工程力学办学的设问与刍议: 多样性、目标、途径
这是一篇自问自答而又是设问征答征议的文章。作者在工程力学办学的园地耕耘近六十载，看到当前工程力学办学的现状，回溯历史，关切现在，剖析工程力学办学多样性的性质，发问其培养的目标，求索其可能的实现之道，求教诸同仁，诚盼互相讨论学习，期盼惠及后人。01、历史回顾历史，以期昭示今后，又便于进一步回答如何培养若干年后的工程力学人才。时至今日，在国内总体上已经进入工业化中后期的时代，进入面向创新的新时代。面向第四次工业革命，从工程的角度来说，由信息网络的时代再迈向人工智能和生物科技的时代。前些时候，国内的一些基础研究规划只提及数理化天地生6个基础学科，力学（包括工程力学）似乎出局了。人们不禁要问：几千年的力学历史长河即将面临断流了吗？纵观历史长卷，回答应该是否定的。这将在下一个问题中进行讨论。
20年前，白以龙先生在力学会议上阐述力学发展的历史时，概括了可用如下图1表达的力学发展的源流历史，给人们以历史长卷的启迪。发问后人应如何开掘并接续这历史长河的流动。
图1 力学发展的历史长卷
图1的回溯说明了力学的源与流。从数千年力学发展的长卷，人们看到的是一幅幅生动的生产、观察和研究活动。自公元前三五百年以降，中国对力学的贡献渐显，有《墨经》对力和重心的记述、曾候乙编钟所展现的音律与振动学的成就、都江堰神奇的水利枢纽的建设和拱形赵州桥所展现的拱受力的力学原理，说明我们的祖先对力学原理的深刻理解。古罗马时期，阿基米德对浮力的揭示及静力学的创始以及从文艺复兴时期达·芬奇对落体运动和梁的强度的研究，到伽利略对梁的强度的实验，从开普勒对行星运动的观察到由大力学家科学家牛顿集力学规律与万有引力定律之大成，达到了力学科学研究的里程碑式的高峰。蒸汽机发明后，人们进入工业社会。刚体力学得以发展，分析力学业已发端。牛顿力学体系进入大的发展时期。分析力学的出现，开辟了力学新的体系。随着工业化社会的发展，在纳维、柯西、泊松、欧拉、瑞利和雷诺等力学家的贡献的基础上，形成了变形体力学及其强度，变形与稳定性和流体力学的系列理论。20世纪后半叶开始的近代工业社会，航空航天工程与信息科技有大的发展，而以普朗特、铁摩辛科为代表的应用力学学派，更深刻地影响了几代力学工作者。社会生产推动了力学学科的发展并在应用中壮大。这说的是历史的回溯，说明数千年力学长河川流不息。那么，现代和今天呢?
02、需求讲了历史，再看看现代与今后，问现代与今后的力学有哪些新特点? 它预示了现在力学教育培养出的学生将面临什么样的需求？为方便，笔者列举自己从事固体力学的例子。
先说现在，在工业化所联系的大工程方兴未艾，大机械、大建筑、大交通提出新的力学问题的同时，人们也已见到微纳科学所昭示的微纳技术和工程，在细微尺度的客观世界里：信息－生物－纳米科技世界，展现了小、快、复杂的客观物质世界，构成了现代科技的一个重要前沿，这是问题的一个方面；宏观尺度的世界里，能源、环境与生态和气候变化以及制造、通讯、交通等，呈现大而复杂的特点，而且与社会生产和人类生活直接关联，这是问题的另一方面。其间还有相互交叉的中间地带，因而力学的外载因素拓广到多场—相变—多态—化学反应，其运动形态也拓广到与其他运动形态相耦联的机械运动。由于新材料、新能源的应用，微纳机械系统已经进入工程技术中来，微尺度力学在近20年来有大的发展。
