工程科学研究人才培养之道 ——童秉纲院士访谈

  • 童秉纲,李秀波,赵硕 (工程研究——跨学科视野中的工程公众号)
  • 创建于 2020-07-12
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中国科学院院士、中国科学院大学教授童秉纲先生因病医治无效,于2020年7月9日13时在北京逝世,享年93岁。谨以此文沉痛悼念并深切缅怀童秉纲院士!

本文刊发于《工程研究——跨学科视野中的工程》2016年总第8卷第1期。

 

工程科学研究人才培养之道

——童秉纲院士访谈

童秉纲,李秀波,赵  硕

(中国科学院大学,北京 100049)

 

摘要:在基础科学研究人才中,工程科学研究人才具有特殊性,其培养需要特殊的理念与方法。在对力学家童秉纲院士的多次访谈中,他谈及了自己与工程科学思想的接触与体悟,论述了工程科学研究人才的定位、工程科学研究的方法论以及如何培养工程科学博士生的专业素质和人文素养等方面的内容。他指出工程科学研究人才培养的核心是使学生掌握为工程技术创造科学理论的方法论。 

关键词: 工程科学;钱学森;研究人才培养;研究方法论

 

  李秀波(下文简称李):童院士您好,谢谢您能接受我们的采访。在您 60 余年的教学生涯和40余年的科研生涯中,您一直从事与工程科学有关的工作,您能大概介绍一下这段历程吗? 

  童秉纲(下文简称童):1950 年,我作为新中国第一批统一分配的大学毕业生,到哈尔滨工业大学读师资研究生。1952 年开始,我就参与到学校理论力学的教学工作中。到了 1961年,我到刚建校不久的中国科学技术大学近代力学系工作,开始转向高速空气动力学、流体力学等领域的教学工作。后来经历了“文革”,命大才活了下来,获得自由后,我就开始从事高速空气动力学方面的研究工作。到 80 年代后期开始从事非定常流和涡运动、生物运动力学和气动热力学方面的研究。可以说,这大半生的教学科研都是跟工程科学分不开的。到了 1981 年我被国务院学位委员会批准为流体力学专业第一批博导,开始培养博士生。从那时起,我就一直思考工程科学研究人才的培养问题。

  李:这样算来,关于“工程科学研究人才该如何培养”这个问题您已经思索了 30 余年了。

 



一、体悟与践行工程科学思想

 

  李:我们知道,工程科学(EngineeringScience) 思想最早是由钱学森先生提出的,您是在什么时候开始接触这种思想的?

  童:在 20 世纪四十年代,钱先生就预见到许多领域中的高新技术正在兴起。他拓展了原来的 “应用力学”概念,提出了“工程科学”的概念。工程科学处于什么层次呢?处于自然科学(指基础科学)和工程技术两个层次之间。他指出工程科学的研究目标是“创造出工程技术的理论”。

  我是在20世纪60 年代初开始接触工程科学思想的。1961 年 7 月 1 日,我调到中国科学技术大学近代力学系工作,当时近代力学系的系主任就是钱先生,我开始接触到钱先生的工程科学思想。这一年,中国科学技术大学的首届学生进入了第四个年头的学习,开始学习专业课。此时,近代力学系的专业课课程体系的建设才刚开始,我就在钱先生和林同骥先生的指导下,参与到近代力学系高速空气动力学专业课教学体系的建设之中。钱先生将培养工程科学研究人才作为该系学生的培养目标,不仅要求学生具有深厚的理论基础功底,而且要求学生具备系统的专业基础知识,并且要接触该专业的研究前沿,了解工程实际。在教学体系的建设中,我开始接触、学习和领会钱先生的思想,这使得我的视野与之前大不相同。后来,在 1962 年一次力学补课任务中,我对工程科学思想有了更深入的理解。 

  李:看来这次补课任务对您影响很大,您能具体讲一下这次补课任务吗? 

