CC BY
117
УДК 531.01
В. И. Локтев
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА В ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММАХ В ОБЛАСТИ КОРАБЛЕСТРОЕНИЯ И ОКЕАНОТЕХНИКИ: РЕТРОСПЕКЦИЯ И СОСТОЯНИЕ
Теоретическая механика как наука без всякого преувеличения является научной базой современной техники. Поэтому как учебная дисциплина теоретическая механика, наряду с математикой, физикой, имеет большое общеобразовательное значение, ее основы необходимо знать инженеру любой квалификации, направления, специальности.
И в древности элементарные соображения механики использовались для практического сооружения простейших машин (рычаги, блоки, клинья), примитивных орудий (камнеметы, катапульты), весельных судов (триеры, пентеры). Но вплоть примерно до середины 17-го века в трактаты по механике включались разделы по философии, медицине, химии, астрологии, другим, часто лженаучным отраслям знаний. Целостная система механической картины мира и механистического мировоззрения впервые изложена в работе великого Исаака Ньютона «Математические начала натуральной философии» (1687 год, перевод на русский язык: «Собрание трудов академика А. Н. Крылова», том VII. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1936).
Бурному развитию механики с начала 18-го века способствовала необходимость решения целого ряда практических задач для мореплавания (определение координат местоположения), артиллерии (движение снаряда), производства (ковка, чеканка), гидротехнического строительства (каналы, плотины, мельницы). В это время в Москве создаются Школа математических и навигацких наук (1701 год), Инженерная (1711 год) и Артиллерийская (1712 год) школы, в Петербурге - Морская академия (1715 год), в губернских городах - «цифирные школы», на Урале и в Сибири - горные училища. Из многих частей естествознания как одна из ведущих наук выделяется механика, издается первый русский печатный учебник по механике «Наука статическая или механика» (1722 год). Его автор Г. Г. Скорняков-Писарев преподавал в Морской академии артиллерию, некоторое время был ее президентом, заведовал Школой математических и навигацких наук. Содержание учебника на 36 страницах с двумя десятками чертежей представляло собой элементарную статику (разложение и сложение сил, правило параллелограмма, правило рычага) как науку о простейших машинах [1, с. 14].
С открытием в 1725 году в Петербурге Академии наук в России начались исследования по механике в широком по тем временам объеме. Россия в начале 18-го века только приступила к кораблестроению и не имела достаточного опыта, поэтому остро нуждалась в теоретических разработках. Петербургской Академией наук они были поручены Леонарду Эйлеру. Так, кроме большого курса механики из трех частей (механика точки, механика твердого тела, механика жидкостей) появилась его двухтомная «Морская наука», изданная в 1749 году и тоже относящаяся непосредственно к механике. В «Морской науке» Эйлер использует, должно быть, знакомые современному студенту-механику аналитические методы и приемы, например, теорему о движении центра масс механической системы. Движение судна автор рассматривает как совокупность поступательного и вращательного движений твердого тела, использует дифференциальное уравнение вращения. Эйлер пытался определить положение мгновенной оси вращения судна под действием момента, но в общем виде теория качки не была завершена [2, с. 139].
Позже заметными и серьезными учебными трактатами по механике стали «Механические предложения» (Я. П. Козельский, 1764 год), «Книга, содержащая в себе учение о равновесии и движении тел» (С. К. Котельников, 1774 год), «Руководство к механике» (М. Е. Головин, 1785 год).
Научные достижения ученых способствовали внедрению механики в учебный процесс в университете при Петербургской Академии наук, в гимназиях, специальных учебных заведениях. Крупным событием в России явилось открытие в 1755 году Московского университета. К концу 18-го века назрела необходимость расширения высшего образования. Открываются Дерптский (Тарту, 1802 год), Харьковский (1804 год), Казанский (1805 год) университеты, в Петербурге - Институт инженеров путей сообщения (1809 год). С момента основания на базе Учительского института Петербургского университета (1819 год) образуется кафедра механики.
