科學(xué)思維和科學(xué)方法在力學(xué)和工程教學(xué)中的應(yīng)用

1、科學(xué)思維和科學(xué)方法在力學(xué)和工程教學(xué)中的應(yīng)用當(dāng)今，科學(xué)發(fā)展非?？?，知識的使用壽命越來越短，大學(xué) 生在大學(xué)階段學(xué)習(xí)的知識可能若干年后就沒用了， 所以大學(xué)應(yīng)該 教給學(xué)生什么？怎么教？是非常關(guān)鍵的。 已故上海大學(xué)錢偉長校 長 1983 年到上海工業(yè)大學(xué)任校長時(shí)就指出：我們希望學(xué)生到學(xué) 校里來主要是掌握一種正確的學(xué)習(xí)方法、工作方法和思想方法， 也就是辯證唯物主義的方法，所學(xué)的課程也好，專業(yè)也好，無非 是一種載體，通過這個(gè)載體，訓(xùn)練學(xué)生掌握方法。這話聽起來簡 單做起來可并不容易。 直到今天，我們?nèi)匀粡?qiáng)調(diào)要教給學(xué)生方法， 但不是人人都能做得好、做到位。首先，講講方法論。關(guān)于“方法論”， 辭海里面這么說 的：

2、“是關(guān)于認(rèn)識世界和改造世界的方法的理論， 按其不同層次 有哲學(xué)方法論、 一般科學(xué)方法論、 具體科學(xué)方法論之分”。 那么， 科學(xué)思維是怎么說的呢？現(xiàn)在的科學(xué)學(xué)普遍認(rèn)為， 要判斷一個(gè)理 論是否科學(xué)，要符合邏輯、經(jīng)驗(yàn)、社會學(xué)和歷史的四套標(biāo)準(zhǔn)，缺 一不可。其實(shí)，我們會發(fā)現(xiàn)有時(shí)候做一件事情，只要抓住它的特 征，就特別好辦，這就是方法。舉一個(gè)例子， 參加本科教學(xué)評估的時(shí)候， 我時(shí)常被要求判斷 一所高校的特色。我們都知道一所大學(xué)要總結(jié)特色其實(shí)很費(fèi)腦 筋，往往是整理了很多東西，但好像都不準(zhǔn)確。后來，我總結(jié)出 一個(gè)判定的方法，即：先總結(jié)一所大學(xué)的特色，比如總結(jié)了上海 大學(xué)的兩個(gè)辦學(xué)特色，然后把“上海大學(xué)”這個(gè)名

3、稱拿掉，把 “西南交通大學(xué)”安上去， 看這兩條是否能夠成立， 如果這兩條 成立，就再把“浙江大學(xué)”安上去，如果這兩條也能成立，那么 就可以下結(jié)論： 所總結(jié)的這兩條不是上海大學(xué)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，才是這 所高校自己的特色。 后來，我就用這個(gè)方法判斷高校的辦學(xué)特色， 發(fā)現(xiàn)很準(zhǔn)確。而科學(xué)的思維方法是復(fù)雜的，它是各學(xué)科通用的研究方法， 是進(jìn)行科學(xué)探索、科學(xué)實(shí)踐、科學(xué)研究的一般方法。當(dāng)然，它又 是多層面的，有宏觀的、中觀的和微觀的，等等。例如，我們坐 飛機(jī)從北京到紐約， 從經(jīng)線地圖上看與從緯線地圖上看， 結(jié)果是 不同的。 如果看飛行路線圖， 你還會看到飛

4、機(jī)的飛行路線圖是曲 線，有些人會奇怪怎么不飛直線飛曲線呢？因?yàn)?，地球是圓的， 把它展平后直線變成了曲線。 那么， 如果從地球儀上就可以直觀 地看到，從北京到紐約直飛穿越北極是地球球面上的最短直線距 離。這說明，我們有時(shí)候看問題要全面、完整地看，這就是科學(xué) 思維和科學(xué)方法所包含的一些道理。再比如， 法國數(shù)學(xué)家曼德布羅問英國的海岸線有多長， 這一 問，問出了分形體和分形理論。 曼德布羅特現(xiàn)在美國普林斯頓大 學(xué)工作， 1997 年他到上海大學(xué)來講學(xué)，給我們講了一個(gè)故事， 他說一個(gè)三維謝氏塔具有自相似結(jié)構(gòu)，一個(gè)面包廠的老板找到 他，說你這個(gè)體積總是可以限定在一個(gè)球里面， 所占的材料最少， 我用這個(gè)辦法