  童:钱先生认为近代力学系第一届学生的数学与力学的功底不够扎实,需要延长一个学期,学制由 5 年变成 5 年半。在这一个学期内,集中给学生补习数学和力学。1961年11月,钱先生找到我,让我担任力学补课的主讲,补课任务安排在1962年的春季学期。 

  对我而言,给学生补习力学其实难度不小。当时参加补课的学生包括力学系的四个专业,总共有两百多个学生。学生的水平参差不齐,有的是慕钱先生之名而来的尖子生,有的是基础较差的调干生。因此,这次补课就好比是“炒夹生饭”,讲得难了基础弱的听不懂,讲的简单了尖子学生吃不饱,众口难调。如何采取一个恰当的教学对策,这让我颇为苦恼。后来,我想起钱先生给我提供了一本参考书,名称叫《工程中的数学方法》,作者是冯・卡门和彼奥特。我读了这本书的序言, 序言里有这样一段话:“有两种方法教学生如何把数学应用到工程问题上。第一种方法是从数学中选出一些分支,其中加入一些适当的应用上的例子,对这些内容做系统的学习;另一种方法是选 出某些具有代表性的工程问题,并且通过解决这些问题来表明如何应用数学。已经有很多好的书采用第一种方法。本书是按照第二种方法的一个尝试。”这段话启示我理解了钱先生对补习力学课的用意。我认为补课的关键问题是引导学生学会力学研究的方法。例如,要让他们认识如何从多样化的事物中抽象出质点和质点系的模型;如何基于质点和牛顿定律用演绎法导出基本定理等多种表达式,适合于解决各种不同特点的习题(即实际问题);如何从计算结果中分析其物理意义,回到原来的实际问题中去,不仅要求定量,而且会定性分析。总结起来就是“从实际中来,到实际中去”,这也正是钱先生的工程科学思想。我补习的重点是关于如何“从实际中来又到实际中去” 的理解、分析和锻炼,这样使得不同学习水平的学生都能听懂,很有吸引力。后来证明,这样的教学法取得了很好的成效。

  李:可以说,完成这次补课任务使您第一次深刻的理解工程科学思想的内涵。从那时候开始,您就与这种思想结下了不解之缘。 

  童:是的,从那时一直到 1966 年“文化大革命”开始,我在中国科学技术大学一边学习一边讲授了“流体力学”、“理想气体动力学”、“理论力学”这几门课程,这几门课都是理论性很强的课程,同时也涉及实践应用方面。因此,也都属于“工程科学”的范畴。

  赵硕(下文简称赵):1972年,您劳动改造结束后,到沈阳的工厂去锻炼,之后开始从事科研工作。算起来,到现在已经有 40 余年了。在这 40 余年里您是如何在科研中践行工程科学思想的?

  童:钱先生说工程科学要求创造工程技术的理论。由于我从事的研究主要在“空气动力学”、 “气动热力学”、“涡运动”和“生物运动力学”等领域,其中不少领域与航空和航天工程实践比较贴近,可以说我的研究就游走于基础理论与工程应用之间。做课题时,要选择来源于自然界和工程实践中的理论问题,要追到工程技术问题背后的理论,这是我们内心一种很强烈的动机。所以,我所选的课题、研究方向都是理论性较强的问题,研究方法上则主要以模型理论分析和数值模拟相结合作为主要的研究手段,力求得到半解析解,甚至解析解。我还有一部分精力是在编写教材方面,比如《理论力学》、《气体动力学》、《涡运动理论》等,这些教材在编写时要努力体现力学研究的方法论,这种方法论也属于工程科学的思想。可以说,我的科研生涯就是在践行工程科学思想。

 

二、要掌握工程科学研究的方法论

 

  李:1981年,您作为我国的第一批博士生导师开始招收研究生,到现在已经有 30 余年了,您肯定积累了许多关于培养工程科学研究人才方面的经验。您认为培养工程科学研究人才最重要的是什么? 

  童:我自己没有博士学位,没有博士学位的人要培养博士生本身就是一个难题。所以 30 余年来,我始终在思考:该如何培养博士生?如何培养工程科学研究人才?我认为最重要的就是掌握工程科学的研究方法论,善于使用数值计算、理论模型等多种研究方法去解决来源于自然界和工程中的理论问题,同时又要揭示所解决理论问题的流动物理。

  李:那您能具体解释一下工程科学研究方法论的内涵吗?

  童:钱先生曾专门总结过工程科学研究方法论的内涵,大概可以从以下四个方面来理解。 

    第一:研究工程科学是离不开数学这个工具的,研究者必需掌握数学分析和计算的方法,要善于使用这种工具。 

    第二:研究工程科学的关键是确定所研究问题的要点和实际现象中的主要影响因素,为此要去收集一些实验数据和现场观察数据。对所研究的问题比较了解之后,接着就运用自然科学中的规律摸索解决问题之路。

    第三:建立模型。吸收所有的主要因素,略去次要因素,着重考虑该问题中某一方面的本质。

    第四:分析和计算。运用科学规律和恰当的数学方法计算求解,得出具体的数据结果,然后和事实观测数据相对比,从而检验我们建立的工程技术理论是否正确。 

  这四个方面可以用一句话来概括:工程科学就是“从工程实践中来,再回到实践中去”。

  李:学生如何才能领悟和掌握这套方法论呢?需要哪方面的基础知识呢? 

