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[其他相关] 力学思维的力量:论力学研究思想的特点及其现实意义

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发表于 2018-2-12 09:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  从半坡遗址中的精致汲水壶,到建造壮美金字塔所用的滑轮组,从阿基米德以一个支点撬动地球的自信,到伽利略站在比萨斜塔上高傲地藐视权威,再到那个给牛顿无穷思考的神奇苹果,力学伴随着人类一步步战胜愚昧,以自己的智慧与勇气不断地迈向更高的文明。

  在这个坎坷的发展历程中,力学思维无疑是人类一代代积累下来的宝贵财富。那么,面对客观世界,力学思维方式与研究方法究竟有何特点?它如何推动科技进步乃至人类社会发展?我们又该如何培养自己的这种思维,去不断认识新事物?本文将着重对这些问题展开探讨。

  1. 力学的起源
  力学是独立的一门基础学科,主要研究能量和力以及它们与固体、液体及气体的平衡、变形或运动的关系。谈到力学思维,就非常有必要了解一下力学的起源。和其他自然科学的学科一样,力学最初发源于人们的生产生活实践,百度百科中有这样的描述:“力学知识最早起源于对自然现象的观察和在生产劳动中的经验。人们在建筑、灌溉等劳动中使用杠杆、斜面、汲水等器具,逐渐积累起对平衡物体受力情况的认识。”

  正是这样的起源,决定了力学与人类生活实践之间的密切关系:力学产生于生活实践,又对生活实践产生着深刻的影响。也正是由于这种关系,使力学思维拥有了一系列鲜明的特点。

  2. 力学思维、研究特点与我国科技现状
  首先,构建数学模型、利用数学方法是力学思维的一个鲜明特点。自经典力学之父牛顿构建起经典力学的框架之后,拉格朗日引入广义坐标,建造起力学分析的基石,泊松用冲量分量形式表示分析力学,发明了泊松括号,并且计算出了轴对称重刚体定点转动微分方程的积分,哈密顿对拉格朗日力学进一步修正......在一系列数学大师的努力下,依靠数学这一神奇的工具,力学体系日趋完善。

  随着社会文明的发展,仅仅依靠经验定性地研究问题的方式已经不能满足人们的需要。人们希望精确地分析身边的力学现象,数学——这一最强的工具给精确的分析带来了希望。数学,凭借其严密的逻辑性使力学问题量化,推动力学发展;而一个个力学问题的提出,又促使数学科学不断进步,以适应力学的需要。所以,数学与力学是相互作用,共同进步的。

  数学思维与数学工具的利用,使力学从人们最初的感性认识发展成为一门结构严密、服务各学科的基础学科。在当今学术研究中,无论是时下最热门的计算机信息技术、软件开发,还是被誉为21世纪朝阳产业的生物技术,抑或是物理、化学领域的基础研究,甚至是有望改变医疗模式的大型人群队列研究,对数学的依赖性日趋明显。

  很多时候,数学难题往往是课题研究的最大难关。所以,有必要使数学成为高校所有专业学生的一门必修课,提高公民尤其是科技工作者的数学素养。说到数学,不少中国人都非常自豪,数据显示中国从1986年参加国际中学生数学奥赛19年以来, 有11次团体第一,而且在外国读书的中国学生数学成绩领先是有目共睹的。

  中国人的数学天赋是毋庸置疑的,数学教学中的难度也值得肯定。但需要注意的是,我们的数学教育更注重培养学生做题、考试、拿高分的能力,偏难怪题做了很多,对其中最本源的数学思想以及数学模型的应用却知之甚少。学生学习数学更多的是为了考试拿一个更好的分数,而一旦考试过后,学到的数学知识就还给了老师,更不要提在专业研究中灵活地运用数学知识。所以,笔者认为,非常有必要在数学教学中培养学生独立思考、灵活运用数学知识的能力,而不是在高难度奥数题上下功夫。

  其次,力学思维强调全面分析、综合考虑与高度的模型化。大到宇宙中天体的运动,小到微观粒子的碰撞,但凡是实际存在的物质,需要研究其相互作用时,就需要用到力学。而力学的重要意义,正是将各种相互作用综合起来研究,用一套统一的理论,解决物体间相互作用的问题。

  随着科学的发展,学科间的绝对界限被打破,相互渗透、交叉的形式日趋明显。如生物力学对生理学研究、医学研究有非常重要的意义,力学对于板块动力学、地震预报等地球科学领域,对于材料科学、环境工程、生物医学工程等工程技术领域以及航空航天领域等都有重要影响。