И все же преподавание механики, в основном, было элементарным. Обычно механика входила в состав курса прикладной математики и часто, в зависимости от научных интересов преподавателей, включала в себя оптику, астрономию, архитектуру, геодезию, горное дело. В 1798 году появляется первая русская работа «Опыт о усовершенствовании элементов геометрии», посвященная обоснованию математики и программе построения учебного курса. Ее автор С. Е. Гурьев преподавал в Училище корабельной архитектуры, написал несколько руководств по математике и подготовил первую часть «Оснований механики» (1815 год).
В преподавании механики в Московском университете серьезные изменения приходятся на 30-е годы 19-го века, и связаны они с именем Н. Д. Брашмана. Тогда в Москве на базе Ремесленного училища открылось первое высшее техническое учебное заведение - Высшее техническое училище (1830 год). С 1844 года, по предложению Брашмана, в университете был поставлен курс практической механики. Так университетское образование сближалось с практикой. Этот период связан с деятельностью крупного русского ученого, математика М. В. Остроградского. Многие его серьезные теоретические исследования нашли применение в решении практических задач механики. Высоким мастерством отличались его лекции по механике в Институте инженеров путей сообщения, изданные как курс «Аналитической механики» (1836 год).
Промышленность, транспорт, оборудование, технологии во второй половине 19-го века настоятельно нуждались в грамотных специалистах, инженерах. Это способствовало росту специального технического и университетского образования. В первой половине 19-го века в России было всего 3 высших технических учебных заведения, в конце 19-го века - 11, в них обучалось 5 500 студентов. Увеличилась численность научно-педагогических кадров, в том числе занимающихся механикой. Стали появляться специализированные журналы, научные школы, методические направления.
Важной областью прикладной механики, в развитии которой особо существенна роль ученых России, является теория корабля и кораблестроение. Основная заслуга в научном обосновании проектирования и строительства судов принадлежит Алексею Николаевичу Крылову. После окончания Морского училища он прошел практику на судостроительном заводе, закончил Морскую академию и в 1890 году стал читать лекции по теории корабля. По поручению Морского министерства Крылов решил актуальную задачу и разработал оригинальную теорию качки корабля, включил ее в свой курс. Позже им был создан курс «Вибрации судов», который он начал читать в 1901 году. Методы исследования, развитые Крыловым в многочисленных научных исследованиях в теории корабля (как он считал, одном из направлений прикладной механики), применяются при решении задач механики в теории гироскопов, баллистике, в других областях. По сути, работами Крылова положено начало новой науки - строительной механики корабля. В 1894 году в России создается опытовый бассейн, позже его руководителем был назначен Крылов, а в 1944 году ведущий научно-исследовательский институт судостроительной отрасли страны назван его именем - ЦНИИ имени академика А. Н. Крылова.
В свете новых научных достижений в физике в конце 19-го века развернулась бурная дискуссия по поводу основных понятий и законов классической механики. Во многом благодаря русским механикам, педагогам Н. А. Умову, Г. К. Суслову, Ф. А. Слудскому, Н. Е. Жуковскому, Д. К. Бобылеву и другим удалось избежать отказа от упрощенного механистического мировоззрения и ревизии основ ньютоновской механики. «Точка зрения этих ученых на принципиальные понятия и законы механики сводилась к следующему: динамические основы механики, связанные с понятием силы и с принципом ускоряющих сил (второй закон Ньютона), чрезвычайно плодотворны. Ценность понятия силы и связанной с этим понятием системы механики состоит в том, что выводимые из этих понятий и законов количественные зависимости позволяют эффективно решать самые разнообразные практические задачи механики, если даже механизм передачи движения (взаимодействия тел) неизвестен» [3, с. 213].
В конце 19-го - начале 20-го века в русских университетах плодотворно работали Д. К. Бобылев, Н. И. Лобачевский, А. П. Котельников, О. И. Сомов, В. Л. Кирпичев, А. М. Ляпунов, И. В. Мещерский. Их научно-педагогическая деятельность в области математики и механики была практически неразделима. Это связано с тем, что в середине 19-го века основное направление в преподавании механики в России было аналитическим, по Эйлеру и Лагранжу. Геометрические идеи Пуансо были известны, но стояли на втором плане.
