新時代工程科學(xué)學(xué)科發(fā)展的思考

戴蘭宏

“工程科學(xué)與工程創(chuàng)新”?？?/p>

新時代工程科學(xué)學(xué)科發(fā)展的思考

戴蘭宏1，2

（1. 中國科學(xué)院 力學(xué)研究所，北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049）

工程科學(xué)是自然科學(xué)與工程技術(shù)的融合，萌生于第一次工業(yè)革命中后期的英國，相對成熟于第二次工業(yè)革命時期德國哥廷根大學(xué)應(yīng)用力學(xué)學(xué)派的工作中，但工程科學(xué)思想相對完善的論述是錢學(xué)森先生首先給出的；中國科學(xué)院力學(xué)所是中國工程科學(xué)思想的搖籃，在流體彈塑性模型、統(tǒng)計(jì)細(xì)觀損傷力學(xué)、鉆井平臺關(guān)鍵技術(shù)、高鐵實(shí)驗(yàn)平臺、高超聲速激波風(fēng)洞、“實(shí)踐十號”衛(wèi)星等工程科學(xué)領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展；新時代中國科學(xué)院大學(xué)將聚焦國家重大戰(zhàn)略需求中的關(guān)鍵科學(xué)問題，從學(xué)科發(fā)展目標(biāo)、人才所需特質(zhì)、專業(yè)培養(yǎng)課程及機(jī)制探索等方面，進(jìn)一步創(chuàng)新和發(fā)展錢學(xué)森先生提出的工程科學(xué)思想。

錢學(xué)森之問；工程科學(xué)；力學(xué)所；中國科學(xué)院大學(xué)

“錢學(xué)森之問”是近年來科技界、教育界討論比較多的一個話題，人們已從不同的角度進(jìn)行了不同的反思，對于我們落實(shí)科教興國、創(chuàng)新驅(qū)動等國家戰(zhàn)略都具有重要的意義。其實(shí)這個問題錢學(xué)森先生本人也有一些十分深刻的認(rèn)識。他曾經(jīng)明確指出：“現(xiàn)在中國沒有完全發(fā)展起來，一個重要原因是沒有一所大學(xué)能夠按照培養(yǎng)科學(xué)技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造人才的模式去辦學(xué)，沒有自己獨(dú)特的創(chuàng)新的東西，老是‘冒’不出杰出人才。這是很大的問題”。從中國科學(xué)院力學(xué)所60多年工程科學(xué)創(chuàng)新研究實(shí)踐的視角來看，通過發(fā)展新時代的工程科學(xué)來培養(yǎng)優(yōu)秀人才，也許是一把鑰匙。為什么這樣說，本文將通過力學(xué)所的創(chuàng)新研究案例談一點(diǎn)筆者的看法，因?yàn)殄X學(xué)森先生是力學(xué)所的創(chuàng)所所長。

1 工程科學(xué)的萌生與發(fā)展

如何理解工程科學(xué)？國內(nèi)學(xué)者普遍將其定位為“橋梁”，認(rèn)為它是自然科學(xué)與工程技術(shù)之間的橋梁。筆者研讀了美國科學(xué)技術(shù)發(fā)展史相關(guān)專家的文章，他們喜歡說“融合”（Harmony），Harmony這個詞看起來更生動一些，認(rèn)為工程科學(xué)是自然科學(xué)與工程技術(shù)的融合[1]。工程科學(xué)起源于歐洲的應(yīng)用力學(xué)，它提煉和解決了工程中的一些共性科學(xué)問題，發(fā)展相關(guān)理論和技術(shù)原理，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)前進(jìn)，推動學(xué)科發(fā)展。工程科學(xué)也是一門學(xué)科，在不斷產(chǎn)生新的屬于自己的知識。

從融合的角度看，工程科學(xué)的萌生同18世紀(jì)中期到19世紀(jì)中期出現(xiàn)在英國的第一次產(chǎn)業(yè)革命是緊密聯(lián)系在一起的，此前科學(xué)和所謂技術(shù)是相對分離的或若即若離的。英國的產(chǎn)業(yè)革命使得科學(xué)和技術(shù)第一次緊密接觸，這次工業(yè)革命思想的主要策源地是蘇格蘭的格拉斯哥。格拉斯哥大學(xué)是世界上非常古老的大學(xué)，也建設(shè)了世界上第一個工學(xué)院。這個學(xué)校有以下3位科學(xué)家，是歷史上應(yīng)該記住的人物，對科學(xué)和技術(shù)融合，以及工業(yè)革命產(chǎn)生了重要影響。

