩本理論力學(xué)教材《Engineering Mechanics-statics》與《Engineering Mechanics-dynamics》的具體內(nèi)容和特點(diǎn)，并結(jié)合國內(nèi)教材的特點(diǎn)，認(rèn)為國內(nèi)《理論力學(xué)》教材和教學(xué)方式應(yīng)以實(shí)際問題為導(dǎo)向，鍛煉學(xué)生將實(shí)際問題簡化為物理模型的能力，切實(shí)提高學(xué)生實(shí)際分析問題的能力。

關(guān)鍵詞：理論力學(xué)；美國；教材

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）05-0100-02

《理論力學(xué)》是我國理工科院校的力學(xué)、土木、機(jī)械、航空航天、船舶等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是材料力學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械振動(dòng)、流體力學(xué)和多剛體動(dòng)力學(xué)等課程的基礎(chǔ)。

就《理論力學(xué)》教材而言，早期國內(nèi)的大部分教材受前蘇聯(lián)教材的影響較大，力學(xué)前輩翻譯了眾多前蘇聯(lián)的教材，這些譯著對當(dāng)時(shí)國內(nèi)理工科理論力學(xué)教學(xué)體系的形成起了重要示范作用。近年來，在我國理論力學(xué)教材建設(shè)中，俄文教材的影響日益式微。[1]本文介紹Hibbeler的《Engineering Mechanics-statics》與《Engineering Mechanics-dynamics》的主要內(nèi)容及特點(diǎn)，及由此引發(fā)的幾點(diǎn)關(guān)于國內(nèi)《理論力學(xué)》教材和教學(xué)方法的思考。

一、Hibbeler的《工程力學(xué)》的主要內(nèi)容

目前美國《工程力學(xué)》的內(nèi)容如圖1所示，分為靜力學(xué)與動(dòng)力力學(xué)。包括質(zhì)點(diǎn)靜力學(xué)、剛體靜力學(xué)、質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力學(xué)、質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)力學(xué)、剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)和剛體動(dòng)力學(xué)等7個(gè)部分。

Hibbeler的《工程力學(xué)》目前最新版本為14版，《Statics》[1]共11章，主要內(nèi)容包括：基本原理（基本概念、單位、牛頓三大定理及數(shù)值計(jì)算方法），力矢量、質(zhì)點(diǎn)平衡、力系合成、剛體平衡、結(jié)構(gòu)分析、內(nèi)力、摩擦、重心與質(zhì)心、慣性矩、虛功等，還包括結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析、剪力和彎矩方程及剪力和彎矩圖等在我們教材中屬于材料力學(xué)的教材內(nèi)容。在敘述力系時(shí)，遵循先二維再到三維的原則。

《dynamics》[1]共10章，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，主要內(nèi)容為：質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)：力與加速度、質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)：功與能、質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)：沖量與動(dòng)量、剛體平面運(yùn)動(dòng)學(xué)、剛體平面動(dòng)力學(xué)：力與加速度、剛體平面動(dòng)力學(xué)：功與能、剛體平面動(dòng)力學(xué)：沖量與動(dòng)量、剛體的空間運(yùn)動(dòng)學(xué)、剛體的空間動(dòng)力學(xué)。

二、Hibbeler的《工程力學(xué)》的特點(diǎn)

1.注重工程實(shí)際的應(yīng)用，不追求理論的嚴(yán)格性與完整性。[1]基本概念、基本原理的敘述簡明、準(zhǔn)確、便于掌握，在理論體系上不過分追求完整。強(qiáng)調(diào)理論的應(yīng)用，每個(gè)內(nèi)容都配有大量的例題和習(xí)題，而且很多來自實(shí)際問題。通過解決大量與實(shí)物完全一致的習(xí)題，有利于學(xué)生應(yīng)用理論解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。

2.少講多練，注意通過習(xí)題培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。Hibbeler的《工程力學(xué)》非常重視“計(jì)算簡圖（free-body diagram）”，認(rèn)為畫“計(jì)算簡圖”的過程就是將實(shí)際問題抽象為物理模型的過程。縱覽整套教材，“計(jì)算簡圖”與實(shí)物對照，表示其抽象化過程貫穿于教材始終，并在圖形設(shè)計(jì)上也精雕細(xì)刻，印刷和編排都相當(dāng)考究。

3.注重?cái)?shù)值計(jì)算方法與力學(xué)的結(jié)合。在動(dòng)力學(xué)部分，當(dāng)質(zhì)點(diǎn)所受的力不能采用某一函數(shù)，以解析形式表示，而是由實(shí)驗(yàn)測得的曲線或數(shù)字表格繪出時(shí)，美國的工程力學(xué)注重如何將運(yùn)動(dòng)微分方程變?yōu)椴罘址匠?，用?shù)值法求近似解。如此求解過程有利于擴(kuò)展學(xué)生的思路，使理論更好地與工程實(shí)際問題結(jié)合，同時(shí)也便于應(yīng)用計(jì)算機(jī)求解，因而提高了應(yīng)用數(shù)學(xué)工具的能力。

三、關(guān)于國內(nèi)《理論力學(xué)》教材與教學(xué)方式的幾點(diǎn)思考

1.注重理論的完整性，注重“三基（基本理論、基本知識、基本技能）”的掌握，是否有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力？

