力学专业如何培养创新活力

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　　在化学家眼里，世界万物是由可数的元素组成的，通过制定元素周期表研究各种元素的性质，按照一定的结构和比例使得各种元素产生化学反应形成琳琅满目的化合物，致使我们的世界如此炫彩缤纷。令人兴奋的是，化学家还可以依据不同元素的性质去设计一种新的物质，制造出自然界没有的新物质。感觉化学家就像上帝一样，可以“随意”创造“世界”。我们经常强调创新精神，化学家似乎不需要担忧如何创新，只要有胆量去尝试，时间运动了就有可能产生新的研究成果。

　　元素周期表(网络)

　　有没有一种可能，其它学科根据自身学科的特点，规划出各自学科的“基本元素”，有可能这种“基本元素”不如化学元素可以规律排列，但根据学科特点，对“基本元素”按照其性质进行进行合理的归纳、总结，组成具有学科特色的“基本元素”表。然后，本学科的创新就可以类比于化学家。当然创新不能是为了创新而创新，而要以满足既定的工程目标为前提，首先要规划所需解决问题的目标，然后确定完成既定目标所需要的要素，根据学科“基本要素”的性质和功能选取可达到预定目标的“基本要素”，最终达到所需解决问题的目标。

　　在力学学科中， “基本概念”、“基本定理”可看作是力学的“基本元素”，“力学模型”就是力学研究中的“化合物”。力学工作者希望有所创新，必须对概念、定理有深刻的理解和认识，从而达到灵活运用以构建新的“力学模型”解决实际工程问题。我国著名力学家周培源教授说：“力学是关于物质宏观运动规律的科学。”将这句话分解一下，力学首先要确定所研究的物质，在力学上称为研究对象;然后力学关注物质宏观运动，即物质在一定条件下的外在表现;最后要研究物质运动的一般规律，也就是说在一定的内因和外因作用下研究对象的响应规律。为此，力学的基本元素可划分为四个方面，即研究对象，外因、内因，以及响应，如下表所列。在力学里讨论上述四部分，研究对象是前提，如果不能清晰的划分出研究对象，内、外因就无从说起，如果不明确研究对象，响应也说不清楚。按照这一规律，粗略的划分一下力学的基本元素如下表所示。

　　在力学应用上，就是要通过上述“基本元素”，构建特定的力学模型。举例而言，结构模型是力学研究中的重要内容，约束又在结构中具有十分重要的地位。在结构某一位置施加约束，在力学上就是要回答该位置处三个线位移(沿x,y,z轴方向的位移)和三个角位移(绕x,y,z轴三个方向的转动)的限制情况。为了简化说明，我们取如下图所示平面内的梁结构为例，工程上的简支梁一般可直接搭在基座上的，这是最简单的梁模型;但如果A端是焊接，直观感觉应该是改成固定端约束，但也不正确。因为焊接并不能完全约束，这里需要对“约束”的概念进行深入的解读，实际上，约束可以是完全约束，还可能不那么完全。

　　A端的约束在平面内可划分为对三个方向的位移限制，沿x,y方向的2个线位移限制和绕z轴的1个角位移限制，分别记为ux,uy,w，如果它们等于0就是完全约束，不是就不能称为完全约束。对于焊接可能会产生少许的转动，即w不一定等于0。因此应该加一个扭转弹簧限制转动约束，扭转弹簧的刚度描述转动的大小;再进一步，沿x,y方向的线位移约束也可以换成弹簧，模拟线位移不是0的情况。这样，我们就在自由和固支约束之间建立过渡约束，也就形成多种梁结构模型，以适应不同的分析需求。可见，在这个过程中，如果不理解约束的概念，只死记硬背书上的约束种类就无法满足这样的要求。

　　力学模型不仅包括结构模型，按照研究类别还可分为以下几类：

　　1、按结构类型分：梁结构，桁架结构，刚架结构，框架结构，机构模型等;

　　2、按运动特征分：质点运动模型，刚体运动模型，刚体系运动模型，变形体运动模型等;静力学分析模型，振动分析模型，波动力学模型，爆炸力学模型等;

　　3、按材料特性分：线弹性力学模型，塑性力学模型，黏性力学模型，流体力学模型，岩土力学模型等;

　　4、按求解方法分：有限元模型，有限差分模型，边界元模型，无网格模型等。

　　那么对于每一类模型都可以规划出它的基本元素，进行相应的研究。

　　也应注意到，力学模型处理的工程问题是一个系统工程，在选择“基本元素”构建新的力学模型时需要通盘考虑所处理问题的特点，才能提出有效的力学模型。在这一过程中，基本概念、基本定理一定要熟练、准确掌握，强调它们就像化学家强调元素周期表中化学元素的性质、以及各种化学键(组合方式)一样，只有这样才能了解由其组成物质的性质和作用;这也很像材料学家只有掌握了材料组分的物理化学性质、制备工艺才能设计具有特定功能的新材料一样，力学学科的学习必须以基本概念和基本定理为中心才具有创造力。

　　可能会有人说，如果只学习基本概念和基本定理，不能应用学了也没用。就像只掌握元素性质不能合成化合物就无法成为化学家一样。这里强调的基本概念和基本定理，是应用的第一步;不能因为看到应用的重要性就淡化了基本概念和基本定理的重要性。如果对基本概念，基本定理缺乏深入的学习，唯应用而论，就不会做出有价值的创造。在日常学习中，有些学生只会做老师讲过的题或题型，对没见过的题不敢下手，这里除了勇气之外，对基本概念、基本定理理解不够深入也占有不小的比重。

　　之前在微信上看过一篇文章(出处我怎么也找不到了，如果有好友看到，希望能转给我)，说教育有三个层次，第一层次是教授技巧，第二层次是教授概念，第三层次是教授创新。那篇文章提到中国的教育主要在于第一层次，即技巧的教育，如讲授迎合工作单位招聘条件的技巧，如考取高分的技巧，如毕业论文中如何降低查重率的技巧。而看重概念的教育则相对缺乏，而国外一些大学(多以美国参考)更多注重概念的讲解，创新必须以基本概念、基本定理为基础。

　　创新能力的培养首先要把基本概念、定理看作是 “元素”教授给学生，并对“元素”性质进行深入解读;然后学生在自身的价值观、人生观支配下开发自己需要的“化合物”。虽然我们渴望创新，但却无法直接开设创新课程教授创新，因为形成“教案”固化下来的“创新”，就不再具有灵活性，就不能称为“创新”，真正的创新不能被设计，它依赖于学生的创新素养而非创新技巧。力学的教学也应该注重两个层面：一是对专业概念、定理的深入解读，二是引导学生树立恰当的人生观和价值观，在这两者的基础之上，静待花开!不由想起陆游的《示子遹》中的两句“汝果欲学诗，工夫在诗外”，在陆游看来，能写出好诗不是因为他对诗歌本身的研究有多深刻，而是他的生活阅历、人生感悟!创新也不依赖于对创新本身的研究之深，而是在于人这一主体是否有创新的内在需求和基本素养。

　　来源：力学酒吧公众号(ID：Mechanics-Bar),作者：张伟伟，太原科技大学