近些年来,国内各出版社启动了引进国外著名力学教材的工作,据不完全统计,具体引进情况由表1给出。

随着高等教育的全面改革,越来越多的高校开展了双语教学,引进的大多是经过考验的国外优秀教材,这些成功教材一般来说都比较全面地反映了学科发展的最前沿,具有内容更新快,教学理念、方法先进,教辅资源丰富等优点。但是,客观现实也表明,引进版教材本身由西方的教学环境而来,与我国的教学方式有比较大的差异。

材料力学是工科学生学习的第一门变形体力学课程,其中的概念、分析方法等对后续课程,如结构力学、弹性力学等的基础具有重要的作用。材料力学将等截面细长直杆作为其研究对象,分析了这样一个变形杆的强度、刚度和稳定性问题。虽然从研究对象上看,等截面细长直杆的假设尤其苛刻,但是工程实践以及后续的"弹性力学''等课程研究充分证明了等截面细长直杆之假设可以根据实际分析情况稍作一些放松,很方便定性地研究其他类似杆件的强度、刚度和稳定性等问题,尤其是等截面细长直杆研究中采用的若干方法,例如截面法、平截面假设等成为一种非常有效的科学分析方法。

材料力学英文名称以前多为Strength of Materials,20世纪70年代以后,又多用Mechanics of Materials作为材料力学教材的书名,目前基本上为两者兼有并用的局面。

材料力学与理论力学不同之处在于,前者是根据实验和工程实践观察结果进行科学假设后建立起来的理论体系,后者则是根据严密的公理化体系建立起来的理论体系。材料力学充分体现了科学方法论中的假设演绎法的应用。也就是工程问题分析中的"模型法",即"模型" 研究方法：分析模型并不是看得见,摸得着的实体模型,而更广泛地指理论模型的具体体现。从哲学上讲就是先抓主要矛盾,略去次要矛盾。将问题解决后,再计入次要矛盾,逐步逼近真实情况的方法,本质上是相对真理概念的具体应用。"假设演绎法"可算是科学研究中最重要的方法之一。假设演绎法一般是先界定问题：即先清楚界定所需要解答的问题。问题可以是如何解释某自然现象、又或某些事物或自然规律的性质到底是怎样。然后提出假设：即尝试提出一个科学假设用以解答问题。由此来解释过去发生的现象和推断预测未来可能性,最后再由可能的实验或者其他手段进行验证,例如设计及运用实验等方法去验证假设检验有关观察性预测的正确性。如果成立,那么这个假设就是建立的理论;如果有反例存在,说明假设不正确,试图再次寻求新的假设。材料力学界定问题的研究方法过程就是：材料承受外力作用下的破坏问题$\to$应力分布问题。根据实验观察,提出了等截面细长直杆的平截面假设：著名的平面假设,即杆件横截面变形前后都为平面的结论。由此假设推断预测杆件内部的变形规律$\to$由此获得应力分布规律。最后通过可以设计的实验进行验证：运用实验验证平截面假设的存在性,检验有关预测的正确性,验证应力分布规律等。

针对受众面的不同,国外著名的材料力学教材定位准确,教材内容体现现代化,同时强调基本概念、基本理论和基本方法,淡化繁琐的数学推导与数学运算,强调计算机应用。材料力学一方面非常注重强调工程概念,培养学生的创新精神,提高学生的综合素质与理论运用能力;另一方面则体现启发式教学,是很好地处理一般与特殊之间关系的典范,也是分析难题上分解与综合之间关系的典范。以下就各类教材所具有的特点与特色,以及教学体系等进行阐述,雷同部分不再赘述。

不同于理论力学教材,材料力学教材无论是俄国(前苏联)还是北美、欧洲等国,差别不甚明显。材料力学鼻祖铁木辛柯教授原来是白俄罗斯人,后加入美国国籍,他本人就跨越了两大地域,同时对两大地域的材料力学都起到了重要奠基性作用,原因不得而知。后来苏联的材料力学教材又从弹性力学角度出发,更加注重了理论的严密性。图1为六种国外常用的材料力学教材。