5、來制造面包， 面包可以做得最大，而用到的面粉最 少。做面包的老板也能夠用這種科學(xué)思維去思考他的面包應(yīng)該怎 么做，這都是一些例子?？茖W(xué)方法一般有三個(gè)層次：一是適用于一切科學(xué)領(lǐng)域的一般 研究方法；二是自然科學(xué)或社會科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)所特有的一般研究方 法；三是某一學(xué)科所特有的研究方法。力學(xué)學(xué)科本身的方法具有唯物辯證法的特點(diǎn)，可以拓展到很多領(lǐng)域，。比如，在工程問題 分析中常使用的模型法，它首先是一個(gè)力學(xué)模型，然后被變換成 一個(gè)數(shù)學(xué)模型。模型法的本質(zhì)從哲學(xué)上講，就是抓住主要矛盾， 略去次要矛盾，把主要矛盾解決后，再計(jì)入一個(gè)次要矛盾，解決 后再計(jì)入一個(gè)次要矛盾，再解。這實(shí)際上是相對真理概念的具體 應(yīng)用，而絕對真

6、理是永遠(yuǎn)不可能達(dá)到的。 現(xiàn)在的博士論文幾乎都 是在前人抓住主要矛盾的基礎(chǔ)上， 多考慮了幾個(gè)次要矛盾。 通常 我在評審博士論文或參加博士論文答辯的時(shí)候，會找論文中前人把次要矛盾丟掉的合理性。 力學(xué)思考問題的方法很科學(xué)， 符合唯 物辯證法。比如，有時(shí)候開玩笑說當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)必須學(xué)好彈性力學(xué)，為 什么呢？因?yàn)槟闶冀K在一定的初始條件和邊界條件下，求一些社會或者管理問題的平衡方程和協(xié)調(diào)方程的解，而且這些問題沒有精確解是正常的，有精確解那是你運(yùn)氣好，因此經(jīng)常是近似解， 而且有時(shí)候初始條件和邊界條件是模糊的，是不確定的，在這種情況下，得到解不太容易。有時(shí)候你會碰到塑性問題，塑性問題 一旦發(fā)生就是不可逆的，有時(shí)會很好

7、，有時(shí)候會很被動(dòng)。所以， 當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)要把彈性力學(xué)和社會科學(xué)很好地結(jié)合起來?？茖W(xué)方法中還有一個(gè)很重要的方法假設(shè)演繹法， 這是最 重要的。首先，清楚地界定所需解答的問題；其次，提出一個(gè)科 學(xué)假設(shè)用以解釋問題；再次，由假設(shè)進(jìn)行觀察性預(yù)測，即解釋過 去和預(yù)測未來；最后，設(shè)計(jì)及運(yùn)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。這個(gè)方法在力 學(xué)中應(yīng)用得非常廣泛， 比如材料力學(xué)研究材料在外力作用下的破 壞問題，首先要解決應(yīng)力分布問題；提出假設(shè)，如平面假設(shè)；由 平面假設(shè)推斷預(yù)測變形規(guī)律， 由變形規(guī)律再得到應(yīng)力分布； 有了 應(yīng)力分布后， 材料力學(xué)有很多實(shí)驗(yàn)， 運(yùn)用這些實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)有關(guān)預(yù) 測的正確性， 來驗(yàn)證應(yīng)力分布的規(guī)律， 這就是材料力學(xué)中經(jīng)常碰

