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工程专业多学时理论力学教材调研(2001)
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1 调研总体情况的说明
为提高工程专业理论力学课程的教学质量，在有限的学时内优化教学内容，我们对国内工程专业的理论力学教材的体系和内容进行调研。调研过程中重点研究了8套 (11册) [1-8]1998年以后出版的多学时理论力学课程适用的新教材，同时研究了5套其它高校校内讲义[9-13]，并参考了九十年代前期出版的其它多学时理论力学教材13种[14-26]，以及出版较早但很有特色的教材3种[27-29]。除个别遗漏 (例如[30]) 和若干中、少学时教材和电大和专科教材外，已包括近10年来已出版的主要多学时理论力学教材。此外，在参加“全国工科基础力学教学内容与课程体系改革阶段成果研讨会”、“国家十五力学、土建教材规划制订工作研讨会”等教学会议和其它学术会议期间，与若干高等院校理论力学教师进行了广泛的交流。
2 教学内容的安排
教学内容安排首先面临的问题是理论力学单独设课，还是与材料力学等共同组成工程力学。新教材和讲义基本上有三种处理方式。一种是保持理论力学课程的独立性和完整性，如[4,7-9,12,13]；另一种是将理论力学和材料力学等穿插形成工程力学，如[1,10,11]，[10]还包括流体力学。还有一种是在保持理论力学的独立性的同时，包含少量其它工程力学内容，如[3]包括流体力学基础，[5]包括弹性静力学。
教学内容安排面临的另一个问题是理论力学内部的静力学、运动学、动力学是否仍为基本独立的三部分。多数教材和讲义以不同形式保留三者的区分，三部分的次序依旧为静力学、运动学和动力学，仅有[10,13]将运动学置于静力学之前。但静力学内容均有不同程度精简，而运动学有所加强。也有不同处理方式，如[3]将运动学和动力学合并，[4,13,29]将静力学作为动力学的一种特殊情形。有种值得注意的做法，将以虚位移原理为核心的分析静力学移入静力学部分，如[1,2,10,11,12]。
3 传统教学内容的精简
这里所谓传统内容，是指以 [26]为代表而为多所高校长时间沿用的教学内容。新教材对传统内容中静力学、运动学和动力学均有不同程度的精简。
内容精简最突出的是静力学。与以往各种力系由特殊到一般地逐个讨论简化和平衡不同，新教材中多数分为基本概念、力系简化和力系平衡三部分，如[1,5,7,8,10-12]，其中[1,5,8]另设专章讨论桁架和摩擦，[7]将约束专列一章。这种处理方式的高度压缩的形式首见于理科力学专业教材[27]，目前的形式在工科力学专业教材[28]中出现，随后被[19,21,22,25]等少数工科教材采用。除这种主流做法外，[2]以质点平衡、刚体平衡、刚体系平衡和质点系平衡展开静力学，较为接近传统的内容；[4,13,29]将静力学作为动力学逆问题的特殊情形，讨论极为简练。
运动学的精简不多。一些教材，如[1,3,10,11,13]为避免与物理重复，删去了刚体基本运动。变化较大是速度合成定理证明，不采用几何方法，而通过应用相对导数概念使证明简洁严格，如[1,4,7,8,10,12,13,16,25,27,28]。一些教材如[4,6,9,11]，删去了刚体的定点运动和一般运动。此外，一些教材先讨论平面运动，后复合运动，如[9,10,12]和较早的[16,19,25,27]。[13]先讨论刚体一般运动，然后平面运动和复合运动。
动力学的精简很少。[1,3,4,7-12,24,25,27,28]删去了与物理重复的质点的动量定理、动量矩定理和动能定理。质点系动力学普遍定理的篇幅在多数教材中有所减少，[3,4,6,9,11,21,25,29]将三条定理编入一章，[10]将动量和动量矩定理合为一章，而[12]仅将动量和动量矩定理作为动静法的一种形式。此外，一些教材如[10,12]删去了机械振动。
4 新教学内容的注入
