論工程技術中的科學思維方法與研究生創新能力培養

陳超

摘要：以工程技術為背景的選擇課題的研究生培養方式，若僅僅是停留在解決具體應用問題的層面上的話，是難以使研究生獲得全面的創新能力培養。因此，為了在解決工程技術的過程中形成科學的思維方式和創新能力，本文提出一種在研究生教學和課題研究過程中進行物理抽象與理論分析有機結合的培養模式，以此來提高學生的創新思考能力，為今后的發展和深入研究奠定基礎。

關鍵詞：研究生教學；研究生培養；知識拓展；分析技巧

中圖分類號：G643 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0131-02

中國已成為世界上最大的制造業大國之一，被譽為“世界工廠”，但是卻面臨品牌小國的尷尬局面。這不禁讓人回想起美國物理學家亨利·奧古斯特·羅蘭（Henry Augustus Rowland）在美國科學促進會年會上發表的那篇關于純科學和應用科學的著名言論。我們在強調技術強國的時候，卻往往更注重技術帶來的結果和利好，缺乏探究技術原理的動力和激勵機制，僅僅是通過借鑒某種原理和思想，在技術得以應用就能夠得到很高的贊譽，進而在社會評價體制中占有優勢。試問在這樣的氛圍中，還有多少人能耐得住寂寞，在漫漫科學發現之路上去對基本原理進行探索和發現呢？近代中國沒能獨立地發展出物理等現代自然科學，大概就是因為我國的傳統文化比較講究使用，缺乏科學探索和建立理性思維體系的動力。有關調查表明，當前我國許多重大工程研究的主力軍仍青睞于研究生隊伍。當然，這種模式一定程度會推動研究生整體素質和工程能力的提高，但同時也給研究生教育工作帶來了巨大的壓力和挑戰：偏重工程應用的教育一度為我國的經濟發展和社會進步造就了大批工程技術人才，取得了巨大成就，但逐漸地難以滿足我國建立創新型國家和參與國際競爭的需要。強調研究生教育結構調整，就是在強調不僅僅要培養高層次、應用型專門人才，同時還要注重人才在科學研究和基礎性研究方面的能力和動力。事實上，在研究生教學中，注重引導研究生在工程技術問題中進行科學抽象，提煉其本質和規律性的部分，能夠實現從形象思維到抽象思維的跨越，最終以理論指導，回到實踐中來，培養和進一步提高工程技術能力。本文從研究生課題論證和研究內容的提煉出發，提出一種在工程問題中進行科學抽象，提煉所涉及的基礎科學理論，用以全面提高研究生分析問題的能力、善于歸納和總結的水平，拓寬知識面，學習學術研究中的分析技巧，培養自主提煉工程中的本質原理、善于舉一反三的科研綜合能力，從而為后期的課題學術研究打下良好的基礎，提高科研與學術的研究效率，最終為我國創新型社會的轉變提供必需的科技人才。

一、工程技術中的科學問題

導師在指導和為研究生進行課題論證的時候，往往立足于已有的課題研究的框架和固有的研究模式。授人以魚不如授人以漁，傳授給人既有知識，顯然不如傳授給人學習知識的方法高明。一個工程型的導師，多半也會按照特定工程問題常有的分析和解決思路進行輔導和指引學生，這并不是培養創新型人才所應有的教學模式。在研究生教學中，人們都會講“授人以魚不如授人以漁”這樣的話，可隨著課題的深入和曲折，就漸漸忘記了這句話的根本。在應對具體問題解決方式的紛擾中，在層出不窮的意外因素中，老師和學生都迷失了方向，我們都陷入了事物復雜的表面現象之中裹足不前。實際上，在為研究生進行課題方案論證時，不僅瞄準所需要解決的具體問題來設置研究內容和目標，而且應該貫穿對工程問題中理論本質的提煉，引導學生去提煉科學問題并拓展一般性的規律，最終又能回到特定的工程問題上來。經過這樣一個循環，可以使研究生在工程技術中抓住問題的本質，保留關鍵的邊界條件和進行必要的簡化，抽象為數理模型進行解析，得到并明確一定條件下的規律性結論，不僅僅可應對特定情況下的問題，而且初步掌握解決新問題的方法。以超聲電機技術的研究方向為例，這是一個典型的工程應用和應用基礎為主的多學科交叉領域。超聲電機（Ultrasonic Motor）是一種新概念動力裝置。它的實質是依靠壓電陶瓷的逆壓電效應將電能轉化為彈性結構體的機械能，使定子產生高頻的微幅振動（微米級），再利用接觸和摩擦作用將定子的微幅振動轉換為轉子的回轉或者直線運動，從而輸出機械能以帶動負載工作。這種新型電機使用頻率高于20kHz（即超聲頻率范圍）的交流電源來進行驅動，故稱之為超聲電機。在向研究生教學這種新型電機的時候，如果只是僅僅停留在“動力裝置、驅動執行器”的層面，那只是告訴了對方一個工程應用的概念。正如美國的羅蘭說的，研究只停留于電報機、電燈和其他的便利設施，停止科學的進步而只留意科學的應用，是無法創造出物理學的，而沒有物理學基礎則難以發展出現代科學。在解釋類似超聲電機這樣的工程概念時，可按照表象—實質—基本原理的流程進行引導。比如，超聲電機的特點（低速大力矩、快速響應、斷電自鎖等以及結構形式靈活）決定了其獨特的應用優勢，這是由其獨特的工作原理決定的（壓電結構激振和摩擦傳動）。在壓電激勵方面，涉及到鐵電材料的基本屬性、正逆壓電效應的存在機制、彈性結構的振動模態及誘發機理，涵蓋了凝聚態物理、功能材料學以及結構動力學等基本領域。在摩擦傳動方面，涉及到波動理論、高分子材料學、接觸動力學等。掌握了這些基本領域內特定部分的知識，引導研究生對超聲電機系統中涉及的多物理場耦合效應、本構關系以及力學行為進行抽象和描述，即忽略次要、繁復的特征，得到物理模型和其數學模型。

