怎样加盟西贝莜面村:科学思维和科学方法在力学和工程教学中的应用

叶志明：力学基础课程教学指导分委员会副主任委员 上海大学副校长
现在，科学发展非常快，知识的使用寿命越来越短，大学生在大学阶段学习的知识可能若干年后就没用了，所以大学应该教给学生什么？怎么教？是非常关键的。已故上海大学钱伟长校长1983年到上海工业大学就任时就指出：我们希望学生到学校里来主要是掌握一种正确的学习方法、工作方法和思想方法，也就是辩证唯物主义的方法，所学的课程也好、专业也好，无非是一种载体，通过这个载体，训练学生掌握方法。这话听起来简单做起来可并不容易。直到今天，我们仍然强调要教给学生方法，但不是人人都能做得好、做到位。
首先，讲讲方法论。关于“方法论”，《辞海》里是这么说的：“是关于认识世界和改造世界的方法的理论，按其不同层次有哲学方法论、一般科学方法论、具体科学方法论之分”。现在的科学学普遍认为，要判断一个理论是否科学，必须要符合逻辑、经验、社会学和历史的四套标准，缺一不可。其实，我们会发现有时候做一件事情，只要抓住它的特征，就特别好办，这就是方法。举一个例子，参加本科教学评估的时候，时常要判断一所高校的特色。我们都知道一所大学要总结特色其实很费脑筋，往往是整理了很多东西，但好像都不准确。后来，我总结出一个判定的方法，即：先总结一所大学的特色，比如总结了上海大学的两个办学特色，然后把“上海大学”这个名称拿掉，把“西南交通大学”安上去，看这两条是否能够成立，如果这两条成立，就再把“浙江大学”安上去，如果这两条也能成立，那么就可以下结论：所总结的这两条不是上海大学的特色，而是所有高校共有的。相反，如果把所有高校安上去后都不成立，才是这所高校自己的特色。后来，我用这个方法判断高校的办学特色，发现很准确。而科学的思维方法是复杂的，它是各学科通用的研究方法，是进行科学探索、科学实践、科学研究的一般方法。当然，它又是多层面的，有宏观的、中观的和微观的，等等。例如，经线地图，地球沿经线展开；纬线地图，地球沿纵向（竖向）展开。如果这张地图放在店里卖的话，人们多半不会去买，因为它看起来很别扭，不习惯也不熟悉。比如，我们坐飞机从北京到纽约，从经线地图上看与从纬线地图上看，结果是不同的。如果看飞行路线图，甚至会看到飞机的飞行路线是曲线！有些人会奇怪怎么不飞直线飞曲线为呢？因为，地球是圆的，把它展平后直线变成了曲线。如果从地球仪上就可以直观地看到，从北京到纽约直飞穿越北极是地球球面上的最短直线距离。这说明，我们有时候看问题要全面、完整地看，这就是科学思维和科学方法所包含的一些道理。
再比如，法国数学家曼德布罗特问英国的海岸线有多长，这一问，问出了分形体和分形理论。曼德布罗特现在美国普林斯顿大学工作，1997年他到上海大学来讲学，给我们讲了一个故事，他说一个三维谢氏塔具有自相似结构，一个面包厂的老板找到他，说你这个体积总是可以限定在一个球里面，所占的材料最少，我用这个办法来制造面包，面包可以做的最大，而用到的面粉最少。做面包的老板也能够用这种科学思维去思考他的面包应该怎么做，这都是一些例子。我们每个人都是靠眼睛来观察事物的，比如图1a看起来是一个女人；图1b看起来是一个男人，但放在一起看，原来是同一个人。所以，有时候眼睛会给你一个错误的判断。

(a)                    (b)
图1 放在一起看，原来是同一个人
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。
教学是教师传授和学生学习的共同的创作性活动。教学过程是教师根据教育目的和学生身心健康的规律运用一定的教学手段，有目的、有计划、有组织地引导学生掌握系统的文化科学知识和一定的技能等。教学过程含有四个要素：教师、学生、教学内容、教学方法。这是一个动态过程，前面三个因素是通过第四个因素--教学方法来完成整个教学过程的。我们当老师的都应该明白这些基本的概念和道理。教学方法是师生在教学活动中相互联系的方法，是一种特殊的认识方法，具有科学方法的性质。这里面有很多可以挖掘的，比如，把科学思维和科学方法贯穿于全教学过程，教师在教学过程中要反映科学思维和科学方法，学生要学习科学思维、掌握科学方法，教学内容要以知识为载体，传播科学思维和科学方法，教学方法要符合科学思维和科学方法，等等。教学方法有很多，课堂教学、现场教学、自学方法、科研训练、工程设计等，在这些环节中要贯穿科学思维和科学方法。
以工程教育为例，我们的工程教学体系是否符合工程实际的要求？作为高等学校已经很难说得清楚了。比如，现在的工科类院校或工程类专业所培养的工程性人才很难区分究竟是工程的科学家还是科学的工程师。
在英国，作为一名土木工程师，必须具备以下素质：创造性、积极思考、能运用技术和实践技能、责任感、交际能力等。另外，它要求土木工程师要不断适应社会的变化，要不断掌握技术的变化，要不断地知晓经济的变化，要不断地了解环境的变化，要不断参与相关的职业学习，要学会从失败中学习。
美国工程师的基本素质要求是：对职业道德和社会责任的认识，宽厚的教育根基，足以认识工程对于世界和社会的影响，包括关于当代问题的知识，在多学科工作集体中发挥作用的能力，较强的人际交往能力，良好的分析能力，灵活的实践能力、创造力、商业管理能力等，以及对于终身教育的正确认识和学习能力等。
