錢學森技術科學思想對力學教學的啟示

1、錢9DE術科學HI對力9-9的啟示摘要：對錢學森技術科學思想提出的歷史背景作了嘗試性的反演，以經(jīng)驗技術與科學技術之間的差 異作為切入點來引入和介紹錢學森技術科學思想。以該思想為理念的人才培養(yǎng)模式對力學教學富有啟 迪性，文中結合具體案例作了深入的闡釋。關鍵詞:錢學森;技術科學;人才培養(yǎng)模式；力學教學力學與數(shù)學、物理學、化學、天文學、地理學和生物學并列為七大基礎學科，作為“最基本的自然 科學（恩格斯語）”和“大工業(yè)的真正科學的基礎（馬克思語）”，曾為各學科提供了最具影響力的理 論基礎和研究范式，亦是工業(yè)革命的杠桿。特別地,19101960年的50年間，由于助力突破了聲障 和熱障等層層障礙而對航空航

2、天技術作出了杰出的貢獻，力學成為技術科學與工程技術相互作用 的典范1o然而，20世紀60年代以后，“力學的黃金時代”亦隨之而去，計算力學的成熟和計算軟 件的普及更加劇了該趨勢。中美不少高校原來獨立的力學系被拆并到其他理工院系14，而力學課 亦退化為理工科基礎課的一部分。該現(xiàn)象,一方面顯示了成熟學科因更具基礎性而融入其他學科, 另一方面,邊緣化亦顯示了對力學的重要性認識不足和重視不足。學時的壓縮，加之力學課程的難 度相對較大,不少學生畏而生厭,給力學教學帶來一定的難度。鑒于上述情形，通過解讀錢學森多年前提出的技術科學思想58,探討力學的學科定位、研究方 法和教學模式，并結合實際作一些思考，提出建

3、議，以期達到拋磚引玉之效果。一、錢學森技術科學思想的歷史溯源科學哲學家漢森曾說觀察滲透著理論。”為此,先將鏡頭拉遠,試著從科技史的大背景反演錢 學森提出技術科學思想的歷史緣起，然后再聚焦該思想，以期從歷史中得到更多的借鑒。（一）經(jīng)驗技術和科學技術愛因斯坦于1953年說,西方的發(fā)展是以兩個偉大的成就為基礎的，即，希臘哲學家發(fā)明的形式 邏輯體系（在歐幾里得幾何學中）和（在文藝復興時期）通過系統(tǒng)實驗找出因果關系的實驗方法&D。在古希臘，學者傳統(tǒng)和工匠傳統(tǒng)是涇渭分明的。學者研究是為了滿足好奇心，而非發(fā)展生產(chǎn)力的手段。亞里士多德指出，希臘學術有兩個重要 特征:1）出自“驚訝”，純粹為求知”；2）以“閑暇

4、”為條件10。羅素說，希臘人追求抽象邏輯世界之 美和真理沉思至上的內在價值11。此時的科學和技術亦是涇渭分明的，科學只認識自然，技術只改 造和利用自然，技術不以科學為基礎。在古希臘時期，畢達哥拉斯學派建立了數(shù)學理性，亞里士多 德開創(chuàng)了邏輯理性，阿基米德開創(chuàng)了實驗理性，古希臘社會形成了自由研究的文化氛圍12，為近代 科學的發(fā)生和發(fā)展奠定了文化基礎。相比古希臘人的科學理性，羅馬帝國時期的羅馬人則追求實用理性，他們在軍事工程和城市建 設等技術方面頗有成就，但在科學方面建樹不多，他們的技術，亦只是經(jīng)驗技術，不以科學為基 礎10。歐洲的文藝復興是對古希臘民主和科學的復興,在復興中開創(chuàng)了近代科學。近代科學