8、到的方法。再如，貓旋之謎：貓從高空落下時(shí)永遠(yuǎn)是在空中轉(zhuǎn)身，然后 毫無損傷地四腳著地跑掉。 這個(gè)問題 100 多年來難倒了無數(shù)的科 學(xué)家，沒有外力的作用， 物體怎么會改變姿態(tài)呢？法國科學(xué)家用 高速攝像機(jī)拍下了貓下落的過程，發(fā)現(xiàn)貓用了 1/8 s 的時(shí)間改變 了姿態(tài)。 法國另外一個(gè)科學(xué)家用動(dòng)量矩守恒定理解釋： 四肢張開 導(dǎo)致姿態(tài)變化，符合力學(xué)原理，不符合實(shí)際情況，貓掉下來四肢 沒有開合運(yùn)動(dòng)。蘇聯(lián)的洛強(qiáng)斯基提出貓尾巴轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致姿態(tài)變化， 但結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)如果貓尾巴轉(zhuǎn)動(dòng)能夠使姿態(tài)轉(zhuǎn)正， 那么轉(zhuǎn)動(dòng)速度 將達(dá)到飛機(jī)螺旋槳的高速旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)際上沒有那么高的速度。 做了一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)， 找到一只沒有尾巴的巴西貓，

9、 從高空扔下， 結(jié)果否定了洛強(qiáng)斯基的設(shè)想。 也就是說，要證明一個(gè)理論的成立， 要包含所有的可能，推翻一個(gè)理論，只要一個(gè)反例就可以了。后 來，20 世紀(jì) 60 年代，兔子下落的彎腰翻身，繞雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)理論給 了科學(xué)家們啟發(fā)， 貓的身體不能作為一個(gè)剛體來考慮， 應(yīng)該作為 一個(gè)剛體系來考慮，也就是說，看問題不能著眼于局部，總盯住 一個(gè)東西看，可能路越走越窄。最后， Kane 教授提出了一個(gè)新 的模型，解決了這個(gè)問題。貓旋問題如此值得研究嗎？實(shí)際上， 這是一個(gè)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的問題， 應(yīng)用范圍非常廣泛， 現(xiàn)在體操運(yùn) 動(dòng)員的動(dòng)作、跳水運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作、冰上運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作、芭蕾舞演 員的動(dòng)作、蹦床運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作、航天員的

10、訓(xùn)練等，有很多都可以 用這套理論進(jìn)行指導(dǎo)。因此，必須要建立科學(xué)的思維方法。但是，通常學(xué)理工科的 人多善于收斂性的思維方式； 學(xué)人文學(xué)科的人多善于發(fā)散性的思 維方式。 現(xiàn)在很多高校都提倡文理交叉， 還有很多專家提出高考 不能文理分科。 如果我們培養(yǎng)的大多數(shù)人都是片面、 單一的思維 方式，有時(shí)候?qū)σ恍┥鐣栴}或復(fù)雜問題會比較過激甚至不全 面。教學(xué)是教師傳授和學(xué)生學(xué)習(xí)的共同創(chuàng)作性活動(dòng)。 教學(xué)過程是 教師根據(jù)教育目的和學(xué)生身心健康的規(guī)律運(yùn)用一定的教學(xué)手段， 有目的、 有計(jì)劃、 有組織地引導(dǎo)學(xué)生掌握系統(tǒng)的文化科學(xué)知識和 一定的技能等。 教學(xué)過程含有四個(gè)要素， 教師、學(xué)生、教學(xué)內(nèi)容、 教學(xué)方法。 這是一個(gè)

11、動(dòng)態(tài)過程， 前面三個(gè)因素是通過第四個(gè)因素 教學(xué)方法來完成整個(gè)教學(xué)過程的。 我們當(dāng)老師的都應(yīng)該明白這些基本的概念和道理。教學(xué)方法是師生在教學(xué)活動(dòng)中相互聯(lián)系的方 法，是一種特殊的認(rèn)識方法，具有科學(xué)方法的性質(zhì)。這里面有很 多可以挖掘的，比如，把科學(xué)思維和科學(xué)方法貫穿于全教學(xué)過程， 教師在教學(xué)過程中要反映科學(xué)思維和科學(xué)方法，學(xué)生要學(xué)習(xí)科學(xué)思維、掌握科學(xué)方法，教學(xué)內(nèi)容要以知識為載體，傳播科學(xué)思維 和科學(xué)方法，教學(xué)方法要符合科學(xué)思維和科學(xué)方法，等等。教學(xué) 方法有很多，課堂教學(xué)、現(xiàn)場教學(xué)、自學(xué)方法、科研訓(xùn)練、工程 設(shè)計(jì)等，在這些環(huán)節(jié)中要貫穿科學(xué)思維和科學(xué)方法。以工程教育為例，我們的工程教學(xué)體系是否符合工程實(shí)

