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建立“技术科学”研究人才培养的新教学模式

(2018-11-08)

尹协远1, 童秉纲1,2

1 中国科学技术大学

2 中国科学院研究生院

  

【编者按】 2011年,中国科学院院士工作局为纪念钱学森先生诞辰100周年,召开了一次“钱学森科学和教育思想研讨会”,童秉纲院士和尹协远教授就研究型人才培养模式在会上作联合发言。今天看来,该发言的思想和内容仍未过时,并具有很大启发性,故在学院媒体上刊登出来供广大师生参考。文稿由尹协远教授提供。

  

值此纪念钱学森诞辰一百周年之际,在缅怀他为我国科学事业做出的不可磨灭的巨大贡献的同时,我们不能忘记钱老不但是一位世界著名的伟大科学家,还是一位杰出的教育家。钱老一生热爱教育事业,关心教育事业的发展,并亲自办教育。一个最典型的例子是他与其他老一辈科学家一道倡议和促成了中国科学技术大学的成立,创建了近代力学系,亲自任系主任;又与郭永怀先生一起创建了化学物理系(郭先生任系主任);并亲自讲授《火箭技术概论》和《物理力学》。

本文第一作者是高速空气动力学专业第一届(58级)学生,毕业后留校任教至今。第二作者曾先后任近代力学系高速空气动力学专业教研室专职副主任(林同骥先生是兼职主任)、主任和近代力学系系主任,曾协助钱老和林先生构建专业教学体系。本文是根据我们的亲历亲闻,所感所悟,谈谈钱老创办近代力学系、创办高速空气动力学专业的办学理念。

一、钱老的技术科学思想及其人才培养

从20世纪之初开始,随着蒸汽机技术、火炮技术,特别是航空技术的发展,在科学技术研究上和大学人才培养模式上出现两股潮流:

一是基础科学和工程技术从分离到结合,形成应用科学,例如应用力学。以F. Klein(克莱茵)和 L. Prandtl(普朗特)为代表的Goettingen(哥廷根)应用力学学派和以Th. von Kármán(冯·卡门)为代表的GALCIT(加州理工学院古根海姆航空实验室,详见文末[注])应用力学学派在这个结合过程中起了重要的推动作用。

以空气动力学和航空技术的发展为例,由于边界层理论和机翼理论的发展,导致了双翼机向单翼机的发展。由于可压缩流动理论的发展,推动了飞机突破“声障”,实现超声速飞行。所以Th. von Kármán在纪念航空50周年时撰写的《空气动力学的发展》[1](1954)中指出:空气动力学“这门科学的发展是数学人和有创造力的工程师通力合作的一个稀有例子。从纯数学家的园地中出来的数学理论居然被发现适宜于用来描写飞行器绕流,而且异常精确,可直接应用于飞机设计”。

正是这种科学和技术结合的需求,另一股潮流是在大学人才培养模式上,提出“以学术研究为中心”, 办现代研究型大学,科研与教学结合,培养创新人才。

钱老是GALCIT应用力学学派的杰出代表,他有力地推动了高速空气动力学和喷气推进技术的发展。他继承和发展了哥廷根和GALCIT应用力学学派的优秀思想,形成了他的“技术科学”思想及其相关的办学理念。早在上世纪40-50年代,钱老就敏锐地预见到许多领域的高新技术正在兴起,他拓展了应用力学的概念,认为应该大力发展一批应用科学(包括应用力学在内),他把这类新型学科统称为技术科学(Engineering Science)[2-4]。他指出,“自然科学技术部门最高的层次是基础科学(如物理、化学等);实际应用的是工程技术;在基础科学与工程技术之间的,是技术科学”。这样在人们原来划分的自然科学(指基础科学)和工程技术两个层次之间增加了一个技术科学层次。它“是从自然科学和工程技术的相互结合所产生出来的,是为工程技术服务的一门学问”。他主张,“我们需要自然科学、技术科学和工程技术三个部门同时并进”。

