論工程技術(shù)中的科學(xué)思維方法與研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)

陳超

摘要：以工程技術(shù)為背景的選擇課題的研究生培養(yǎng)方式，若僅僅是停留在解決具體應(yīng)用問(wèn)題的層面上的話(huà)，是難以使研究生獲得全面的創(chuàng)新能力培養(yǎng)。因此，為了在解決工程技術(shù)的過(guò)程中形成科學(xué)的思維方式和創(chuàng)新能力，本文提出一種在研究生教學(xué)和課題研究過(guò)程中進(jìn)行物理抽象與理論分析有機(jī)結(jié)合的培養(yǎng)模式，以此來(lái)提高學(xué)生的創(chuàng)新思考能力，為今后的發(fā)展和深入研究奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：研究生教學(xué)；研究生培養(yǎng)；知識(shí)拓展；分析技巧

中圖分類(lèi)號(hào)：G643 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）03-0131-02

中國(guó)已成為世界上最大的制造業(yè)大國(guó)之一，被譽(yù)為“世界工廠(chǎng)”，但是卻面臨品牌小國(guó)的尷尬局面。這不禁讓人回想起美國(guó)物理學(xué)家亨利·奧古斯特·羅蘭（Henry Augustus Rowland）在美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)年會(huì)上發(fā)表的那篇關(guān)于純科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的著名言論。我們?cè)趶?qiáng)調(diào)技術(shù)強(qiáng)國(guó)的時(shí)候，卻往往更注重技術(shù)帶來(lái)的結(jié)果和利好，缺乏探究技術(shù)原理的動(dòng)力和激勵(lì)機(jī)制，僅僅是通過(guò)借鑒某種原理和思想，在技術(shù)得以應(yīng)用就能夠得到很高的贊譽(yù)，進(jìn)而在社會(huì)評(píng)價(jià)體制中占有優(yōu)勢(shì)。試問(wèn)在這樣的氛圍中，還有多少人能耐得住寂寞，在漫漫科學(xué)發(fā)現(xiàn)之路上去對(duì)基本原理進(jìn)行探索和發(fā)現(xiàn)呢？近代中國(guó)沒(méi)能獨(dú)立地發(fā)展出物理等現(xiàn)代自然科學(xué)，大概就是因?yàn)槲覈?guó)的傳統(tǒng)文化比較講究使用，缺乏科學(xué)探索和建立理性思維體系的動(dòng)力。有關(guān)調(diào)查表明，當(dāng)前我國(guó)許多重大工程研究的主力軍仍青睞于研究生隊(duì)伍。當(dāng)然，這種模式一定程度會(huì)推動(dòng)研究生整體素質(zhì)和工程能力的提高，但同時(shí)也給研究生教育工作帶來(lái)了巨大的壓力和挑戰(zhàn)：偏重工程應(yīng)用的教育一度為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步造就了大批工程技術(shù)人才，取得了巨大成就，但逐漸地難以滿(mǎn)足我國(guó)建立創(chuàng)新型國(guó)家和參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的需要。強(qiáng)調(diào)研究生教育結(jié)構(gòu)調(diào)整，就是在強(qiáng)調(diào)不僅僅要培養(yǎng)高層次、應(yīng)用型專(zhuān)門(mén)人才，同時(shí)還要注重人才在科學(xué)研究和基礎(chǔ)性研究方面的能力和動(dòng)力。事實(shí)上，在研究生教學(xué)中，注重引導(dǎo)研究生在工程技術(shù)問(wèn)題中進(jìn)行科學(xué)抽象，提煉其本質(zhì)和規(guī)律性的部分，能夠?qū)崿F(xiàn)從形象思維到抽象思維的跨越，最終以理論指導(dǎo)，回到實(shí)踐中來(lái)，培養(yǎng)和進(jìn)一步提高工程技術(shù)能力。本文從研究生課題論證和研究?jī)?nèi)容的提煉出發(fā)，提出一種在工程問(wèn)題中進(jìn)行科學(xué)抽象，提煉所涉及的基礎(chǔ)科學(xué)理論，用以全面提高研究生分析問(wèn)題的能力、善于歸納和總結(jié)的水平，拓寬知識(shí)面，學(xué)習(xí)學(xué)術(shù)研究中的分析技巧，培養(yǎng)自主提煉工程中的本質(zhì)原理、善于舉一反三的科研綜合能力，從而為后期的課題學(xué)術(shù)研究打下良好的基礎(chǔ)，提高科研與學(xué)術(shù)的研究效率，最終為我國(guó)創(chuàng)新型社會(huì)的轉(zhuǎn)變提供必需的科技人才。