第一位是詹姆斯·瓦特，第一次產(chǎn)業(yè)革命是由蒸汽機(jī)帶來的。瓦特當(dāng)時就在這所大學(xué)開修理店，他改進(jìn)了蒸汽機(jī)，將工作效率提高了5倍，使其走向廣泛的工程應(yīng)用。第二位是熱力學(xué)主要奠基人開爾文（Lord?Kelvin），他在劍橋大學(xué)畢業(yè)之后于1846年受聘格拉斯哥大學(xué)自然哲學(xué)教授，在熱學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)等方面做出一系列重大貢獻(xiàn)。第三位是朗肯（W.J.M. Rankine，又譯蘭金），是一位多產(chǎn)的應(yīng)用力學(xué)家，被稱為那個時代的天才。朗肯在他涉獵的眾多應(yīng)用力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域都做出了杰出貢獻(xiàn)，包括熱力學(xué)中的朗肯循環(huán)、土力學(xué)理論、流體力學(xué)、彈性力學(xué)、金屬疲勞、激波等。他在推動力學(xué)理論與工程實(shí)踐的融合方面貢獻(xiàn)很大，1858年，他還寫了一本大約700頁的《應(yīng)用力學(xué)手冊》。美國科技史專家認(rèn)為朗肯是促進(jìn)工程技術(shù)與自然科學(xué)融合、工程科學(xué)萌生早期的重要學(xué)者[1]。

雖然工程科學(xué)的萌生、萌芽產(chǎn)生于第一次工業(yè)革命中后期的英國，但其相對成熟卻源于第二次工業(yè)革命時期的以德國哥廷根大學(xué)的應(yīng)用力學(xué)學(xué)派的推動。哥廷根大學(xué)出現(xiàn)了克萊因、普朗特、馮·卡門、鐵木辛柯等大師級人物，形成了應(yīng)用力學(xué)學(xué)派。先說普朗特，他的博士論文做的是固體力學(xué)，畢業(yè)后到慕尼黑一家工廠做木器加工。當(dāng)時面對的一個問題是大量的木屑到處飛揚(yáng)，需要他來解決這個問題，即發(fā)明改進(jìn)這樣一個吸木屑的裝置。在那里他工作一年，仔細(xì)觀察木屑的流動，后應(yīng)聘到漢諾威的技術(shù)工業(yè)大學(xué)。普朗特在技術(shù)工業(yè)大學(xué)完成了在力學(xué)學(xué)科和航空工業(yè)發(fā)展史上有深遠(yuǎn)影響的流體邊界層理論。1904年在海德堡第三屆國際大會上，他用12分鐘時間報(bào)告他的這一出色工作，引起轟動。因?yàn)檫@項(xiàng)工作，他被克萊因引進(jìn)哥廷根大學(xué)，共同開拓了應(yīng)用力學(xué)學(xué)派，培養(yǎng)了一批力學(xué)大師，包括馮·卡門、鐵木辛柯、普拉格等，很多應(yīng)用力學(xué)理論都是他們建立的。

馮·卡門的博士論文也是固體力學(xué)，題目是“梁的塑性屈曲問題”。雖然在空氣動力學(xué)領(lǐng)域人們對其了解得比較多，但他也是從固體力學(xué)開始的。馮·卡門在布達(dá)佩斯的一個學(xué)校拿到碩士以后，到一個與飛機(jī)相關(guān)的研究所做強(qiáng)度問題研究，后來在哥廷根大學(xué)師從普朗特先生做博士論文，繼續(xù)做這方面的工作。短暫的留校工作之后，他到德國亞琛工業(yè)大學(xué)工作13年，后被引進(jìn)到美國加州理工學(xué)院工作，設(shè)計(jì)和建設(shè)了第一個風(fēng)洞，并指導(dǎo)古根海姆空氣動力實(shí)驗(yàn)室的工作。在那里他培養(yǎng)了包括中國力學(xué)三位奠基人錢學(xué)森、郭永懷、錢偉長在內(nèi)的一批力學(xué)大師。

