王安轶 | 钱学森与中国科大近代力学系的建立与发展
2020-11-26 20:18:13
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来源:科学的历程  原创 王安轶

钱学森,世界著名科学家,空气动力学家,中国载人航天奠基人,中国科学院及中国工程院院士,中国两弹一星功勋奖章获得者,被誉为“中国航天之父”“中国导弹之父”“中国自动化控制之父”和“火箭之王”,由于钱学森回国效力,中国导弹、原子弹的发射向前推进了至少20年。

作者 王安轶 ( 中国科学技术大学特任副研究员)

责编 许嘉芩 刘愈

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创办科大力学系

钱学森先生是中国科学技术大学(以下简称“科大”)近代力学系的首任系主任,1958年,他作为主要筹备人参与了科大的建立,特别是近代力学系的创建。科大的创办可以说是钱老对创新人才培养的一次尝试,在科大特别是力学系的人才培养中,或许可以找到钱老对创新人才的期待和人才培养模式的理解。

1955年,突破重重封锁的钱学森回到祖国。回国后,他首先做的事就是建立力学研究所。在他看来,力学是工科专业的基础学科,是自然科学与工程技术之间的桥梁,是航空航天、机械工程、土木工程等诸多工程技术的基础,可以说一个国家的力学水平在很大程度上体现了一个国家的工业实力。中华人民共和国成立后,由于中国工业和国防现代化建设的庞大需求,近代力学学科的重要性尤为凸显。他认为:“任何科学必须和实际结合,挑选课题应和国家工业推进方向相适应”“研究结果要注意实践意义”,因此在力学所的研究组的设立时也都带有这样的考量,以任务目标为导向。1956年,国家制定了《1956――1967年科学技术发展远景规划》(以下简称“十二年科学规划”),钱学森担任了科学规划综合组组长。

原子能和火箭技术被列为尖端技术。在基础学科规划部分,作为原子能和火箭技术的基础学科,力学的发展就显得尤为重要。但1949年之前,我国没有专门培养力学人才的专业和研究机构,人才培养和研究基础都非常薄弱,钱学森等力学专家们很快意识到这一巨大差距。“(中国科学院)力学研究所高初研究员86人,全国能称得上第一流的(具有世界水平)力学专家仅5人,北大办的力学专业每年毕业的仅40余人,过一两年后连同其学校的毕业生亦不过300人左右。这样的人才状况显然不能满足国家工农业生产发展的需要,特别是十二年科学规划提出的科学任务对力学专业人才的巨大需求”。

1958年,在全国“大跃进”形势的推动下,力学所提出了若干以任务为目标的发展方向,并按“上天、入地、下海、服务工农业生产”四方面要求组织研究工作。此时,我国“两弹”研制任务正处于起步阶段,因此中国科学院急需大批优秀的科研人才。这样,在钱学森、郭永怀、严济慈等科学家的建议下,趁着“教育大跃进”的形势,中国科学院院党组于1958年5月9日向聂荣臻和中宣部呈送了由中国科学院开办大学的请示报告。后来,钱学森在写给朱清时的信中也提到了这一背景:“回想40年前,国家制订了12年科学技术远景规划,要执行此规划需要科学与技术相结合的人才;航空航天技术是工程与力学的结合,所以成立了中国科学技术大学。”中国科学技术大学力学系的创办就是在这样的背景下产生的。

钱学森撰写的力学与力学系介绍

在科大诞生之前,也有其他高校创了力学系或力学专业,但对力学人才的知识结构,钱老另有认识。

第二次世界大战后,在各国对高科技的迫切需求下,科学基础理论转化为工程和技术应用的周期大大缩短。一方面,技术发明越来越依靠科学,另一方面,现代科学的进步有赖于技术装备的支持。就当时国内的情况来看,随着第一个五年计划任务的提前完成,国家进一步提出了“向科学进军”的号召。从经济发展上看,长远经济目标的实现有赖于科学技术的发展;受国际政治环境的影响,在短时间内掌握与国防相关的尖端科技关乎国家安全,对当时还很薄弱的科技工作提出了很高的要求。国家急需如原子能技术、航空航天技术、计算机、自动化等方面都需要理工结合的人才。钱学森是哥廷根应用力学学派思想的继承人,长期从事科学研究与教学工作,他认为20世纪科学发展的趋势导致世界工程技术发生了革命性变化,导弹、高速飞机、雷达、核武器等重要武器装备的发明和使用,从根本上改变了人类生产与战争的面貌,这些重大发明需要数学、力学、物理学等理论科学作为设计依据,是科学家和工程师密切合作的产物。于是他提出了“技术科学”的概念,“我们肯定地要有自然科学家,要有技术科学家,也要有工程师。”想要在航空航天等关键领域取得突破性的成就,技术科学家是不可或缺的,尤其直接服务于工程技术的应用力学。而在当时中国的高等教育体系中,技术科学家作为人才培养的缺门,急需一所大学来探索其培养模式。