钱老晚年回忆起他上世纪30-50年代在美国的学习和工作时说道[5],在MIT “一年就把硕士学位拿下了,成绩还拔尖。其实这一年并没学到什么创新的东西,很一般化”。 他批评当年MIT教学没有将自然科学基础理论和工程技术很好有机地结合起来。教学改革不彻底: 前两年着重自然科学,像学者;后两年专业学习,“又回到工程师所习惯的园地,放弃了分析方法,去研究经验公式了”。

“后来我转到加州理工学院,一下子就感觉到它和麻省理工学院很不一样,创新的学风弥漫在整个校园,可以说,整个学校的一个精神就是创新”。“那里的学术气氛非常浓厚,学术讨论会十分活跃”。“不同的学派、不同的学术观点都可以充分发表”。“讲的内容都是科学发展最前沿的东西,让我大开眼界”。

钱老比较了这两个学校培养人才的不同模式,当年MIT培养的是“航空工程师”,而GALCIT培养的是应用力学家。因此,钱老认定培养“技术科学”人才靠常规工程教育方法是不行的,需要另一种专业的人。因为“技术科学”的任务“要产生出有科学根据的工程理论”,“是一个非常困难,要有高度创造性的工作”[3]。

二、“技术科学”研究人才培养的新教学模式

中国科学技术大学近代力学系的成立,为钱老培养“技术科学”人才的办学理念提供了实践平台。这是钱老在回国以后,历时最长,倾注精力最多,最为系统完整的一次办学活动,是“技术科学”研究人才培养新教学模式的成功范例。这是钱老为我们留下的一份宝贵的遗产,值得后人好好学习、领悟和继承。

钱老与其他老一辈科学家在中国科学技术大学成立之初,就提出“全院办校,所系结合”的办学方针,确定以尖端科学技术人才为培养目标,在专业设置和课程体系等顶层框架设计时,充分体现了两个结合:“理工结合”和“教学与科研相结合”,形成具有鲜明科大特色的新教学模式,其主要特征表现在:

(1) 宽厚的基础课教学

重视基础课教学是中国科学技术大学有别于其它工科大学的最大特色之一,是建校50多年来坚持的传统。钱老为此曾专门撰写《中国科学技术大学的基础课》[6]文章在人民日报上发表,其中详细阐述了学习基础课的意义、内容和学习的方法论。他写道:“我们重视基础理论的原故,是因为科技大学的学生将来要从事于新科学、新技术的研究”,“要在尚未完全开辟的领域里去走前人还没有走过的道路”。“因此我们只有更多地依靠一般的知识”、“自然界一般规律”, “其中尤其重要的是关于物质结构、性质和运动的规律,这就是物理、化学。它们也就是我们在模索过程中的指南针”[6]。另一方面,“新的力学分支的发展成长和实验技术的进步也是分不开的,而这些实验技术也都是利用了现代物理、化学上的许多成就建立起来的”[7]。


1 科大课程体系框架示意图


他说,中国科学技术大学将基础课分成基础理论和基础技术两大类,基础理论就是数学、物理和化学。基础技术包括工程设计技术(机械制图、机械设计)、实验技术(电工电子学、非电量电测)和计算技术(计算方法、电子计算机)三类。再加上外语,这就构成了中国科学技术大学公共基础课的基本框架(如图1所示)。在中国科学技术大学,整个基础理论课约占总学时的1/3左右, 技术基础课也占到总学时的百分之十几。这样,基础理论课要比一般工科院校多,基础技术课又多于一般理科专业。这就体现了鲜明的“理工结合”的特色。

以我们近代力学系58级为例,物理、数学都是甲型的,要学5个学期。一般大学力学专业不学的化学课,我们也要学一个学年。此外,还有从经典力学到现代物理的物理实验,从无机到有机的化学实验。

据当年为我们上《理论力学》课的钟万勰院士的回忆:“钱先生指示,动力学部分,要讲到相对坐标系的动力学、变质量体系的动力学、陀螺系统、运动稳定性和非线性振动。这些都是常微分方程可解决的问题。这对学生的要求是非常非常高的”。

另据当年为我们58级《理论力学》补课的童秉纲回忆,钱老“建议采用Th. von Kármán和M. A. Biot著的《工程中的数学方法》(1940)作为参考书”。这是一本经典的应用力学名著,该书是选择若干代表性工程问题,提炼成力学模型和建立数学方程来讲述数学方法。58级学生虽然已学过材料力学和理论力学课程,但程度参差不齐。在力学补课中,由于抓住了典型问题,体现应用力学研究的方法论,将原理、方法和应用结合起来,取得较好的补课效果。