另外，以往的力学强度、刚度和稳定性的设计，是面向用来加工机械系统和结构的商品材料，而不能定量计入材料形成直至加工成产品的工艺过程中的力学状态变化。现代的科技发展使精细的分析逐步成为可能。首先，应分析材料在制备过程中内禀应力状态变化及可能存在的不同尺度的缺陷，进而分析含上述应力和允许的不同尺度的微缺陷的材料在加工制造成结构物时，各种加工工艺引起的残余应力或失配应力。然后，分析这种存在初始应力与微缺陷和残余应力的力学状态的结构，在外来广义载荷作用下的响应，这种力学分析流程已经有别于传统的固体力学和结构力学的分析，产生了不同工程领域的工艺力学。于是，定量的“工艺力学” 在应用现代实验力学与计算力学新发展和应用的基础上诞生。每个不同的行业，产生了不同的例如复合材料与部件成型和微电子机械加工与封装过程的工艺力学和增材制造的工艺力学，而工艺力学是行业质量保证的最重要的库藏之一，受知识产权保护，它又确实是中国制造的短板。现在科学技术的发展，使工程分析进入了闭环控制的工程大系统的新时期。对某些重大工程，力学担负着关键环节的工程分析与技术开发的任务。
再如各个不同工程部门都有自己的“工程链”。行业内称之为“CDIO”，即构思 (C)、设计 (D)、实施 (I) 和运行 (O) 及其反馈 (F)。图2表示在上述不同阶段，在识别—量测表征— 设计计算—工艺控制—运行安全与寿命控制以及反馈再设计的整个工程链条中，力学起着关键的作用，成为整个工程链条中起着定量计算的多个中枢节点。以工程机械和结构系统为例，从工程构思开始，要进行载荷与环境的识别，进而在设计中进行各种工况状态的静力—动力—稳定性分析，同时进行在线测量，再推进到计算机辅助设计和实时加工制造，要求在线监测与控制，进而获得运行过程的测量反馈，再回到设计优化与再设计。这种由构思—设计—加工—运行—优化再构思设计的闭合循环，甚至已经成为学生学习中必备的经验流程，开发出适应于各种工程的计算机辅助系统，这将是广大力学工作者在新时期所将经历的新的工作环境与生产方式。
图2 力学在工程链条中的关键节点的位置
以上讲的是服务和面向人造物的“工程” 的力学。今后的力学不应只主要面对人造物的工程，而应扩展到自然界，其空间维度扩展到山川海洋、外空至宇宙。地球上自生自在的地质材料、岩石、土壤、沙砾、冰、雪、江河湖海的水和地表的风和大气等自然物，人们对其认识未有穷尽。其实力学源头即和农业生产的天文相关，李四光先生等人创建了地质力学，钱学森先生在20世纪50年代即开设了“宇宙航行”的课程。力学不仅面向自然界扩展了疆域，美籍华人科学家冯元桢先生创建了“生物力学”，力学进入研究有生命的动植物与人体健康与保健的范畴，直接服务于人类的福祉，极大地扩延了力学的视野与疆界。力学要研究天、地、人。
总之，讲到前瞻和展望，仅从工程的角度，已有了新的分野：出现了从微纳尺度的材料与器件至巨大尺度的机器系统与工程系统，以及从微纳科技、生物科技、信息科技转化成为大工程系统可用的科学技术。从工程与应用的角度来说，能源与环境、生态与农业、保健与治疗、信息与社会、地震与地质、宇航与安全乃至细胞的生长和凋亡与脑与神经系统的调控等，提出了21世纪生生不灭的新的力学问题，呼唤力学工作者拓宽研究的疆域。
而人工智能将工程的智能科技与人类的思维—控制与运行结合起来，与基于网络（互联网，物联网等）的信息技术结合，引发了科学技术与工程的新一代改变，因为它将人造物的工程与有生命的系统初步连接起一个“天、地、人” 的合一网络。力学人必须欢迎并深深进入这一巨变的大潮，而不是哀叹过往的力学被信息与生命科技的大潮所淹没。现今先进国家的多个院校推出的CPS (cyber physicalsystem) 专业系统课程（基于网络的计算物质（理）系统）。其中，核心环节之一就是计算和建模。而这二者正是力学的新用武之地，也是新的“武功” 形成之疆域。