5、的基本 特征之一是注重實驗，達芬奇曾說“實驗乃是確定性之母。”伽利略開創(chuàng)了實驗和數(shù)學相結合的 研究方法，牛頓力學更是形式邏輯體系和通過系統(tǒng)實驗發(fā)現(xiàn)因果關系完美結合的典范13。他們都 為近代科學奠定了基礎。經(jīng)歷了近代科學革命后，科學迅猛發(fā)展。第一次工業(yè)革命前后，數(shù)學、物理和化學等基礎學科 取得突破性進展，一方面延續(xù)探求自然奧秘的科學傳統(tǒng)，另一方面亦關注工程技術的問題。該變化 導致了工程技術從以經(jīng)驗為基礎的經(jīng)驗技術逐漸轉向以科學為基礎的科學技術，科學從象牙塔走 向工業(yè)界“學”以致“用”，并以其杠桿效應，放大了技術對生產(chǎn)力的推動作用。從此，科學，從原來 的求真”轉向了 求力”和求真”-合規(guī)律和合目的

6、的統(tǒng)一&1%。工程技術的科學化,大約始于第一 次工業(yè)革命時期（約17501850年），興盛于第二次工業(yè)革命之后（19世紀下半葉至今）15。科學 與技術的相互催化，使人類在過去約300年的科學技術突變中取得的成果，遠遠超過了在此前幾千 年的經(jīng)驗技術漸變中取得的成果。然而，近代科學,卻只是歐洲的獨幕?，并未在中國上演。在眾多李約瑟難題”的解答中，有一 種解答頗有見地，亦對本文頗有啟示，既要區(qū)分科學與技術，又要區(qū)分基于經(jīng)驗的經(jīng)驗技術和基于 科學的科學技術1617，在古代，是中國的技術領先于西方的技術，而近代，是西方的科學技術超越中 國的經(jīng)驗技術118。從庫恩科學發(fā)展圖式看19，中國處于前科學階段。其

7、實,縱觀中外科技發(fā)展史，早期的技術均屬于經(jīng)驗技術，基于科學、以科學作為修飾詞的科學 技術畢竟只是近代科學革命之后的事。注意本文中科學技術”中的斟學”即此用法，而非作為與 技術并稱的名詞。經(jīng)驗,是只知其然的知識;而科學，是知其所以然的知識。基于經(jīng)驗的技術開發(fā) 主要采用歸納法,而基于科學的技術開發(fā)主要采用演繹法;經(jīng)驗技術是模仿、后生、單生、技能和漸 變的技術，而科學技術是創(chuàng)造、前生、多生、知識和突變的技術17,20。上述發(fā)展歷程在土木工程中體現(xiàn)為：文藝復興時期，達芬奇研究了確定作用在結構構件上的力及通過實驗確定材料強度等問題, 但他的發(fā)現(xiàn)被埋沒在他的筆記本里,1516世紀的工匠依然只能憑經(jīng)驗和直觀

8、判斷決定構件的尺 寸。最早嘗試用解析法確定構件安全尺寸是從17世紀才開始的，一般認為，伽利略的名著關于兩 門新科學的對話（1638年）標志著材料力學的開端21，書中系統(tǒng)描述了通過大量實驗研究材料力 學和動力學，提出了固體的強度問題,介紹了木梁強度實驗，提出了等強度梁的概念,討論了在重力 作用下物體尺寸對強度的影響。1660年，胡克提出了表征材料應力應變關系的胡克定律。1687年, 牛頓提出了牛（三大定律。伽利略、胡克和牛頓共同奠定了近代土木工程的理論基礎蕓。此后，土 木工程技術逐漸從經(jīng)驗技術轉向了科學技術，加之工業(yè)革命后,金屬材料的大量生產(chǎn)，改變了過去 以土和木等天然材料為主要建材的局面，使土

9、木工程一改幾千年來的緩慢發(fā)展模式,進入了突飛猛 進階段，在力學的基礎上崛起了一座座高樓大廈。法國1747年建立了世界上第一所工科大學一 法國巴黎路橋學校，工程師佩羅內領導的巴黎路橋學校研究了石拱橋的壓力線，并用力學和材料強 度理論對拱橋和橋墩的尺寸進行計算，建了許多坦拱橋，使歐洲的石拱橋設計達到了很高水平。盡 管歐洲坦拱橋的出現(xiàn)比趙州橋晚了一千多年，但卻是建立在理論基礎上的科學設計22。雖然用現(xiàn) 在的力學和美學去審視趙州橋，都會驚嘆其科學性，但畢竟當時的設計建造者沒能提煉出理論,減 弱了其科學的可重復性和推廣普及性。隨著工程系統(tǒng)復雜程度的增加，單純的經(jīng)驗技術不再能勝 任。很難想象，沒力學理論，

