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由 R.C.Hibbeler 的两本理论力学教材引发的思考 作者：纪冬梅 来源：教育教学论坛 2017 年第 5 期 摘要：本文简要介绍 R.C.Hibbeler 的两本理论力学教材Engineering Mechanics-statics与Engineering Mechanics-dynamics的具体内容和特点，并结合国内教材的特点，认为国内理论力学教材和教学方式应以实际问题为导向，锻炼学生将实际问题简化为物理模型的能力，切实提高学生实际分析问题的能力。关键词：理论力学；美国；教材 中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）05-0100-02 理论力学是我国理工科院校的力学、土木、机械、航空航天、船舶等专业的专业基础课，是材料力学、机械原理、机械振动、流体力学和多刚体动力学等课程的基础。就理论力学教材而言，早期国内的大部分教材受前苏联教材的影响较大，力学前辈翻译了众多前苏联的教材，这些译著对当时国内理工科理论力学教学体系的形成起了重要示范作用。近年来，在我国理论力学教材建设中，俄文教材的影响日益式微。1本文介绍 Hibbeler的Engineering Mechanics-statics与EngineeringMechanics-dynamics的主要内容及特点，及由此引发的几点关于国内理论力学教材和教学方法的思考。一、Hibbeler 的工程力学的主要内容 目前美国工程力学的内容如图 1 所示，分为静力学与动力力学。包括质点静力学、刚体静力学、质点的运动学、质点的动力学、质点系动力学、刚体运动学和刚体动力学等 7 个部分。Hibbeler 的工程力学目前最新版本为 14 版，Statics1共 11 章，主要内容包括：基本原理（基本概念、单位、牛顿三大定理及数值计算方法），力矢量、质点平衡、力系合成、刚体平衡、结构分析、内力、摩擦、重心与质心、惯性矩、虚功等，还包括结构的内力分析、剪力和弯矩方程及剪力和弯矩图等在我们教材中属于材料力学的教材内容。在叙述力系时，遵循先二维再到三维的原则。dynamics1共 10 章，包括运动学和动力学，主要内容为：质点的运动学、质点运动学：力与加速度、质点动力学：功与能、质点动力学：冲量与动量、刚体平面运动学、刚体平面动力学：力与加速度、刚体平面动力学：功与能、刚体平面动力学：冲量与动量、刚体的空间运动学、刚体的空间动力学。二、Hibbeler 的工程力学的特点 1.注重工程实际的应用，不追求理论的严格性与完整性。1基本概念、基本原理的叙述简明、准确、便于掌握，在理论体系上不过分追求完整。强调理论的应用，每个内容都配有大量的例题和习题，而且很多来自实际问题。通过解决大量与实物完全一致的习题，有利于学生应用理论解决实际问题能力的培养。2.少讲多练，注意通过习题培养学生分析问题的能力。Hibbeler 的工程力学非常重视“计算简图（free-body diagram）”，认为画“计算简图”的过程就是将实际问题抽象为物理模型的过程。纵览整套教材，“计算简图”与实物对照，表示其抽象化过程贯穿于教材始终，并在图形设计上也精雕细刻，印刷和编排都相当考究。3.注重数值计算方法与力学的结合。在动力学部分，当质点所受的力不能采用某一函数，以解析形式表示，而是由实验测得的曲线或数字表格绘出时，美国的工程力学注重如何将运动微分方程变为差分方程，用数值法求近似解。如此求解过程有利于扩展学生的思路，使理论更好地与工程实际问题结合，同时也便于应用计算机求解，因而提高了应用数学工具的能力。三、关于国内理论力学教材与教学方式的几点思考 1.注重理论的完整性，注重“三基（基本理论、基本知识、基本技能）”的掌握，是否有利于激发学生的学习兴趣，以达到培养学生解决实际问题的能力？自上世纪 60 年代开始，中国著名的专家如季文美、王铎、吕茂烈、黄克累、罗远祥、郝桐生、陈维新、费学博等，写出了许多好的理论力学教材和习题集，还有许多教师在各自学校编写了不少有特色的讲义。这些教材遵循“少而精”、“精讲多练”、“三基”等教学原则，在普通物理力学的基础上，运动高等数学工具系统阐述宏观机械运动所遵循的普遍规律，系统地阐述经典力学的基本理论。但是，一味强调基本理论、基本知识，追求理论的完整性，使得理论力学教材失去了教材本身力求达到的解决实际问题的目的。再兼以课堂教学学时少，内容多，会引导学生产生学习理论力学就是为了解题而解题、与工程实际关联性不大、纯粹纸上谈兵的想法。甚至于有学生产生这样的疑问：为什么要学习理论力学，对将来找工作有帮助吗？这给理论力学的教材和教学方式都提出了一个很好的问题，回答这个问题的方式是唯一的，即使得教材与课堂学习均与实际工程问题密切相关。教材要从解决工程实际问题出发，以解决问题涉及到哪些基本理论和基本知识为途径来阐述，而非以基本理论、基本知识为出发点，为了掌握这些内容，辅以一些简化后的习题来表述。课堂教学同样以与专业相关的实际问题激发学生的探知欲，在解决问题的过程中潜移默化地让学生了解并掌握相关的基本理论与知识。2.将“实际问题”简化为“习题”是否有助于学生掌握和解决实际问题？对比于 Hibbeler 的工程力学教材，国内理论力学教材中“实际问题”都已经简化为“习题”，对于要分析的实际物体的周围物体（约束），不需要学生思考如何将其简化为某种类型的约束，习题中都已经简化处理过，且习题中未知数个数与方程个数完全相同，只要按照解题思路去建立方程组，总能得到习题的答案。至于实际物体周围的物体是什么，学生通常不知道，事实上，这并不利于学生理解所要分析的实际物体。在忽略培养学生将实际问题简化为物理模型能力的同时，国内教材和教学方式注重训练学生掌握基本概念、熟练解题思路和方法。但是这种训练过于强化后，学生容易变成做题的高手，但是仍不善于分析、解决问题。这一现象在我校参加全国大学生周培源力学竞赛的学生身上有所体现，主要表现为多名理论力学学期末考试取得优秀成绩的学生，在力学竞赛中的成绩非常不尽人意，而力学竞赛的内容均为实际问题，而非习题。四、结论 本文简要叙述了美国工程力学的两部代表性教材，区别于国内理论力学强调理论的完整性及大量已经简化过的习题导向，Hibbele 的工程力学更注重理论的应用性以及培养学生将实际问题简化为物理模型的能力，其中大量习题均来自于工程实际，同时将各种数值计算方法与工程实际问题的求解结合起来，既便于计算机求解，也提高了学生掌握各种数值计算方法的能力。国内理论力学教材注重理论的完整性，注重“三基”的掌握，教学方式注重训练学生掌握基本概念、熟练解题思路和方法，失去了理论力学课程力求达到的培养学生解决实际问题能力的目的。理论力学教材和教学方式都需要在“实际问题导向”和“基本理论和基本知识”两方面展开详细的思考，在“习题”与“实际问题”上进行适当的修正。参考文献：1陈立群.两部理论力学翻译教材J.力学与实践,2009,31(3):74-76.2Russell C.Hibbeler.Engineering Mechanics:Statics M.London:Pearson,2015.3Russell C.Hibbeler.Engineering Mechanics:Dynamics M.London:Pearson,2015.4杨丽君.美国工程力学教材演变分析J.甘肃广播电视大学学报,2013,23(1):71-73.