葉志明：力學(xué)基礎(chǔ)課程教學(xué)指導(dǎo)分委員會(huì)副主任委員 上海大學(xué)副校長(zhǎng)
現(xiàn)在，科學(xué)發(fā)展非?？欤R(shí)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(shí)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(zhǎng)校長(zhǎng)1983年到上海工業(yè)大學(xué)就任時(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(jiǎn)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?！防锸沁@么說的：“是關(guān)于認(rèn)識(shí)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”?，F(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)，必須要符合邏輯、經(jīng)驗(yàn)、社會(huì)學(xué)和歷史的四套標(biāo)準(zhǔn)，缺一不可。其實(shí)，我們會(huì)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(píng)估的時(shí)候，時(shí)常要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，經(jīng)線地圖，地球沿經(jīng)線展開；緯線地圖，地球沿縱向（豎向）展開。如果這張地圖放在店里賣的話，人們多半不會(huì)去買，因?yàn)樗雌饋砗軇e扭，不習(xí)慣也不熟悉。比如，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，甚至?xí)吹斤w機(jī)的飛行路線是曲線！有些人會(huì)奇怪怎么不飛直線飛曲線為呢？因?yàn)椋厍蚴菆A的，把它展平后直線變成了曲線。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(guó)數(shù)學(xué)家曼德布羅特問英國(guó)的海岸線有多長(zhǎng)，這一問，問出了分形體和分形理論。曼德布羅特現(xiàn)在美國(guó)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)辦法來制造面包，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。我們每個(gè)人都是靠眼睛來觀察事物的，比如圖1a看起來是一個(gè)女人；圖1b看起來是一個(gè)男人，但放在一起看，原來是同一個(gè)人。所以，有時(shí)候眼睛會(huì)給你一個(gè)錯(cuò)誤的判斷。
(a) (b)
圖1 放在一起看，原來是同一個(gè)人
科學(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(huì)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，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(duì)真理概念的具體應(yīng)用，而絕對(duì)真理是永遠(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)次要矛盾而成的。通常我在評(píng)審博士論文或參加博士論文答辯的時(shí)候，會(huì)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(huì)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(huì)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(huì)很好，有時(shí)候會(huì)很被動(dòng)。所以，當(dāng)領(lǐng)導(dǎo)要把彈性力學(xué)和社會(huì)科學(xué)很好地結(jié)合起來。
科學(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(cè)，即解釋過去和預(yù)測(cè)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(cè)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(cè)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(huì)改變姿態(tài)呢？法國(guó)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 秒的時(shí)間改變了姿態(tài)。法國(guó)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，但研究結(jié)果發(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(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，找到一只沒有尾巴的巴西貓，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；而推翻一個(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?，F(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?huì)問題或復(fù)雜問題會(huì)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)的共同的創(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(shí)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)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(shí)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(shí)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(chǎng)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)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(guó)，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。另外，它要求土木工程師要不斷適應(yīng)社會(huì)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(huì)從失敗中學(xué)習(xí)。
美國(guó)工程師的基本素質(zhì)要求是：對(duì)職業(yè)道德和社會(huì)責(zé)任的認(rèn)識(shí)，寬厚的教育根基，足以認(rèn)識(shí)工程對(duì)于世界和社會(huì)的影響，包括關(guān)于當(dāng)代問題的知識(shí)，在多學(xué)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，以及對(duì)于終身教育的正確認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)能力等。
法國(guó)的工程師教育設(shè)立了5個(gè)課程門類：科學(xué)知識(shí)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(duì)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。
表1 法國(guó)工程師要求具備的技能和能力
法國(guó)工程師教育普遍能達(dá)到的技能或能力
1．對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)廣泛領(lǐng)域的資源進(jìn)行運(yùn)用的能力
2．對(duì)一項(xiàng)科學(xué)和技術(shù)的專業(yè)領(lǐng)域的了解和領(lǐng)會(huì)
3．對(duì)工程師方法和工具的掌握：a. 識(shí)別和解決問題，甚至是不熟悉的和尚不完全確定的問題；b. 數(shù)據(jù)的收集和解釋；c. 信息處理工具的使用；d. 復(fù)雜系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)；e. 實(shí)驗(yàn)
4．融入組織，帶入活力，促進(jìn)發(fā)展的能力：a. 行動(dòng)力和領(lǐng)導(dǎo)能力；b. 項(xiàng)目管理和工程管理；c. 同專家與非專家進(jìn)行溝通
5．重視工業(yè)、經(jīng)濟(jì)和職業(yè)方面的關(guān)鍵性問題：a. 競(jìng)爭(zhēng)力和生產(chǎn)力；b. 創(chuàng)新；c. 知識(shí)和工業(yè)產(chǎn)權(quán)；d. 對(duì)質(zhì)量和安全規(guī)程的遵守
6．在國(guó)際化背景下工作的能力：a. 掌握一門或幾門外語(yǔ)；b.有經(jīng)濟(jì)頭腦；c. 文化的開放性；d. 國(guó)際經(jīng)歷
7．尊重社會(huì)價(jià)值取向：a. 對(duì)社會(huì)關(guān)系的認(rèn)識(shí)；b. 環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展；c. 道德感
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(shí)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(shí)范疇內(nèi)進(jìn)行教學(xué)培養(yǎng)，基本上是計(jì)劃經(jīng)濟(jì)時(shí)代對(duì)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(guó)家的工程課程來看，很多課程對(duì)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(duì)工程教育的理解有偏差，這些偏差造成我們?cè)谌瞬排囵B(yǎng)上的問題。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)有一個(gè)報(bào)告，雖然其中提到了中國(guó)工程教育對(duì)美國(guó)的沖擊，但是它并不擔(dān)心，它認(rèn)為中國(guó)工程教育的內(nèi)涵不對(duì)。
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(huì)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)用到實(shí)際中，比如會(huì)場(chǎng)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(guó)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）。
表2 科學(xué)家與工程師的區(qū)別
科學(xué)家工程師
工作目的揭示自然現(xiàn)象解決迫切的實(shí)際問題
工作進(jìn)度耐心迅速
品質(zhì)要求深度的知識(shí)耐心的實(shí)驗(yàn)或思考邏輯的結(jié)論廣闊的知識(shí)迅速的反應(yīng)綜合的判斷
工作要求科研論文工程方案
2010年6月22號(hào)，教育部啟動(dòng)了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（以下簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”），探索中國(guó)特色的工程教育之路，這是回歸到中國(guó)在市場(chǎng)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(guó)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)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(shí)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)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？?。凰氖菙U(kuò)大工程教育的對(duì)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(shí)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。
現(xiàn)在，高等教育大眾化了，我很擔(dān)心，如果全國(guó)所有各種層次的高校都按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)去評(píng)估的話，這是很可怕的事情。人才培養(yǎng)需要個(gè)性化，需要因材施教，要講個(gè)性、需求和特色。
（本文系作者在“第五屆力學(xué)課程報(bào)告論壇”上的大會(huì)報(bào)告，根據(jù)錄音整理，經(jīng)本人審定。因篇幅所限，本刊做了部分刪減）
