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科学思维和科学方法在力学和工程教学中的应用
2011-06-01  全国高等学校教学研究中心  

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  科学方法一般有三个层次:一是适用于一切科学领域的一般研究方法;二是自然科学或社会科学领域内所特有的一般研究方法;三是某一学科所特有的研究方法。力学学科本身的方法具有唯物辩证法的特点,可以拓展到很多领域。比如,在工程问题分析中常使用的模型法,它首先是一个力学模型,然后被变换成一个数学模型。模型法的本质从哲学上讲,就是抓住主要矛盾,略去次要矛盾。把主要矛盾解决后,计入一个次要矛盾,解决后再计入一个次要矛盾,再解。这实际上是相对真理概念的具体应用,而绝对真理是永远不可能达到的。现在的博士论文几乎都是在前人抓住主要矛盾的基础上,多考虑了几个次要矛盾而成的。通常我在评审博士论文或参加博士论文答辩的时候,会找论文中前人把次要矛盾丢掉的合理性。力学思考问题的方法很科学,符合唯物辩证法。比如,有时候开玩笑说当领导必须学好弹性力学,为什么呢?因为你始终在一定的初始条件和边界条件下,求一些社会或者管理问题的平衡方程和协调方程的解,而且这些问题没有精确解是正常的,有精确解那是你运气好,因此经常是近似解,而且有时候初始条件和边界条件是模糊的,是不确定的,在这种情况下,得到解不太容易。有时候,你会碰到塑性问题,塑性问题一旦发生就是不可逆的,有时会很好,有时候会很被动。所以,当领导要把弹性力学和社会科学很好地结合起来。

  科学方法中还有一个很重要的方法--假设演绎法,这是最重要的。首先,清楚地界定所需解答的问题;其次,提出一个科学假设用以解释问题;再次,由假设进行观察性预测,即解释过去和预测未来;最后,设计及运用实验进行验证。这个方法在力学中应用得非常广泛,比如材料力学研究材料在外力作用下的破坏问题,首先要解决应力分布问题;提出假设,如平面假设;由平面假设推断预测变形规律,由变形规律再得到应力分布;有了应力分布后,材料力学有很多实验,运用这些实验来检验有关预测的正确性,来验证应力分布的规律,这就是材料力学中经常碰到的方法。

  再如,猫旋之谜:猫从高空落下时永远是在空中转身,然后毫无损伤地四脚着地跑掉。这个问题100多年来难倒了无数的科学家,没有外力的作用,物体怎么会改变姿态呢?法国科学家用高速摄像机拍下了猫下落的过程,发现猫用了1/8 秒的时间改变了姿态。法国另外一个科学家用动量矩守恒定理解释:四肢张开导致姿态变化,符合力学原理,不符合实际情况,猫掉下来四肢没有开合运动。苏联的洛强斯基提出猫尾巴转动导致姿态变化,但研究结果发现如果猫尾巴转动能够使姿态转正,那么转动速度将达到飞机螺旋桨的高速旋转速度,实际上没有那么高的速度。做了一个简单的实验,找到一只没有尾巴的巴西猫,从高空扔下,结果否定了洛强斯基的设想。也就是说,要证明一个理论的成立,要包含所有的可能;而推翻一个理论,只要一个反例就可以了。后来,20世纪60年代,兔子下落的弯腰翻身,绕双轴转动理论给了科学家们启发,猫的身体不能作为一个刚体来考虑,应该作为一个刚体系来考虑,也就是说,看问题不能着眼于局部,总盯住一个东西看,可能路越走越窄。最后,Kane教授提出了一个新的模型,解决了这个问题。猫旋问题如此值得研究吗?实际上,这是一个运动生物力学的问题,应用范围非常广泛,现在体操运动员的动作、跳水运动员的动作、冰上运动员的动作、芭蕾舞演员的动作、蹦床运动员的动作、航天员的训练等,有很多都可以用这套理论进行指导。

  因此,必须要建立科学的思维方法。但是,通常学理工科的人多善于收敛性的思维方式;学人文学科的人多善于发散性的思维方式。现在,很多高校都提倡文理交叉,还有很多专家提出高考不能文理分科。如果我们培养的大多数人都是片面、单一的思维方式,有时候对一些社会问题或复杂问题会比较过激甚至不全面。

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