王光遠(yuǎn)院士談科研選題與科研方法

1、王光遠(yuǎn)院士談科研選題與科研方法哈工大報訊（學(xué)生記者 曹石鼓） 科研選題和科研方法是廣大科技工作者共同關(guān)心的話題，中國工程院王光遠(yuǎn)院士結(jié)合自己的科研實踐，為青年教師與研究生談了這兩個問題。他講座的前一部分分析了我們應(yīng)該如何進(jìn)行科研選題，并在其中滲透了科研方法的問題，講座的后一部分就科研方法進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。如何選擇科研方向，如何縮小研究領(lǐng)域，如何確定科研課題。 “科研方向即研究領(lǐng)域，是研究的戰(zhàn)略性抉擇，科研方向好與不好將影響我們很長時期的研究情況。” 王院士將科研方向的選擇放在極為重要的位置，他說，在他老師那一代，也就是年代至年代的土木工程學(xué)科，大家的畢生精力都放在了超靜定問題的計算簡化之上。在

2、當(dāng)時，研究這個課題是十分重要的，因為在沒有快速計算工具的條件下，計算大量的代數(shù)方程組十分困難，必須加以簡化。在這個領(lǐng)域，中國的老先生們提出了很多十分巧妙的方法，但這只是一個代數(shù)方程組求解的問題，學(xué)術(shù)水平太低，計算機(jī)一出現(xiàn)，那些方法就全部沒用了，他們的研究在歷史上并沒有留下什么痕跡?？梢娧芯糠较蚴鞘艿娇陀^條件的制約。 王光遠(yuǎn)從年開始有計劃地搞一些大研究項目，這時首先遇到的問題就是選擇什么樣的科研方向。當(dāng)時土木工程專業(yè)最熱門的就是“線彈性薄殼計算”，到底搞不搞這個方向？經(jīng)過分析，他很快否定了。首先符拉索夫的線彈性理論已經(jīng)相當(dāng)完備，其次利用有限元進(jìn)行計算的計算方法已經(jīng)十分完善，而且計算機(jī)的出現(xiàn)使得計

3、算手段已經(jīng)具備：理論，方法，手段都已經(jīng)很成熟，已經(jīng)沒有太多的研究空間了。但是當(dāng)時為什么大家都鉆在里面不出來呢？是因為好出文章！有時候把一個邊界條件一換就成了一篇論文了，但是當(dāng)時出的那么多論文現(xiàn)在幾乎沒有被提及的。王光遠(yuǎn)告誡我們，在進(jìn)行方向選擇的時候，不要急功近利，盲目趕時髦，選擇的科研方向一定要代表學(xué)科的發(fā)展方向，它不應(yīng)是一個很完善的東西，而應(yīng)是一個正在發(fā)展并將要大發(fā)展的方向。 王光遠(yuǎn)說，學(xué)科的發(fā)展是一個不斷上升的過程，只是其發(fā)展有時處于陡坡，有時進(jìn)入緩坡。任何事物的發(fā)展都脫離不了周圍事物的影響，他們在相互制約著。力學(xué)，結(jié)構(gòu)的問題常常卡在一個數(shù)學(xué)問題上，甚至卡在一個數(shù)學(xué)概念上。比如結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

4、，結(jié)構(gòu)研究方案有無限多種，但什么方案最好？從無限多種方案中選出最優(yōu)的方案，這就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。這是多么樸素的概念，以至于世紀(jì)初就有人提出。但為什么從提出到世紀(jì)六七十年代的幾十年里沒有什么大的發(fā)展呢？一是力學(xué)跟不上，二是這種無限選一的問題當(dāng)時沒有計算手段。由此可以看到，所謂學(xué)科發(fā)展的緩坡，就是約束因素基本不變，學(xué)科只能夠緩慢地發(fā)展；而陡坡則一旦一個或多個束縛因素被突破，學(xué)科便進(jìn)入快速發(fā)展的階段?？茖W(xué)工作者要有敏銳的目光，能對學(xué)科的發(fā)展趨勢作出準(zhǔn)確的判斷，尤其是要能夠及時把握學(xué)科發(fā)展的陡坡，用自己富有成效的工作推動其發(fā)展。 “研究方向最初只能是一個很大的方向，在研究實踐中逐漸的才能把它的范圍縮小。