說到工程科學(xué)，錢學(xué)森有很多重要的貢獻(xiàn)。工程科學(xué)一詞雖然出現(xiàn)得很早，但工程科學(xué)（也稱技術(shù)科學(xué)）的思想相對完善的論述是錢學(xué)森先生首先給出的[2]。錢學(xué)森提出三類基本的工程科學(xué)問題：一個是工程方案的可能性究竟怎么樣？另一個是如果可能，實(shí)現(xiàn)的最佳途徑是什么？還有一個是，如果某項(xiàng)目失敗了，失敗原因是什么，如何補(bǔ)救？他認(rèn)為工程科學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué)真理轉(zhuǎn)化為人類福祉實(shí)際途徑的技術(shù)，真正超越了現(xiàn)有的工業(yè)范疇。這里我想說一個相對來講人們了解不太多的概念，那就是錢學(xué)森先生還提出了一個非常重要的概念：物理力學(xué)。錢學(xué)森先生提出的物理力學(xué)目的是從原子、分子等的微觀性質(zhì)計(jì)算預(yù)測物質(zhì)工程層次的行為，強(qiáng)調(diào)宏-微觀結(jié)合，這也推動了后續(xù)國內(nèi)外蓬勃興起的多尺度與跨尺度力學(xué)研究。關(guān)于物理力學(xué)，錢學(xué)森先生在1953年專門寫了一篇文章，提到物理力學(xué)是工程科學(xué)的新的疆域[3, 4]。為什么要提出這個問題？很多工程結(jié)構(gòu)和材料的性質(zhì)在比如高溫高壓的條件下，僅僅依靠實(shí)驗(yàn)是很難測的，所以錢學(xué)森在60年前提出，能否基于當(dāng)時的量子力學(xué)、量子化學(xué)等物理知識，通過計(jì)算預(yù)測宏觀性質(zhì)，以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的缺憾。最近多尺度力學(xué)正在蓬勃興起，國內(nèi)外都在做，包括化學(xué)等其他各個學(xué)科也在做。錢學(xué)森物理力學(xué)思想也為后續(xù)跨尺度力學(xué)發(fā)展起到了非常重要的引領(lǐng)作用。

2 力學(xué)所的工程科學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐

中國科學(xué)院力學(xué)研究所是錢學(xué)森、錢偉長和郭永懷先生創(chuàng)建的，是中國工程科學(xué)思想的搖籃，至今已有64年的歷史，做了很多重要的工作。從總體上講，筆者認(rèn)為主要是圍繞工程科學(xué)緊密相關(guān)的兩個方面展開的：一個是面向國家重大需求的工程科學(xué)前沿探索，我們研究了很多關(guān)鍵技術(shù)原理，并且應(yīng)用于國家的重大工程；另一個是面向?qū)W科前沿的多尺度物理力學(xué)探索，包含流體、固體、相互耦合的問題等，都可以歸納到這兩個方面。這兩個方面都是錢學(xué)森工程科學(xué)思想的具體體現(xiàn)。

這里介紹幾個典型案例。第一個是流體彈塑性模型及在爆炸力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，鄭哲敏先生因此獲得2012年的國家最高科技獎[5]。鄭先生是錢學(xué)森先生在加州理工大學(xué)所指導(dǎo)的最后一位博士，1952年獲得學(xué)位，1955年回國，后接替錢學(xué)森擔(dān)任力學(xué)所第二任所長。20世紀(jì)60年代，我國計(jì)劃進(jìn)行地下核爆炸試驗(yàn)。國防科工委21號任務(wù)委托力學(xué)所承擔(dān)核爆力學(xué)效應(yīng)的評估。這里的問題是核爆威力有多大？比如在原子彈爆炸的核心區(qū)，需要給出實(shí)際的TNT當(dāng)量。無論什么材料，高溫高壓以后變成流體，更遠(yuǎn)端材料是彈性的，幾乎沒有影響，再近一點(diǎn)是彈塑性區(qū)，中間既不是流體，也不是固體，是流體彈塑性。對于流體彈塑性這類介質(zhì)的性質(zhì)當(dāng)時沒有理論，沒有辦法表征，鄭哲敏先生領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)提出流體彈塑性模型，系統(tǒng)發(fā)展了穿破甲流體彈塑性力學(xué)理論，有力推進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，不僅對威力預(yù)測，而且在穿破甲、爆炸焊接、爆炸復(fù)合等方面都獲得了成功的應(yīng)用。