10、古代的工匠能單憑經(jīng)驗確定現(xiàn)在摩天大樓的構件尺寸;很難想象，沒美 國塔科馬橋的風毀事件而引發(fā)的橋梁風工程研究，不解決“卡門渦街”所致的風振，以及抗地震等理 論，目前世界最大跨徑（1 991 m）橋梁一日本明石海峽大橋能成功運營于風振和地震影響皆強烈 的地帶。（二）哥廷根應用力學學派19世紀末，哥廷根大學的數(shù)學家克萊因認為，應將包括數(shù)學在內的自然科學知識全面系統(tǒng)地應 用于發(fā)展工業(yè)生產(chǎn),為貫徹該理念，他于20世紀初在哥廷根大學創(chuàng)建了應用數(shù)學系和應用力學系， 邀請了普朗特等加入，開創(chuàng)了哥廷根大學基礎數(shù)學、應用數(shù)學和應用力學協(xié)調發(fā)展的黃金時代，使 以理論科學基地著稱的哥廷根大學成為應用技術的搖籃23?？?/p>

11、萊因不僅在數(shù)學方面貢獻卓著，他 提出的埃爾朗根綱領表明幾何可借助群論方便地分類，對幾何學的分類和統(tǒng)一影響深遠，他還努力 促成數(shù)學和物理的學科交叉。哥廷根應用力學學派在克萊因和普朗特的共同領導下，一時成為大 師之淵藪，如被譽為現(xiàn)代工程力學之父”的鐵摩辛柯4和被譽為“航空航天時代科學奇才”的馮 卡門皆出自該門派。理論與實際、科學與技術、數(shù)理科學與應用科學緊密結合是哥廷根應用力學學派極具代表性的 治學理念和學術風格。馮卡門更是“以填平理論科學與應用技術之間的鴻溝為己任”&23。他在 加州理工學院（CIT）傳承和發(fā)揚了哥廷根學派的理念和風格，理”加“工”的綜合，發(fā)展有理科依據(jù) 的工科。作為“卡門科班”

12、的學生，錢學森一脈相承，繼續(xù)傳承和發(fā)揚了該理念和風格，高屋建2地 提出了技術科學思想。如果說錢學森之問，是對大學的可能世界的極致追求”&24在中國實現(xiàn)的一種期許，那么基于 錢學森技術科學思想的人才培養(yǎng)模式，則是“培養(yǎng)科學技術發(fā)明創(chuàng)造人才的模式” 25在培養(yǎng)技術科 學家層面的一種體現(xiàn)，其中暗含讓中國教育之癥結部分終結之良方,亦可部分看作錢學森之問的 回答。（三）錢學1技術科學思想錢學森認為，科學理論不能把自然界完全包括進去,總有些東西是不能從科學理論推演出來 的。雖然自然科學是工程技術的基礎，但又不能完全包括工程技術，將自然科學的理論應用到工程 技術，不是一個簡單的推演工作，而是個高度創(chuàng)造性的工

13、作。因此，將科學理論應用于工程技術的 說法是不確切的,更確切地說是科學理論和工程技術的綜合，而綜合自然科學和工程技術,產(chǎn)生有科學依據(jù)的工程理論需要另一門學問，即技術科學。馮-卡門說，科學家發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存的世界，工程師創(chuàng)造未來的世界。力學既可發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存的世界，亦 可創(chuàng)造未來的世界國。一語道破了力學之技術科學的學科定位。在技術科學中，力學屬于最早成 熟且強勢的學科。根據(jù)司托克斯提出的科學研究象限模型技術科學處于巴斯德象限，即應用基礎研究（圖 1）。其研究目標是創(chuàng)造有科學依據(jù)的工程理論為工程技術服務，從而可不依賴經(jīng)驗而對新技術進 行科學預見，引領工程發(fā)展。技術科學要從工程中提煉科學問題，以工程帶科學,但所提