McGraw-Hill出版集团出版的,由Ferdinand P. Beer, Jr. E. Russell Johnston, John T. DeWolf编著的《材料力学》第三版。历经40年时间,教材中每一个例题和习题都经过重新设计,作者十分注重学生循序渐进地学习,甚至在无教师情况下的自学。因此一直是一部为很多欧美高校和学生选用的材料力学教材。

由Russell C. Hibbeler编写的《材料力学》第五版,非常清晰地为读者提供了材料力学的基本概念、基本理论与基本方法,全书涉及到拉压、扭转、弯曲、稳定性、组合变形、应力与应变转换、梁和轴的设计与屈曲、以及能量方法等,思路清晰,层次分明,简明易懂,论述严谨。该教材很注重工程技术人员对材料力学理论应用的需求,许多章节后面安排了"重点''与"分析方法'',对主要概念、理论与方法进行了高度概括,全书写得通俗易懂。

由Anthony Bedford和Kenneth M. Liechti撰写的新版《材料力学》,将当前新发展的有关成果写入其中,例如书中包含了彩色光弹性分析图等。教材中特别针对学生学习材料力学后考试遇到的问题,作了专门的阐述。全书十四章,涵盖了应力、应变分析;材料的力学性能;轴向拉压问题;扭转问题;弯曲问题;横向切力问题;复合载荷问题;应力和应变转换;能量法;柱的稳定性;梁和轴的设计等。全书特别还对材料的物理行为,问题的分析模型的建立等作了讨论。

美国德克萨斯大学结构动力学家Roy R. Craig是多次赢得卓越教学奖的教授,他编著出版了第二版《材料力学》,在世界上赢得美誉。新版教材内容涵盖材料力学研究对象以及所涉及的工程问题,变形体和固体力学概念,材料强度等课题。该教材特别呈现了一种四步问题求解方法,规则化的问题分析方法为学生应用材料力学概念和理论,对实际问题求解提供了很好的基础。教材中提供了详细的算例,显示了如何将实际问题抽象为计算模型,如何像工程师那样将实际问题进行理论建模。教材还附带了一张CD-ROM,为读者提供了90 个专门设计的算例。

James R. Barber教授撰写的Intermediate Mechanics of Materials是作为第二级水平的材料力学,也就是属于高等材料力学教材的范畴,其涉及到材料力学和应力分析教程的内容,特别强调建立变形体力学的概念,高等理论在工程设计中的应用等。教程内容涉及到民用航天航空、机械工程等领域。教材中提供了大量的应用实例,为读者如何将工程问题抽象为理论分析模型提供了极大的帮助。作者还将广泛用于工程实践的有限元方法与材料力学的关系在其著作中作了简单介绍。这些内容的加入,非常雷同于我国改革开放以后编著的几本材料力学教材,那时也将简要的有限元方法编入到教材之中。

William F. Riley, Leroy D. Sturges和Don H. Morris自1960年就合编了材料力学教材,近期出版的是他们的第五版《材料力学》。新版教材已经很难找到第一版的印记。作者们更新了书中绝大部分图,加入了很多新设计的内容,例如：例题和习题,工程实际设计问题等。教材的版式也很有特色,每一章开始时都有内容提要,结束时有本章内容总结。教材中很多例题和习题要求学生运用计算机来完成作业。第五版教材不仅内容上有了根本的补充和更新,而且全书依然写得非常精炼,尤其是每一章结尾中专门列出的计算公式与方法,非常便于学生总结学习过的知识与建立起宏观的概念,便于直接用来分析问题。全书选取的工程实例也便于学生从中学习到如何将工程问题抽象为理论模型,对于如何进行力学建模具有很好的启发性。特别是第一章,专门写了静力学提要内容,使得读者即使没有系统地学习过理论力学内容也可以很快地进入材料力学内容的学习。全书为学习者提供了1300道作业题,其中很多需要运用计算机来求解分析。

Andrew Pytel和Jaan Kiusalaas编著的第五版Mechanics of Materials (with CD-ROM),内容除了涉及到应力、应变、拉压、扭转、梁的弯曲、超静定问题、柱问题等常规课题外,还涉及到有关梁等构件的非弹性等特殊课题,这是该教材的特色之一。教材为学习者提供了近30页实践应用的图表等数据。教材的另一个特色是为学习者提供了一个学习方法论的尝试,作者通过教材中大量算例,帮助学生学会如何实现从理论到实际的跨越,极大地提升了学生理解问题,分析和解决问题的能力。作者引入对称截面直梁的非弹性等问题,帮助读者了解相关理论。教材也提供了应力应变分析的一般理论,包括莫尔圆等。像能量法、非弹性行为、应力集中、非对称弯曲等都是本教材很有特色的内容。