1952年院系调整之后,我国按照苏联模式重塑了高校教育体系,整顿了综合型大学,理工亦分了家,高等技术教育得到了加强,但却忽视基础教育。从力学学科看,根据苏联大学模式,力学专业被放在综合性大学的数学力学系内,主要培养具有理科背景的力学人才,如北大数学力学系的人才培养目标。而工学院则把培养目标定位为工程师,按照行业或产品设置专业。力学学科虽是各类工科专业的必修课程,但由于工业发展急需工程技术人才,工科教育的专业被细化、学制被缩短、相应的基础课程如力学科目也根据专业需求被尽可能压缩和简化。这样的培养模式导致了工科学生在基础学科上的薄弱。李佩教授在回忆科大建立时谈到了这个问题:“1958年4月,钱老与郭永怀先生、杨刚毅先生一起在北京西山讨论中国科学院力学研究所应承担的12年科学技术发展远景规划纲要任务时,都感到力学研究需要一批新型的、年轻的科技人员……他们都感到近年来分配到力学所的大学毕业生使用起来不称手,北大的偏理,清华的偏工,而急切需要的是介于两者之间的科学技术工作者,也就是需要一批介于科学家和工程师之间的人才。”因此,利用中国科学院的自身优势创办一所培养理工结合的尖端科技人才的新型大学,成为中国科学院许多科学家们的共同期望。

从以上两点来看,中国科学技术大学的建立并非是教育革命浪潮中的一个即兴之作,而是在考虑到当时高等学校人才培养目标和国家对人才需求中间的盲区而建立的一所极具特色和时代意义的新型大学,是钱学森的技术科学思想与国家需求不谋而合的结果。

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钱学森技术科学思想在近代力学系培养模式上的实践

建系之初,钱学森即按照“技术科学”人才培养思想制订力学系的人才培养目标和培养计划。在当时的条件下,钱学森提出,“理”要像北大、“工”要像清华的目标。为了实现这样的目标,专业如何设置、课程如何开设、甚至任课教师由什么样的老师担任,钱学森都亲力亲为,提出了意见和建议。钱学森建议在近代力学系开设四个专业:高速空气动力学、高温固体力学、岩石力学及土力学以及化学流体力学,这四个专业反映了力学学科发展方向。他还亲自为近代力学系的1958级学生制订教学计划,钱学森提出的培养目标是:“一个技术科学工作者的知识面必然是很广阔的,从自然科学一直到生产实践,都要懂得。”为此,钱学森从课程设置的多个重要方面做出了与其他高校不同的尝试。

1. 重视理论基础课与技术基础课

1959年5月26日,钱学森在《人民日报》发表文章《中国科学技术大学的基础课》,详细阐述了学习基础课的意义、内容和学习的方法。他认为,中国科学技术大学基础课除了公共基础课之外,还可以分为理论基础课和技术基础课两个方面,这样的安排是基于科大力学系的“技术科学”人才培养目标,“科技大学的学生将来要从事于新科学、新技术的研究;既然是新科学、新技术,要研究它就是要在尚未完全开辟的领域里去走前人还没有走过的道路,也就是去摸索,摸索当然不能是盲目的,必须充分利用前人的工作经验”。前人的工作经验即成熟的基础学科体系。“中国科学技术大学是为我国培养尖端科学研究技术干部的,因此学术必须在学校里打下将来作研究工作的基础”,新科学、新技术的研究要求“理工结合”的人才,理论和技术并重是力学系课程的一大特点。