С 1872 года начал свою работу в Московском высшем техническом училище в должности преподавателя математики Николай Егорович Жуковский, выдающийся русский ученый-механик, создатель первой в российском высшем техническом образовании кафедры теоретической механики (1887 год). Собственно, это событие и эту дату - 1887 год - условно можно считать датой создания теоретической механики как самостоятельной учебной дисциплины. Жуковский встал на сторону геометрического метода, не пренебрегая методом аналитическим: «Отстаивая достоинства геометрического метода исследования, я далек от мысли об его исключительности. Механика должна равноправно опираться на анализ и геометрию, заимствуя от них то, что наиболее подходит к существу задачи... Анализ дает нам могущественное оружие для разрешения задач динамики. Но последняя обработка решений задачи всегда будет принадлежать геометрии» [2, с. 241].
Жуковский выбросил из курса аналитический «мусор» и основал преподавание механики на принципах Галилея, Ньютона, Гюйгенса и Пуансо. В начале 20-го века преподавание теоретической механики в московских вузах, по существу, велось под руководством Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина. Структура (основные разделы курса - статика, кинематика, динамика) и содержание 4-семестровых курсов в высшем техническом училище и университете во многом совпадало, отражало научные интересы лекторов, но хронологически было разным (табл. 1). Основными учебниками для студентов были литографированные авторские издания. Курс теоретической механики Жуковского был настолько прост и понятен студентам, что получил распространение по всей России.
Таблица 1
Сравнительное содержание курсов теоретической механики в московских вузах в начале 20-го века
Техническое образование (высшее техническое училище) Классическое образование (университет)
1-4 семестры 3-6 семестры
Статика, графостатика, расчет ферм Кинематика
Г еометрия движений (кинематика), начала динамики Статика (без графостатики)
Кинематика точки, теорема Кориолиса, динамика точки, движение планет, теория притяжения Динамика точки, математический маятник, движение планет, теория притяжения
Динамика системы, аналитическая статика Динамика системы, аналитическая статика
В период массовой индустриализации в конце 1920 - начале 1930-х годов так же массово стали создаваться по всей стране высшие учебные заведения. К этому периоду относится создание двух кораблестроительных институтов - Ленинградского (1930 год, на базе кораблестроительного факультета Ленинградского политехнического института) и Николаевского (1930 год, на базе Николаевского машиностроительного института и судостроительного факультета Одесского политехнического института), Одесского института инженеров морского флота (1930 год). Кафедры теоретической механики занимают в учебном процессе этих вузов одно из ведущих мест.
В годы Великой Отечественной войны создаются высшие инженерные морские училища в Ленинграде, Одессе, Владивостоке. В послевоенные годы число вузов в стране продолжает расти, к концу 1960 - середине 1970-х годов их уже больше 800, в том числе 60 университетов, 70 политехнических, 200 других инженерных вузов. Из 3 300 преподавателей кафедр теоретической механики вузов около 3,5 % составляли доктора наук, свыше 35 % - кандидаты наук [4]. Для организации учебного процесса используются новые издания - «Лекции по теоретической механике» (Е. Л. Николаи, с 13-го издания в 1956 году - «Теоретическая механика»), «Основной курс теоретической механики» (Н. Н. Бухгольц, 1932 год), учебники Г. К. Суслова, И. М. Воронкова, А. А. Космодемьянского, Н. А. Кильчевского, С. М. Тарга, А. А. Яблонского.
Долгое время, почти до 20-х годов 20-го века, не было хороших задачников по теоретической механике для организации практических занятий и самостоятельной работы студентов. Лишь в 1925 году был издан «Сборник задач по теоретической механике» Н. Н. Бухгольца, который выдержал не одно издание и до сих пор остается одним из лучших. Примерно в то же время переиздается и получает широкое распространение «Сборник задач по теоретической механике» И. В. Мещерского, который с момента его появления в 1914 году как пособия для пре-
подавания механики в Петербургском политехническом институте выдержал больше 35 изданий. В 50-60-е годы издаются сборники и пособия по решению задач И. Н. Веселовского (1955), М. И. Бать (1961), Т. Б. Айзенберг (1965), Н. А. Бражниченко (1967) и других авторов.