第二個是固體強(qiáng)度理論新發(fā)展：統(tǒng)計(jì)細(xì)觀損傷力學(xué)。固體強(qiáng)度怎么去預(yù)測它，這個問題其實(shí)很早就出現(xiàn)了。1638年，伽利略出版《兩門新科學(xué)的對話》，三個人四天時間討論了兩個問題：一個是材料強(qiáng)度，材料怎么破壞；一個是動力學(xué)，包括加速度和慣性等。1921年，A.A.Griffith通過玻璃開一個裂紋，開啟了固體斷裂力學(xué)。后來1958年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)材料宏觀破壞前還是有很多微小的損傷，即微損傷，L.M.Kachanov進(jìn)而提出連續(xù)損傷力學(xué)。1987年，D.R. Curran等還建立了NAG損傷模型等。事實(shí)上，損傷并不是一個兩個，在材料中是大量的，是群體效益。20世紀(jì)80年代起，白以龍先生創(chuàng)造性地將統(tǒng)計(jì)物理與群體損傷宏微觀描述相結(jié)合，歷經(jīng)30多年的探索，系統(tǒng)建立了一套跨尺度統(tǒng)計(jì)損傷力學(xué)理論，即統(tǒng)計(jì)細(xì)觀損傷力學(xué)[6]。

第三個是3000米水深半潛式鉆井平臺的關(guān)鍵技術(shù)研究，榮獲2015年的國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步特等獎。南海開發(fā)面臨惡劣復(fù)雜的海洋環(huán)境挑戰(zhàn)，包括內(nèi)波和臺風(fēng)等，它們作用于一些海洋鉆井平臺，直接影響其服役安全，歷史上已有非常多的慘痛教訓(xùn)。20世紀(jì)40年代，美國塔科馬大橋剛剛通車不久，因?yàn)榕_風(fēng)波及空氣彈性顫振的頻率和大橋頻率接近，導(dǎo)致大橋發(fā)生破壞。臺風(fēng)或內(nèi)波的運(yùn)行規(guī)律和相互作用非常重要。建立真實(shí)南海環(huán)境下內(nèi)孤立波傳播演化的新模型，以及建立臺風(fēng)非平穩(wěn)極值風(fēng)速預(yù)報(bào)模型及極值理論，是國家諸多重大工程實(shí)踐所提出的重大需求。李家春先生帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年攻關(guān)，建立了真實(shí)南海環(huán)境下內(nèi)孤立波傳播演化的新模型和臺風(fēng)非平穩(wěn)極值風(fēng)速預(yù)報(bào)模型及極值理論，相關(guān)成果已應(yīng)用于海洋石油981鉆井平臺[7]。

第四個是高速列車實(shí)驗(yàn)平臺和氣動優(yōu)化。這是“一帶一路”倡議的重要組成部分。高速列車在高速運(yùn)動時阻力非常大。能否通過優(yōu)化設(shè)計(jì)把阻力減下來是一個非常重要的問題。但減阻不是沒有邊界的，因?yàn)樯婕鞍踩珕栴}，所以必須在保證安全運(yùn)行的前提下把阻力降下去。楊國偉研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建了高速列車氣動性能、氣動噪聲定量分析平臺，滿足不同車型氣動模擬和設(shè)計(jì)需求；還建立了最高速度500km/h、縮比1︰8、雙向運(yùn)行大型動模型實(shí)驗(yàn)平臺，在功能、規(guī)模、速度等方面處于國際領(lǐng)先水平。

第五個是爆轟驅(qū)動高超聲速激波風(fēng)洞。俞鴻儒先生提出了系列爆轟驅(qū)動技術(shù)思想，姜宗林研究員進(jìn)一步發(fā)展并帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研發(fā)。在這一思想指導(dǎo)下，建成了國際首座超大型高超聲速激波風(fēng)洞——復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞，為高超速飛行提供了基礎(chǔ)支撐。這是一項(xiàng)自主研制的原始創(chuàng)新成果，獲2016年國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎、美國航空航天學(xué)會（AIAA）地面試驗(yàn)大獎等系列獎項(xiàng)。