James M. Gere教授编写的第六版Mechanics of Materials (with CD-ROM and InfoTrac)教材, 由Brooks/Cole, Thomson Learning于2004年出版,它源于国际材料力学创始人铁木辛柯教授编写的材料力学教材。全书与原来的教材风格基本相同,不仅包含参考文献、发展历史评述,而且注入了很多新时代的元素,例如教材附上了帮助学生学习和算题的光盘等。以问题解决CD光盘,Stress Alyzer为特点,扩充了学生的对于问题分析和解决技巧的理解。这本书的第六版持续成为各国高校工科学生材料力学方面的重要教材之一。

这里我们再给出一些国外高校材料力学教材的选用情况：以哈佛 、斯坦福 、普林斯顿、耶鲁、麻省理工、加州理工、加州伯克利、普渡、密西根、杜克等高校为例：

(1) S.H. Crandall, N.C. Dahl, and T.J. Lardner,An Introduction to the Mechanics of Solids

(2) Russell C. Hibbeler, Mechanics of Materials, 6/E

(3) Roy R. Craig, Jr, Mechanics and Materials (1996)

(4) Bedford, Fowler & Liecht, Statics and Mechanics and Materials (2003)

(5) Beer & Johnson, Mechanics and Materials

(6) James H. Gere, Mechanics and Materials, 6th edition

(7) E.P. Popov, Engineering Mechanics of Solids, Prentice Hall

(1990)

(8) I.H. Shames and J.M. Pitarresi,Introduction to Solid Mechanics, Prentice Hall (2000)

(9) F.P. Beer, E.R. Johnston and J.T. DeWolf, Mechanics of Materials, McGraw Hill (2005)

(10) S.P. Timoshenko and J.M. Gere, Mechanics of Materials, Van Nostrand (1972)

为进一步了解国外高校在使用教程同时对课程内容的教学情况,这里我们以杜克大学为例(60学时,相当于我们这里的中学时数),其教学内容和体系如下：

(1) Stress

(2) Strain

(3) Elastic Properties of Materials

(4) Combined Loading

(5) Torsion and Thermal Loading

(6) Beam Bending, Test 1

(7) Transverse Shear

(8) Mohr's Circle and Stress Transformation

(9) Spring Break, no classes

(10) Slope and Deflection of Beams

(11) Fracture of Engineering Structures

(12) Buckling-Test 2

(13) Indeterminate Structures

(14) Plasticity

(15) Energy Methods

Selected laboratory work(6)。

我们再以伊利诺依大学为例(44学时,相当于国内高校的少学时),教学内容如下：

(1) Basic concepts of stress and strain (4 h);

(2) Uniaxial loading and deformation: statically determinate and indeterminate problems; design based on yield strength, ultimate strength (5 h);

(3) Torsion of circular shafts and thin-walled sections, indeterminate systems design (9 h);

(4) Stresses due to bending, symmetric elastic beams, transverse shear, built-up beams, design of beams for structural applications (9 h);

(5) Beam deflections: differential equations, double integration, method of superposition, deflections, slopes, shear forces, and bending moments (7 h);

(6) Multi-axial stress and strain states: transformation of stress and strain, Mohrs circle representations, principal stresses and strains, states of plane stress and plane strain, two-dimensional elastic stress-strain relations, yield criteria, design problems for combined states of stress (6 h);

(7) Buckling of columns: Euler theory, design of columns (4 h)。

从教学课时安排上看,国外高校材料力学学时数与国内高校,尤其是在近些年来国内高校普遍缩减学时的情况下相差不多。但是国外高校材料力学周学时授课时数一般比国内高校要少很多,也就是学生在课外学习上,需要花费更多的时间,从前面40学时与60学时教学内容上看,要达到有关要求,学生必须在课外阅读较多的教材内容,完成较多的习题等,方能完成课程学习要求。这一点与国内高校很不相同,具体见下节讨论。