十几和几十年后的力学人，他们基本的世界观和方法论，必然要脱离那具有历史影响的纯机械式定量的观点和方法。而如同力学的先辈钱学森先生所垂范的学习运用唯物辩证的观点进而发展出“巨系统的系统论”的哲学范畴，其实这一发展长河本身即是一本大书，非这几百字所能写出，但在此希望指出的是明天的力学和明天的力学人所面对的现实，我们必须在这样的视野中来讨论力学教育和人才的培养。大学的专业是为明天培养人才的，所以应该当尽可能地在基于前人研究基础上形成科学的前瞻观。
03、性质上文简单回顾了力学的历史，以及现在和今后力学发展的趋势。我们应该回答：力学学科的性质是什么？只有对此有了较为现实且一致的认识，我们才能讨论今后力学教育的目标和实现目标的途径。
力学学科的性质是什么？是基础理论性的还是工程技术应用性的。曾经众说纷纭，连力学界内也有许多不全相同的看法：有称为基础学科者但有很好的应用；有界定为技术科学或工程科学者认为是基础理论与众多工程应用的桥梁；有认为是应用力学者但具有鲜明基础学科的性质，凡此等等，可见叙述先后次序与侧重各有不同。但争论交流终归得到比较和谐一致的认识：即兼有理论与应用力学的性质。中国力学学会的英译为中国理论与应用力学学会 (The Chinese Society of Theoretical andApplied Mechanics, CSTAM)，还有国际理论与应用力学联合会(International Union of Theoreticaland Applied Mechanics, IUTAM)，即力学具有理论与应用力学的广谱的多样性的学科性质。注意到应用力学与工程力学二者范畴还不同，排除当前“工程”被泛用的意义，工程属人造物，与自然界丰富的无生命的和有生命的物质有别。然而应用力学的对象就涵盖工程、自然与生命体。力学有科学的基因，还有技术的基因。而工程力学更具有工程的基因。科技求真、社会科学求善，工程具有社会性和人文性更求真善美。当然，工程力学与工程二者范畴不同，但它具有工程所要求的本质秉性。
1985年版的《中国大百科全书·力学卷》将力学定义为：“力学是研究物体机械运动的科学”，“力学可以说是力和（机械）运动的科学”，后一句更点明要研究力及其和（机械）运动的关系。2013年，中国力学学会又将力学的定义拓展为：“力学是有关力、运动和介质（固体、液体、气体和等离子体）宏、细/微观力学性质的学科，研究以机械运动为主及其同物理、化学、生物运动耦合的现象。”后者更突出了“力学研究机械运动为主及其同物理、化学、生物运动耦合的现象”。所以，近日的力学更突出与各基础学科的耦合的多样性，具有基础学科与应用学科的二重性乃至广谱性，以及工程力学与各众多工程交融一体的工程性。学科发展可形象地示如图3。在研究与应用的二维平面上，有的偏重研究，有的偏重创造性的应用，还有在此二极之间众多的中间模式，呈现精彩纷呈的各自发展。要求各自在二维坐标系中的矢径做到最大，这里说的是不同的力学学科可在各自取向上实现卓越。上面说的是学科的性质和各个单位所在的即时位置，力争做到在自身的幅角定位下将矢径做到最大。这说的是力学学科的本身的一个图像的比喻。
图3 专业与学科发展多样性与门槛曲线
再看力学教育培养的学生，即讨论本文的主题“力学人的培养”，则必须在图3中引入“门槛曲线”，即合格线。对于每个专业与学科培养的“力学人”，决定每个专业或学科的人才培养的根据是需求给出的定位取向，即矢径的幅角。当矢径 r 达到该取向的门槛值，即达到合格，都可努力将矢径做到最大即达到“卓越”。但不同的取向矢径 r 间不可直接相互比较，因为它们各自具有多样性的特色。而且随着环境和需求及自身条件的变化，可以调整其幅角以改变办学的模式。所以，这样的图可以形象地表示出人才培养的需求多样性及办学目标的多样性。因而判断人才培养质量的标准也必须是多样的，如同奥运会田赛、径赛、球赛、全能赛有各自的标准去创造各自的“金牌”，在分类发展的基础上分层发展，奏出一曲和谐的和而不同的力学人才培养的交响乐来！