钱老还十分重视电子计算机在力学计算中的作用。指出,“力学计算中不但要在一般原理原则上论证推演,而且要算出具体结果”,“必须明确要把电子计算机和力学结合起来,不然就不是现代力学”[7,8]。

回想当年,在我国刚刚研制第一台电子计算机的时候,他就在近代力学系的教学计划中安排学生学习“电子计算机原理”课程。当年还没有算法语言, 学生们必须用(0,1)二进制码编写程序。而现在任何的大型力学问题的计算都离不开电子计算机,可见出他当年是多么具有科学远见!


科大近代力学系58级基础理论课及任课教师一览表

 

钱老深知教学质量的好坏,教师是决定性因素。所以他为近代力学系聘请来了最好的教授(见表1)。钱老曾幽默地对第一届学生说,这是我为你们搬来的几门重型“大炮”。这些大家们在各自的学科都有突出的成就,知识面广,对各自学科都有独到的见解。通过他们的讲授及与同学的接触,以其深厚的造诣和人格的魅力言传身教、潜移默化地影响着我们。

钱老对我们近代力学系的教学和学生素质要求很严格,期望很高。一个典型的例子是58级学生的补课。由于一次测验成绩不够理想,由此钱老进一步了解到,《高等数学》在工科院校约做300多道习题, 我们约350道左右。他认为近代力学系是偏理的,我们的习题做的太少,数学和力学底子没有打好,于是他毅然决定给58级再补半年课,专门补数学和力学。可见钱老对教学的要求之严,不达要求,决不马虎。

他期望通过严格的基础训练以后,学生能掌握下列三方面的基本知识和能力:1.深厚的数学基础及运算、分析能力;2.扎实的物理和化学基础知识;3.工程设计的原理和相应实践。

更值得荣幸的是,钱先生还亲自讲授“火箭技术概论”。回忆起当年在自动化所的大教室里,三四百人挤得满满的,除了近代力学系的58、59这头两届学生,还有其它研究所、院校和部队的教师和研究人员。钱先生讲课条理极其清楚,一口标准的普通话,把复杂的道理高屋建瓴、深入浅出地讲出来。能让各个层次听课的人都能从中得到收获。他的讲授使我们了解航天技术是一项各种专业知识综合的复杂的系统工程,大大开阔了我们的眼界。每一个听过课的人都为他渊博的学识所倾倒。这是一次终生难忘的经历,并对我们日后的人生产生了深远影响。

50年来,中国科学技术大学的毕业生无论在海内外都广受好评,认为他们知识面宽,基础扎实,底子厚,适应性强,发展潜力大。这实际上在很大程度上得益于基础课教学。要感谢包括钱老在内的老一辈科学家为中国科学技术大学建校制定一系列办学方针的远见卓识。

(2) 前沿、新兴、交叉的专业课教学

到高年级,专业教学体系由专业基础课、专业课和专题课等三个层次以及毕业论文组成。专业课教学充分体现了“所系结合”( 其本质是“科研与教学相结合”)的优越性,体现了前沿、新兴、交叉的专业特色。“积极倡导要在加强基础科学教育的同时把同学们带到学科的前沿”[9]。

童秉纲清楚记得,在高速空气动力学专业,有关专业课程设置、教材编写、教员聘任、以及最后半年学生毕业论文的安排等等,都是由林同骥先生负责,并委托卞荫贵先生协助组织。林先生和卞先生都为此付出了大量心血。有的阶段,他几乎每周都要到力学所11室去,与林先生和卞先生见面,商讨有关问题,再回校组织实施。