纵观各国高校的材料力学教材,有传统式的课堂教学、协作式、团队式、研讨式学习等。同时还有材料力学的开放课程资源,如Open Course Ware,Free Online Course Materials 等。

学生的课程成绩一般为多次、多元化综合评定,以增强学生课程学习的有效性和实用性。

从国外材料力学教材内容上可以看到,其例题和习题,版式和插图都很有特征或特点,具体体现为：

(1) 注重工程意识培养,强调工程问题的建模,注重学科交叉。

(2) 注重新知识的引入,例如有些新材料的力学性能等。

(3) 在例题中不简单套用公式,例题的质量较高。

(4) 例题具有开放性和拓展性,具有讨论性或者研讨性。

(5) 习题内容涉及相关的扩展知识。

以开口薄壁截面切应力为例(图2),Gere的《材料力学》教材以薄壁弯曲构件切应力计算公式推导,最终将其应用于矩形截面等梁的切应力计算公式,其中非常明确地给出了两者的不同之处以及误差所在,使学生学习后能够非常清晰地知道,梁的切应力计算公式的适用范围和适用条件。

再以压杆屈曲问题为例(图3),Gere的《材料力学》中除了给出了压杆欧拉力计算图以外,还给出了切线模量和割线模量的压杆临界压力计算图,这样使得学生可以全面了解压杆压曲问题的宏观概念,更加清楚地知道了欧拉临界压力公式的适用范围,这样的描述在国内教材是不多见的。如此描述要比国内教材有关临界应力适用范围的讨论更加宏观,也更具学术性,也给学生留下了很多思维空间,不乏为创新教学的一个亮点。

下面我们再看国外教材的例题和习题设计。这里给出了压杆问题习题中的有关图例(图4)。仅就图例可见,理论与实际在这里体现了很好的结合,使得学生在完成作业过程之中,也能够观察到日常生活或者工程中的材料力学问题。

图5~图8是另外一些材料力学教材中的图例。这些图例从工程角度切入,进一步验证了材料力学理论的可适用范围等,极大地拓展了学生的想象空间,也为学生从工程实际问题到材料力学分析建模拓展了思路。

国外材料力学教材非常重视相关教育资源的开发与应用。多媒体一般理解为多种媒体的综合,可以理解为直接作用于人感官的文字、图形、图像、动画、声音和视频等各种媒体的统称,即多种信息载体的表现形式和传递方式。

国外高校通过开发网络学习课程,建立数字图书馆和虚拟实验室。从而建立了开放灵活的教育资源公共服务平台,促进优质教育资源普及与共享。各高校还创新网络教学模式,提高教学效果。积极鼓励学生利用信息化手段主动学习、自主学习,增强运用信息技术分析解决问题的能力。

美国视听教育家戴尔1946年写了一本书《视听教学法》,其中提出了"经验之塔"的理论,认为经验有的是直接方式、有的是间接方式得来的。其中对观察的经验可以理解为利用视听媒体获得,而做的经验可以理解为触嗅味媒体获得。当前多媒体教学通过计算机实现的多种媒体组合,具有交互性、集成性、可控性等特点,但是需要强调的是它只是教学多媒体中的一个阶段,并不是全部。这也许是国外教材注重多媒体资源开发在学生培养中发挥有效作用的基础。当然,我国自21世纪以来,力学教材的多媒体资源开发也取得了很大的进展,有些成果已经具有国际先进水平。

国外高校比较注重对多媒体教学的质量评价。在美国六种教学媒体经常被使用,即：Powerpoint投影仪、DVD、幻灯片投影、Internet、大屏幕和教师计算机工作站(含基础力学求解器)。他们主要从六个主题(娱乐、学习、动力和职业应用)评价教学技术,还有教师的教学有效性评价：有教学材料与教授效果等。主要的评价指标如图9所示。