14、煉的應是具有普遍性的工程理論問 題，否則將會異化為以工程代科學，不過是解決特例而已。例如，1940年美國塔科馬橋風毀后，其失 敗的機理由馮-卡門等從事航空工程的科學家給出，他們把航空工程中熟悉的風致顫振理論用于 分析土木工程，充分顯示了空氣動力學的普適性。相比自然科學的自由探索，技術科學更注重以應用為導向的定向攻關,不是被動地由工程推 動,對于工程而言，其具有前瞻性、科學性、基礎性和支撐性。如高層建筑或大跨橋梁，要求輕質高 強材料，輕質到可謂“斤斤計較”，而對于航空航天材料，則更嚴苛，如方岱寧院士所說輕質是航空 航天永恒的追求，斤斤計較遠遠不夠，必須做到克克計較?！比绱?方能將更多的能力騰出來

15、承 受外荷載而非自重。對于特殊工程，技術科學的目標將從傳統(tǒng)的選材料模式進入設計材料模式，以 此來推動高性能材料的發(fā)展，進而引領工程的發(fā)展?？茖W與技術之間的作用不是單向度的，不僅是從“學”到“術”的應用轉化，亦包0從“術”到“學”的理論建構，是反饋反哺的動態(tài)過程，如圖2所示。圖1科學研究的象限模型圖圖1科學研究的象限模型圖2科學和技術相互作用的動態(tài)模型圖&、利用技術科學的統(tǒng)一性啟示現(xiàn)象具有多樣性，而經(jīng)過科學抽象后的實質則具有統(tǒng)一性。從上述可知,技術科學研究的是工 程中的共性科學問題，而該過程，采用比較多的是歸納法，但歸納往往只是不完全歸納，卻可能得出 普遍性。由普遍性通過演繹推理,可得特殊性。已

16、有成果所能演繹的路徑不止一條，亦未必已經(jīng)窮 盡，如前所述,科學技術是多生技術，要充分結合工程作學科交叉研究,將科學發(fā)現(xiàn)向技術轉化的潛 能充分釋放出來。教材、專著的撰寫以及授課不得不采用自上而下的推演法（演繹法），而重大的科學發(fā)現(xiàn)往往是 倒過來的，亦即自下而上的歸納法痢。教材、專著和授課的內容，亦是研究所得的結果。一方面，教 學中要學會從統(tǒng)一性中演繹出特殊性，亦要學會不斷將特殊性納入統(tǒng)一性中或發(fā)展成統(tǒng)一性，學會 普遍聯(lián)系,把不同領域的共性展現(xiàn)出來，利用相似性，從學透一個分支內容，迅速融會貫通其他分支 內容。另一方面，作為一種科研思維訓練，要學會從教材、專著和授課的內容中，反演科學發(fā)現(xiàn)者的 思路歷

17、程，從中獲得啟迪。力學教學中要注重培養(yǎng)學生該種思維方式，特別在課時壓縮的情況下， 可采取該方式對力學課程內容作整合和優(yōu)化。在“大土木”的培養(yǎng)模式下,采用公共力學基礎課的原因在于作為技術科學的力學的普適性。 理性力學作為一門橫斷的基礎學科，從研究工程中具有共性問題的力學中再進一步研究更具共性 的問題，用統(tǒng)一的觀點對各力學分支進行系統(tǒng)綜合地探討，并力圖用公理體系來演繹力學理 論28-30，構建大統(tǒng)一理論，頗具錢學森橫斷綜析的大成智慧”的感覺。盡管大多數(shù)高校的本科教 學,沒開設該課程，但教學中可貫穿一些理性力學的思想方法。無論是材料力學、結構力學抑或彈 性力學，從理性力學的觀點看，都是從本構關系、平