二、科學創新思維的培養

通過超聲電機表象，引導研究生對產生其特點的基本原理進行學習和鉆研，過程中輔以多媒體動畫甚至實物的形式表現知識要點，引起科研學術的興趣，激發科研學術的活力，有助于研究生科研素質、創新思維的養成。創新的成果取決于人的創造力，尤其是從事類似超聲電機等精密驅動技術領域的科研人員，本身就是面向工程應用的。但要取得源創、有價值的成果，往往不能僅僅拘泥于特定的應用實例，而是要在學習這些已有范例的過程中，有意識地培養科學的創新思維。創造力與創造思維密切相關，面向工程的人員必須充分掌握和靈活運用各類創新思維新式，深刻認識其主要特點。導師在講授和指導具體學術要點時，要能夠把握和融合創新思維的各種形式。仍以超聲電機為例，電機定子的振動模態是一個關鍵概念。首先讓學生在直觀的例子中了解結構振動是由頻率和運動形式組成，通過秋千、橋梁、跳繩等日常生活中常見結構體的振動來了解和體會概念的表象特征。兩大要素的概念有了后，就可引入模態的定義。模態的定義是抽象的，因此這里是表象到抽象的第一個提升，但還沒有達到本質。學生了解到描述振動物體需要用到模態，即振動頻率和形式。而模態是結構的動力學特性，由其材質、結構拓撲形式決定。自然界中的結構體都是連續體，因此且振動頻率和形式一般是難以窮盡的。實際上，上述的過程已經由工程對象抽象到物理模型了。更進一步，要求研究生運用頭腦中原有的知識體系與認知方法，結合形象思維等形式，利用直覺、靈感和想象等思維方法，對具體工程對象的比較和類比、分析和綜合等，形成對具體對象的一個新的認識。更進一步，運用數學方法，對科學研究的對象及過程進行分析思考，進行定量的認識，達到一個新的高度。還以超聲電機定子為例，有了物理模型后就需要引導學生對振動模態進行分析和計算，即數學模型的建立。很重要的是，讓研究生們明白超聲電機定子和一般結構體振動的共同點：都是連續結構體的共振模態。但又要掌握其區別：超聲電機定子是力電熱多物理場耦合結構，而且工作在同頻異形模態之下。在數學上，模態的概念是與線性代數的特征值問題關聯的，頻率和振型即對應特征根和特征向量。退化了的同頻異形模態，實際就對應著重特征值。讓學生掌握定子振動—（多物理場）結構模態—特征值問題這幾個知識要點之間的映射關系，并能夠從數學關系上來進行轉化，從公式上就能看出其物理意義，對應到工程現象。到此，學生就能夠明白超聲電機的結構為什么可以多樣化：因為構造橢圓軌跡的結構振動形式很多，即結構的振動模態是豐富的，這就使得科研人員可以有很大的設計空間來構造定子的拓撲結構形式，所以有圓盤、長桿、環形、圓柱形等不同外形的超聲電機問世。

研究生在求學階段檢索和選擇到的課題往往是比較前沿的內容，無論是否具體面向工程，其內容的深度和廣度對學生而言都具有一定的挑戰性。筆者認為，研究生教學和課題研究過程中除了引導其經驗知識以外，更應當注重研究生思維方式的培養和技巧的訓練。結合具體的實例，從實際的工程現象抽象為物理模型，升華為數學表述和定量分析，最后又能夠回到具體的應用，整個過程輔以多媒體等手段，最終就培養出初步具有創新思考能力的研究生。

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