由R.C.Hibbeler的兩本理論力學教材引發(fā)的思考

紀冬梅

摘要：本文簡要介紹R.C.Hibbeler的兩本理論力學教材《Engineering Mechanics-statics》與《Engineering Mechanics-dynamics》的具體內容和特點，并結合國內教材的特點，認為國內《理論力學》教材和教學方式應以實際問題為導向，鍛煉學生將實際問題簡化為物理模型的能力，切實提高學生實際分析問題的能力。

關鍵詞：理論力學；美國；教材

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

《理論力學》是我國理工科院校的力學、土木、機械、航空航天、船舶等專業(yè)的專業(yè)基礎課，是材料力學、機械原理、機械振動、流體力學和多剛體動力學等課程的基礎。

就《理論力學》教材而言，早期國內的大部分教材受前蘇聯(lián)教材的影響較大，力學前輩翻譯了眾多前蘇聯(lián)的教材，這些譯著對當時國內理工科理論力學教學體系的形成起了重要示范作用。近年來，在我國理論力學教材建設中，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》的主要內容及特點，及由此引發(fā)的幾點關于國內《理論力學》教材和教學方法的思考。

一、Hibbeler的《工程力學》的主要內容

目前美國《工程力學》的內容如圖1所示，分為靜力學與動力力學。包括質點靜力學、剛體靜力學、質點的運動學、質點的動力學、質點系動力學、剛體運動學和剛體動力學等7個部分。

Hibbeler的《工程力學》目前最新版本為14版，《Statics》[1]共11章，主要內容包括：基本原理（基本概念、單位、牛頓三大定理及數(shù)值計算方法），力矢量、質點平衡、力系合成、剛體平衡、結構分析、內力、摩擦、重心與質心、慣性矩、虛功等，還包括結構的內力分析、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的教材內容。在敘述力系時，遵循先二維再到三維的原則。

《dynamics》[1]共10章，包括運動學和動力學，主要內容為：質點的運動學、質點運動學：力與加速度、質點動力學：功與能、質點動力學：沖量與動量、剛體平面運動學、剛體平面動力學：力與加速度、剛體平面動力學：功與能、剛體平面動力學：沖量與動量、剛體的空間運動學、剛體的空間動力學。

二、Hibbeler的《工程力學》的特點

1.注重工程實際的應用，不追求理論的嚴格性與完整性。[1]基本概念、基本原理的敘述簡明、準確、便于掌握，在理論體系上不過分追求完整。強調理論的應用，每個內容都配有大量的例題和習題，而且很多來自實際問題。通過解決大量與實物完全一致的習題，有利于學生應用理論解決實際問題能力的培養(yǎng)。

2.少講多練，注意通過習題培養(yǎng)學生分析問題的能力。Hibbeler的《工程力學》非常重視“計算簡圖（free-body diagram）”，認為畫“計算簡圖”的過程就是將實際問題抽象為物理模型的過程?？v覽整套教材，“計算簡圖”與實物對照，表示其抽象化過程貫穿于教材始終，并在圖形設計上也精雕細刻，印刷和編排都相當考究。

3.注重數(shù)值計算方法與力學的結合。在動力學部分，當質點所受的力不能采用某一函數(shù)，以解析形式表示，而是由實驗測得的曲線或數(shù)字表格繪出時，美國的工程力學注重如何將運動微分方程變?yōu)椴罘址匠?，用?shù)值法求近似解。如此求解過程有利于擴展學生的思路，使理論更好地與工程實際問題結合，同時也便于應用計算機求解，因而提高了應用數(shù)學工具的能力。

三、關于國內《理論力學》教材與教學方式的幾點思考

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)學生的學習興趣，以達到培養(yǎng)學生解決實際問題的能力？

自上世紀60年代開始，中國著名的專家如季文美、王鐸、呂茂烈、黃克累、羅遠祥、郝桐生、陳維新、費學博等，寫出了許多好的理論力學教材和習題集，還有許多教師在各自學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”等教學原則，在普通物理力學的基礎上，運動高等數(shù)學工具系統(tǒng)闡述宏觀機械運動所遵循的普遍規(guī)律，系統(tǒng)地闡述經典力學的基本理論。但是，一味強調基本理論、基本知識，追求理論的完整性，使得《理論力學》教材失去了教材本身力求達到的解決實際問題的目的。再兼以課堂教學學時少，內容多，會引導學生產生學習理論力學就是為了解題而解題、與工程實際關聯(lián)性不大、純粹紙上談兵的想法。甚至于有學生產生這樣的疑問：為什么要學習理論力學，對將來找工作有幫助嗎？

這給《理論力學》的教材和教學方式都提出了一個很好的問題，回答這個問題的方式是唯一的，即使得教材與課堂學習均與實際工程問題密切相關。教材要從解決工程實際問題出發(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，為了掌握這些內容，輔以一些簡化后的習題來表述。課堂教學同樣以與專業(yè)相關的實際問題激發(fā)學生的探知欲，在解決問題的過程中潛移默化地讓學生了解并掌握相關的基本理論與知識。

2.將“實際問題”簡化為“習題”是否有助于學生掌握和解決實際問題？

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

在忽略培養(yǎng)學生將實際問題簡化為物理模型能力的同時，國內教材和教學方式注重訓練學生掌握基本概念、熟練解題思路和方法。但是這種訓練過于強化后，學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生周培源力學競賽的學生身上有所體現(xiàn)，主要表現(xiàn)為多名理論力學學期末考試取得優(yōu)秀成績的學生，在力學競賽中的成績非常不盡人意，而力學競賽的內容均為實際問題，而非習題。

四、結論

本文簡要敘述了美國工程力學的兩部代表性教材，區(qū)別于國內理論力學強調理論的完整性及大量已經簡化過的習題導向，Hibbele的《工程力學》更注重理論的應用性以及培養(yǎng)學生將實際問題簡化為物理模型的能力，其中大量習題均來自于工程實際，同時將各種數(shù)值計算方法與工程實際問題的求解結合起來，既便于計算機求解，也提高了學生掌握各種數(shù)值計算方法的能力。

國內理論力學教材注重理論的完整性，注重“三基”的掌握，教學方式注重訓練學生掌握基本概念、熟練解題思路和方法，失去了《理論力學》課程力求達到的培養(yǎng)學生解決實際問題能力的目的?！独碚摿W》教材和教學方式都需要在“實際問題導向”和“基本理論和基本知識”兩方面展開詳細的思考，在“習題”與“實際問題”上進行適當?shù)男拚?/p>

參考文獻：

[1]陳立群.兩部理論力學翻譯教材[J].力學與實踐，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.美國工程力學教材演變分析[J].甘肅廣播電視大學學報，2013，23（1）：71-73.