对于专业教学,也是聘请了最好的专家教授来讲授。在当时很前沿的高速空气动力学领域,郭永怀先生讲“边界层理论”,林同骥先生讲“高超声速空气动力学”,卞荫贵先生讲“理想气体动力学”和“高速气流传热”。各个专题则由青年骨干老师承担。专题课都是当年力学所在研的课题(如稀薄气体动力学、高温高焓设备及测量技术等)。而且在极短的时间内共编写出各种教材讲义11种。到1962年第一届学生上专业课时,各种铅印的教材已经发到学生手中。又经过两届学生的教学实践、充实和提高,到1965年,已经建立起我国第一个培养高速空气动力学人才的、有科大特色的专业教学体系和一套特色教材。这些教材代表了当时国内的最新成果,在国际上也是先进的(见表2)。


科大58级高速空气动力学专业的专业课程设置及任课教师一览表


3) 真刀真枪的毕业论文

钱老非常重视学生做毕业论文,他把毕业论文看成是从系统的课堂学习阶段到科研工作岗位之间的过渡,是在专家指导下进行科学研究的真刀真枪的练兵。他曾经专门为全校第一届学生作了如何撰写毕业论文的报告[10]。他指出,并不指望本科论文有多高学术水平,而是重在培养科学精神和接受严格的科学素质训练。学习怎样把学过的知识运用到实际工作中去。强调科学研究要不畏困难、不怕失败,要有严肃、严密、严格的“三严”作风和团结协作精神。

论文是科学研究成果的总结,是进行科学交流的工具。他要求论文一定要符合国际科技论文书写的规范,摘要、引言、正文、结论与讨论,要一应俱全。凡是引用别人的成果,必须加注引文索引。书写用国颁简化字,单位制用国标,曲线要着墨等等,都有严格要求。

关于如何做科研和写论文,钱老曾给我们讲了一个研究圆柱壳体轴向受压非线性失稳的故事[11]。当时这个难题在国际力学界很受关注。按经典理论计算结果不准确,与实验数据相差很大。他先后600多页的演算都失败了。但这个过程正是一步一步接近真理的过程。最后发现,经典理论是只适合小变形的线性理论,对于大变形要用非线性理论。找到了问题的本质,建立非线性失稳的模型,最后那部分草稿不过60多页,而正式发表的论文仅有10页而已!这种不畏失败勇于探索的科学精神曾经深深地感动我们。这个故事还没有完。他讲这个故事是在1961年,到90年代,钱老15000多页手稿运回国内后,人们发现在装有这10多页手稿的文件袋上写有“final !”(最后修定稿)字样,后来又用笔划去了“final !”,写上“nothing is final !”。钱先生认为追求真理,认识真理的过程是永无终止的。

(4) 重视实践,鼓励学生参加早期科研活动

学校还鼓励学生参加早期的科研活动,以期学到活的知识。以近代力学系为例,在钱老建议下,在58级中成立了人工降雨小火箭研制小组和脉冲喷气发动机(pulse jet engine)研制小组,在59级中成立了风力发电研制小组。他为火箭小组答疑(如固体火箭发动机燃烧不稳定问题)和出谋划策(如小火箭要为农业和气象服务,人工降雨和消雹)。当有了一些成绩后,钱老亲自在全校第一次科学研究工作报告会上作了关于人工降雨火箭和脉动式发动机试制工作报告的总结, 鼓励学生的创新精神。有趣的巧合是,钱老当年在Caltech也是业余火箭小组的成员之一。

学生参加早期的科研活动的优良传统在科大一直保持到现在,现在学生中有各种兴趣小组,可以自由参加各实验室的学术活动。

(5) 培育优越的校园学术文化,树立优良学风

中国科学技术大学是以Caltech为样本创办的“理工结合”的新型大学。除课堂教学以外,培育优越的校园学术文化、树立优良学风是至关重要的。正如钱老回忆Caltech的学风那样,那么,什么是科大的校风或科大的精神呢?现在有多种说法,见仁见智。根据我们的经历和体会,至少在科大早期,科大精神体现在以下几个方面。

一是拼博精神。当年的课程是非常重的,压得我们几乎喘不过气来,平时晚上十一点以前宿舍基本上是无人的,星期日基本上是不休息的,都在教室里自习。最忙碌的时候教室内彻夜通明,开夜车的还未走光,开早车的已经登堂入室。这就形成了“重、紧、深”的特色。正如民间流传的“不要命的上科大”。