  一方面,力学作为工具,为其他学科服务;另一方面,在其它学科中一系列实际问题的出现,也必将推动力学的进步。而由于我国高校普遍实行专业教育,造成在其它领域中的人才仅仅拥有专业需要的力学知识,而力学专业的人才,对于其它学科又了解有限,使得各种力学的分支难以快速地发展。

  当然,这种情况不仅仅限于力学,对于数学、物理、化学等学科亦是如此。哈佛大学在上世纪40年代与70年代就进行过两次通识教育的改革,耶鲁大学更是在“耶鲁1828年报告”中就指明了通识教育的重要性。我国高校的通识教育这些年才开始,而且由于缺乏经验,加之与学生就业无直接联系,试点通识教育的少数高校不免有各种体制的不健全,使得通识教育的形式意义某种程度上大于实际意义。

  值得注意的是,在中国的绝大多数高中,文理分科教育使学生在更小的年纪就远离了通识教育。高度的模型化,是建立在对各领域的全盘考虑之上的,所以对各个领域的了解至关重要。真正实施通识教育,使学生的知识面尽可能广,以为将来的发展留出足够宽的口径,这也是力学思维中全面分析而后高度模型化的思想在教育中的体现。

  再次,力学思维强调“实践——理论——实践”的过程。由前文中力学的起源,我们知道力学问题源于生活实践,但是经过抽象概括、理论研究之后,其成果一定要再运用到实践当中去,才更有意义。由于中国传统文化中对于经验与实用主义的重视,将理论研究成果运用于实践以取得实际收益在中国的学术研究中占有很大的比例。

  源自人本身的功利性,“理论——实践”这一过程往往没有太大问题,但问题在于我们获得理论知识的方式。按照正常的认知规律,应该是学生在实践中发现问题,然后提出问题,老师在给予适当的理论支持,如此一来,便可以自然而然做到知识的融会贯通、灵活运用。但实际情况是,第一个环节往往被忽略。

  从小学到大学,学生们被不停地灌输各种知识,他们做了无数道解析几何,却不知道笛卡尔究竟为什么要发明坐标系,求了无数的极限,却还是拼命地抱怨为什么数学家要发明这种东西来折磨学生······看似学到了不少知识,却没有获得发现问题的能力,用不了多久,他们费尽心思学来的东西又会原封不动地还给书本,更不要说就自己发现的问题深入思考、创立崭新的理论、最终使实践活动产生革命性的变化,他们已经习惯于学习前人的理论。

  最后,力学思维强调哲学思想的运用。力是物体与物体的相互作用,这一朴素的概念本身就极富哲理。物体可以使宏观可见的,但它们之间的作用我们无法直接察觉,只能够观察这种作用带来的效果。

  事实上,以力学为代表的基础学科与哲学的关系非常密切。在古典哲学时期,许多科学家本身就是哲学家,如亚里士多德,还有著名的哲学家康德,他本身也是一位天文学家,在天体力学研究中颇有建树。20世纪的著名哲学家维根斯坦,也是研究数理逻辑的专家。当然,科学家不一定都是哲学家,但是最伟大的科学家一定有自己独特的一套哲学体系来指导他的研究。

  我们都知道,自然科学领域的博士,最初都叫自然哲学博士,而牛顿也把他的著作命名为《自然哲学中的数学原理》,这些也都印证了哲学与科学,尤其是以力学为代表的基础科学的密切关系。

  笔者并不懂得那些深奥的哲学原理,在科学上也还没有什么成就,但有一个初步的认识,那就是掌握一些基本的哲学思想可以提升自己所研究问题的高度,而由此得出的研究成果也就更具有思想性。我们很欣喜地看到,现在很多高校都有针对各专业学生的哲学选修课程,不过,领悟哲学思想绝不仅仅是背一些条条框框,而是要在自己的阅读中、在日常生活学习中深刻去体会一些简单的哲学思想。

  现代科学技术与力学有着千丝万缕的联系,无论是工程技术领域,还是基础理论研究,都离不开力学基本理论的支撑。这门神奇的基础学科,把从生活实践中凝练出的宝贵经验又无私地奉献给了人们的生活实践。我们了解基本力学知识,不仅可以在生活学习中加以运用。更重要的是,领悟力学思维的内涵,认识力学思维的力量。

  这种力量,在某种程度上,比力学本身的科学价值更具有吸引力。帕斯卡尔说:“由于空间,宇宙囊括了我,有如一个质点;由于思想,我囊括了整个宇宙。”帕斯卡尔用自己伟大的思想为力学科学和哲学做出了卓越的贡献。我相信,拥有力学思维,持之以恒地努力,蕴藏其中的力量一定可以支撑着我们在科学的道路上走得更远、更稳健。


  本文来源于百度文库《力学思维的力量》一文,该文由xiaosongshu617于2012年4月29日分享,原文未标注作者。

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