对力学教育的若干思考

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　　近年来，我国高校的力学教师积极投身于力学教学改革，尤其在课程体系、教学内容、教学手段、知识与技能竞赛等方面进行了许多探索，取得了积极成效。与此同时，力学教师对于力学课程的学时不断压缩、众多学生的学习兴趣不浓等问题深感困惑。更加值得深思的是，工业界对近年来高校毕业生的英语水平和计算机技能给予了肯定，但对其力学等专业基础知识的掌握状况和应用能力评价不高，甚至还有不少严厉的批评。

　　力学属于技术科学或工程科学，力学教育是高等工程教育的重要组成部分。本文拟从建设创新型国家对高等工程教育的需求出发，以高等工程教育的培养目标和定位作为主要参照，讨论力学教育所涉及的若干问题。

　　建设创新型国家对高等工程教育的需求

　　新中国成立后，我国的高等工程教育方面自上世纪50年代起全盘学习苏联模式，以比较窄的专业化教育为主;上世纪80年代后又转向主要学习美国模式，在拓宽专业的基础上增加了部分通识教育。近年来，我国高等工程教育界正日益关注法国、德国的高等工程教育，借鉴其成功的经验。但从教育理念和教育实践层面看，我国尚未形成适应本国工业化发展需求的高等工程教育体系，开辟出一条自己的道路。据报道，我国工科毕业生数量大约是美国的4倍、德国的10倍，但我国工程师人均参与创造的产值却仅仅是美国、德国工程师的5~10%。这说明，我国的高等工程教育还存在突出的问题。

　　任何一个国家的高等工程教育必须瞄准该国工业化进程的当前和未来需求去定位、去改革、去发展。我国是一个发展中国家，目前的工业化水平还不高，特别是自主创新能力不强;而且大型骨干企业、中小型企业的发展水平参差不齐，对工程师的需求具有多种层次和类别。因此，我国高等工程教育体系应该是一个多层次、多类别的教育体系，需要根据各类企业的不同需求培养不同层次和类别的工程师。对于高等工程教育中起着基础性作用的力学教育，自然应该围绕不同的层次和类别的培养目标而进行设计，开展实践。

　　目前，老一辈力学教师普遍怀念上世纪50~60年代力学教育在高等工程教育中所处的显赫地位，而中青年力学教师则怀念上世纪80年代所接受的坚实的力学教育。然而，我们必须正视时代发生了巨大变化。与上世纪50~60年代相比，航空、航天、机械、动力、土木、水利等行业对工程师的要求发生了巨大变化。笔者曾参与中国航空工业第一集团公司科技委员会对航空科技人才需求所作的调研，获得若干资料。现以航空科技工业所涉及的飞行器结构设计人员为例作如下简要分析。

　　  · 一是人才类型的变化：当年，航空科技工业需要大量具有坚实力学基础的结构设计师、工程师从事结构强度设计、计算和校核。今天，这些工作仅需少量会使用NASTRAN、ANSYS进行结构强度计算的普通工程师就可以完成。

　　  · 二是知识结构的变化：当年，飞行器结构设计师需要掌握坚实的理论力学、材料力学、结构力学知识，熟练地使用计算尺、手摇计算机、设计手册。今天，飞行器结构设计师仅需要不多的理论力学、材料力学、结构力学知识，更多的需要有限元知识，能熟练地运用计算机及其软件。

　　上述现象似乎表明：当今航空科技工业所需要的结构设计师数量减少，知识结构趋于扁平，他们所需要的力学知识似乎远远不及英语、计算机技能重要。

　　然而，上述变化仅仅是表象。事实上，面对需要通过独立探索、自主创新研制的新一代飞机，总设计师、副总设计师、主任设计师则需要既宽又深的知识结构，需要坚实的力学知识，还需要对材料、制造、控制、隐身等技术的深刻理解。以研制新一代军机为例，结构设计师需要深入考虑发动机矢量推力、内埋武器弹舱开闭、飞机大机动飞行等复杂载荷条件下的结构强度、振动、声疲劳等力学问题。至于研制高超声速飞行器，结构设计师还需要深入考虑如何从结构设计角度对气动热进行防护、避免热颤振，甚至需要与材料工程师共同研制非烧蚀耐高温复合材料结构等。

　　在我国建设创新型国家，实现新型工业化的进程中，既需要大批以应用现有技术为主、研制开发产品的工程师来适应当前以集成创新、引进消化吸收再创新为主的工业发展模式，又需要一批以技术创新为主的研究工程师去适应未来以原始创新、集成创新为主的工业发展模式。企业期望前一类工程师要“上手快”，后一类工程师要“有后劲”。这样有着显著差异的人才需求，必然导致不同的培养目标和培养方式。对于多数大学而言，其主要任务是培养第一类工程师。对于研究型大学而言，则应把培养第二类工程师，即研究工程师作为其主要使命。我国高等工程教育应有面向不同需求的多类别、多层次目标。相应地，力学教育也应该有多类别、多层次的课程体系、教学内容、实践环节。