04、目标在分析了力学的性质及力学专业与学科人才培养的多样性之后，应该紧接着讨论这样的问题，即力学（含工程力学）人才培养的目标是什么？
答案应该是：培养国家需要的多样性特征的力学（含工程力学）人才。即既培养未来的研究型人才；也培养在工程—自然—生物医学等，新的信息科技新时代的和各工程领域结合的创新型应用型力学人才；以及这两者之间广泛类型的科技人才。
总体上，从事基础力学研究的人才求精不求量，一些学校的登峰计划实验班在探索培养的经验；更大量的是结合行业需求的创新型的应用型的工程力学人才。工程力学培养的学生，如前所言，会有相当大的部分融入各个复杂的工程系统，成为各个行业（不只是工程，还有各种与自然界和人类健康幸福相关的各个行业）的不可或缺的在工作链条各关键节点的研发人员，这是否可理解为工程力学的学生已被行业淹没而成为“配角”？有识之士会认识到，他们工作在事关行业的质量—安全—经济的关键节点上，就应当被看做为“广义工程”各种科技大军的合成中在关键节点做出贡献的人才。历史也证明，在各行业的领军人才中，确有不少是从工程力学毕业而且在岗位中再学习成长的人才，关键是他们是否在学校学习过程中，得到“全面发展，又红又专”的培养，这是社会的客观需求决定的。作为制造业大国乃至今后要成为强国，中国具有全球最完整的各个门类的工业体系和最丰富的人力资源。制造业不应该也不会虚化，因此结合各工业制造领域的人才需求会永远旺盛。而要建立创新型国家，科技研发领域的资源与人力投入就会永不衰竭。复杂的工程系统的发展，对力学人才呈现丰沛的结合行业的需求，包括云计算与基于大数据基础的建模和计算的能力。因此，可以前瞻工程力学人才的多样性分类发展的客观必然性。
当今问题是，大多数的工程力学专业与学科都不敢贸然确定多样性需求下的不同的发展路径。都希望拥挤在窄小的研究型的力学人才培养的“胡同”里，原因何在? 这里不得不说的是除了学界本身，以至某些掌握资源与升迁的管理者所推崇的人才与学科的评价体系，以及被国外知名媒介所鼓吹的“大学排名”，“学科排名”所左右的排名情结和唯论文唯“帽子”的痼疾，于是就出现了相当长期的“SCI崇拜”，“帽子工程”，在国外一样也泛滥着大R（研究）小E（教育、工程）的偏见。虽然党中央国务院对科研与人才评价和“双一流”建设推出了一系列重要文件与改革措施，但旧的重研究论文轻人才培养的陈旧观念与评价陋规，仍然束缚力学人才培养改革的推进。广大的力学工作者和师生，到了这攻坚克难还力学本来面目的时机，勇敢地面向这“多样性卓越”的人才培养需求，去迎接力学专业（本科）与力学学科（研究生培养与科学研究）并翼齐飞的明天。开拓新的力学疆域，培养适应面向世界和造福人类的安全与福祉的新时代的力学（工程力学）的年青一代！
05、途径当明确了专业的培养目标之后，下一个问题便是实现这样的培养目标的途径是什么？我国办力学专业也有60多年的历史，最早是解放后学习苏联，在北京大学开办了理科的力学系。1957年2月，在钱学森、钱伟长、郭永怀等力学大家主持下，创建了清华大学的工程力学研究班，及嗣后许多学校办了工程力学系。工程力学研究班办了三届，基本的经验有三条：一是适应工业现代化与国防现代化的需求；二是有一大批当时国内最优秀的力学大师执教；三是遴选了国内土木、机械、造船、航空等工科的优秀的毕业生进行研究生的培养，同时也有来自科研设计单位的年轻骨干。在有好的工科力学教学的基础上，精选当时先进的力学课程，结合实际做研究。培养了一批当时满足国家需要的工程力学骨干。
现在全国有近百的工程力学专业点和少数的理科力学专业，又有几十个力学的博士点与硕士点。为办好这些专业与学位点，提出了一些办学途径的建议供同仁们讨论：