5、科研方向的選擇必然要符合學(xué)科發(fā)展的需要?！逼鋵嵧豕膺h(yuǎn)在年以前就開始為科研做準(zhǔn)備了。他初步的想法是選擇結(jié)構(gòu)動力學(xué)方向做研究，其理由很充分：從理論上來講，靜力問題只不過是動力問題的特殊情況，從靜力的研究發(fā)展到動力的研究是必然的，以前只研究靜力是因為動力研究不了，而不是不該研究；從當(dāng)時的條件來看，當(dāng)時的結(jié)構(gòu)動力學(xué)已經(jīng)有了萌芽，在理論和應(yīng)用上都有一些著作，如瑞利的聲學(xué)已經(jīng)完全具備了線彈性理論，還有鐵木申科寫的工程中的振動問題一書等；再從學(xué)科方向的發(fā)展?jié)摿ι蟻砜?，?dāng)時相關(guān)的理論和方法并不完善，研究空間很大。 除了學(xué)科需要之外，還應(yīng)該注意一些什么樣的問題呢？王光遠(yuǎn)著重提出了個人的興趣和國家的需要這兩個方面

6、。他說，選擇自己感興趣的方向才能夠揚長避短，事半功倍。而興趣從哪里來呢？興趣來自你自己對它的了解，也來自于你自己的知識結(jié)構(gòu)。講到這個問題時，王光遠(yuǎn)介紹道：“這一點我當(dāng)初也有準(zhǔn)備，當(dāng)時我國的結(jié)構(gòu)動力學(xué)領(lǐng)域還是空白，年，哈工大在全國率先開這門課，我們在這一方向是有優(yōu)勢的，所以我把結(jié)構(gòu)動力學(xué)確定為科研方向。從年代至今，雖然課題換了不少，但研究領(lǐng)域再也沒有變過?！?王光遠(yuǎn)說，選擇了大的科研方向之后，我們要將范圍縮小，即確定小的方向。年以前，他決定進(jìn)入結(jié)構(gòu)動力學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行研究。結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題分為兩個方面，一是荷載，一是結(jié)構(gòu)。動力荷載多種多樣，有地震荷載，風(fēng)荷載，機(jī)器引起的震動荷載等等，每一種荷載都有不同的

7、性質(zhì)，對同一結(jié)構(gòu)的作用效果也各不相同。同時結(jié)構(gòu)也是多種多樣的。所以結(jié)構(gòu)動力學(xué)里面的小方向很多，究竟應(yīng)該選哪一個呢？ 年國務(wù)院發(fā)布了一個文件，號召全國的科研工作者研究大問題，其中土木工程領(lǐng)域就是“抗地震結(jié)構(gòu)的計算方法”是其中之一。這個工作交給了中國科學(xué)院的土木建筑研究所。當(dāng)時王光遠(yuǎn)在全國率先開了這門課，而且已經(jīng)寫了一本結(jié)構(gòu)動力學(xué)講義，哈工大在全國處于領(lǐng)先的位置，所以當(dāng)時土木建筑研究所的所長劉恢先先生邀請他參加此項研究。在中國，結(jié)構(gòu)動力學(xué)當(dāng)時幾乎是空白，發(fā)展?jié)摿艽?，而地震工程是結(jié)構(gòu)動力學(xué)中最為復(fù)雜的問題，得出的成果很容易推廣到其他各個方面，再考慮到自身的優(yōu)勢和國家的需要，王光遠(yuǎn)毫不猶豫地接受了劉

8、恢先的邀請，這就是王光遠(yuǎn)選擇科研方向的大體過程，對此他總結(jié)出一句話：“我們對科研方向的選擇，既要符合學(xué)科發(fā)展的要求又要符合國家的需要，既要符合自己的興趣又要考慮自身的知識條件?！?科研方向選定之后，面臨的是科研課題的選擇。王光遠(yuǎn)認(rèn)為，選擇科研課題的原則與選擇科研方向的原則是一樣的，也就是要全面地考慮學(xué)科發(fā)展、自身條件和國家需要。進(jìn)行選題之前，一方面是要對該課題有個比較全面地了解，另一方面是要看清楚影響其發(fā)展的主要矛盾是什么，在當(dāng)前的條件下有沒有解決的可能。講座中，王院士向大家介紹了他的幾個課題的選擇過程，讓大家結(jié)合自己的科研實踐進(jìn)行進(jìn)一步地思考。 王光遠(yuǎn)的第一個課題是地震力理論，研究的是地震時