　　研究工程师培养与力学教育

　　本文从力学教育角度探讨航空、航天、机械、土木类的研究工程师培养，其主要观点也适合于培养以电磁场理论、电路理论、信号处理等其它技术科学分支为基础的研究工程师。

　　研究工程师知识结构既要宽、又要厚，特别应该具有宽厚的技术科学根基。以面向新型飞行器研制的工程师为例，其知识结构包括扎实的数学、物理、化学、力学理论基础，还包括对材料、制造、测试、控制、计算机等技术领域有深入的理解。其中，力学是结构设计师最主要的基础课和专业基础课，即技术科学根基，是其从理性角度解决结构设计问题的主要工具。迄今，著名飞行器设计师的成功无不得益于其宽厚的力学功底。然而，学好力学又不是一件容易的事，不仅需要有良好的数学、物理基础，还需要有充裕的学习时间。

　　目前，仿照美国高等工程教育模式设计的四年制本科教育，照顾了知识结构的宽度，但深度明显不够。如果要加大深度，则宽度又受影响。相比之下，法国、德国的高等工程教育模式值得我国借鉴。例如，法国的高等工程教育以其14所高等工科专业学院为主要代表，实施精英教育。这些学院多数隶属于国家各个工业部门，少数为私立，主要培养研究工程师，从事应用科学研究。高等工科专业学院的生源主要来自大学预科班的优秀生及普通大学理工科第二阶段的优秀生。这类学院的学制为3年，连同预科或大学第一阶段的2~3年，则学生的实际修学年限达到5~6年，毕业后获得工程师文凭，其水平相当于欧美国家的工学硕士。由于这类毕业生理论基础扎实，实际应用能力较强，颇受工业界欢迎，就业率高，薪金也高。

　　在我国研究型大学中，可以按照六年制、本硕连读的方式培养未来的研究型工程师。考虑到在我国高等工程教育中政治理论、英语、体育等课程所占用的学时数，这种培养方式与法国的五年制工程师教育水平基本相当。这种培养方式的基本特点如下：

　　  · 一是，以本硕连读来吸引、招收优秀高中毕业生;

　　  · 二是，将本科生和硕士生的培养计划打通，使学生提前学习硕士生阶段的英语、数学等课程，提高学习成效;

　　  · 三是，前2~3年可以按理科要求进行培养，保证理论基础宽厚;

　　  · 四是，中期适度分流，保证最终培养质量;

　　  · 五是，第四年进入指导导师的研究团队从事研究性学习，或安排到大型企业、研究所从事工程研究。它的主要的优点是：兼顾了研究工程师对知识结构既宽又厚的要求。需要解决的主要问题是：要有充裕的保送研究生指标，要有对部分学生中期分流的妥善办法。前者需要得到政府教育主管部门的支持，后者则需要学校进行合理的培养模式设计。

　　事实上，国内许多研究型大学已在本硕连读培养模式上开展了积极探索。例如，2004年，我曾在南京航空航天大学倡导并参与举办了六年制本硕连读的工程力学专业，后冠名为“钱伟长工程试验班”。目前，2004级、2005级学生已进入硕士生阶段的学习，指导教师反映很好。中期分流的学生则转入飞行器设计与工程专业学习，学生和家长也比较满意。

　　对于上述培养模式，力学教育已具有了相对比较充分的时间保障。在此前提下，如何设计和实践高质量的力学教育成为值得关注的问题。传统的观点是：在培养计划中大幅度增加力学课程的门数和每门课程的学时数，强化学生的理论基础。而改革的观点是：对培养计划中的数学、物理、力学、控制等课程进行整体优化，压缩课堂教学学时;增加富有挑战性的实践环节，培养学生的创新能力。

　　从技术科学的统一性看力学理论教学

　　20世纪以来，技术科学取得了迅猛发展，力学、光学、工程热物理、电磁场理论、电路理论、控制理论等逐步成为高等工程教育的主要基础课程。在力学框架下，又有理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、流体力学、振动力学、计算力学、实验力学等课程。在目前的高等工程教育中，多按照各学科自身的发展脉络，分别开设上述课程，导致不少内容相互重复。例如，振动力学的单自由度系统振动理论在理论力学、材料力学中均有所涉及，多自由度系统固有振动的特征值计算、振动响应的数值积分方法在计算力学中也有所涉及，而系统脉冲响应、频率响应等与控制理论、电路理论中的内容相似。这固然有学科划分和学科传统的问题，但更多则是对学科的认识和教学管理的问题。

　　随着技术科学的发展，各个学科之间的相互渗透和交叉日益广泛和深入。人们也越来越清晰地认识到，技术科学的理论体系具有统一性，其整体与部分、部分与部分之间具有高度的和谐和深刻的内在联系，形成了一个统一的整体。

　　例如：描述离散机械振动系统、晶体管振荡电路的数学模型都是一类二阶常微分方程，而描述弹性波、声波、电磁波的数学模型都是一类双曲型二阶偏微分方程。钟万勰先生则发现，在状态空间描述下，结构力学与现代控制理论之间具有相似性。这些均表明，不同技术学科的基本理论之间具有和谐性，整个技术科学则具有相当统一的理论框架。一旦在研究某一工程科学分支上有所突破，往往会带动整个工程科学的发展。