第六個是“實(shí)踐十號”科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，利用SJ-10返回式衛(wèi)星提供的長時間微重力環(huán)境以及空間輻射條件，開展19項(xiàng)物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律和生命活動規(guī)律的科學(xué)及技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究。胡文瑞先生帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在微重力流體物理、材料、燃燒、生命等方面成功地開展了太空在軌試驗(yàn)，取得一批創(chuàng)新成果。當(dāng)然，這僅僅是力學(xué)所幾個典型案例，我們的工作遠(yuǎn)不只這些，還有其他很多重要工作。通過上述六個案例可以看到，錢學(xué)森工程科學(xué)思想一是通過工程科學(xué)原理發(fā)展相應(yīng)技術(shù)，二是推動多尺度力學(xué)發(fā)展。

3 新時代工程科學(xué)學(xué)科發(fā)展的思考

（1）國科大新時代工程科學(xué)學(xué)科發(fā)展目標(biāo)

從歷史上看，工程科學(xué)與產(chǎn)業(yè)革命相伴生長。具體說來：第1次工業(yè)革命（1740~1860年）是蒸汽機(jī)時代，是工程科學(xué)萌生期；第2次工業(yè)革命（1860~1920年）是電器時代，是工程科學(xué)的成熟期；第3次工業(yè)革命（1920年至今）是計(jì)算機(jī)、原子能、空天、生物時代，是工程科學(xué)蓬勃發(fā)展期；正在開始的第4次工業(yè)革命，應(yīng)當(dāng)是信息技術(shù)或者人工智能時代，工程科學(xué)將在原來的基礎(chǔ)上有一個新的更大的發(fā)展。總體來講，工程科學(xué)將呈現(xiàn)一種新的面貌。

從現(xiàn)實(shí)來看，新千年，新時代，工程科學(xué)具有這樣幾個鮮明的時代特征：其一，極端性，現(xiàn)在人們正在面對越來越多的極端環(huán)境，深海、深空、高溫、高壓等，在極端服役環(huán)境下，極小尺度和極大尺度下的設(shè)計(jì)制造、災(zāi)害行為、破壞機(jī)制、安全控制原理和方法都需要研究；其二，介尺度，包括物質(zhì)與系統(tǒng)跨尺度行為、能流與物質(zhì)流傳遞與交換、相互作用及其調(diào)控理論和方法；其三，多過程，復(fù)雜系統(tǒng)往往涉及多個速率過程，具有各自的時空尺度，高度的非線性耦合規(guī)律及控制原理；其四，交叉性，其在任何一個學(xué)科中都非常明顯，工程科學(xué)涉及力學(xué)、物化、材料、生命、信息、人文等，多學(xué)科交叉在這一領(lǐng)域已經(jīng)越來越凸顯了。

從我們國家的具體情況看，繼承和發(fā)展工程科學(xué)無疑是時代所需。黨的十九大提出兩個100年奮斗目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)加快建設(shè)創(chuàng)新型國家，明確指出創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的戰(zhàn)略支撐。習(xí)近平總書記多次強(qiáng)調(diào)，關(guān)鍵核心技術(shù)是國之重器，而“關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的”，必須繼承發(fā)揚(yáng)“兩彈一星”精神，勇攀科技高峰，打造世界創(chuàng)新高地。當(dāng)前很多核心技術(shù)被西方卡住，“關(guān)鍵核心技術(shù)”是基礎(chǔ)科學(xué)向工程轉(zhuǎn)化的“最后1公里”，這恰恰是工程科學(xué)關(guān)注的，是突破最后1公里的一條最好途徑。

2017年2月以來，教育部積極推進(jìn)新工科建設(shè)。從復(fù)旦共識、天大行動，到北京指南，國家正在加快建設(shè)和發(fā)展新工科，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育強(qiáng)國建設(shè)。相對于傳統(tǒng)的工科人才，未來新興產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟(jì)需要的是實(shí)踐能力強(qiáng)、創(chuàng)新能力強(qiáng)、具備國際競爭力的高素質(zhì)的復(fù)合型“新工科”人才；需要具有“學(xué)科交叉融合”、“新的學(xué)科結(jié)構(gòu)”的特征；不僅能夠解決現(xiàn)有的問題，還要對未來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)起到引領(lǐng)作用；不僅在技術(shù)上優(yōu)秀，還懂得經(jīng)濟(jì)、社會和管理，同時兼具良好的人文素養(yǎng)。這是教育部廣泛總結(jié)各方面的經(jīng)驗(yàn)提出來的，也是我們發(fā)展新的工程科學(xué)學(xué)科需要思考的。