我国也有很多高校对多媒体教学进行评价,主要的技术指标如表2所示。

通过浏览国外有关高校的在线视频课程资源,得出如下可借鉴的经验：

(1) 结合专业和科目使用多媒体教学方式。有的内容使用传统的黑板讲授效果更好。如果授课内容在语言描述过程中出现障碍,就借助媒体将内容讲授得更加清楚,多媒体课件不是教材的简单搬家,课件的制作一定是针对讲授内容,必须存在所谓的"增量",这个"增量"正是促进学生理解掌握授课内容的基础。在教学中运用多媒体教学,可能更多的是为展示新内容,扩大信息量,可以运用文字等手段,传递教材没有或陈旧或不完整的内容。

(2) 注意增加师生交流,合理运用记忆的规律制作课件。在制作课件时自觉地运用教育技术学的知识,将PPT的张数控制在一定范围内。此外一张幻灯片中的文字,色彩,声音等元素不宜过多,图表及文字行数适中。教师在讲课过程中就课件中的问题与学生形成互动,这样增加了师生之间的交流,更加有利于知识转移。

(3) 多媒体利用不当,会成为新的灌输工具,就限制了学生思维想象的空间。有些多媒体课件只是把所学内容直接地呈现在学生面前,以为这是在帮助学生理解,这种教学只是把自己的意志和理解强加到学生的思维当中,使学生省去了思维活动的理解感悟的过程,不仅没有帮助学生理解,反而限制了学生的思维空间。

利用多媒体辅助教学有利也有弊。我们教师既不能盲目地为追求潮流而过多使用,为了做课件而做课件,造成华而不实,哗众取宠,也不能因噎废食,受传统教学理念的束缚而将新的教学理念与手段拒之门外。我们应该对多媒体教学进行理性认识,本着为教学为学生学习服务的思想,深刻领会教学思想,揭示教学本质,根据教学内容,设计最富启发性的教学情景,营造活跃思维的气氛,准确地把握哪些内容该用课件来演示,扬长避短,合理运用,并将它与教学艺术、教师的人格魅力完美地结合,才能达到事半功倍的效果,才能让多媒体真正服务于教学教育,成为教学的好帮手,从而开创教学教育崭新的局面。

(4) 多媒体教学不只是在课堂上使用,还可以延续到课前和课后。

教学媒体可以渗透到教学的各个环节,课前的准备、课后的作业和辅导,都可以利用媒体实现,如图10所示。

(5) 注意多媒体教学环境的构建

多媒体教学环境包括很多内容,其中教学课件是重要的组成部分,课件的制作属于教育软件的组成成分之一,在课件制作过程中,教师的知识转移给课件,在讲授的时候课件内含的知识再次转移给学生,形成知识的二次转移,因此教师制作多媒体课件的水平直接影响到课件的质量,也直接影响到教学效果的好坏。

此外多媒体教学环境还包括人文环境,也就是教师对多媒体教学的接受程度和适应程度,教师对教学软件的适应程度和熟悉程度。一个好的教学软件编制完毕还不能算结束,还需要推广,需要环境支持,如宽带网络、视频演示、声音和光线保障等。

这里我们给出国外其他一些基础力学教材,以供参考：

(1) Douglas W. Hull, Mastering Mechanics I Using Matlab 5, Prentice Hall (1999)

(2) Young W. Kwon and Hyochoong Bang, The Finite Element Method Using Matlab, CRC Press, (1997)

(3) A. Portela and A. Charafi, Finite Elements Using Maple, A Symbolic Programming Approach, Springer (2002)

从中可见,基础力学教材已融入了国际上流行的计算机代数系统,以方便学生更好地掌握计算工具,提高解决问题的能力。图11是应用Matlab程序画应力圆和梁的剪力图与弯矩图的算例。

这里我们再给出铁木辛柯著弹性力学教材案例(图12)。全书近300页中有附注500多个,引用了近400位学者800多篇次论文。这样的引注实属罕见,尊者原创者的贡献,是保护知识产权在教材建设中的很好的案例,值得我们编著教材时学习借鉴。

下面我们再给出近年出版的美国学者《工程力学中近似解方法》的教材案例,见图13。该教材写的非常精炼,全书涵盖了工程力学分析中几乎所有的近似方法,从加权残数法、有限差分法、有限元法,到专门化法、边界元法、无网格分析法等,应有尽有。但是全书篇幅才区区十几万字,很薄的一本书,内容撰写得非常通俗易懂。值得推崇的是教材还引用了几百篇前人在这些近似解方法上的研究文献,为读者进一步了解和学习提供了很好的参考,同时也是教师对学生课外学习提出进一步要求很好的参考资源。