9、的地面運動模型，這是地震工程最基本的問題?！拔抑詫λ信d趣是因為發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時其研究的一個致命矛盾?！蓖豕膺h(yuǎn)說，我們知道，不同動力特性的結(jié)構(gòu)受到同樣的地震影響時振動是有差異的，而且差異很大。研究地震力理論首先要解決結(jié)構(gòu)的動力特性的問題。結(jié)構(gòu)的動力特性分為個方面：頻率、振型、阻尼。最開始的靜力理論將地震當(dāng)作等加速運動，把慣性力簡單地表示成為質(zhì)量和系數(shù)的乘積，這顯然是不合理的。后來人們又把地震看作簡諧振動，可是這也不符合實際情況：我們注意到簡諧振動有一個很突出的現(xiàn)象，那就是共振，而實際地震過程中結(jié)構(gòu)并沒有與地震波產(chǎn)生明顯的共振，這是因為地震的振動不是單一的簡諧振動，而是由許多個振動波組成的。在簡諧

10、振動理論的指導(dǎo)下，人們進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候假設(shè)的地面震動頻率不同，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)也不同，這樣“結(jié)構(gòu)設(shè)計就取決于設(shè)計者本人的假設(shè)了”，這顯然是不行的。后來又稍微修正了一下，改成一個衰減的簡諧振動，但問題還是沒有解決。王光遠(yuǎn)開始研究這個問題的時候，有關(guān)理論發(fā)展到了將地面震動模擬成一系列的衰減的簡諧振動的疊加，這是蘇聯(lián)的最新理論?？墒撬械睦碚摱加幸粋€共同的問題，那就是“地震參數(shù)假設(shè)的主觀性”。在這些理論之下，假設(shè)的參數(shù)不同，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)也不同，“結(jié)構(gòu)的響應(yīng)取決于你本人的假設(shè)，這怎么指導(dǎo)設(shè)計呢？”其關(guān)鍵問題就是：“無論你把地震的地面運動假設(shè)成一個什么樣的情況，只要你把它假設(shè)成了一個時間的定函數(shù)，它就不符

11、合實際情況?！苯?jīng)過這些分析，王光遠(yuǎn)得到了一個結(jié)論：“地震力理論已經(jīng)走到了死胡同！以往的理論一律不行，到這個領(lǐng)域來進(jìn)行研究大有可為！”正在這個時候，他看到了美國的豪斯曼教授的一篇論文，論文中提出，地震的振動是隨機(jī)的，不能夠表示成為時間的定函數(shù)。這篇論文的觀點很簡單，但打開了隨后幾十年地震工程研究的全新局面。這篇文章又是有缺陷的，它在解決這個問題的時候引入了一個最簡單的隨機(jī)振動過程，即馬爾可夫過程，經(jīng)過分析我們不難發(fā)現(xiàn)它并不符合實際。首先它是不連續(xù)的，而實際的地震過程是連續(xù)的，而且它是無后效的，也就是說前面的過程對后面的過程不產(chǎn)生影響，而實際的地震過程是有后效的。于是王院士進(jìn)一步得出結(jié)論：這篇文章

12、的觀點是具有開創(chuàng)性的，但是提出的方法是錯誤的。找出了問題的所在，王光遠(yuǎn)開始自學(xué)概率論、數(shù)理統(tǒng)計、隨機(jī)過程論，做好數(shù)學(xué)上的準(zhǔn)備。最后他選擇了高斯連續(xù)過程作為地震時地面振動的模型。但是這里面還有一個很大的困難，那就是高斯連續(xù)過程沒有成熟的理論來解決過程的非平穩(wěn)問題。這就是他選題的過程，此后他很長一段時期內(nèi)都在研究隨機(jī)干擾下的結(jié)構(gòu)振動問題。 如何對待科研選題，王光遠(yuǎn)很喜歡一句話：“沒有特別壞的課題，只有不恰當(dāng)?shù)难芯糠椒?！”他就曾?jīng)有一個課題并非自己選擇，但是通過創(chuàng)新性的研究，他在這個課題上取得了重大成果。 年代末，上級派下來一個任務(wù)課題：工業(yè)廠房的振動問題。原本已有相關(guān)的研究小組，但他們沿襲以往的研