在這樣一種形勢下，中國科學(xué)院大學(xué)（簡稱國科大）工程科學(xué)學(xué)院在李家春先生的帶領(lǐng)下，聚焦新時期國家重大戰(zhàn)略需求中的關(guān)鍵科學(xué)問題，將原創(chuàng)性研究與工程科學(xué)人才培養(yǎng)有機(jī)結(jié)合，在傳承錢學(xué)森工程科學(xué)思想的基礎(chǔ)上，從以下兩方面創(chuàng)新和發(fā)展工程科學(xué)：一方面，從傳統(tǒng)以應(yīng)用力學(xué)為主導(dǎo)的工程科學(xué)向力、熱、電、物理、生物、材料、先進(jìn)制造等學(xué)科的前沿延伸，并與空天、能源、深海、環(huán)境、交通等國家重大工程緊密結(jié)合；另一方面，在自然科學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的工程科學(xué)與工程哲學(xué)、工程管理等學(xué)科深度交叉融合，構(gòu)建工科專業(yè)新結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新工程教育方式與手段。這是國科大新時代工程科學(xué)學(xué)科發(fā)展目標(biāo)或者思路，我們希望通過建設(shè)，能夠在國際上形成一個獨(dú)特的新時代的工程科學(xué)學(xué)科，培養(yǎng)大批新時代獨(dú)當(dāng)一面的優(yōu)秀工程科學(xué)家。

（2）新時代工程科學(xué)人才所應(yīng)具有的特質(zhì)

馮·卡門說工程師就是工程科學(xué)家。講到科學(xué)家，就有科研動力問題，即什么是科學(xué)研究的原動力。美國社會學(xué)家西蒙·韋爾在《科學(xué)界的精英——美國的諾貝爾獎金獲得者》書的序言中寫到：“今天的科學(xué)必須尋求一種超出其本身之上的靈感來源，否則它將毀滅。研究科學(xué)的理由不外乎三個：一是技術(shù)上的應(yīng)用；二是棋賽；三是通往上帝之路?！边@本書是1977出版，作者哈里特·朱克曼，是哥倫比亞大學(xué)社會學(xué)系教授。他總結(jié)了1901~1972年間美國92位諾貝爾獎獲得者在美國所做的創(chuàng)新工作。他主要通過談話、采訪，看他們?nèi)绾问芙逃?、成功?jīng)驗(yàn)，以及師徒傳承關(guān)系如何影響科學(xué)研究等。西蒙·韋爾非常簡短的序言說明了科學(xué)和科學(xué)家的原動力到底是什么，這段話講得非常生動透徹。通往上帝之路，是說科學(xué)家有自己的好奇心，揭示自然到底是怎么樣，甚至要建立大統(tǒng)一的理論，體現(xiàn)科學(xué)家的好奇心。棋賽表示一種競爭，對科學(xué)家來講，尤其在自然科學(xué)領(lǐng)域，只有第一，沒有第二，你沒有做完，別人已經(jīng)發(fā)表了，再做就沒用了。尋求技術(shù)上的應(yīng)用，其中有工程科學(xué)的意味，在當(dāng)前更為重要。國際間存在激烈的技術(shù)競爭，必須發(fā)展自己的核心技術(shù)。這三方面非常全面地詮釋了科學(xué)家的原動力。

無獨(dú)有偶，哈佛大學(xué)Frans Spaepen，是哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院創(chuàng)院院長，國際非晶態(tài)材料物理領(lǐng)域著名學(xué)者，美國國家工程科學(xué)院院士。2014年，他在4年一次的快速材料會上獲頒杰出成就獎，并作了獲獎演講報(bào)告。他以材料科學(xué)為例談科研的動力，講到4個方面：其一，Keep the basic sciences healthy，保持基礎(chǔ)科學(xué)健康，現(xiàn)在科學(xué)道德出現(xiàn)很多問題，所以要使研究更加講究學(xué)術(shù)道德；其二，保持一支訓(xùn)練有素的科研隊(duì)伍；其三，Don’t overdirect，不要太功利；其四，強(qiáng)調(diào)做應(yīng)用驅(qū)動的科學(xué)。不同的專家、不同的時代、類似的經(jīng)驗(yàn)，可以從中提煉工程科學(xué)的理念。