  童:掌握这套方法论实际上是很高的要求。这就需要学生要有很好的数理基础,有做理论研究的毅力和兴趣,并且真正能够拿出具有创新性的研究成果。这些年,我们实验室经常接受中国科学技术大学近代力学系的优秀本科毕业生到我们这里硕博连读,也是看中这些学生在这些方面的基础。 

  李:我理解您的观点,学生的专业基础的确是能够快速领悟和掌握这种研究方法论的前提。从另一个角度看,这种方法论也应该只适用于某类课题的研究。您认为工程科学研究人才应该使用这种方法论来致力于何种研究呢? 

  童:工程科学研究人才自然要做工程科学研究,但关键是如何理解工程科学。当前不少人将工程技术的应用研究当做应用基础研究。我觉得工程科学的研究要做到以下两点:一是必须得到具有规律性、具有学术价值的研究结果;二是研究问题要源于工程实践,对工程实践具有指导意义。工程科学归根结底是基础研究,但它的价值却由实践来衡量。一般认为研究分为基础研究和应用研究,其实,工程科学属于应用基础研究,是介于两者之间,这就是工程科学这一研究层次的定位。基于这样的定位,要求研究人员要从工程技术中提炼出兼有学术和应用价值的科学问题,其研究目标是要创造出工程技术的理论。

  赵:工程科学研究人才,主要是指工程科学相关学科的博士生的培养。您在培养博士生时采用何种模式呢?

  童:指导博士生存在着两种模式:一种是以导师的研究框架为中心,由博士生来填充和发展这一框架,前后接力,形成系列成果;一种是根据新任务或新动态,鼓励博士生去独立耕耘,闯出自己的新世界。我始终坚持后一种培养模式。我总是为每一位博士生提出新的问题,希望他们能够独立构建一个新的研究框架。 

  李:学生的论文题目,是依照什么标准来选择的?又是如何选择研究手段的呢? 

  童:学生的论文选题是学生和导师共同确定的,要做什么性质的选题,我们是有一种偏向的,就是那些可能在理论上有所突破的问题,期望能够得到具有一定规律性的结果。要得到这种研究结果,研究手段的选取很重要。在做流体力学方面,近年来数值计算这种方法很普遍、盛行,但是数值模拟是离散的,难以写出数学表达式而形成理论。我们实验室要做工程技术的理论研究,就选择理论建模的方法来展开研究,因为我们实验室人少,没有什么好的实验设备,只有几台计算机。这种研究方法是比较有难度的,不容易出成果,但是却能够得到具有普遍性和理论性的成果。因此,我们选取模型理论分析作为我们主要的研究手段,同时也要结合实验观测和数值模拟手段,彼此相辅相成。 

  李:相对而言,这类题目应该是比较有难度的。那您对学生的博士论文有什么基本要求呢? 

  童:博士论文的基本要求就是创新。但是,不同的导师对比有不同的理解,在分寸把握上也有所不同。我们要求博士论文至少要有“三个”创新点才够。在博士生入学时就提出明确要求,博士论文至少要有“三个”创新点,否则不会让学生毕业。什么才算作是创新点?创新点不止要能够说服自己,更要说服专家。这些创新点要么属于推进了学界某个问题的前沿研究,要么对于工程实践问题的解决有直接的帮助,这也就是符合工程科学本身的定位。这种创新点的实现在我们这个学科是非常不容易的。例如,我指导的 2011年毕业的博士生王智慧,他的博士论文题目为《尖化前缘气动加热受稀薄气体效应和非平衡真实气体效应的工程理论》,这个题目源于高超声速稀薄气体流动的工程问题。由于这个问题利用数值模拟和经验公式的办法,无法得到规律性的结论,因此,我们就采用求解近似解析解的办法,提出了稀薄流动判据,构造出了预测热流的桥函数等新结果。论文答辩委员会认为该博士论文“给出了当前难得一遇的原创性解析理论成果”。当然,能够做出三个创新点的博士论文,其诞生过程是复杂而曲折的,这个过程也就是培养学生创造能力,体会到“科研就是不断爬坡的过程”,解决一个问题就爬过一个坡,也是他们真切的体会到真正的创造性工作是什么样的,又是怎么做出来的。因此,要求博士论文达到“三个”创新点,才能保证论文的质量,才能保证学生在博士选题的研究过程中得到足够的锻炼,达到相应的高度。 