13、究思路，把空間廠房在概念中切成一片片，粗糙的進(jìn)行平面簡化，認(rèn)為屋蓋為單跨時為單自由度，多跨則為多自由度，沒有什么研究必要，要求撤掉課題組。但是這個任務(wù)不能不完成，于是分配到王光遠(yuǎn)所領(lǐng)導(dǎo)的課題組之上。說到這里，王光遠(yuǎn)強(qiáng)調(diào)，“先要把影響問題的關(guān)鍵在那里搞清楚，然后才能進(jìn)行研究?！惫I(yè)廠房是一個整體，它的各排架之間是相互制約的，這一點在振動的時候表現(xiàn)得尤為明顯。于是他召集小組開會時說，工業(yè)廠房震動的問題關(guān)鍵是要將其作為一個空間整體結(jié)構(gòu)來研究，而不能把它切成一片片進(jìn)行平面簡化后來研究。這個思路指導(dǎo)王光遠(yuǎn)的課題組很快取得了成果，并在世界上率先建立了廠房空間振動理論，這個理論于年被評為國家重大科研成果，并

14、在各種設(shè)計規(guī)范里得到應(yīng)用。王光遠(yuǎn)說，可見我們選擇課題的時候，首先是“看矛盾”，只有把主要矛盾抓住了，你才能夠有效地進(jìn)行研究。上面提到的地震力理論的主要矛盾是振動的隨機(jī)性，所以我們從振動的隨機(jī)性著手研究，而工業(yè)廠房振動問題的主要矛盾是空間整體性，所以我們將它作為一個整體來研究，抓住了主要矛盾，我們的研究都取得了很好的效果。 “四人幫”倒臺后，王光遠(yuǎn)開始了新的研究歷程。隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，世界上出現(xiàn)了很多新的學(xué)科，王光遠(yuǎn)選擇結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計作為自己的課題。當(dāng)時世界上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計都是對單個的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，但工程項目包含著若干結(jié)構(gòu)，形成一個以結(jié)構(gòu)為單元的系統(tǒng)，各單元分別優(yōu)化的結(jié)果組成的系統(tǒng)并不優(yōu)化，項

15、目的優(yōu)化常常需要某些部分做出犧牲。所以王光遠(yuǎn)在年代就提出工程項目的全系統(tǒng)優(yōu)化的概念，即應(yīng)該將各個元素放在工程整體中來考慮如何優(yōu)化，以達(dá)到總體設(shè)計最為優(yōu)化的目的。后來他又提出全壽命優(yōu)化的概念，認(rèn)為優(yōu)化應(yīng)該貫穿在工程項目的全部階段，如可行性論證、結(jié)構(gòu)選型、工程施工、建成以后的管理等。王光遠(yuǎn)說，這兩個概念使我們形成了工程項目的“全系統(tǒng)、全壽命優(yōu)化設(shè)計的理論”，我的很多學(xué)生都在這個領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行研究，并取得了引人注目的成果?，F(xiàn)在我們的可行性論證優(yōu)化和結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化的研究已經(jīng)完成了，成果著作即將出版，設(shè)計優(yōu)化的問題也很快將要完成了，成果著作也將出版。建成以后管理的優(yōu)化問題，王光遠(yuǎn)的學(xué)生歐進(jìn)萍主持在渤海油田進(jìn)行