18、衡（或動力）和幾何關系三方面建立方程，在邊界 條件（空間邊值問題）或初始條件（時間初值問題）下求解，不同問題的差別只是力學模型所對應的 工程背景不同而已。初始條件決定了之后任何時刻物體的位置和速度，邊界條件決定了物體其他 任何位置的位移、應變和應力，頗具牛頓力學中的決定論15感覺，不過對低速宏觀的情況，確實 如此。如主應力和對應的應力主向、主應變和對應的應變主向、自振頻率和對應的振型、穩(wěn)定臨界荷 載和對應的失穩(wěn)變形形式，從代數(shù)的角度看,均可歸為特征值和特征向量問題。如莫爾圓適用于平面應力張量、平面應變張量、剛體的轉動慣性矩張量和變形體的截面慣性矩 張量,實際上，對于平面情況下的二階對稱張量在坐

19、標軸轉動時的分量計算具有普適性。故學過應 力莫爾圓即可推而廣之。如土力學中土體的固結方程和熱傳導方程形式一樣，同屬于拋物線型方程。如波動方程可用于描述許多完全不一樣的和表面上互不相干的物理現(xiàn)象。諸如此類,工程統(tǒng)一于力學，力學統(tǒng)一于數(shù)學，教學中要善于發(fā)現(xiàn)和充分利用技術科學的統(tǒng) 一美。三、學會對經(jīng)驗成分和科學成分的成分分離和成分化合工程技術問題影響因素甚多，只能抓住主要矛盾和矛盾的主要方面，忽略次要矛盾和矛盾的次 要方面，此外，從自然科學到工程技術不是簡單的推演，相比自然科學,技術科學中帶有更多經(jīng)驗的 成分7工程師往往采用不完美的技術解決艱難的工程問題，對工程科學的學習和研究應沿著欣 賞完美、發(fā)現(xiàn)

20、不完美、探索更高層次的完美的螺旋式道路去攀登”。一方面，要將工程技術建立在科學基礎之上,另一方面，要學會從工程技術課程中分離出工程理論和經(jīng)驗技術,對于前者,要追根 溯源找出其所屬學科、理論依據(jù)和切入方法;對于后者,思考如何改進，使之不斷科學化。如此，方 能將自然科學和工程技術融合，在推導過程中知其所以然，而不只是套規(guī)范,否則將陷入麻省理工 學院早期工程師培養(yǎng)模式，即$前兩年著重在自然科學，后兩年著重專門業(yè)務,但是這兩部分之間沒 有結合起來”7。具體到本科力學教育，由于力學課程大多在低年級開設，此時以之為基礎的工程技術課還沒開 設，還處于上述的前一階段教育中，要把兩者聯(lián)系起來很難。但力學的很多問

21、題，本身就是實際; 程的理論建模，而模型的求解主要依賴于數(shù)學和物理，介乎數(shù)理科學和工程技術之間，離數(shù)理科學 和工程技術皆較近，更容易打通學科壁壘。前一部分內容，學生已經(jīng)具備，只需簡單回顧即可，而后 一部分，應適當增加工程概念的介紹，縮小力學模型與實際工程間的差距,將數(shù)學、力學、工程有機 聯(lián)系，形成一個富有邏輯的有序進階的知識體系，而非空中樓閣，同時引導學生在學習工程技術課 時回顧該部分內容，讓他們化分為合。達.芬奇曾說“力學是數(shù)學科學的天堂，因為，我們在這里 獲得數(shù)學的成果。”抑類似地，工程是力學科學的天堂，因為，我們在這里獲得力學的成果。數(shù)學的 抽象性因在力學中的應用而減弱，對數(shù)學的理解在力

22、學應用中而加強。同理,力學的抽象性因在工 程中的應用而減弱，對力學的理解在工程應用中而加強。在后續(xù)專業(yè)課程中,重點訓練從工程中提 煉科學問題，進行理論建模的能力。當學生認識力學之大用和學好力學課對工程技術課的作用時， 才能激發(fā)起他們的興趣而努力學之。如材料力學對混凝土、結構力學對多高層建筑、土力學對基礎 工程、流體力學對橋涵水文等,應重視力學課對工程技術課的基礎性支撐作用。當然，實際工程中 很多計算由計算機完成，但計算機的計算結果需要有把關的工作，此即定性（或概念）力學,故要加 強定性（或概念）力學的教學。將計算的繁瑣交給計算機后，更應加強這方面，同時亦留出時間和精 力作理論創(chuàng)新。工程技術課程