钱学森发表在人民日报中关于科大基础课的文章

表1. 力学系高速空气动力学专业与高温固体力学专业基础课安排及主讲教师

表1是高速空气动力学和高温固体力学两个专业的基础课,可以看出两个专业的基础课内容和学时一致,主要分为基础理论和基础技术两个部分,基础理论主要包括高等数学、普通物理和普通化学。从数学课的比重就可看出其重要性。强调基础学科,是因为力学作为技术科学中的典型学科,根植于基础学科之上,主要是以物理学的基本理论为指南,以数学为研究工具的,物理学为力学提供了最基础、最根本的原理,而数学是力学研究中不可或缺的工具与手段,技术科学是工程技术的理论,研究它离不开数学,每一个技术科学的工作者首先必须掌握数学分析和计算方法。在科大建校的第三次系主任会议上,重点讨论了关于基础课学时的分配问题,高等数学分两个类型:第一类型学习两年半,430学时;第二类型为一年半计260学时,力学系即与应用数学和计算技术系等系一起被归为第一类型中。从高速空气动力学和高温固体力学两门学科来看,复杂的化学变化现象也是要被充分考虑的学科。特别是在尖端工程技术的发展的过程中,力学工作者为了解决生产中提出的问题,就需要充分利用目前物理,化学上已有的成果,要掌握这些新的力学分支是与良好的数学、物理、化学知识基础分不开的。考虑到实际工程问题是复杂的,往往涉及到多学科,因此,为了从中提炼和研究工程科学问题,研究者必须具备广博而扎实的基础科学知识。

基础课的另一个方面是基础技术课,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)。钱学森认为:“在新科学、新技术的研究工作中,常常要设计比较复杂的实验装置,例如研究高速气动力问题就得有超声速的风洞,研究基本粒子物理就得有高能加速器了要设计这些设备就不能用敲敲打打的办法,必需进行比较正规的技术设计。因此基础技术的训练就非常必要了。”机械制图和机械设计、实验技术和计算技术皆是工科学生最基本的训练,是工程实施的工具,只有掌握了工程技术的基本工具,才能在应用基础科学知识解决工程科学问题中考虑到实际工程问题,使实验数据不仅仅停留在实验室,而是在实际工程中发挥作用。钱学森提到的“在尚未开辟的领域里走前人还没有走过的路”,在探索的道路上无人领航,那么尖端仪器、设备都需要自己独立设计、研发和制造,这就需要工程技术知识的支撑,这也是创新人才所必备的条件。

这两类课程在科大的甲型公共基础课之中都有所体现,前三年主要以基础课为主。从学时上来看,公共基础课占总学时的一半,而基础理论和基础技术两类课程都占较大比重。与综合类大学的力学系如北大数学力学系,和多科性工科学校如清华大学工科专业相比,科大力学系的基础理论课要比以工程设计为主的清华大学相关学科课时量大,而基础技术课又远超过以数理计算为重点的北京大学数学力学系,体现了“技术科学”教育思想中有别于基础学科和工程学科人才培养的“理工结合”的课程特色。

2. 重视专业课与国防科研重点的需求结合

三年级下,进入了专业课学习时段。全系必修的有工程力学(含材料力学)、理论力学、火箭技术概论,再加上各个专业的特殊专业课程(总计约800学时);在当时而言,这些新专业在国内其他高校均未开过,因此如高速空气动力学等专业的课程设置都是实验性的尝试。从课程设置上,可以看出钱学森为各专业安排课程时注意从以下几个方面考虑与国防科研重点需求的结合:一是强调专业课程的前沿性,他设置并亲自讲授《火箭技术概论》这门课程在当时来说无疑是非常前沿的课程。通过这门课的学习,学生了解了所学之将来的应用领域,激起了学习基础知识的热情。二是公共专业课各个专业亦各有侧重。三是倡导交叉学科的发展。钱学森对专业课程的设置有意识地引导学生在更宽的学科领域内获取知识。四是由科学院的研究员和该领域的专家授课,如郭永怀开设了粘性流体力学、林同骥开设了高超声速空气动力学、李敏华开设了塑性力学、胡海昌开设了杆与杆系,夹层板结构专题两门课程等,这些专家都承担着国家最前沿的科研项目,对学科的知识体系都有比较成熟和独特的看法,对待解决的技术问题有着深刻的认识。他们的授课让学生能够接触到专业领域最前沿的研究成果和困境,学生结合自身所学和专家的启发,就能以最快的速度进入前沿科学研究领域(表2)。

表2. 58级高速空气动力学与高温固体力学课程、学时及主讲教师

3. 重视传授理工结合的精髓和方法

钱学森认为,虽然自然科学是工程技术的基础,但它不包括工程技术中的规律。从技术科学的研究方法来看,是自然科学与工程技术研究方法的综合。但是,要把自然科学的理论应用到工程技术上去,并不是一个简单的推演工作,而是科学理论和工程技术的综合。因此,有科学基础的工程理论既不是自然科学也不是工程技术,而是两部分有机组织的总和。他有在麻省理工学院和加州理工学院学习和工作的经历,他认为,麻省理工学院的培养模式是把基础理论与专业技术割裂开的,前两年是按照培养科学家的模式,而从第三年开始又变成了培养工程师的模式。在科大力学系的课程设置时,钱学森刻意强调了如何做到真正的“理工结合”。如在参考书的选取上,《理论力学》补课课程采用钱学森建议的冯·卡门(Von Karman)和比奥(Maurice A. Biot)合著的《工程中的数学方法》(Mathematical Methods in Engineering)作为参考书,因为这本书代表了技术科学的教学理念:从实际问题出发,用数学方法解决实际工程问题,即传授“实际——理论——实际”的研究方法的精髓。