16、研究并經(jīng)取得了突出的成果，建立了海洋平臺結(jié)構(gòu)安全評定與維修決策理論。說到這里，王光遠(yuǎn)院士進(jìn)一步提出：“但是施工優(yōu)化的問題我們并不在行，沒有做什么工作，還需要更加專業(yè)的人士投入精力。” 選題完成之后，要經(jīng)歷的是扎實的科學(xué)研究過程 王光遠(yuǎn)院士著重就這個問題作了系統(tǒng)的論述。他說，“講求科研方法，首先要使自己的理論與實踐相符合”。在研究工業(yè)廠房振動的時候，王光遠(yuǎn)認(rèn)真地了解國外的情況。當(dāng)時世界上只有前蘇聯(lián)做過一些靜力學(xué)的實驗，他看到了蘇聯(lián)的文章，并設(shè)法搞到了他們的實驗數(shù)據(jù)。他覺得他們的論文十分荒謬，理論與實驗嚴(yán)重背離！經(jīng)過仔細(xì)地分析才知道，他們在進(jìn)行研究的時候?qū)⒖臻g問題粗糙地進(jìn)行平面簡化，把工業(yè)廠房的屋

17、蓋的變形問題當(dāng)作材料力學(xué)中的彈性支座上的彎曲梁問題，認(rèn)為它的變形以彎曲變形為主，剪切變形可以忽略。而當(dāng)以這樣的概念為指導(dǎo)而得出的理論值和實測值嚴(yán)重背離的情況下，不是另尋思路，而是將相差幾十倍甚至形式都不同的理論值和實驗值地強(qiáng)行捏合在一起，不僅得不到能夠正確指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論，而且在學(xué)術(shù)上犯了很大的錯誤！王光遠(yuǎn)在一系列的實測之后提出：“工業(yè)廠房屋蓋變形不是以彎曲為主，而是以剪切為主，彎曲變形可以忽略?！痹趯嵤虑笫堑目茖W(xué)思想的指導(dǎo)下，王光遠(yuǎn)的課題組很快地得到了全新的理論。后來他們做了一些實驗，接著測試了一些真實的廠房，試驗結(jié)果和蘇聯(lián)一樣，也就是與蘇聯(lián)的理論結(jié)果截然不同。蘇聯(lián)的錯誤在于固守理論，而不

18、尊重實踐。從上面的例子我們可以得出這樣的結(jié)論，理論和實踐發(fā)生沖突時，實踐是第一位的，只要你的實踐真實可靠，不是虛構(gòu)的，它就具有可信性?！袄碚撆c實踐不相符，我們要考慮的是如何修改理論，而不是如何修改實驗結(jié)果。” 研究的時候一定要有創(chuàng)新的思想，這是大家很關(guān)心的問題。王院士說，“什么是創(chuàng)新？創(chuàng)新決不是標(biāo)新立異，標(biāo)新立異是不可能得到真正的創(chuàng)新，創(chuàng)新是根據(jù)自己長期、深入的科學(xué)實踐，來發(fā)現(xiàn)矛盾、解決矛盾。”數(shù)學(xué)是一種工具，有了基本的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和比較寬泛的數(shù)學(xué)常識之后，最關(guān)鍵的是你對課題所包含的概念的認(rèn)識。為了說明這一點，王光遠(yuǎn)院士舉了自己將模糊數(shù)學(xué)引入地震工程的例子。他說，我們知道地震工程有一個很重要的概念

19、，那就是地震烈度。地震烈度需要由各種指標(biāo)綜合描述，其中各國用得最多的指標(biāo)是地面的最大加速度。例如度是一個區(qū)間，度是一個區(qū)間，地震時地面的最大加速度落在那個區(qū)間內(nèi)，地震烈度就是多少度。但是另一方面，抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，度比度的強(qiáng)度高一倍。兩者顯然不能在全區(qū)間內(nèi)同時被滿足，尤其是在度和度的邊界上出現(xiàn)跳躍，這樣的問題我們無法從概念上加以解決。王光遠(yuǎn)在年代就注意到了這個矛盾，但是受當(dāng)時的數(shù)學(xué)發(fā)展所限，沒有辦法解決。文革之后，出現(xiàn)了模糊數(shù)學(xué)，王光遠(yuǎn)以科學(xué)家的敏銳發(fā)覺了兩者的聯(lián)系，于是提出可以將模糊數(shù)學(xué)原理用到工程抗震中去，用通俗的語言可以這樣描述：地震烈度中度是一個區(qū)間，度是一個區(qū)間，它們之間是有邊界的，但是這個邊界是模糊的，兩個區(qū)間之間不是跳躍的，而是逐漸過渡的，邊界附近