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从历史上看科学技术教学中的力学

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Multibody 发表于 2010-12-1 20:52:56 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
从历史上看科学技术教学中的力学
(摘自北京大学武际可教授博客)

??名人谈力学的重要性
? ?? ???美国印第安那大学的牛顿学专家(历史系,科学史/科学哲学系教授)R.S.Westall在他所着的《近代科学的建构》一书的开始说:“两个主题统治着17世纪的科学革命――柏拉图、毕达哥拉斯的传统和机械论哲学。柏拉图和毕达哥拉斯的传统以几何关系来看待自然界,确信宇宙是按照数学秩序原理建构的;机械论哲学则确信自然是一架巨大的机器并寻求解释现象后面隐藏着的机制。”
? ?? ? 在俄罗斯莫斯科大学力学数学系的介绍中有以下一句话:“数学永远是精密自然科学的基础,而与之同时力学是所有技术科学的基础和认识自然规律的基本工具。”
? ?? ? 德国物理学家亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz1821-1894)说:“一切自然科学的最后目的,是把自己变成力学。”,“只要把自然现象归结为简单的力这件事完成了,并证明了自然现象只能这样来归结,那么科学的任务将就此终结了。”

? ?? ? 俄罗斯力学界茹可夫斯基(1847-1921)说:“力学发展的一条道路是从伽利略开始,继之者是牛顿、拉格朗日、雅科比;另一条路也是从伽利略开始,继之者为惠更斯、班琐(Louis Poinsot,1777-1859)(班琐先后是法国综合工科学校学生、教师、管理人员,力偶是他最早引进的)。我现在更赞成后一条道路因为它更符合力学的本质。”
? ?? ? 我国着名力学家周培源说:“力学是关于物质宏观运动规律的科学。”
? ?? ? 我国着名力学家谈镐生说:“数、理、化、天、地、生中的五大科学可以统一归纳为“物理科学”。力学当然就是物理科学的共同基础。而数学则是物理科学和所有科学的共同工具。”
? ?? ? 我国着名力学家钱伟长说:“力学既是应用性很强的技术科学,更是一个深藏玄机的基础科学,我们对当时一些人鼓吹的“力学是纯粹的工类学科”的错误观点嗤之以鼻,予以严正批驳。”
? ?? ? 我们引这许多名人关于力学的说法,无非是想说明:力学既是技术科学也是基础科学。事实上力学在培养人才中无论是理科还是工科都是最重要的基础课。如果力学学不好,后续的课程绝对没有办法学好。