筆者認(rèn)為，新時代工程科學(xué)人才應(yīng)該具備以下素質(zhì)。第一，國家情懷，尤其在我們這個國家，培養(yǎng)的優(yōu)秀人才，如果沒有國家情懷，沒有責(zé)任心，不愛國的都可以忽略。我們必須要有國家情懷，才能真正做好。

第二，工程科學(xué)發(fā)展好要有理念傳承，要知道工程科學(xué)到底是什么，要有深厚的數(shù)理化知識儲備，還要有工程修改知識的基礎(chǔ)，同時還要有過硬的技能，包括實(shí)驗(yàn)和計(jì)算技能。視野寬廣，要培養(yǎng)國際視野；學(xué)科交叉，除上述科技基礎(chǔ)外，還涉及人文、哲學(xué)、管理等方面；探索科學(xué)與工程前沿問題。這些都是錢學(xué)森先生非常重視的問題，也是國科大人才培養(yǎng)應(yīng)當(dāng)傳承的基本理念。

第三，筆者想通過課程設(shè)計(jì)來體現(xiàn)我們的理念。國科大工程科學(xué)學(xué)院成立于2017年，當(dāng)年在應(yīng)用力學(xué)專業(yè)招了第一屆本科生。學(xué)院成立前期進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，包括加州理工學(xué)院、莫斯科大學(xué)等，在專業(yè)的下面還設(shè)置了三個方向。但無論哪個方向，有10門課都要學(xué)（見表1）。這10門課有國科大自己的特色。工程科學(xué)概論，由李家春先生主講，主要傳承工程科學(xué)思想，包括航天、海洋的內(nèi)容。連續(xù)介質(zhì)力學(xué)，不分流體和固體。后面涉及工程設(shè)計(jì)與制造、熱工基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)工程中的數(shù)學(xué)方法、系統(tǒng)工程與管理、現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)導(dǎo)論。計(jì)算力學(xué)不是傳統(tǒng)的計(jì)算力學(xué)，包含原子尺度第一性、分子動力學(xué)原理、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)等方法，綜合起來形成一門課叫現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)導(dǎo)論。還有綜合實(shí)驗(yàn)課，當(dāng)然還有化學(xué)原理，國科大有這個平臺，擁有強(qiáng)大的化學(xué)隊(duì)伍。

表1 國科大應(yīng)用力學(xué)專業(yè)必修課程列表

這些課程同錢學(xué)森先生1958年創(chuàng)建力學(xué)系的時候設(shè)置的專業(yè)課（表2），既有相似的地方，又有所不同。工程設(shè)計(jì)包括工程畫法幾何，設(shè)計(jì)制造是非常類似的，工程力學(xué)在力學(xué)專業(yè)方面會有，當(dāng)時覺得不夠，要補(bǔ)數(shù)學(xué)和力學(xué)，在國科大的課程中，力學(xué)并沒有分流體和固體，體現(xiàn)了連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的思想。所以說現(xiàn)在和以前相比，是繼承和發(fā)展的關(guān)系，理念是繼承下來了。

表2 力學(xué)系創(chuàng)建之初專業(yè)課程列表

（3）新時代工程科學(xué)學(xué)科建設(shè)的總體思路

概括說來，國科大將依托工程科學(xué)學(xué)院、跨學(xué)科工程研究中心和北京市高精尖學(xué)科建設(shè)平臺優(yōu)勢，推動工程科學(xué)、工程哲學(xué)、工程管理的深度融合，構(gòu)建新時代具有鮮明時代特點(diǎn)的工程科學(xué)學(xué)科。具體說來，我們具有工程科學(xué)的深厚思想底蘊(yùn)，有錢學(xué)森、郭永懷等老一輩科學(xué)家留下來的文化傳統(tǒng)，還有工程科學(xué)學(xué)院與跨學(xué)科工程研究中心這樣一種組織基礎(chǔ)，學(xué)科布局完整，力學(xué)、工程熱物理、土木、電氣、工程管理、工程哲學(xué)等，綜合與交叉特色十分鮮明。同時，還有8個國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室或中心、8個院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；有一流的師資隊(duì)伍，包括院士18人、杰青、長江、萬人、百人90余人等。去年工程科學(xué)學(xué)院在國科大推薦申報(bào)北京市高精尖學(xué)科，今年獲得批準(zhǔn)。這一切都是我們工程科學(xué)學(xué)科建設(shè)思想的和物質(zhì)的基礎(chǔ)。