(1) 工程力学本科专业，按照新公布的全国92个专业（类）的国家质量标准和中国工程教育专业认证的标准，开展专业基本质量的认证，并与18个“华盛顿协议”成员实现学士学位互认。以学生为中心，以学生学习的结果为认证主要目标，由各利益相关方特别是工业企业界参与按质量标准进行认证并确保培养质量的持续改进。采用逆向设计的方法，从专业培养目标达成专业12条的毕业要求，据此制定矩阵式培养计划，每个培养环节集成以达成毕业要求。毕业要求涵盖毕业生的素养、能力与知识。全国31类工程专业（类）已开通认证的有16类，2018年又有核能、生物医学工程等专业类开始认证，约3年内将涵盖包含工程力学专业在内的28个专业类。这是工程力学类专业必须迈过的第一道坎。与此相应，不进入国际实质等效认证的专业也必须接受按国家专业质量标准的专业评估。与之相应的学位点也在进行以研究生培养质量为中心的合格评估和审核评估。因此，办专业要深刻理解并合格实施达成质量标准，达到国际实质等效的国际学士学位的互认。
(2) 实施满足基本质量要求基础上的培养环节。不同专业的培养目标需要有特色地满足国家或地区需求，形成新的培养流程，该流程能达到数学、理化、信息等宽厚基础的课程要求，这是工程力学的毕业生承担复杂工程任务中关键节点责任和实现创新的重要基础；特别注意多样性要求下的课程组合，加强实践环节，并与在科研机构和工业企业项目中的学习与研究实现协同培养。在大学本科的四年或者本科与硕士的衔接培养计划中，合理设计不同年级段的科学实验，实践环节的训练和毕业论文(设计)的综合训练。注意将这一计划与课程教学、第二课堂训练的有机结合。国外不少专业以“雷达图”的形式表示不同年级学生毕业要求（对本科是12条）的逐年发展的达成度，并将毕业要求分解于每门课程、每个环节，明确不同任课责任教师的要求，并要求学生自评与自检。
(3) 引入先进的教学理念，如基于问题（项目）的学习 (problem based learning, PBL) 的培养环节设计理念。例如清华大学的钱学森（力学）班近年实施的大学生研究和训练 (student research training, SRT) 和面向创新挑战的开放研究 (open research for innovation challenge, ORIC) 与毕业设计与研究实践。实践的结果证明这是可行的。因为今后的大学学习，既有高素质的人文要求，还有社会责任和跨文化的要求，做工程的人还要懂成本、环保、法律的基础，还要学会与人交流、终身学习，有团队精神等，这些不是加开课程可以做到的。最好的方法即是选择实际的不同复杂程度的项目和问题，开展基于项目和问题的学习。一个项目，一个选择好的问题，麻雀虽小，五脏俱全。学生在这样的教学环节中，按计划得到上述各项要求的培养，起到培育能力、增强素质的作用，达到举一反三的效果。这要求每个专业精心设计，努力实践。
(4) 在各个培养环节，注意结合课程与实践培育环节，致力于培养学生学习与掌握辩证唯物的方法论，学习钱学森先生由研究“工程控制论”而逐步建立“巨复杂系统”的科学方法。对复杂的工程系统、自然系统、生物系统运用整体论、系统论的方法，学习交融学科的基本演化规律，建立学科交融演化的力学定量计算建模的方法，学习现代信息科技的最新成就，在大数据与统计理论（如统计力学、统计物理和非平衡热力学理论等）基础上，增强在网络时代的建模与计算的能力与方法。当然这对学校与教师本身也提出了更高的要求。将渗入学科的方法论的教学经由众多的培养环节落到实处。
