土木工程專業(yè)研究生基礎(chǔ)理論儲備與創(chuàng)新潛能關(guān)系芻議

徐略勤，蘇絮香，岳克鋒，2

（1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶；2. 重慶三峽學院 土木工程學院，重慶）

一 引言

創(chuàng)新是一個民族進步和發(fā)展的靈魂?？萍紕?chuàng)新在我國現(xiàn)代化建設(shè)全局中居于核心地位，已成為我國實現(xiàn)科技獨立自強的關(guān)鍵?！皠?chuàng)新之道，唯在得人”[1]，高素質(zhì)人才持續(xù)不斷地涌現(xiàn)，才是實現(xiàn)科技創(chuàng)新永不枯竭的源泉。作為人才培養(yǎng)體系中的重要環(huán)節(jié)，研究生教育關(guān)系著國家知識創(chuàng)新的整體能力。習近平總書記指出，“研究生教育在培養(yǎng)創(chuàng)新人才、提高創(chuàng)新能力、服務經(jīng)濟社會發(fā)展、推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化方面具有重要作用。”[2]。近年來，我國研究生招生規(guī)模持續(xù)擴大[3-4]，但研究生培養(yǎng)質(zhì)量卻并沒有呈現(xiàn)出對應的提升趨勢。研究生教育還不能完全適應國家對科技創(chuàng)新人才的需求，培養(yǎng)質(zhì)量與國際先進水平相比仍有不小差距[5-6]。

土木工程是一門古老的學科，也是一門實踐性的學科。它是利用土、石、磚、木、混凝土、金屬等各種工程材料建造包括房屋、道路、鐵路、橋涵、隧洞、機場、碼頭等各種基礎(chǔ)設(shè)施的生產(chǎn)活動和工程技術(shù)[7]。從知識和能力的內(nèi)涵要求來說，土木工程專業(yè)對學生的要求主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識兩個方面，前者包括數(shù)學、物理、化學、各類力學、工程地質(zhì)學、材料學等，而后者則可按照專業(yè)方向細分為結(jié)構(gòu)工程、橋梁工程、隧道工程、巖土工程、道路工程、鐵道工程等。從知識結(jié)構(gòu)和體系來說，基礎(chǔ)理論屬于金字塔的底層結(jié)構(gòu)，專業(yè)能力則屬于上層建筑，底層結(jié)構(gòu)的寬度和厚度決定了上層建筑的高度。土木工程雖然屬于傳統(tǒng)學科，但與理論創(chuàng)新、技術(shù)變革密不可分。以橋梁工程為例，工業(yè)革命促進了鐵和鋼等材料的蓬勃發(fā)展，推動了橋梁工程的第一次飛躍發(fā)展，突破了傳統(tǒng)竹木、藤索、磚石的束縛；包括穩(wěn)定理論、撓度理論、疲勞理論在內(nèi)的各種結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展，極大地豐富了橋梁的結(jié)構(gòu)形式，促使橋梁跨越能力突飛猛進，計算機技術(shù)和大型起吊設(shè)備的飛速進步，使橋梁結(jié)構(gòu)精細化分析、設(shè)計以及快速裝配化施工成為現(xiàn)實，港珠澳大橋的建成是我國建橋史上的里程碑之一[8]。可見，創(chuàng)新一直是土木工程跨越障礙、實現(xiàn)突破、追求完美的源動力。未來，連接我國瓊州海峽和臺灣海峽的跨海大橋，連接意大利西西里島的墨西拿海峽大橋，連接南歐與北非的直布羅陀海峽大橋、連接北美洲和亞洲的白令海峽大橋，都有可能成為現(xiàn)實。這些跨海大橋在工程界盡管有無數(shù)設(shè)想，甚至已經(jīng)有初步方案，但實際建造它們在當前技術(shù)條件下仍然困難重重，創(chuàng)新是唯一的出路。所以，創(chuàng)新是土木專業(yè)與時俱進的靈魂。