? ?? ???力学教学体系的形成
? ?? ???说到现今力学教学的教材体系,我们应当追溯到法国巴黎综合工科学校。它不仅开创和形成了现代力学的教学体系,而且由于力学的基础性,也是近代世界大学教育的楷模。后来世界各国的大学大都是照抄它的教学模式建立的。
? ?? ???1789年法国大革命后,为适应在进行的战争迫切地需要工程师做筑堡垒、修道路、建桥梁以及有关枪炮方面的工作, 1795年正式成立了巴黎综合工科学校。这所学校的成立是在世界范围内理工科高等教育发展史上的大事。实际上也可以说是真正现代理工科高等教育的开始。法国数学家蒙日是这所学校的第一任校长.
? ?? ? 综合工科学校与以往的学校最大的不同是成批地、分年级地组织教学。所以必须由学校组织集中授课。而以往学校则基本上还是师徒之间的个别传授。由于这所学校开创了对学生集体授课的教学方式,于是就必须有相应的教材。
? ?? ? 如果说,在对大批学生集中授课才是现代意义上的教材产生的社会条件,那末,巴黎综合工科学校所组织的新型的集中授课,就是近代教材的开始。学校组织出版了一批影响很大的教科书。如泊松着的《力学教程》、普朗尼着的《力学分析讲义》、纳维写的《力学在结构和机械方面的应用》(后来经过圣维南对该书的第三版修订补充使篇幅增加了九倍),等。
? ?? ? 其次,这个学校规定学生在进入学习各个具体工程部门之前,都必须学好数学、力学、物理、化学等课程。开始有了基础课与专业课的区分。它要求学生在头二年里学习基础课,在第三年才开始讲专业课。后来干脆取消了专业课的教学,这所学校变为一所只教授基础课的基础培训学校。学生在这里上二年基础课,然后被分入其他工程学校如桥梁道路学院、矿业学院、军事学院等。
? ?? ? 把基础课与专业课分开来,相应地就需要有基础课的教材,在教材上基础课与专业课也开始分家了。
? ?? ? 把基础课和专业课分开来,是教育思想上的巨大进步。后来法国出现了一大批数学和力学的巨人(如柯西、泊松、纳维等、就是该校第一班的学生)。整个弹性力学和流体力学基础的奠定,可以说主要是在法国学者的推动下完成的。就是这种教育思想重大成功的实证。
? ?? ? 这所学校的教学组织对世界上其他国家的教学影响很大,后来其他国家的工业高等学校大都仿照这所学校建立。如维也纳工学院、苏黎世工学院、俄国与美国的某些工业院校,都是按照它的模式建立的,有的则完全按照它的教学大纲教学。
? ?? ? 由于这所学校的成功,出了不少名人。第一期入学400名有11名成为院士。弹性力学、流体力学的建立是与这所学校有关的。着名力学家拉格朗日、哥西、圣维南、泊松等都出自这个学校。
? ?? ? 理论力学作为一门基础课的教学已经有很长的历史了。理论力学教材的历史也应当追溯到巴黎综合工科学校。
? ?? ? 1811年出版的泊松(S.D.Poisson,1781-1840)的《力学教材》( Traité de mécanique)是作为巴黎综合工科学校的教材出版的,它最早奠定了理论力学教材的取材框架。这本教材包含了静力学、质点动力学、质点组动力学、流体力学等四部分。后来法国的理论力学教材的各种版本基本上就是在这本教材内容的基础上改写和扩充而成的。
? ?? ? 沿着法国的教学体系发展,到20世纪初,法国力学家阿佩尔(Paul Appell,1855-1930)的《理论力学》(Traité de mécanique Rationnelle)成为在20世纪有重要影响的教材。这本书在1911年被译为俄文,后来1932年出版的苏联学者普赫哥尔茨(Н.Н.Бухгольц,)着的《理论力学基本教程》大致就是按照阿佩尔的体系写成的。
? ?? ? 实际上,从18世纪开始,由于有关理论力学的新研究成果的不断出现,理论力学的教材内容就不断扩展。到20世纪初,理论力学的教材内容已经发展到非常庞杂的地步。概略说来,它包括运动学、静力学、质点动力学、质点组动力学、刚体动力学、分析力学、打击与碰撞、流体力学等8大块。如此庞杂的内容与它作为理工科的基础课已经很不相称了。
? ?? ? 所以进入20世纪后,许多学校和许多学者都从不同的方向上进行改革。
? ?? ? 作为改革的第一步,是把流体力学从理论力学的内容移出去,另外开设适应不同专业需要的流体力学或水力学。这几乎是世界所有学者的共识,所以后来在理论力学的教学中还保留流体力学的教科书几乎绝迹了。
? ?? ? 随着高等学校理工科的专业分的愈来愈细,理论力学也随之有了不同的分工。从19世纪开始,有了主要适应机械与土木建筑专业的《工程力学》和适应一般理工科需要的《理论力学》的分工。前者主要的作用不是介绍力学方面的新成就,而是只介绍有关专业学习所必需的力学知识。