12、 際的要求？作為高等學(xué)校已經(jīng)很難說得清楚了。比如，現(xiàn)在的工科類院?；蚬こ填悓I(yè)所培養(yǎng)的工程性人才很難區(qū)分究竟是工 程的科學(xué)家還是科學(xué)的工程師。在英國，作為一名土木工程師，必須具備以下素質(zhì)：創(chuàng)造性、 積極思考、能運(yùn)用技術(shù)和實(shí)踐技能、責(zé)任感、交際能力等，這是 英國對一個(gè)土木工程師的素質(zhì)要求。 另外，它要求土木工程師要 不斷適應(yīng)社會的變化，要不斷掌握技術(shù)的變化， 要不斷地知曉經(jīng) 濟(jì)的變化，要不斷地了解環(huán)境的變化， 要不斷參與相關(guān)的職業(yè)學(xué) 習(xí)，要學(xué)會從失敗中學(xué)習(xí)。美國工程師的基本素質(zhì)要求是：對職業(yè)道德和社會責(zé)任的認(rèn) 識，寬厚的教育根基，足以認(rèn)識工程對于世界和社會的影響，包 括關(guān)于當(dāng)代問題的知識，在多學(xué)

13、科工作集體中發(fā)揮作用的能力， 較強(qiáng)的人際交往能力，良好的分析能力，靈活的實(shí)踐能力、創(chuàng)造力、商業(yè)管理能力等，對于終身教育的正確認(rèn)識和學(xué)習(xí)能力等。法國的工程師教育設(shè)立了 5個(gè)課程門類： 科學(xué)知識門類、 技 術(shù)與方法門類、表達(dá)與溝通門類、企業(yè)管理門類、文化與科技門 類?？茖W(xué)和技術(shù)是兩回事，而我們經(jīng)常把它們當(dāng)成一回事。每門 課程都必須說明這門課程屬于哪一類， 所以其對工程師普遍達(dá)到 的技術(shù)和能力要求非常細(xì)、非常完整，見表1。作為一名工程技術(shù)人員， 要掌握工程技術(shù)的要素， 更重要的 是要掌握相關(guān)知識及其他方面的素質(zhì)和能力。 但是，我們的工程 教育基本上還是在多少年來傳統(tǒng)知識范疇內(nèi)進(jìn)行教學(xué)培養(yǎng)， 基本 上

14、是計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代對工程技術(shù)人員要求的延續(xù)。計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代， 工程技術(shù)人員只要做技術(shù)就行了， 其他事情不用管。 從發(fā)達(dá)國家 的工程課程來看，很多課程對我們來講，好像“不工程”，但是 培養(yǎng)出來的學(xué)生卻能干工程； 而我們似乎“很工程”， 但培養(yǎng)出 來的學(xué)生卻干不了工程。實(shí)際上是我們對工程教育的理解有偏 差，這些偏差造成我們在人才培養(yǎng)上的問題。 美國國家科學(xué)基金 會有一個(gè)報(bào)告， 雖然其中提到了中國工程教育對美國的沖擊， 但 是它并不擔(dān)心，它認(rèn)為中國工程教育的內(nèi)涵不對。那么，我們看看工程教育的內(nèi)涵是什么呢？科學(xué)就是解釋“Why，比如電燈為什么會亮；技術(shù)是解決“ HoW，比如怎么 把電燈弄亮。應(yīng)用就是把它應(yīng)用