法国的工程师教育设立了5个课程门类：科学知识门类、技术与方法门类、表达与沟通门类、企业管理门类、文化与科技门类。科学和技术是两回事，而我们经常把它们当成一回事。每门课程都必须说明这门课程属于哪一类，所以其对工程师普遍达到的技术和能力要求非常细、非常完整，见表1。
表1  法国工程师要求具备的技能和能力
法国工程师教育普遍能达到的技能或能力
1．对基础科学广泛领域的资源进行运用的能力
2．对一项科学和技术的专业领域的了解和领会
3．对工程师方法和工具的掌握：a. 识别和解决问题，甚至是不熟悉的和尚不完全确定的问题；b. 数据的收集和解释；c. 信息处理工具的使用；d. 复杂系统的分析和设计；e. 实验
4．融入组织，带入活力，促进发展的能力：a. 行动力和领导能力；b. 项目管理和工程管理；c. 同专家与非专家进行沟通
5．重视工业、经济和职业方面的关键性问题：a. 竞争力和生产力；b. 创新；c. 知识和工业产权；d. 对质量和安全规程的遵守
6．在国际化背景下工作的能力：a. 掌握一门或几门外语；b.有经济头脑；c. 文化的开放性；d. 国际经历
7．尊重社会价值取向：a. 对社会关系的认识；b. 环境和可持续发展；c. 道德感
作为一名工程技术人员，要掌握工程技术的要素，更重要的是要掌握相关知识及其他方面的素质和能力。但是，我们的工程教育基本上还是在多少年来传统知识范畴内进行教学培养，基本上是计划经济时代对工程技术人员要求的延续。计划经济时代，工程技术人员只要做技术就行了，其他事情不用管。从发达国家的工程课程来看，很多课程对我们来讲，好像“不工程”，但是培养出来的学生却能干工程；而我们似乎“很工程”，但培养出来的学生却干不了工程。实际上是我们对工程教育的理解有偏差，这些偏差造成我们在人才培养上的问题。美国国家科学基金会有一个报告，虽然其中提到了中国工程教育对美国的冲击，但是它并不担心，它认为中国工程教育的内涵不对。
那么，我们看看工程教育的内涵是什么呢？科学就是解释“Why”，比如电灯为什么会亮？技术是解决“How”，比如怎么把电灯弄亮？应用就是把它应用到实际中，比如会场照明、家庭照明、路灯等。所以，科学和技术是两回事，但我们经常把二者混为一谈。美国有个估算，它说如果科学经费投入10万元的话，技术则需要投入100万元，而应用需要1 000万元！而我们现在经常是拿着10万元科学投资，去干技术和应用的事，结果事情做到最后既不科学也不技术，当然更谈不上应用。打个比方，科学家侧重于“讲理”，工程师侧重于“守法”，他们的工作目的、工作进度、品质要求、工作要求都不一样（见表2）。
表2  科学家与工程师的区别
科学家工程师
工作目的揭示自然现象解决迫切的实际问题
工作进度耐心迅速
品质要求深度的知识耐心的实验或思考逻辑的结论广阔的知识迅速的反应综合的判断
工作要求科研论文工程方案
2010年6月22号，教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”（以下简称“卓越计划”），探索中国特色的工程教育之路，这是回归到中国在市场经济条件下怎么进行工程教育的问题上来了。第一批在61所高校试点实施，包括西南交通大学、上海大学，我们发现全国开设工科专业的本科高校1 003所，占本科高校总数的90%，高等工程教育的本科在校生达到371万人，研究生47万人，但是我们如何做到所培养的人能够搞工程，这是一个很大的问题。“卓越计划”具有三个特点：一是行业企业深度参与培养过程；二是学校按通用标准和行业标准培养工程人才，所以这次教育部联合了其他行业制定工程师行业标准，这个标准里有很多不是传统的知识构成体系；三是强化培养学生的工程能力和创新能力。
要推进“卓越计划”的实施需要做到：一是联合培养；二是强化工程能力和创新能力；三是改革完善工程教师职务聘任（其实，推行这个计划，最大的问题是师资队伍的问题，我们现在很多教工程的老师本身就是从学校出来的，高中、大学、硕士、博士，从来没有搞过工程，他怎么能培养出卓越工程师呢？！）；四是扩大工程教育的对外开放；五是教育界与工业界联合制订人才培养标准。应该说，这个计划还是比较细的，比如专门制定了工程教育与人才培养的能力培养实现矩阵，就是说一门课程、一个环节实现的能力通过什么来实现。应该说，工程教育要还原原来的工程面貌还是很不容易的，这需要高等教育工作者科学地认识什么是工程教育，摒弃不合理的教学体系，根据工程要求来构建科学合理的工程教育和人才培养体系。
编写一本教材一定要搞清楚这本教材的愿景和使命是什么，这个不清楚的话，为写教材而写教材，虽然自我感觉不错，实际上里面没什么道理。所以，只有搞清楚这个道理之后，教材建设才是一项创造性劳动。运用科学思维和科学方法进行教材建设是可以做很多研究的。
现在，高等教育大众化了，我很担心，如果全国所有各种层次的高校都按统一的标准去评估的话，这是很可怕的事情。人才培养需要个性化，需要因材施教，要讲个性、需求和特色。
（本文系作者在“第五届力学课程报告论坛”上的大会报告，根据录音整理，经本人审定。因篇幅所限，本刊做了部分删减）