На рубеже 1950-1960-х годов появилась острая необходимость унификации учебных программ, обмена опытом преподавания теоретической механики. Этому в значительной степени способствовал созданный в 1964 году Научно-методический совет по теоретической механике при Министерстве высшего и среднего специального образования СССР, который долгое время возглавлял академик Александр Юльевич Ишлинский. Благодаря активности Научнометодического совета была сформирована система повышения квалификации преподавателей теоретической механики при ведущих вузах страны - Московском и Тбилисском государственных университетах, Московском высшем техническом училище, позже - Киевском и Ленинградском государственных университетах. Проводятся выездные заседания президиума совета в Киеве (1966 год), Баку (1968 год), Одессе (1969 год), Таллине (1972 год), раз в пять лет проводятся Всесоюзные совещания-семинары заведующих кафедрами теоретической механики вузов, с 1968 года издается «Сборник научно-методических статей по теоретической механике» [4]. Серьезной и своевременной работой совета стал сборник статей под редакцией А. А. Яблонского в книге «Теоретическая механика во втузах» [5].
Секцию программ и учебных планов в Научно-методическом совете возглавил профессор
С. М. Тарг. В 1965 году были разработаны общие программы курса теоретической механики для механических («большая» программа) и немеханических («малая» программа) специальностей [5, с. 99]. Общие программы определяли минимум знаний в области теоретической механики и давали возможность кафедрам вузов отбирать материал с учетом специальной подготовки будущих инженеров.
В 1970-е годы объем курса теоретической механики в учебных планах был увеличен примерно на 20 часов почти для всех машиностроительных специальностей. Вместо входившего в планы ряда немеханических специальностей курса «Механика», где теоретическая механика была объединена с дисциплинами общетехнического цикла, в новых учебных планах для этих специальностей теоретическая механика была выделена в самостоятельную дисциплину. Поэтому были разработаны три типовые программы: для полного трехсеместрового курса теоретической механики объемом 208-226 аудиторных часов, для большинства машиностроительных, транспортных, строительных специальностей (170-190 аудиторных часов) и сокращенная программа для технологических, электромеханических специальностей (120 аудиторных часов).
Сравнительный анализ типовых программ, действовавших в то время в большинстве вузов (табл. 2), показывает, что они достаточно полно охватывали основные положения классической механики, из специальных разделов включали только элементы аналитической механики и, для машиностроительных специальностей, элементы теории удара. Другие специальные разделы теоретической механики (теорию колебаний механических систем, теорию гироскопов, механику тел переменной массы, теорию устойчивости движения) вузам рекомендовалось включать в учебные планы факультативно по решению советов.
Таблица 2
Сравнительный анализ типовых программ по теоретической механике (1970-е годы)
Технологические, электромеханические специальности Строительные, транспортные, машиностроительные, приборостроительные специальности
120 аудиторных часов 170-190 аудиторных часов
2, 3 семестры 2, 3, 4 семестры
Статика. Кинематика Статика, включая трение, центр параллельных сил и центр тяжести
Динамика, в том числе колебания точки, элементы аналитической механики Кинематика, включая сферическое, свободное движение, сложение движений тела
Динамика, в том числе колебания точки. Аналитическая механика. Элементы теории удара
Негативные тенденции последних двух-трех десятков лет привели к снижению числа аудиторных часов на курс теоретической механики. С переходом на Государственные образовательные стандарты (ГОС) прежний трехсеместровый курс теоретической механики по специ-
альности «Кораблестроение», например, в Астраханском государственном техническом университете (АГТУ) сократился до двух семестров. Число аудиторных часов в целом за последние годы снизилось в полтора-два раза.