近期我們還進(jìn)行了一些新的探索，成立了首個本科生“郭永懷實(shí)驗(yàn)班”，探索本科教育新的發(fā)展模式，傳承“兩彈一星”功勛郭永懷先生愛國奉獻(xiàn)精神，培養(yǎng)具有家國情懷的未來工程科學(xué)家和工程技術(shù)骨干人才。設(shè)立“郭永懷專項(xiàng)獎學(xué)金”和一系列優(yōu)秀學(xué)生的獎勵計(jì)劃，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)奠定更高的基礎(chǔ)。國科大和其他高校也進(jìn)行一些聯(lián)合，按照高精尖學(xué)科的要求，要帶動北京市的發(fā)展，工程科學(xué)學(xué)院通過和高校聯(lián)合，包括中央和地方，可以進(jìn)一步宣傳和擴(kuò)大工程科學(xué)的社會影響。工程科學(xué)不是自然科學(xué)，不是把基礎(chǔ)科學(xué)成果簡單應(yīng)用到工程中，它本身也在創(chuàng)造知識。鄭哲敏先生曾講過：“總體看，工程科學(xué)是一類科學(xué)，一種觀點(diǎn)，一種文化”。從這種意義上講，新時代的工程科學(xué)學(xué)科發(fā)展仍然還在路上。

最后，筆者想用英國著名博物學(xué)家、教育家赫胥黎（T.H. Huxley）一句話結(jié)束本文：“Try to learn something about everything and everything about something”，即通百藝而專一長，這應(yīng)當(dāng)成為工程科學(xué)學(xué)科發(fā)展和教育的座右銘。

[1] Channell D F. The harmony of theory and practice: the engineering science of W.J.M. Rankine[J]. Technology and Culture, 1982, 22: 39-52.

[2] 錢學(xué)森. 論技術(shù)科學(xué)[J]. 科學(xué)通報(bào), 1957,(4): 97-104.

[3] Tsien H S. Physical mechanics, a new field in engineering science[J]. ARS Journal, 23: 14-17.

[4] 錢學(xué)森. 物理力學(xué)講義[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1962.

[5] 戴蘭宏. 工程科學(xué)前沿的拓荒者——鄭哲敏[J]. 力學(xué)進(jìn)展, 2013, 43(3): 265-294.

[6] Bai Y L, Xia M F, Ke F J. Statistical Meso-Mechanics of Damage and Failure: How Microdamage Induces Disater[M]. Singapore: Science Press & Springer Nature, 2019.

[7] 李家春. 海洋工程研究進(jìn)展與展望[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào), 51(6): 1587-1588.

Thoughts on the Development of Engineering Science as a Discipline in the New Era

Dai Lanhong1, 2

(1. Insitute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2. School of Engineering Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Engineering science is a fusion of natural science and engineering technology. Its concept originated in England in the middle and late periods of the first industrial revolution. It was relatively advanced in the School of Applied Mechanics at the University of G?ttingen, Germany during the second industrial revolution. However, the concept of engineering science was first comprehensively proposed by Tsien Hsue-shen. The Institute of Mechanics of the Chinese Academy of Sciences is the cradle of Chinese engineering science thinking. Significant progress has been made in engineering sciences, including fluid bullet plastic model, statistical detail damage force, main techniques for drilling platform, high-speed rail experimental platform, hypersonic storm tunnel, and the “Practice 10” satellite. In the new era, the University of the Chinese Academy of Sciences will focus on critical scientific issues in the country’s major strategic needs, innovate and develop the engineering science ideas proposed by Tsien Hsue-shen from the discipline development goals, required characteristics, professional training courses, and mechanism exploration.

the question from Tsien Hsue-shen; engineering science; Institute of Mechanics (CAS); UCAS

2020–01–16;

2020–09–20

戴蘭宏（1965–），男，研究員，研究方向?yàn)闆_擊動力學(xué)與新型材料力學(xué)性能。E-mail：lhdai@lnm.imech.ac.cn

O3；G4；N03

A

1674-4969(2020)05-0480-08

10.3724/SP.J.1224.2020.00480