(5) 社会主义的核心价值观的培育贯穿于人才培养的全过程。在上述培育学生学习掌握正确的方法论过程中，学习辩证法，用以观察世界，指导人生，就会内化为正确的世界观与人生观。但人才培养出来，为谁服务，就自然联系到人的价值观。社会主义核心价值观，涵盖个人修为、与人相处、进入社会、为国家为世人的担当各方面。因此价值观是人生的方向舵，是培养能力的激励器，也是知识传承学习的指路标。因为它要回答，学习做什么，为什么要学习，为什么服务的根本问题。力学人在长期实践中，践行了“航天精神”，秉承“厚德载物”的古训。德以驭物，物以载德，“全面发展、又红又专”，它承载着为民族复兴、中华崛起、造福人民、服务世人的学习动力和无穷的精神力量。
06、功能上述讨论的种种问题，归根结底，联系到一个大的常识问题，即什么是大学？大学何为？什么是好的老师？什么是好学生？笔者对此作了分析，部分引述如下：
前清华大学校长梅贻琦也有一句被广为引证的话：“所谓大学者，非谓有大楼之谓也，有大师之谓也”。我们也应深究梅称“大师”之谓何指。为此，再多引几句原文便可了然。梅文称：“孟子说：‘所谓故国者，非谓有乔木之谓也，有世臣之谓也。’我现在可以仿照说：‘所谓大学者，非谓有大楼之谓也，有大师之谓也。’我们的智识，固有赖于教授的教导指点，就是我们的精神修养，亦全赖有教授的inspiration。”(《清华大学校长梅贻琦在就职典礼上之演说》，清华大学校刊第341号，1931-12-14) 显然，梅先生的本意应是“ 大学乃大师‘育才’之谓也”。据此，我们可将上面的那句话补全为：“大学者，非大楼之谓也，乃大师育才之谓也。”这样的补充不只强调了要有大师之资源，更要求大师们在大学中务其本——“育才”，实施教育。育才本是大学应有之义，只不过于今人们理解片面，评价大学，往往专注于量化有多少大师，不懂得这只是体现了大学师资资源投入的方面；而更重要的方面是大学的“产出”，即培养人才的成果。办好学校，必须有好的老师，有大师。老师与大师的一个共同任务，就是培养人才——“育人”。清华大学前校长、教育家蒋南翔主张高等学校要培养又红又专的人才就是抓住了大学之本。育人是一项长期的任务，一个学生从学校毕业，在工作中真正成才，做出贡献，是需要时间的，也就是我们常说的：“十年树木，百年树人”。其成果往往需要十年、二十年、几十年的历史积淀才能展示出来。
哈佛大学原校长德里克·博克出版了《回归大学之道——对美国大学本科教育的反思与展望》，及哈佛学院前院长哈瑞·刘易斯在《失去灵魂的卓越——哈佛是如何忘记教育宗旨的》一书中指出，仅仅追求众多学术领域的第一，就会丧失大学的灵魂。什么是大学的灵魂? 就是把年轻人培养成对社会负责的人，哈佛不能为了众多学术领域的第一，而忽视了对学生社会责任感的培养。书中指出，要重视育人，重视品德与人格的培养。这些对于大学教育宗旨的扣问，这些对于什么是大学的灵魂的反省，联想本文所指出的对前辈教育家梅贻琦先生对大学的论述的不完全的引用与阐释，正说明现今对大学宗旨之理解产生了部分但是重要的偏离。这难道不应当引起从事高等工程教育人士的警醒吗?
如何认识当前工程教育改革中存在的问题，如何面向工业界，如何评价教育与教师，如何学习国外工程教育的经验，如何从工程教育大国走向工程教育强国，都与如何全面把握大学的宗旨有关。大学者，育才之谓也！
后记：本文是作者根据自己的经验、观察和研究，为参加笔谈而写的文章，由于笔者作为工程力学的教师和工程教育的管理者和研究者，在以往的经验基础上形成的观点，必然有专业的片面性，将此一孔之见，献给诸位同仁和刊物，诚邀批评指正和讨论。
（原文注：本文已于《力学与实践》2019年第1期发表）
来源：力学与实践微信公众号（ID：lxysj_cstam），作者：余寿文。
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