对力学教育的若干思考
对力学教育的若干思考

胡海岩

（北京理工大学力学系 100081 北京）

（南京航空航天大学结构工程与力学系 210016 南京）





摘要：从国家工业化对工程师的需求出发，讨论力学教育所涉及的若干问题。一是以航空科技工业所需的飞行器结构工程师和强度工程师为例，分析人才数量、知识结构的变化情况，指出我国既需要大批以应用现有技术为主、研制开发产品的工程师以适应当前以集成创新、引进消化吸收再创新为主的工业发展模式，又需要一批以技术创新为主的研究工程师去适应未来以原始创新、集成创新为主的工业发展模式。二是从培养研究工程师的目标出发，对人才培养模式进行分析，建议采用本硕贯通的培养方案，提高人才的培养质量和培养成效。三是从技术科学统一性的角度看待力学理论教学环节，对技术科学体系所具有的统一性特征进行分析，建议进一步对专业基础课程体系进行改革，通过深化力学教育来带动专业基础课程教学质量的提高。四是从实践与创新统一性的角度看待力学实践教学环节，建议对大作业、考试、毕业设计、课外科技活动进行改革，增加创新内容和要求。



1. 引 言



近年来，我国高校的力学教师积极投身于力学教学改革，尤其在课程体系、教学内容、教学手段、知识与技能竞赛等方面进行了许多探索，取得了积极成效。与此同时，力学教师对于力学课程的学时不断压缩、众多学生的学习兴趣不浓等问题深感困惑。更加值得深思的是，工业界对近年来高校毕业生的英语水平和计算机技能给予了肯定，但对其力学等专业基础知识的掌握状况和应用能力评价不高，甚至还有不少严厉的批评。

力学属于技术科学或工程科学，力学教育是高等工程教育的重要组成部分。本文拟从建设创新型国家对高等工程教育的需求出发，以高等工程教育的培养目标和定位作为主要参照，讨论力学教育所涉及的若干问题。



2. 建设创新型国家对高等工程教育的需求



新中国成立后，我国的高等工程教育方面自上世纪50年代起全盘学习苏联模式，以比较窄的专业化教育为主；上世纪80年代后又转向主要学习美国模式，在拓宽专业的基础上增加了部分通识教育。近年来，我国高等工程教育界正日益关注法国、德国的高等工程教育，借鉴其成功的经验。但从教育理念和教育实践层面看，我国尚未形成适应本国工业化发展需求的高等工程教育体系，开辟出一条自己的道路。据报道，我国工科毕业生数量大约是美国的4倍、德国的10倍，但我国工程师人均参与创造的产值却仅仅是美国、德国工程师的5%~10%。这说明，我国的高等工程教育还存在突出的问题。

任何一个国家的高等工程教育必须瞄准该国工业化进程的当前和未来需求去定位、去改革、去发展。我国是一个发展中国家，目前的工业化水平还不高，特别是自主创新能力不强；而且大型骨干企业、中小型企业的发展水平参差不齐，对工程师的需求具有多种层次和类别。因此，我国高等工程教育体系应该是一个多层次、多类别的教育体系，需要根据各类企业的不同需求培养不同层次和类别的工程师。对于高等工程教育中起着基础性作用的力学教育，自然应该围绕不同的层次和类别的培养目标而进行设计，开展实践。

目前，老一辈力学教师普遍怀念上世纪50~60年代力学教育在高等工程教育中所处的显赫地位，而中青年力学教师则怀念上世纪80年代所接受的坚实的力学教育。然而，我们必须正视时代发生了巨大变化。与上世纪50~60年代相比，航空、航天、机械、动力、土木、水利等行业对工程师的要求发生了巨大变化。笔者曾参与中国航空工业第一集团公司科技委员会对航空科技人才需求所作的调研，获得若干资料。现以航空科技工业所涉及的飞行器结构设计人员为例作如下简要分析。一是人才类型的变化：当年，航空科技工业需要大量具有坚实力学基础的结构工程师、强度工程师从事结构强度设计、计算和校核。今天，这些工作仅需少量会使用NASTRAN、ANSYS进行结构强度计算的普通工程师就可以完成。二是知识结构的变化：当年，飞行器结构工程师、强度工程师需要掌握坚实的理论力学、材料力学、结构力学知识，熟练地使用计算尺、手摇计算机、设计手册。今天，飞行器结构工程师、强度工程师仅需要不多的理论力学、材料力学、结构力学知识，更多的需要有限元知识，能熟练地运用计算机及其软件。上述现象似乎表明：当今航空科技工业所需要的结构工程师和强度工程师数量减少，知识结构趋于扁平，他们所需要的力学知识似乎远远不及英语、计算机技能重要。