Прежде, а в условиях сокращения объема дисциплины особенно, на кафедрах теоретической механики стали разрабатывать собственные краткие изложения курса. В АГТУ такого вида издание в виде конспекта-справочника апробируется с конца 1980-х годов. Последнее его издание [6] имеет гриф редакционно-издательского совета АГТУ как учебного пособия по курсу теоретической механики. В настоящее время в издательстве АГТУ завершается работа над очередным, дополненным изданием конспекта-справочника с грифом Учебно-методического объединения вузов РФ по образованию в области кораблестроения и океанотехники. Учебное пособие теперь дополнено практическими примерами из области будущей профессиональной деятельности. Так, в разделе «Статика» рассматриваются задачи буксирования баржи, определения усилий в стержнях судовой шлюпбалки, понятие остойчивости судна. В разделе «Кинематика» обсуждаются географические координаты, скорость и курс судна, схема двигателя с качающимся цилиндром, в «Динамике» будущих корабелов должны заинтересовать простейший виброметр, степенной полиспаст, задача о движении автомобиля по парому, гироскопические эффекты и другие практические задачи.
Что ожидает вузы и будущих студентов-кораблестроителей - потребителей образовательных услуг - с введением нового ГОС третьего поколения [7]? Из разделов «Характеристика профессиональной деятельности» и «Требования к результатам освоения основных образовательных программ» (табл. 3) становится понятным, что многие из направлений будущей деятельности бакалавров техники и технологий требуют фундаментальных знаний в области механики, в том числе и прежде всего - теоретической механики, сопротивления материалов.
Таблица 3
Некоторые характеристики профессиональной деятельности (ПД) и компетенции бакалавра в области кораблестроения [7]
Область ПД Создание судов, энергетических машин и механизмов, морских инженерных сооружений
Объекты ПД Суда, энергетические комплексы и машины, механизмы и оборудование
Виды ПД Проектная, научно-исследовательская
Задачи ПД Участие в проектировании и расчете, в монтаже, наладке, испытаниях опытных образцов узлов, систем, деталей объектов морской техники, участие в выполнении экспериментов, анализе результатов
Компетенции Готов участвовать в разработке проектов судов, судовых систем и устройств, в экспериментальных исследованиях, в научных исследованиях основных объектов, явлений и процессов, готов изучать научно-техническую информацию
Но в «Структуре основных образовательных программ бакалавриата» Государственного образовательного стандарта для корабелов [7] в перечне дисциплин для разработки примерных программ дисциплине «Теоретическая механика» места не нашлось. Нет в перечне и дисциплин «Сопротивление материалов», «Детали машин», других общетехнических дисциплин механического цикла, не говоря уже о теории упругости, вибрации судов, строительной механике корабля. Указана лишь одна дисциплина: «Механика». Похоже на то, что подготовка специалистов-механиков (таковыми всегда считались кораблестроители) возвращается на сто с лишним лет назад, в конец 19-го века. Отказ от наследия Л. Эйлера, Н. Е. Жуковского, А. Н. Крылова, от фундаментального образования в области механики и переход к усеченной, говоря языком аналитической механики, «виртуальной» образовательной программе приведет к подготовке ремесленников, а не грамотных, квалифицированных специалистов - механиков, машиностроителей, корабелов.
В то же время, например, по направлению «Нефтегазовое дело» механика тоже представлена не мощно, но все-таки двумя дисциплинами (табл. 4), еще более основательно дисциплины механического цикла представлены в направлениях «Строительство», «Прикладная механика».
Таблица 4
Дисциплины из области механики в ГОС для бакалавров по разным направлениям [8]
Направление бакалавриата Разработчик Дисциплины из области механики
Кораблестроение, океанотехника, системотехника объектов морской инфраструктуры Санкт-Петербургский государственный морской технический университет Механика
Инноватика Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Механика и технологии
Нефтегазовое дело Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина Теоретическая и прикладная механика Гидравлика и нефтегазовая гидромеханика
Строительство Московский государственный строительный университет Механика (теоретическая механика, техническая механика, механика грунтов)
Прикладная механика Московский государственный технический университет (МВТУ) имени Н. Э. Баумана Теоретическая механика Сопротивление материалов Аналитическая динамика и теория колебаний Теория упругости Основы механики жидкости и газа Строительная механика машин
И все же верится в лучшее. Научно-методический совет по теоретической механике при Минобрнауки РФ, возглавляемый профессором МГУ им. М. В. Ломоносова Ю. Г. Мартыненко, и здесь проявил дальновидность, предложив для обсуждения «Примерную программу дисциплины «Теоретическая механика» для ГОС 3-го поколения» [9], в том числе по направлению «Кораблестроение и океанотехника». Сравнительный анализ действующей образовательной программы и примерной образовательной программы по теоретической механике (табл. 5) показывает, что число аудиторных часов рекомендуется увеличить до 130-150.