  李:刚才您提到“爬坡”这个词,创新的过程就是“爬坡”的过程,很生动。近些年来,国内的博士培养质量越来越差,很多博士论文没有“爬高坡”,甚至没有“爬坡”就毕业了。那您是如何保证自己学生的培养质量的? 

  童:在培养学生方面,我们实验室认为博士论文“有难度才能锻炼学生”,学生在有些时候需要逼迫一下。工程科学研究本质上还是属于理论研究,做理论研究的博士生还是需要下苦功夫的。因此,我们这个课题组的每位老师、每个学生都是在啃着硬骨头,而不会出现那种学生只做课题某个边角工作的情况。只有通过啃硬骨头,把一个很难的问题,从头做到尾,不断的去碰钉子,才能把独立科研的能力培养出来,这个过程才是锻炼人的过程。

  导师带学生,首先和学生商定论文选题,之后就基本上让学生自己去探索。导师的作用是指点和把关,根据新任务或新动态,鼓励博士生去独立耕耘,闯出自己的新世界。我希望他们能够独立构建一个新的研究框架。在研究的过程中,我会及时适当地对他们进行指点把关,支持他们难得的自主意识和创新力,并定期让他们汇报自己的进展与心得,在讨论与交流之中提升与完善他们的研究工作。在培养学生的这样一个过程中,我发现一个规律,博士生一般读到第三年或第四年突然就会开窍。这其实是他们在自我摸索中实现了从学习型向研究型的转变。因此,当学生感觉探索之路逐渐明晰,撰写毕业论文快要完结的时候,我就向学生提出让论文“再次拔高” 的要求,就是在当前的已取得的成果基础上,再添加一些新的要求,试图在理论上走的更远一些。对于已经做了长时间积累之后的学生,这种拔高能够起到一种升华的作用。学生再继续努力,少则半年,便感觉豁然开朗,达到进一步提升的境界。这也是为什么有些学生一般要延长一年毕业的原因,大多是因为“拔高”的需要。学生突然开窍以后,会有很多新观点新想法,所以最后这一年做的事情比他好几年做的事情都多。当然,这要求导师能提前有所直觉,觉得学生的论文能够有再次“拔高”的空间,而且学生也得有这种悟性。

  李:您刚才提到不会让学生只做课题某个边角工作。而在我国当前的科研活动中,做课题与带学生这两个活动是分不开的,您是如何处理两者的关系的? 

  童:现在很多课题的完成都离不开研究生的身影,有些导师甚至只是让学生帮忙干点课题中的杂活儿,学生得不到锻炼。在美国、日本等一些国家,即使在国家实验室这种科研机构,包括美国国家航空航天局等,都不被允许招收研究生,研究生只能在研究型大学中培养。这大概就是为了防止“因为任务很大,就要学生去打工、干杂活”这种事情发生。我们实验室怎么看待这个问题呢?我们认为,培养学生是第一位的,完成科研项目只是这个过程的副产品,是一个自然而然的事情。我给博士生提出的博士论文题目往往是该领域重要的、有前瞻性的题目。这些题目有的出自刚刚申请到的国家自然科学基金项目,这些获得资助的题目多是具备挑战性和突破性的新问题;有的则是我们预先储备正准备去做的,让研究生先做起来,做到一定程度后再去申请基金或者课题。这样一来,普通的工程类研究课题我们不做。因为,这类课题虽然可以拿很多钱,但要让学生做琐碎的事情,无法培养高水平的人才所以,我们在申请课题时,要尽量符合我们实验室对自己的定位,符合我们的特长和强项,更要符合我们培养工程科学人才的目的。总之就是, 做课题与培养人才是分不开的,其中育人是首位的,创造性成果是副产品。

 



三、做人、做事、做学问

  赵:刚才您主要讲述了工程科学研究人才专业素质的训练,这方面的培养是比较有形的,显而易见的,那是否还有其他方面的培养呢? 