从上述对国外基础力学教材的分析,对国外相关课程的调研,以及比较国内的主流基础力学教材和课程,国外教材和课程的主要优点如下：

(1) 教材编著者基本上都是学术水平高和教学经验丰富的相应领域的著名教授与学者。

(2) 百花齐放,特色鲜明,不拘一格,反映出教材作者对教学体系、内容的独特见解和认识,编者有自己的教学理念和风格。

(3) 教材编写以学生为本,充分考虑适应学生的基础和特点,与作者自己的科研传统协调一致,坚守编写者自己的教学传统与风格。

(4) 教材内容日趋丰富、更加深入,更加接近实际,更富有时代感,选取的素材更鲜活生动。

(5) 编著者非常尊重学生的认知规律,全方位地精心设计和处理教材中的各方面细节,包括例题、习题等。

(6) 教材内容上数理逻辑严谨、明了,同时又注重实际应用,两者并不矛盾,可以互相兼顾。

(7) 强大的数学运算工具和计算工具是基础力学教学中解决问题的主要分析工具和载体。

(8) 很多教材都经历多次再版,不断完善精编,方能成为一部经典教材,其中优秀教材则对传承与创新处理得非常恰当。

(9) 对于理论力学来讲,在动力学部分中,分析力学占大部分篇幅。

(10) 课程与教材的风格基本一致,除了大课以外还配有讨论课等学习环节。

(11) 课程注重解决实际问题能力的培养,注重教会学生利用Matlab等软件进行代数和数值计算,鼓励学生自己设计实验验证理论分析、数值计算结果。

(12) 课程配有一定的教师课堂演示实验、学生动手实验等。

(13) 课程或教材常常建有丰富的教学资源库,适合学生和教师课内外应用,同时有利于教材内容不断积累、更新和与时俱进。

因此,通过对国外教材的系统与深入研究,因其所具有的综多特点与特色,为国内基础力学教材和课程改革提供了思路和方向：

(1) 教材改革的思路：教学改革不能仅仅停留在内容体系的调整与改变上,也不能为了改革把本来通俗易懂的理论复杂化(即简单问题复杂化),更不能为了所谓的改革而标新立异、脱离实际。从适应新时代教学的要求出发,精炼经典理论,适当增加新内容,突出能力培养,注重将新内容融入经典理论,处理好知识和能力的关系。

(2) 教材要反映科技成果的新内容：加强新概念的引入与扩展;重视计算机分析方法的应用;应用方面设计广泛的工程背景,并体现课程间的衔接与内容上的贯通。

(3) 教材建设与编著要以学生为本、要重视学生的能力培养：培养学生科学的思维方法,训练学生从事科学研究和工程应用并善于创新的能力。因此要精选工程实例或案例;例题一定要设计得经典,增加有实际工程背景的材料;教材作者要设计研究性的思考题;教材要适当补充典型理论产生形成的过程以及创造新知识可能的方向,例如引入有关文献与索引等。

(4) 教材建设要适应时代特点,相关资源建设是使得教材逐步形成经典教材的基础,文字教材有时受到篇幅等限制,但基于新型媒介(5G等)与技术(例如AI,AR,VR等)的资源建设是今后的发展趋势,更是学习和教学中师生互动的平台,新技术发展与应用也许会给教学方法上带来更新与突破,同时也需要关注新技术之双刃剑作用。

(5) 教材内容不仅仅限于知识体系本身,如何将知识发现和产生的过程告诉学生,如何保护知识产权,如何在较少的篇幅中提供极大的信息量,对教材编写者们是一个极大地挑战,更是新教材应该追求的价值取向。

(6) 基础力学教学内容虽然经典,但是经典中依然充满着创新与创造,这就需要编著者不断更新教学理念与思想,深入研究教材内容,结合最新取得的科技成就,练就好科普写作基本功,同时还要深入工程实践,具备较好的将工程实际问题提炼成科学问题或者力学模型的本领等。

备注：文中部分图片引用国外基础力学有关教材等,篇幅所限, 略。