力学思维及其价值与意义

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人们常说”授人以鱼不如授人以渔“。在知识和方法中间，无论是学生还是教师都毫无疑问的会将方法视为教学重点。然后，在实际教学中，却往往是知识教学远远大于方法教学，这主要是因为方法必须以知识为载体，难以将方法从知识中剥离出来，形成体系单独讲解。

本文首先将力学思维同数学、工程思维相对比，总结出力学思维的基本特征，并从力学思维的语言工具、培养途径、知识载体等几个方面，总结力学思维。最后，通过力学在我国发展的三个阶段，展望了力学在我国国民经济建设中的前景，所用素材是作者在多个不同报告中整理的PPT页面。

什么是力学思维

理解力学思维不能把力学思维孤立起来理解，而应该通过与相关学科相对照，力学思维的特征是通过与数学、工程思维相对比，逐渐明晰起来的。

数学思维是抽象思维，要求具有严密的逻辑推理能力，强调理论的完整性；而工程思维主要培养空间想象能力，要求动手操作。相对于数学的抽象思维，我们称之为具象思维。

数学和工程是两种互逆的思维方式。

力学思维则是融合了数学思维与工程思维的双向思维模式。包括三个落脚点两条逻辑线。三个落脚点指数学、力学、工程；两条逻辑线：一是从工程经过力学到数学；二是从数学经过力学到工程。

这种双向思维使得力学成为连接理论与工程实践的桥梁。例如纳维不仅在力学理论上建立了弹性力学和流体力学的数学体系，提出了利用双重三角级数求解简支矩形板等理论成果；同时他还在1824-1826年间设计、并建造了一座悬索桥，这项工作改变了以往工程师凭借经验进行设计的传统，也开创了力学在大型工程结构设计中的应用。

另外一个典型例子是普朗特统一理论流体力学与工程水力学的例子。19世纪末，理论流体力学和工程水力学各自均达到了较高的水平，但两个领域却不互通，计算结果与实验结果很不相符。普朗特通过观察，提出了边界层理论，把理论流体力学和实验结合起来，奠定了现代流体力学的基础。

力学思维的语言工具

语言是思维的基本工具，讲同一语言的人，其思考问题的方式也基本类似，不同的语言造就不同的思考方式。在力学思维中，有三种语言必须掌握，它们分别是自然语言（我们平时讲的话）、几何语言（受力图、运动分解图）、数学符号语言（数学方程、分析等）。

三种语言各有特点，自然语言和蔼可亲，但啰里啰嗦；几何语言形象直观，却展现的信息有限；数学语言简洁明了，却高傲冷艳。这三种语言正是利用它们的优点，相互协作将力学概念准确、清楚的表述出来，三种语言对于力学缺一不可。

如果将力学的三种语言继续细化，如自然描绘出物理、化学、各类工程学科，数学语言再分解为数学分析、复变函数、线性代数等等，几何再分为欧式几何、罗氏几何、黎曼几何等等。多一种语言就可以提高力学思维的维度，就更能准确的描述力学。

这些语言还可以构成学习者的思维空间，当一个人的思维空间维度越高、广度越大，他就可以获得更大自由。

力学模型是力学思维的磨刀石

力学建模体现力学思维，是力学思维最重要的知识载体。增强力学建模能力是培养力学思维的有效途径，开尔文将力学模型上升到了认识论的高度，体现出了力学模型的价值。

从力学中对力的定义看：力是改变物体运动状态的原因。我们将这一定义分解后，可以看到力学研究有三个要素：力、物体、运动状态。如果我们用哲学的术语来理解力学，力就是影响事物发展变化的外因；物体本身具有的属性反应事物发展变化的内因；而事物发展变化的规律就是运动状态，以此来看力学具有完整的哲学体系架构。

依据内因、外因、运动特征（响应）整理出力学基本要素，力学模型即由这些基本要素组成。我们羡慕化学家任意搭配各种元素可以创造出新的化合物，使得化学的创新无穷无尽。力学也可以通过搭配不同的力学要素组建出新的力学模型，让力学的创新无穷无尽。

力学思维的培养

在力学建模中可以采用三段式培养力学思维，即围绕知识点，按照工程背景、数学工具，力学原理的方式来讲解。这既是对力学模型的分解，也是对力学三种语言的强化。

授人以鱼不如授人以渔

教学过程中，教书是手段，育人是目的。人的成才标志就是拥有了思考问题、解决问题的能力，能为国家和社会做出自己贡献。

力学的梦

力学在我国的发展大致可以分成三个阶段：

第一阶段：
建国初期，由于欧美等发达国家对我国实行技术封锁，各类工业建设中的结构设计、分析与校核都需要自行解决，力学人才缺口较大（特别是国防工业）。为此，周培源先生于1952年在北京大学创办我国第一个力学专业，培养力学专业人才。1956年，以钱学森为首的力学发展领导小组向国务院提议成立力学研究班，翌年清华力学研究班正式招生，共招生3届，被称为中国力学界的黄埔军校。

此外，1953年钱伟长在中科院数学所下建立力学研究室（力学所前身），开展相关科研工作。由此可见，力学在建国初期国民经济建设中具有重要地位。

第二阶段：
上世纪90年代以来，由于改革开放，在工业建设方面采用“拿来主义”，直接采用国外先进的设计图纸，力学计算与分析被一度忽视，这种影响至今也还存在。

第三阶段：
随着我国科技水平的不断提高，蛟龙号、载人航天、大飞机、航空母舰、高铁技术等科技，已使我国科技水平处于世界科技发展的前列，当我国科技继续发展并领跑世界科技发展时，“拿来主义”就可能出现“无处可拿”的境遇。此时，力学的分析与计算必将再次成为工业设计、工业制造的核心技术。

结    语

鉴于力学在国民经济建设中的重要基础地位，应以史为鉴，未雨绸缪，以培养力学思维方式、增强力学建模能力为核心，积极推进力学教育，为实现中华民族伟大复兴储备高层次力学创新人才！

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