23、的考核應以盡量多的綜合性大作業(yè)或課程設計代替知識點的簡單考核，訓練學 生將問題從體系一體一面一線一點”的先整體后局部解構，到“點一線一面一體一體系”的先局部 后整體的逐步解決并綜合集成的能力。在工程技術課與力學課結合的過程中強調作為技術科學的 力學對工程技術課的基礎性和重要性。數(shù)學（理）一力學（理工）一工程技術（工），在系統(tǒng)貫通中將 知識體系化而非碎片化,更有利于培養(yǎng)學生綜合應用自然科學和工程技術的能力，特別是全過程參 與而非僅僅解決某個階段問題的實際能力。力學的學習應貫穿后續(xù)的工程技術課,讓學生在應用力學的過程中重新發(fā)現(xiàn)力學，如此，才能 更好地將工程技術課建立在力學課的基礎之上。四、發(fā)揮科學

24、史哲的浸潤作用錢學森說自己是從“工程技術走向科學論”的。錢學森提出的技術科學思想，不僅得益于他親 自踐行的專業(yè)深度，亦得益于他對科技發(fā)展脈絡的清晰認識，以及跨學科、跨層次和戰(zhàn)略性的哲學 高度。他將現(xiàn)代科學技術體系分為4個層次，從下到上分別為:工程技術、直接作為工程技術理論 基礎的技術科學、基礎科學、哲學，他將哲學位于改造客觀世界的實踐技術之上留。在談到愛因斯 坦提出狹義相對論,而龐加萊和洛倫茲卻沒抓住機遇時,楊振寧評論道，研究要有自由的眼光,必須 能同時近觀和遠看同一課題，須遠距離眼光與近距離探索相結合,正是自由調節(jié)、評價與比較遠近 觀察結果的能力形成了自由眼光。洛倫茲失敗是因為他只有近距離眼

25、光，而龐加萊失敗是因為他 只有遠距離眼光,愛因斯坦成功是因為他對于時空有更自由的眼光33?？v觀錢學森的科學歷程，史 哲給了他遠距離眼光，專業(yè)給了他近距離眼光，讓他形成了自由的眼光。除了專業(yè),我們亦應在史 哲方面向他學習,以拓展知識的維度?！坝捎诮炭茣鞘钩Ｒ?guī)科學得以延續(xù)的教學工具在每次科學革命以后都必須重寫這 樣,教科書總是一開始就剔除科學家對他的學科的歷史感隨著被重寫,科學再一次看上去大體 像是個累積性事業(yè)?！?偵托馬斯庫恩在其著作科學革命的結構中的這段話，放在今天也仍然適 用。如前所述,科學技術具有經(jīng)驗技術無法比擬的先進性,隨著科學的發(fā)展而更新,科學革命亦會 帶來科學技術革命。然而正如托馬

26、斯庫恩所言，很多教材都缺乏歷史感，學生看到的只是既成的 存在狀態(tài)，而非演化的發(fā)展過程。為彌補教材的不足,多閱讀科學史，以獲得對科學的整體印象，在 塑造歷史的思想中汲取智慧，在充滿質疑、批判、創(chuàng)新和超越的動態(tài)變革史中激起創(chuàng)新精神。多讀 學科史，獲取學科的歷史地圖,看清學科發(fā)生、發(fā)展、分支和交叉的脈絡，以及在科學史的大背景中 與其他學科的關系，在對來處、定位和趨向了解的基礎上能更好地尋找研究的切入點。盡管科研追 求的是前沿，但歷史是曾經(jīng)的前沿,而今的借鑒。我們既應作共時性的橫向比較，亦應作歷時性的 縱向比較,在歷史的經(jīng)緯中全面比較。力學作為最早成熟并為自然科學特別是物理學奠基的學科, 其發(fā)展史貫穿整個科學發(fā)展史，且宇宙之大，基本粒子之小,力無所不在”26。哲學是從總體上對世界進行宏觀認識,科學是對自然界進行分門別類的微觀認識。哲