15、到實(shí)際中，比如會場照明、家庭 照明、路燈等。所以，科學(xué)和技術(shù)是兩回事，但我們經(jīng)常把二者 混為一談。 美國有個(gè)估算， 它說如果科學(xué)經(jīng)費(fèi)投入 10萬元的話，技術(shù)則需要投入 100 萬元，而應(yīng)用需要 1 000 萬元！而我們現(xiàn)在 經(jīng)常是拿著 10 萬元科學(xué)投資，去干技術(shù)和應(yīng)用的事，結(jié)果事情 做到最后既不科學(xué)也不技術(shù)，當(dāng)然更談不上應(yīng)用。打個(gè)比方，科 學(xué)家側(cè)重于“講理”， 工程師側(cè)重于“守法”， 他們的工作目的、 工作進(jìn)度、品質(zhì)要求、工作要求都不一樣，見表2。2010年 6 月 22 號，教育部啟動(dòng)了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì) 劃”（以下簡稱“卓越計(jì)劃”） ，探索中國特色的工程教育之路， 這是回歸到中國在市

16、場經(jīng)濟(jì)條件下怎么進(jìn)行工程教育的問題上 來了。第一批在 61 所高校試點(diǎn)實(shí)施，包括西南交通大學(xué)、上海 大學(xué)，我們發(fā)現(xiàn)全國開設(shè)工科專業(yè)的本科高校 1 003 所，占本科 高?？倲?shù)的 90%，高等工程教育的本科在校生達(dá)到 371 萬人，研 究生 47 萬人，但是我們?nèi)绾巫龅剿囵B(yǎng)出來的人能夠搞工程， 這是一個(gè)很大的問題。 “卓越計(jì)劃”具有三個(gè)特點(diǎn)： 一是行業(yè)企 業(yè)深度參與培養(yǎng)過程； 二是學(xué)校按通用標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)工程 人才，所以這次教育部聯(lián)合了其他行業(yè)制定工程師行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 這 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里有很多不是傳統(tǒng)的知識構(gòu)成體系； 三是強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的 工程能力和創(chuàng)新能力。要推進(jìn)“卓越計(jì)劃”的實(shí)施需要做到： 一是聯(lián)

17、合培養(yǎng)； 二是 強(qiáng)化工程能力和創(chuàng)新能力； 三是改革完善工程教師職務(wù)聘任， 其 實(shí)推行這個(gè)計(jì)劃， 最大的問題是師資隊(duì)伍的問題， 我們現(xiàn)在很多 教工程的老師本身就是從學(xué)校出來的， 高中、大學(xué)、碩士、博士， 從來沒有搞過工程， 他怎么能培養(yǎng)出卓越工程師呢？！ 四是擴(kuò)大 工程教育的對外開放； 五是教育界與工業(yè)界聯(lián)合制訂人才培養(yǎng)標(biāo) 準(zhǔn)。應(yīng)該說這個(gè)計(jì)劃還是比較細(xì)的，比如，專門制定了工程教育 與人才培養(yǎng)的能力培養(yǎng)實(shí)現(xiàn)矩陣， 就是說一門課程、 一個(gè)環(huán)節(jié)實(shí) 現(xiàn)的能力通過什么來實(shí)現(xiàn)。 應(yīng)該說， 工程教育要還原原來的工程 面貌還是很不容易的， 這需要高等教育工作者科學(xué)地認(rèn)識什么是 工程教育， 摒棄不合理的教學(xué)體系， 根據(jù)工程要求來構(gòu)建科學(xué)合 理的工程教育和人才培養(yǎng)體系。編寫一本教材一定要搞清楚這本教材的愿景和使命是什么， 這個(gè)不清楚的話，為寫教材而寫教材，雖然自我感覺不錯(cuò)，實(shí)際 上里面沒什么道理。所以，只有搞清楚這個(gè)道理之后，教材建設(shè) 才是一項(xiàng)創(chuàng)造性勞動(dòng)。 運(yùn)用科學(xué)思維和科學(xué)方法進(jìn)行教材建設(shè)是 可以做很多研究的?，F(xiàn)在，高等教育大眾化了，所以都在制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，我很