一、工程技術(shù)中的科學(xué)問(wèn)題

導(dǎo)師在指導(dǎo)和為研究生進(jìn)行課題論證的時(shí)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(yú)不如授人以漁，傳授給人既有知識(shí)，顯然不如傳授給人學(xué)習(xí)知識(shí)的方法高明。一個(gè)工程型的導(dǎo)師，多半也會(huì)按照特定工程問(wèn)題常有的分析和解決思路進(jìn)行輔導(dǎo)和指引學(xué)生，這并不是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才所應(yīng)有的教學(xué)模式。在研究生教學(xué)中，人們都會(huì)講“授人以魚(yú)不如授人以漁”這樣的話(huà)，可隨著課題的深入和曲折，就漸漸忘記了這句話(huà)的根本。在應(yīng)對(duì)具體問(wèn)題解決方式的紛擾中，在層出不窮的意外因素中，老師和學(xué)生都迷失了方向，我們都陷入了事物復(fù)雜的表面現(xiàn)象之中裹足不前。實(shí)際上，在為研究生進(jìn)行課題方案論證時(shí)，不僅瞄準(zhǔn)所需要解決的具體問(wèn)題來(lái)設(shè)置研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)，而且應(yīng)該貫穿對(duì)工程問(wèn)題中理論本質(zhì)的提煉，引導(dǎo)學(xué)生去提煉科學(xué)問(wèn)題并拓展一般性的規(guī)律，最終又能回到特定的工程問(wèn)題上來(lái)。經(jīng)過(guò)這樣一個(gè)循環(huán)，可以使研究生在工程技術(shù)中抓住問(wèn)題的本質(zhì)，保留關(guān)鍵的邊界條件和進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，抽象為數(shù)理模型進(jìn)行解析，得到并明確一定條件下的規(guī)律性結(jié)論，不僅僅可應(yīng)對(duì)特定情況下的問(wèn)題，而且初步掌握解決新問(wèn)題的方法。以超聲電機(jī)技術(shù)的研究方向?yàn)槔?，這是一個(gè)典型的工程應(yīng)用和應(yīng)用基礎(chǔ)為主的多學(xué)科交叉領(lǐng)域。超聲電機(jī)（Ultrasonic Motor）是一種新概念動(dòng)力裝置。它的實(shí)質(zhì)是依靠壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為彈性結(jié)構(gòu)體的機(jī)械能，使定子產(chǎn)生高頻的微幅振動(dòng)（微米級(jí)），再利用接觸和摩擦作用將定子的微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)或者直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，從而輸出機(jī)械能以帶動(dòng)負(fù)載工作。這種新型電機(jī)使用頻率高于20kHz（即超聲頻率范圍）的交流電源來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，故稱(chēng)之為超聲電機(jī)。在向研究生教學(xué)這種新型電機(jī)的時(shí)候，如果只是僅僅停留在“動(dòng)力裝置、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器”的層面，那只是告訴了對(duì)方一個(gè)工程應(yīng)用的概念。正如美國(guó)的羅蘭說(shuō)的，研究只停留于電報(bào)機(jī)、電燈和其他的便利設(shè)施，停止科學(xué)的進(jìn)步而只留意科學(xué)的應(yīng)用，是無(wú)法創(chuàng)造出物理學(xué)的，而沒(méi)有物理學(xué)基礎(chǔ)則難以發(fā)展出現(xiàn)代科學(xué)。在解釋類(lèi)似超聲電機(jī)這樣的工程概念時(shí)，可按照表象—實(shí)質(zhì)—基本原理的流程進(jìn)行引導(dǎo)。比如，超聲電機(jī)的特點(diǎn)（低速大力矩、快速響應(yīng)、斷電自鎖等以及結(jié)構(gòu)形式靈活）決定了其獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，這是由其獨(dú)特的工作原理決定的（壓電結(jié)構(gòu)激振和摩擦傳動(dòng)）。在壓電激勵(lì)方面，涉及到鐵電材料的基本屬性、正逆壓電效應(yīng)的存在機(jī)制、彈性結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)及誘發(fā)機(jī)理，涵蓋了凝聚態(tài)物理、功能材料學(xué)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等基本領(lǐng)域。在摩擦傳動(dòng)方面，涉及到波動(dòng)理論、高分子材料學(xué)、接觸動(dòng)力學(xué)等。掌握了這些基本領(lǐng)域內(nèi)特定部分的知識(shí)，引導(dǎo)研究生對(duì)超聲電機(jī)系統(tǒng)中涉及的多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)、本構(gòu)關(guān)系以及力學(xué)行為進(jìn)行抽象和描述，即忽略次要、繁復(fù)的特征，得到物理模型和其數(shù)學(xué)模型。

二、科學(xué)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)