　　又如，实践中的工程系统往往被简化为线性系统，其数学模型是某种线性算子方程。例如，结构静力学问题由线性代数方程描述、结构动力学问题可以由线性常微分方程、线性偏微分方程或线性积分方程描述，具有测控时滞的结构动力学问题则需要用线性泛函方程描述。建立在叠加原理基础上的线性系统理论具有令人陶醉的统一性。对于线性系统的动力学响应，不论系统多么复杂，维数有多高，矩阵记号下的Duhamel积分保持不变，模态坐标下的系统运动微分方程与单自由度系统的运动微分方程相同。

　　笔者建议：从技术科学统一性的高度来看待力学课程体系和教学内容的设置与改革，对多门相互关联的课程进行整合优化。例如，可以为航空、航天、机械、结构类的学生开设“系统动力学与控制”课程，将理论力学、振动力学、控制理论、电子线路等多门课程的内容进行整合，按照系统建模、系统分析、系统设计、系统控制等几个大版块组织教学。当然，这类改革属于高等工程教育的课程体系改革。在改革中，需要认真分析整合后的课程与其前后课程之间的关系，谋求全局优化。

　　从实践与创新的统一性看力学实践教学

　　过去，在力学教育中设置大作业、实验等实践环节主要是为了巩固所学习的知识。在培养以技术创新为使命的研究工程师时，实践环节不仅应该起到巩固知识的作用，还应该起到培育创新能力的作用。事实上，知识的应用与创新是高度相互关联的，实践是技术创新的必由之路。高水平实践环节的设计，既要为了培养学生应用知识的能力，更要为了培养学生创新能力。

　　例如，目前的力学教育通常以课程考试作为结束，仅仅督促学生复习所学知识，起不到培养创新能力的作用。笔者建议：对于研究工程师的力学教育应该以大作业、实验设计等实践性环节作为主要考核方式，不仅要求学生复习所学知识，而且要求学生主动运用知识，在运用中尝试创新。

　　又如，工科专业的毕业设计是教学计划中的最后一个环节。由于我国的工程设计尚处于工业化初期水平，所谓工程设计多是仿制产品的再设计，其设计过程就是查手册、查标准、套公式、绘图纸。新图纸有原来的设备/结构为样板，具有仿制阶段的主要特征。目前，在航空、航天、机械、结构类专业学生的毕业设计中，大多不涉及力学建模、分析、计算和设计，这就无法培养学生主动运用力学知识去进行技术创新。从技术创新的要求看，工程设计的核心应该是创新设计，而不是仿制再设计。笔者建议：将工程设计作为一个高于理论与实践的创新环节，在选题上给学生提供机会，使其主动地运用所学的力学知识去思考，去创新。在这样的认识下，力学教育将贯穿于高等工程教育的全过程，并将提高研究工程师的技术创新能力。

　　再如，课外科技制作是学生增加实践、提高创新能力的重要途径。例如，北京理工大学力学系组织全校学生进行结构设计大赛，要求参赛者基于价格低廉的桐木和乳胶来设计与制作承受运动载荷的不对称双跨桥梁结构模型，自行建立力学模型，进行分析、计算和试验，提交结构设计计算报告。该竞赛吸引了全校数百名学生参加，使参赛者综合运用力学知识的水平、创新能力有显著提高。笔者建议：对于这类便于普及又富有成效的课外科技制作活动，可纳入教学计划。

　　值得指出的是，大学无法孤立地、直接地培养工程师。即使是按照六年制、本硕连读方式培养的学生，也仅是未来的研究型工程师，或称作研究工程师的毛坯，还需要经过长期的工程实践锻炼方能成才。笔者建议：大学要从培养高质量工程师毛坯的需求出发，加强校企合作，从企业工程师中招聘教授，改变从书本到书本的传统教学模式;企业应积极地为学生提供长期的实践机会，重视工程师的继续教育，使一部分优秀工程师通过学习、实践和创新成长为教授。

　　结束语

　　综上所述，针对我国实现新型工业化进程中的需求，我国高等工程教育应是一个多层次、多类别的教育体系，力学教育也必然是多层次、多类别的。我国的研究型大学应将力学教育置于培养研究工程师的过程中予以审视，将其与其它技术科学课程一同进行整体优化，为未来的研究工程师提供优质的技术科学(包括力学)教育和具有创新色彩的实践环节，使他们今后肩负起技术创新的使命。

　　参考文献：
　　1. 胡海岩, 论工程科学中的美学教育 [J], 南京航空航天大学学报 (社会科学版), 1999; 2: 71-74.
　　2. 黄再兴, 胡海岩, 国内外大学工科专业力学课程设置情况对比 [J]，力学与实践, 2003; 25(1): 72-73.
　　3. 赵宇新、章建石, 法国高等工程教育改革趋势, 科学时报, 2007; 07.17.
　　4. 李燕凌, 转变教育思想教育观念培养跨世纪高等工程人才 [J], 成都气象学院学报, 1997; 3: 79-85.

　　来源：戴世强科学网博客，作者：胡海岩。