这里所谓新教学内容不仅指新的理论和应用研究成果，而是泛指传统理论力学教材基本不涉及的内容。理论力学教学内容的更新主要体现在运动学和动力学。新注入内容大致可分为5类：新方法的引入、工程或实际背景的说明、后续课内容的介绍、原有理论体系中某些更一般的结果和计算机数值仿真。
新方法的引入主要是运动学中对解析法的强调。多数新教材如[1,4,6,7,8,10,12]和较早的[15,16,19,25,27,28]均介绍了相对导数。[4]完全舍弃了传统的矢量方法，以刚体而不是点为运动学的切入点。[8,28]在运动学中讲述约束和自由度的概念而且有专章叙述分析运动学。[10,21]对解析法也较重视使之与矢量法并重。此外，一些教材为讨论振动问题而引入了相平面法，如[1,3,7,8,27,28]。
[1,7]对工程和实际背景的说明特别出色。有些例子和习题涉及汽车、航天、航空等工程领域和运动生物力学，还有对力学建模的简要讨论。
后续课内容的简要介绍也是注入新内容的重要方面。[4]将计算多体动力学的观点和方法注入理论力学，增加“刚体系运动学及其计算机辅助分析”和“刚体系动力学及其计算机辅助分析”两章。[3]增加了弹性体振动和非线性振动的内容。[3,9,10]包括混沌的简要介绍或说明。[10]还通过实例引申介绍多刚体动力学和分析力学的内容。
在理论力学教学体系中某些结果在通常传统教材中没有讲述，而在新教材中有所反映。例如，[1,3,7,8,27,28]利用方向余弦矩阵的本征值证明定点运动的Euler定理。[3,8,25,27,28]包含对任意动点的动量矩定理，[8,28]还讨论了研究碰撞的分析力学方法。
计算机的迅速发展和普及是理论力学教学内容更新的重要原因。以往的教材也有与计算机应用有关的内容，如[20,24]有静力学问题的求解程序，[15,19]的静力学、运动学和动力学均附有上机分析习题，[24]有专章讨论计算机解理论力学问题的数值方法。新教材中，[3]应用计算机数值方法进行结果分析；[4]强调数学建模的程式化，体现当前国际先进的计算机辅助分析软件的基本原理，并附有在使用方法上与大型工程软件接轨的《理论力学求解器》光盘。其它新教材[1,7,8,10,12]也增加面对计算机的力学知识和方法，如矢量和矩阵运算的普遍采用和前述对运动学分析的解析方法的强调。
5 现已出版新教材的共同特点
(1) 教学起点的提高
数学中的矢量、矩阵等充分运用，与物理重复的质点动力学内容基本删去。
(2) 静力学精简基本形成共识
静力学的篇幅均有显著减少，由一般到特殊地处理力系简化和平衡的教学体系基本定型。
(3) 运动学内容更新有所突破
解析方法普遍加强，相对导数广泛采用。分析运动学、刚体系运动学等新内容开始引入。
(4) 考虑计算机的广泛应用
从内容选择、仿真演示、习题安排、程序设计、软件应用等不同侧面，回应计算机的迅速发展和普及。
6 现已出版新教材的若干局限
(1) 对学生的素质要求较高
现已出版新教材均是由清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等名牌大学的教授编著，他们的教学经验使得对学生的学习动机、学习能力和基础知识均有较高预期。相当多非名牌大学的学生可能达不到这些教材作者的预期。随着高等院校扩大招生，这一问题可能日趋突出。
(2) 教材的篇幅均较大
与传统教材60余万字相比，现已出版新教材的篇幅已大为减小，多学时理论力学教材一般为40余万字。但与目前实际教学时数相比，篇幅仍嫌太大，非名牌大学通常难以完成。
(3) 教材的通用性较差
尽管目前在教学实践中多、中、少学时的理论力学课程差别已不是很大，现已出版新教材通常仍较强调这种区别。因此不同学时课程之间教材不能通用，给教师备课带来不便。
(4) 教材之间配合不足
现已出版新教材在与先修课配合方面已有很大改进，避免了传统教材过分强调自成体系的弊端。但这些教材在同门课程不同教材间仍缺乏配合，虽然这些教材与传统教材不同均附参考文献，但仅是说明作者在编著过程中曾参考。新教材各有特色，应建议并指导部分学生阅读不同教材和较简单的文献。
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