? ?? ???我国的力学教学
? ?? ???在1952年以前我国没有专门培养力学人才的专业。但是在工科和理科物理系的教学中力学是占有相当的份量的。我们可以从我国北方和南方最着名的两所工科院校来说:唐山铁道学院和上海交通大学。它们所以出名,是因为它们的力学基础教学比较出名。而这是得力于两位在我国最早教授工程力学的教授的。即唐山铁道学院的罗忠忱(1880-1972)和上海交通大学的凌鸿勋(1894-1981)。而这两位教授都分别担任过这两所学校的校长。在他们主持之下,力学基础受到重视才是这两所学校出名的主要原因。
? ?? ? 罗忠忱(1880—1972)教授早年就学于北洋大学,后到美国Cornell大学土木系进修于1910年毕业,1912年回国后一直在唐山铁道学院任教。他先后主讲过应用力学、材料力学、水力学、天文学和海工程等重要课程。他在我国的工程学科的教学中,最早系统地以美国和西方的先进教育思想,比较重视工程师的力学基础教育,同时在教学中以严格要求学生和理论严谨着称。罗除在数十年如一日的力学教学工作之外,还曾任过土木系主任、工学院长、校长等组织工作。唐山大学的学生当时能中外着名,和罗忠忱所贯彻的这种教育思想是分不开的。他的学生、美国加州大学林同骅教授说,罗师“对基本力学的深刻了解为全世界所少有,故在讲授力学问题时能从多方面解析,使学生易于了解,大有力学大师铁摩辛柯之风”(按:铁摩辛柯,指Timoshenko,S.P.1878—1972,美籍俄裔力学家。曾在俄、南斯拉夫、美等国大学任教)。另一学生、清华大学教授黄万里说,自己“曾在学19年,承恩中外师长不啻百人,然于教诲恳切,授法精湛,任职认真,……,盖未有出吾师之右者”。
? ?? ???凌鸿勋(1894~1981)教授,是中国铁路工程专家,教育家。字竹铭。1910年考取上海高等实业学堂(上海交通大学前身)的粤省官费生,1915年毕业于土木工程科。毕业后,被选送到美国桥梁公司实习,并在哥伦比亚大学选读。1918年回国。回国后在上海交通大学的前身实业学堂教授工程力学。是我国在南方较早教授工程力学的教师之一。
? ?? ???1920年在上海高等实业学堂暂代校长职务。1921~1922年,参加京汉铁路黄河新桥设计及国有铁路建筑规范的制订。1923年回上海高等实业学堂任教,次年任校长。建立了工业研究所,首创国内大学附设研究所的范例。
? ?? ???凌鸿勋1929年离开学校,任陇海铁路工程局长,兼任粤汉铁路株韶段工程局长,并任总工程师。株韶段在他主持下,工期比原定4年提前1年。获中国工程师学会的金质奖章。他1936年任粤汉铁路管理局长, 1939年任天成铁路工程局长,1941年兼任西北公路管理局长,1942年任宝天铁路工程局长,主持修建了宝天铁路,于1945年通车。1945年~1949年任交通部常务次长。他是我国近代铁路交通的奠基者之一。
? ?? ???凌鸿勋1950年10月应邀在台湾大学任教,并受聘为一家石油公司董事长达20年。他的着译有:《桥梁》、《八十年来之中国铁路》、《中国铁路概况》、《中国铁路志》、《七十年来东清、中东、中长铁路变迁之经过》、《詹天佑先生年谱》等。
? ?? ???1952年在着名力学家周培源主持下在北京大学成立了中国第一个专门培养力学人才的专业――北京大学数学力学系力学专业。它是按照莫斯科大学为蓝本来教学的。
? ?? ???应当说我们前面提到的法国巴黎综合工科学校的传统,即法国的严格的理论传统对于后来俄罗斯的科学研究和教学的影响是比较大的。例如,迄今在俄罗斯使用的《理论力学》教材,1932年出版的苏联学者普赫哥尔茨(Н.Н.Бухгольц,)着的《理论力学基本教程》大致就是按照法国阿佩尔的体系写成的。值得一提的是我国1944年由龙门联合书局出版的范会国着的《理论力学》也是大致按照阿佩尔的体系写成的,是用于物理学和工程专业的教材。从1938年开始到1942年完成的周培源的《理论力学》讲义,是用于当时清华大学物理系的教材。
? ?? ???北京大学力学专业到1979年成为力学系。这个专业由于受俄罗斯的影响,按照理科的厚基础的要求培养学生。数十年来的经验证明,它的教学是成功的。学生的厚基础在工作后不久就会变为创造力。多年来力学专业的学生中出了10位院士。

? ?? ???结论
? ?? ???力学无论对于理科还是对于工科,都是重要的。我们说学生要打好基础主要的就是要打好力学基础。当前有一种削减力学课时,压缩力学基础课教学内容的趋势,而且有的学校还为此介绍经验,这是与世界科学技术教育的经验背道而驰的,也不符合我们自己这许多年发展的经验。
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