同时,钱学森十分强调技术科学家要对工程技术有足够的认识与理解,要求学生学习有关的工程技术知识,并与工程师交朋友,与他们有共同语言,有工程观点,对工程问题要有数量的概念。这些能力都要从学习领会工程设计原理和实践的过程中逐步获得。在钱学森的支持和指导下,科大力学系在结合产学研结合和成立了以学生为主要参与者的火箭研制小组,并将研制成果运用到了实际生产中,作为降雨催化剂的运载工具,成功实现了人工降雨。这一过程中,产学研实实在在地为生产所服务。并且,借此培养了学生理论联系实际的能力,从而在毕业以后能够较快地在适应科研岗位的需求。

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关于钱学森创新人才培养思想的再思考

1964年1月,延期毕业半年的科大近代力学系1958级学生开始分配派遣。将近1/3的同学去了中国科学院力学研究所,1/3去了国防科研系统,剩下的1/3,一半去了在部队,另一半去了中央与省市机关或留校任教。1958—1960级力学系学生,先后走出了10多名科技将军、7名中国科学院院士和中国工程院院士(表3)以及许多国内外的知名教授、学者,不负钱学森当年“上天揽月、下洋捉鳖”的期望,他们在各个领域独当一面,成绩斐然。

表3. 前三届学生中两院院士名单

钱老对中国科大力学系的人才培养中可以看出,他对后人所总结的“钱学森之问”早有答案,并在中国科学技术大学人才培养中实践了他的想法。科大是钱学森一生中倾注精力最多的高校,他从加快我国航天事业后备人才培养的战略高度出发,实践了“技术科学”人才教育理念,即科学和工程相结合,培养能适应不断变化的工程技术前沿的、具有良好的自然科学基础和领导能力的研究型工程师。回顾这段历史,可以看出在高等教育以培养专才为理念的时代里,强调“理工结合和通才教育的培养模式”是极具探索精神的,事实也证明这样的探索在科研型人才的培养上的成功。

历史已证明,钱学森技术科学思想是适应科技发展的趋势的,回顾钱学森与科大力学系建立和初步发展的过程,结合现代科技发展的趋势和高等教育改革的方向,我们可以得到如下启示:一是高等教育仍要从世界科技发展的趋势和国家需求出发。二是既要重视基础科学,也要注重理工结合。在探索新科学、新技术的无人区域,基础科学是摸索过程中的指南针。三是要培养学生理论联系实际的能力,也就是从实际问题出发,运用理论建立模型,再将其应用到实际问题之中的能力。

有幸的是,在钱老的“技术科学”人才培养思想的探索下,中国科学技术大学力学系成了“理工结合”型人才培养教育理念探索的排头兵,科大其他各系科也受影响,在培养复合型科技人才方面取得了丰硕的成果。1994年4月20日,钱老在给汤洪高校长的信中说:“我也祝愿中国科学技术大学在时代发展新方向:纳米科学技术,做出重要贡献。”同年6月,他在给近代力学系主任韩肇元、伍小平教授信中写道:“中国科学技术大学真是新高技术的突击手,而力学系也很称职,下决心向顾海澄教授那样预见至21世纪,开创新学科、新专业——材料设计专业!”1996年1月25日,他在给近代力学系主任虞吉林、伍小平、夏源明教授的信中写道:“今天我们能设想一个元部件的细观结构是可以随我们的意愿安排的……上述理论工作能展示我们的前途,你们不应该做吗?”在中国科大建校五十年时,钱学森曾提出希望科大能够“弘扬理工结合的人才培养传统,进一步发展走理工文相结合的人才培养之路,相信科大一定能为我国培养出世界一流科学家和科技领军人才”。

钱老是理工结合型人才的培养模式的先行者,对科技发展的趋势和学科发展的内在特点有着深入的认识和把握。在前沿科学高度交叉融合的当代,如何培养复合型人才,如何定位科学家、技术科学家和工程师的培养目标,或许重读钱老的《论技术科学》等文,重温科大力学系的建立过程亦会有新收获。

 
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