通過(guò)超聲電機(jī)表象，引導(dǎo)研究生對(duì)產(chǎn)生其特點(diǎn)的基本原理進(jìn)行學(xué)習(xí)和鉆研，過(guò)程中輔以多媒體動(dòng)畫(huà)甚至實(shí)物的形式表現(xiàn)知識(shí)要點(diǎn)，引起科研學(xué)術(shù)的興趣，激發(fā)科研學(xué)術(shù)的活力，有助于研究生科研素質(zhì)、創(chuàng)新思維的養(yǎng)成。創(chuàng)新的成果取決于人的創(chuàng)造力，尤其是從事類(lèi)似超聲電機(jī)等精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域的科研人員，本身就是面向工程應(yīng)用的。但要取得源創(chuàng)、有價(jià)值的成果，往往不能僅僅拘泥于特定的應(yīng)用實(shí)例，而是要在學(xué)習(xí)這些已有范例的過(guò)程中，有意識(shí)地培養(yǎng)科學(xué)的創(chuàng)新思維。創(chuàng)造力與創(chuàng)造思維密切相關(guān)，面向工程的人員必須充分掌握和靈活運(yùn)用各類(lèi)創(chuàng)新思維新式，深刻認(rèn)識(shí)其主要特點(diǎn)。導(dǎo)師在講授和指導(dǎo)具體學(xué)術(shù)要點(diǎn)時(shí)，要能夠把握和融合創(chuàng)新思維的各種形式。仍以超聲電機(jī)為例，電機(jī)定子的振動(dòng)模態(tài)是一個(gè)關(guān)鍵概念。首先讓學(xué)生在直觀(guān)的例子中了解結(jié)構(gòu)振動(dòng)是由頻率和運(yùn)動(dòng)形式組成，通過(guò)秋千、橋梁、跳繩等日常生活中常見(jiàn)結(jié)構(gòu)體的振動(dòng)來(lái)了解和體會(huì)概念的表象特征。兩大要素的概念有了后，就可引入模態(tài)的定義。模態(tài)的定義是抽象的，因此這里是表象到抽象的第一個(gè)提升，但還沒(méi)有達(dá)到本質(zhì)。學(xué)生了解到描述振動(dòng)物體需要用到模態(tài)，即振動(dòng)頻率和形式。而模態(tài)是結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性，由其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问經(jīng)Q定。自然界中的結(jié)構(gòu)體都是連續(xù)體，因此且振動(dòng)頻率和形式一般是難以窮盡的。實(shí)際上，上述的過(guò)程已經(jīng)由工程對(duì)象抽象到物理模型了。更進(jìn)一步，要求研究生運(yùn)用頭腦中原有的知識(shí)體系與認(rèn)知方法，結(jié)合形象思維等形式，利用直覺(jué)、靈感和想象等思維方法，對(duì)具體工程對(duì)象的比較和類(lèi)比、分析和綜合等，形成對(duì)具體對(duì)象的一個(gè)新的認(rèn)識(shí)。更進(jìn)一步，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，對(duì)科學(xué)研究的對(duì)象及過(guò)程進(jìn)行分析思考，進(jìn)行定量的認(rèn)識(shí)，達(dá)到一個(gè)新的高度。還以超聲電機(jī)定子為例，有了物理模型后就需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析和計(jì)算，即數(shù)學(xué)模型的建立。很重要的是，讓研究生們明白超聲電機(jī)定子和一般結(jié)構(gòu)體振動(dòng)的共同點(diǎn)：都是連續(xù)結(jié)構(gòu)體的共振模態(tài)。但又要掌握其區(qū)別：超聲電機(jī)定子是力電熱多物理場(chǎng)耦合結(jié)構(gòu)，而且工作在同頻異形模態(tài)之下。在數(shù)學(xué)上，模態(tài)的概念是與線(xiàn)性代數(shù)的特征值問(wèn)題關(guān)聯(lián)的，頻率和振型即對(duì)應(yīng)特征根和特征向量。退化了的同頻異形模態(tài)，實(shí)際就對(duì)應(yīng)著重特征值。讓學(xué)生掌握定子振動(dòng)—（多物理場(chǎng)）結(jié)構(gòu)模態(tài)—特征值問(wèn)題這幾個(gè)知識(shí)要點(diǎn)之間的映射關(guān)系，并能夠從數(shù)學(xué)關(guān)系上來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從公式上就能看出其物理意義，對(duì)應(yīng)到工程現(xiàn)象。到此，學(xué)生就能夠明白超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)為什么可以多樣化：因?yàn)闃?gòu)造橢圓軌跡的結(jié)構(gòu)振動(dòng)形式很多，即結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)是豐富的，這就使得科研人員可以有很大的設(shè)計(jì)空間來(lái)構(gòu)造定子的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，所以有圓盤(pán)、長(zhǎng)桿、環(huán)形、圓柱形等不同外形的超聲電機(jī)問(wèn)世。

研究生在求學(xué)階段檢索和選擇到的課題往往是比較前沿的內(nèi)容，無(wú)論是否具體面向工程，其內(nèi)容的深度和廣度對(duì)學(xué)生而言都具有一定的挑戰(zhàn)性。筆者認(rèn)為，研究生教學(xué)和課題研究過(guò)程中除了引導(dǎo)其經(jīng)驗(yàn)知識(shí)以外，更應(yīng)當(dāng)注重研究生思維方式的培養(yǎng)和技巧的訓(xùn)練。結(jié)合具體的實(shí)例，從實(shí)際的工程現(xiàn)象抽象為物理模型，升華為數(shù)學(xué)表述和定量分析，最后又能夠回到具體的應(yīng)用，整個(gè)過(guò)程輔以多媒體等手段，最終就培養(yǎng)出初步具有創(chuàng)新思考能力的研究生。

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