然而，上述变化仅仅是表象。事实上，面对需要通过独立探索、自主创新研制的新一代飞机，总设计师、副总设计师、结构工程师、强度工程师需要既宽又深的知识结构，既需要坚实的力学知识，还需要对材料、制造、控制、隐身等技术的深刻理解，特别需要具备良好的力学建模能力。以研制新一代军机为例，结构工程师和强度工程师需要对高度翼身融合结构、多传力及复合传力结构进行力学建模，要深入考虑发动机矢量推力、内埋武器弹舱开闭、飞机大机动飞行等复杂载荷条件下的结构强度、振动、声疲劳等力学问题，开展材料与结构一体化设计、结构的精益设计。至于研制高超声速飞行器，结构工程师和强度工程师还需要深入考虑如何从结构设计角度对气动热进行防护、避免热颤振，甚至需要与材料工程师共同研制非烧蚀耐高温复合材料结构等。

在我国建设创新型国家，实现新型工业化的进程中，既需要大批以应用现有技术为主、研制开发产品的工程师来适应当前以集成创新、引进消化吸收再创新为主的工业发展模式，又需要一批以技术创新为主的研究工程师去适应未来以原始创新、集成创新为主的工业发展模式。企业期望前一类工程师要“上手快”，后一类工程师要“有后劲”。这样有着显著差异的人才需求，必然导致不同的培养目标和培养方式。对于多数大学而言，其主要任务是培养第一类工程师。对于研究型大学而言，则应把培养第二类工程师，即研究工程师作为其主要使命。我国高等工程教育应有面向不同需求的多类别、多层次目标。相应的，力学教育也应该有多类别、多层次的课程体系、教学内容、实践环节。



3. 研究工程师培养与力学教育



本文从力学教育角度探讨航空、航天、机械、土木类的研究工程师培养，其主要观点也适合于培养以电磁场理论、电路理论、信号处理等其它技术科学分支为基础的研究工程师。

研究工程师知识结构既要宽、又要厚，特别应该具有宽厚的技术科学根基。以面向新型飞行器研制的工程师为例，其知识结构包括扎实的数学、物理、化学、力学理论基础，还包括对材料、制造、测试、控制、计算机等技术领域有深入的理解。其中，力学是结构工程师和强度工程师最主要的基础课和专业基础课，即技术科学根基，是其从理性角度解决结构设计问题的主要工具。迄今，著名飞行器设计师的成功无不得益于其宽厚的力学功底。然而，学好力学又不是一件容易的事，不仅需要有良好的数学、物理基础，还需要有充裕的学习时间。

目前，仿照美国高等工程教育模式设计的四年制本科教育，照顾了知识结构的宽度，但深度明显不够。如果要加大深度，则宽度又受影响。相比之下，法国、德国的高等工程教育模式值得我国借鉴。例如，法国的高等工程教育以其14所高等工科专业学院为主要代表，实施精英教育。这些学院多数隶属于国家各个工业部门，少数为私立，主要培养研究工程师，从事应用科学研究。高等工科专业学院的生源主要来自大学预科班的优秀生及普通大学理工科第二阶段的优秀生。这类学院的学制为3年，连同预科或大学第一阶段的2~3年，则学生的实际修学年限达到5~6年，毕业后获得工程师文凭，其水平相当于欧美国家的工学硕士。由于这类毕业生理论基础扎实，实际应用能力较强，颇受工业界欢迎，就业率高，薪金也高。

在我国研究型大学中，可以按照六年制、本硕连读的方式培养未来的研究型工程师。考虑到在我国高等工程教育中政治理论、英语、体育等课程所占用的学时数，这种培养方式与法国的五年制工程师教育水平基本相当。

这种培养方式的基本特点如下：一是以本硕连读来吸引、招收优秀高中毕业生；二是将本科生和硕士生的培养计划打通，使学生提前学习硕士生阶段的英语、数学等课程，提高学习成效；三是前2~3年可以按理科要求进行培养，保证理论基础宽厚；四是中期适度分流，保证最终培养质量；五是第四年进入指导导师的研究团队从事研究性学习，或安排到大型企业、研究所从事工程研究。它的主要的优点是：兼顾了研究工程师对知识结构既宽又厚的要求；需要解决的主要问题是：要有充裕的保送研究生指标，要有对部分学生中期分流的妥善办法。前者需要得到政府教育主管部门的支持，后者则需要学校进行合理的培养模式设计。

事实上，国内许多研究型大学已在本硕连读培养模式上开展了积极探索。例如，2004年，笔者曾在南京航空航天大学倡导并参与举办了六年制本硕连读的工程力学专业，后冠名为“钱伟长工程试验班”。目前，2004级、2005级学生已进入硕士生阶段的学习，指导教师反映很好。中期分流的学生则转入飞行器设计与工程专业学习，学生和家长也比较满意。

对于上述培养模式，力学教育已具有了相对比较充分的时间保障。在此前提下，如何设计和实践高质量的力学教育成为值得关注的问题。传统的观点是：在培养计划中大幅度增加力学课程的门数和每门课程的学时数，强化学生的理论基础。而改革的观点是：对培养计划中的数学、物理、力学、控制等课程进行整体优化，压缩课堂教学学时；增加富有挑战性的实践环节，培养学生的创新能力。