Таблица 5
Сравнительный анализ образовательных программ по теоретической механике в области кораблестроения и океанотехники
Основные разделы теоретической механики в действующем ГОС, квалификация - морской инженер [8] Основные разделы теоретической механики для ГОС 3-го поколения, квалификация - бакалавр техники и технологий [9]
106 аудиторных часов 130-150 аудиторных часов
Два семестра Нет учебных планов
Кинематика Динамика и элементы статики Статика Кинематика Динамика Аналитическая механика
Значит, есть надежда, что теоретическая механика все же займет достойное место в учебных планах бакалавриата по направлению «Кораблестроение, океанотехника, системотехника
объектов морской инфраструктуры».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Григорьян А. Т. Эволюция механики в России. - М.: Наука, 1967. - 168 с.
2. Веселовский И. Н. Очерки по истории теоретической механики. - М.: Высш. шк., 1974. - 288 с.
3. ТюлинаИ. А., РакчеевЕ. Н. История механики: учеб. пособие. - М.: Изд-во МГУ, 1962. - 228 с.
4. Шапошникова А. П. Наши задачи. Сборник научно-методических статей по теоретической механике. Вып. 6. - М.: Высш. шк., 1976. - 112 с.
5. Теоретическая механика во втузах: сб. статей под ред. А. А. Яблонского. - М.: Высш. шк., 1971 - 352 с.
6. Локтев В. И. Теоретическая механика. Конспект-справочник. - Астрахань: Изд-во АГТУ, 2006 - 112 с.
7. Проект Федерального государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки 98-б «Кораблестроение, океанотехника, системотехника объектов морской инфраструктуры». УМО по образованию в области кораблестроения и океанотехники // http://www.smtu.ru/smtu/rus/umo/umo_05.html.
8. Российское образование. Федеральный портал / htpp://www.edu.ru/db/portal/index.htm.
9. Примерная программа дисциплины «Теоретическая механика» федерального компонента циклов дисциплин общеобразовательной подготовки для ГОС 3-го поколения. Научно-методический совет по теоретической механике при Минобрнауки РФ / http://vuz.exponenta.ru/PDF/nms.html.
Статья поступила в редакцию 22.01.2010
ENGINEERING MECHANICS IN EDUCATIONAL PROGRAMMES IN THE SPHERE OF SHIPBUILDING AND OCEAN-TECHNOLOGIES:
REVIEW AND CURRENT STATE
V. I. Loktev
A historical analysis of mechanics formation as a science since the late 17th century is given in the paper. The first half of the 18th century is notable for the recognition of Newtonian mechanics, the origin of the Russian science and higher education. The end of 19th century is marked by the quantity-increasing effect of technical colleges; and engineering mechanics was singled out as a science and as an academic discipline. Great services of L. Euler, A. N. Krylov, in the application of mechanics to shipbuilding are mentioned, and in engineering mechanics - N. E. Zhukovsky. The role of the Scientific and Methodical Council of engineering mechanics at the Ministry of Education of the Russian Federation, established in 1964, is shown. The objective of this institute is to settle down the questions about the unification of curricula, and exchange of experience of teaching the course of engineering mechanics in institutes of higher education. Problems in the teaching of engineering mechanics, which must be solved in the nearest future in connection with the forthcoming turn to new government educational standards of the third generation, including the direction of "Shipbuilding, ocean technologies, systems engineering of sea infrastructure objects", are stated.
Key words: mechanics, science, education, government standard, programmes, engineering mechanics, shipbuilding.