二是创新精神。中科大以培养尖端科学技术人才为目标,科大的校歌就写着要攀登“科学的高峰。科学的高峰在不断创造,高峰要高到无穷”。通过“所系结合”,我们可以学到最前沿科学知识,了解最新的科学成果。

三是科学精神。钱先生经常教导我们科研工作一定要有“三严(严肃、严密、严格)”作风。

四是民主精神。科大在老一辈科学家学术民主精神的熏陶下,历来学术环境比较宽松,学术空气比较浓厚。又由于建校历史短, 教师队伍较年轻, 青年教师早早担起教学科研工作的重担,很快脱颖而出。科大的民主办学是有传统的。

三、结束语

从1958年建校到1965年文化大革命前,是科大建校早期阶段(第一次创业),这是学校的黄金时期。在短短几年内,近代力学系各个专业就建立了一套全新的完整的专业教学体系,培养出一批人才。回顾这一时期的学习和工作,缅怀钱老为建校建系付出的大量心血和作出的巨大贡献,倍感亲切。正是由于按照钱老培养“技术科学”研究人才的办学理念,坚持两个结合(理工结合、教学和科研结合)、三个一流(一流的顶层设计、一流的师资队伍、一流的学生素质),才创造了科大早期的辉煌。

今天,我们可以告慰于钱老的是,中国科学技术大学近代力学系高速空气动力学专业(现称流体力学博士点),于1981年就成为全国首批博士点,2001年被评为国家重点学科。更可喜的是,已经顺利地完成了新老交替。年青的团队青出于蓝,己成为教学与科研的主力军。该博士点培养出的学生已桃李满天下,在国内外均受到好评,有的已成为教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者和中科院百人计划等,在各自的单位发挥着骨干作用。

尽管随着新的科学技术的发展,教学计划、课程设置和教学内容方面有了不少的更新和改革,但总体框架一如既往,一直遵循把培养“技术科学”研究人才作为培养目标,坚持“理工结合”和“教学与科研结合”的办学方针直到现在。

50年来,钱老一直关注着我们科大的发展。在2008年建校50周年校庆期间, 他更寄语于学校,说:“过去科大所走的‘理工结合’的道路是正确的。今后还要进一步发展,走理工文相结合的道路,在理工科大学做到科学与艺术的结合。我相信在未来, 科技大学一定能为我国培养出‘世界一流科学家和科技领军人才’。”[12]

这是钱老对科大最后的遗愿,也是每个科大人崇高的历史使命。我们要继承和发扬钱老及老一辈科学家培育的办学模式和科大精神,继续前进。

  

参考文献

[1]Th. von Kármán 空气动力学的发展. 江可宗,. 上海:上海科学技术出版社,1954.

[2]H. S. Tsien, Engineering and engineering science. CIE Journal, 1948: 550-563.

[3]钱学森,《论技术科学》科学通报 1957297-104.

[4]钱学森,《我们要用现代科学技术建设有中国特色的社会主义》, 1991.11.5北京讲演,载于《九十年代科技发展与中国现代化系列讲座》湖南科学技术出版社, 1991.

[5]钱学森的最后一次系统谈话谈科技创新人才的培养问题, 2005.3.29, 来源:2009115, 人民网-人民日报.

[6]钱学森,《中国科学技术大学的基础课》, 载于《人民日报》1959526.

[7]钱学森,《力学的现状及其发展方向》, 此文为中国科学技术大学力学和力学工程系撰写的专业介绍, 1959.

[8]钱学森《现代力学》. 力学与实践, 1979(1):4-9.

[9]郑哲敏为郭永怀先生《边界层理论讲义》出版写的序, 2008.

[10]钱学森, 如何做好毕业论文”, 1963330日为58级学生作报告的记录稿.

[11]钱学森,《谈谈工作和学习》, 19611028日为全校师生作报告的记录稿.

[12]钱学森, 2008128日致白春礼的信.

  

[]: GALCIT 原为Guggenheim Aeronautical Laboratory, California Institute of Technology(加州理工学院古根海姆航空实验室)的缩写;1961年改名为Graduate Aeronautical Laboratories at the California Institute of Technology, 缩写不变;2006年再次改名为Graduate Aerospace Laboratories of the California Institute of Technology,缩写仍不变。



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