  童:工程科学研究人才,不仅要具有从实践—理论—实践的思维和视野的学者素养,还要具有作为一个社会人的素质。对于博士生的培养,我们认为教育的目的是造就具有综合素质的人才,业务训练仅仅只是一个方面。更重要的是,我们要告诉学生,如何去做人、做事、做学问。关于这方面,在国际教育领域有现成的论述,说育人有三个要素:知识、能力和人文素质。我曾经把它总结为“Q-A-K”的育人方式,即培养学生通过学习(To know)、做事(To do)和做人(To  be)的实践,使其在知识(Knowledge)、能力(Ability)和素质(Quality)三个方面得到综合提高。在这三者中,我们要让学生明白综合素养是最重要的。也就是说,比学习重要的是做事,比做事重要的是做人。爱因斯坦有一句话说得好:教育的目的是造就具有综合素质的人才,不是专业机器。用专业知识教育人是不够的,通过专业教育,学生可能成为一种有用的机器,但是不能成为一个和谐发展的人。而我们培养的人才,将来不仅可以成为专业领域的领军人物,更要成为 一个社会人。 

  这和中国传统的育人观是一致的,就是讲求 “道德文章”,就是说一个人的成就与其道德修养是紧密联系的。换言之,要有杰出的学术研究造诣,就必须要有高尚的道德人格。最典型的是唐代著名文学家韩愈,在《师说》一文中用六个字指明教育的要义——“传道”、“授业”和“解惑”。“授业”和“解惑”属于知识教学的范畴,而“传道”则是传授人文精神,教导学生如何做人。显然,“传道”是更高一层的育人追求。 

  这些年以来,我们培养的博士生也并不都是理想的,比如有个别毕业的学生,表现的没有远见,太在乎自己的私利,结果就不容易被社会接纳,在自己的事业发展上也并不顺利。这说明,这种“做好一个人”的素质更能决定一个人能否成为“人才”。

  赵:也就是说,培养学生就是要培养一个“完整的人”,专业素质培养只是一个方面。这种“如何做人”的人文素养是怎么培养出来的呢? 

  童:要让学生学会“如何做人”。首先,是一种氛围的营造。我们实验室的老师之间没有那种虚伪的应酬,更不会有“你算计我、我压过你” 这种勾心斗角的事。可以说我们营造了隔绝于世俗的学习环境,一个开明、宽松、和谐的氛围。师生之间的角色区别也不明显,都像朋友一样。学生在这里能接触到比较正常的学术空气,老老实实做人,踏踏实实做事。 

  其次,老师要用自己的行为来潜移默化地启示学生。比如说,老师要尊重学生的人格。我一般选自己的学生来担任我的秘书,但是人家是来学习的,所以当我有一些事情需要办理的时候,得先问一下学生是不是有时间来帮我办,是不是耽误了他的学习。我一般很少因为一些私事去占用秘书的科研时间,学生的科研时间是很宝贵的,在交代事情的时候要把事情前因后果、办事情的步骤、办的过程中可能会出现哪些问题都要讲明白。再如,学生让我审核刚写成的论文,我从来不会堆着不看,都是尽可能快地给他们返回意见,不要因为我的原因耽误了他们论文的写作进度。学生看到老师是这样做事情的,感觉到自己受到了尊重,自然会受到老师这种做事方式的影响。 

  再次,导师要充分信任学生。比如曾经有学生建议制定一个规则,学生按时在实验室上下班。我觉得要充分相信学生,学生有自己的时间计划,他们会自觉安排研究进程,科研要靠他们的自觉性来完成。如果没有自觉性,即便把规则制定得再详细,再严格也没用。所以我没有时刻盯着他们,而是给他们充分的自主性,让他们在一种比较宽松的氛围下去做科研。 

  最后,导师以身作则,不能占学生任何利益。比如,科研成果获奖了自然会有一些荣誉,我们都是先给年轻老师和学生,让他们作为获奖人。因此,荣誉不会导致问题,反倒凝聚了这个集体。这种做法也自然让年轻的学生受到一些做人方面的启示。

致 谢

  在与本访谈有关的几次采访中,北京理工大学副教授逄金辉以及樊利平、赵霞三位老师给予了很大帮助,他们在采访拟定提纲、协调联系、访谈稿校对等方面做了很多细致工作;中国科学院大学教学技术保障部黄勇老师对现场摄像和音视频整理工作给予了巨大帮助,在此一并表示感谢。

责任编辑:高塬