自上世紀(jì)60年代開始，中國著名的專家如季文美、王鐸、呂茂烈、黃克累、羅遠(yuǎn)祥、郝桐生、陳維新、費(fèi)學(xué)博等，寫出了許多好的理論力學(xué)教材和習(xí)題集，還有許多教師在各自學(xué)校編寫了不少有特色的講義。這些教材遵循“少而精”、“精講多練”、“三基”等教學(xué)原則，在普通物理力學(xué)的基礎(chǔ)上，運(yùn)動(dòng)高等數(shù)學(xué)工具系統(tǒng)闡述宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)所遵循的普遍規(guī)律，系統(tǒng)地闡述經(jīng)典力學(xué)的基本理論。但是，一味強(qiáng)調(diào)基本理論、基本知識，追求理論的完整性，使得《理論力學(xué)》教材失去了教材本身力求達(dá)到的解決實(shí)際問題的目的。再兼以課堂教學(xué)學(xué)時(shí)少，內(nèi)容多，會(huì)引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)理論力學(xué)就是為了解題而解題、與工程實(shí)際關(guān)聯(lián)性不大、純粹紙上談兵的想法。甚至于有學(xué)生產(chǎn)生這樣的疑問：為什么要學(xué)習(xí)理論力學(xué)，對將來找工作有幫助嗎？

這給《理論力學(xué)》的教材和教學(xué)方式都提出了一個(gè)很好的問題，回答這個(gè)問題的方式是唯一的，即使得教材與課堂學(xué)習(xí)均與實(shí)際工程問題密切相關(guān)。教材要從解決工程實(shí)際問題出發(fā)，以解決問題涉及到哪些基本理論和基本知識為途徑來闡述，而非以基本理論、基本知識為出發(fā)點(diǎn)，為了掌握這些內(nèi)容，輔以一些簡化后的習(xí)題來表述。課堂教學(xué)同樣以與專業(yè)相關(guān)的實(shí)際問題激發(fā)學(xué)生的探知欲，在解決問題的過程中潛移默化地讓學(xué)生了解并掌握相關(guān)的基本理論與知識。

2.將“實(shí)際問題”簡化為“習(xí)題”是否有助于學(xué)生掌握和解決實(shí)際問題？

對比于Hibbeler的《工程力學(xué)》教材，國內(nèi)理論力學(xué)教材中“實(shí)際問題”都已經(jīng)簡化為“習(xí)題”，對于要分析的實(shí)際物體的周圍物體（約束），不需要學(xué)生思考如何將其簡化為某種類型的約束，習(xí)題中都已經(jīng)簡化處理過，且習(xí)題中未知數(shù)個(gè)數(shù)與方程個(gè)數(shù)完全相同，只要按照解題思路去建立方程組，總能得到習(xí)題的答案。至于實(shí)際物體周圍的物體是什么，學(xué)生通常不知道，事實(shí)上，這并不利于學(xué)生理解所要分析的實(shí)際物體。

在忽略培養(yǎng)學(xué)生將實(shí)際問題簡化為物理模型能力的同時(shí)，國內(nèi)教材和教學(xué)方式注重訓(xùn)練學(xué)生掌握基本概念、熟練解題思路和方法。但是這種訓(xùn)練過于強(qiáng)化后，學(xué)生容易變成做題的高手，但是仍不善于分析、解決問題。這一現(xiàn)象在我校參加全國大學(xué)生周培源力學(xué)競賽的學(xué)生身上有所體現(xiàn)，主要表現(xiàn)為多名理論力學(xué)學(xué)期末考試取得優(yōu)秀成績的學(xué)生，在力學(xué)競賽中的成績非常不盡人意，而力學(xué)競賽的內(nèi)容均為實(shí)際問題，而非習(xí)題。

四、結(jié)論

本文簡要敘述了美國工程力學(xué)的兩部代表性教材，區(qū)別于國內(nèi)理論力學(xué)強(qiáng)調(diào)理論的完整性及大量已經(jīng)簡化過的習(xí)題導(dǎo)向，Hibbele的《工程力學(xué)》更注重理論的應(yīng)用性以及培養(yǎng)學(xué)生將實(shí)際問題簡化為物理模型的能力，其中大量習(xí)題均來自于工程實(shí)際，同時(shí)將各種數(shù)值計(jì)算方法與工程實(shí)際問題的求解結(jié)合起來，既便于計(jì)算機(jī)求解，也提高了學(xué)生掌握各種數(shù)值計(jì)算方法的能力。

國內(nèi)理論力學(xué)教材注重理論的完整性，注重“三基”的掌握，教學(xué)方式注重訓(xùn)練學(xué)生掌握基本概念、熟練解題思路和方法，失去了《理論力學(xué)》課程力求達(dá)到的培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題能力的目的?！独碚摿W(xué)》教材和教學(xué)方式都需要在“實(shí)際問題導(dǎo)向”和“基本理論和基本知識”兩方面展開詳細(xì)的思考，在“習(xí)題”與“實(shí)際問題”上進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]陳立群.兩部理論力學(xué)翻譯教材[J].力學(xué)與實(shí)踐，2009，31（3）：74-76.

[2]Russell C.Hibbeler.Engineering Mechanics：Statics[M].London：Pearson，2015.

[3]Russell C.Hibbeler.Engineering Mechanics：Dynamics[M].London：Pearson，2015.

[4]楊麗君.美國工程力學(xué)教材演變分析[J].甘肅廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，23（1）：71-73.