改革開放以來，國家大興土木基建，行業(yè)對土木工程人才的需求長期居高不下，土木工程專業(yè)本科生和研究生的數(shù)量持續(xù)而迅速地增長。然而，在如此熱火朝天的外部環(huán)境和社會需求刺激下，我國土木工程人才創(chuàng)新潛能的培養(yǎng)卻始終沒能徹底打開局面。這其中固然有作為傳統(tǒng)學科因循保守的特殊因素，但更多的仍然是值得全體從業(yè)人員深思的各種不足。本人結(jié)合近十年的研究生培養(yǎng)和指導經(jīng)歷，從土木工程專業(yè)研究生掌握基礎(chǔ)理論的角度來探討研究生創(chuàng)新潛能的培養(yǎng)問題。

二 基本概念界定

（一） 土木工程專業(yè)基礎(chǔ)理論

本文的基礎(chǔ)理論是指數(shù)學、物理、化學、力學、材料學等基礎(chǔ)課程所講授的一般性概念、理論和方法，主要在本科階段進行講授。因此，研究生的基礎(chǔ)理論知識儲備主要在本科階段建立，盡管研究生階段也有部分基礎(chǔ)課程，如斷裂力學、彈塑性力學等，但國內(nèi)研究生課程教學與本科教學關(guān)聯(lián)性交叉，缺乏聯(lián)動機制，且均為選修，在教師和學生中受到的重視程度均遠遠低于本科課程，教學效果通常較差，對強化研究生基礎(chǔ)理論知識儲備的作用相當有限。這類基礎(chǔ)課程，在土木工程本科培養(yǎng)方案中通常被稱作“學科基礎(chǔ)課程”。以重慶交通大學為例，必修的基礎(chǔ)課程主要包括：高等數(shù)學（I 和II）、線性代數(shù)、概率論與數(shù)理統(tǒng)計、大學物理（I 和II）、大學化學、建筑材料、理論力學、結(jié)構(gòu)力學、材料力學、工程結(jié)構(gòu)荷載、環(huán)境學等；選修的還包括彈性力學、復變函數(shù)與積分變換等?？梢钥吹剑@些基礎(chǔ)理論構(gòu)成了土木工程專業(yè)的基石，都曾在土木工程發(fā)展的特定歷史階段促進了行業(yè)的創(chuàng)新甚至變革，如橋梁結(jié)構(gòu)空氣動力學理論的發(fā)展從根本上改變大跨柔性索吊橋加勁梁的設(shè)計方法。

（二） 研究生創(chuàng)新潛能

我國研究生創(chuàng)新能力不足，其典型表現(xiàn)就是對新事物、新環(huán)境適應性差，發(fā)展后勁不足，也就是潛力不夠。因此，嚴格來說，創(chuàng)新能力和創(chuàng)新潛能是有一定區(qū)別的。前者可認為是個體已經(jīng)具備的能力，后者可認為是個體在未來具備創(chuàng)新能力的潛質(zhì)。目前，國內(nèi)外關(guān)于創(chuàng)新能力的解讀和定義較多[9-10]，而對創(chuàng)新潛能的定義則較少。研究生的創(chuàng)新潛能可認為是研究生已經(jīng)具備了某些基本素質(zhì)和能力，在面對新課題或未來職業(yè)挑戰(zhàn)的時候，給予適當?shù)臈l件，就能夠通過綜合運用其個人好奇心、知識結(jié)構(gòu)、思維組織、探索實踐以及外部有利條件，在科學研究上或職業(yè)生涯中創(chuàng)造性地認識、分析、提出并解決問題。這種潛能的培養(yǎng)與研究生個人和環(huán)境因素均密切相關(guān)，但其中研究生所具備的知識結(jié)構(gòu)無疑是其創(chuàng)新過程中的核心要素之一。

三 基礎(chǔ)理論儲備與創(chuàng)新潛能的關(guān)系例證

據(jù)心理學研究發(fā)現(xiàn)，18～22 歲的青少年階段是學習悟性和接受能力最佳的關(guān)鍵時期，也是其人生觀和價值觀逐漸成型的關(guān)鍵階段。這段時期對應的正好是本科學習階段，因此，研究生創(chuàng)新潛能與其本科階段的基礎(chǔ)理論教育緊密攸關(guān)。美國伊利諾伊大學香檳分校（UIUC）是世界知名大學，其土木工程專業(yè)的本科生教育常年位居全美第五，研究生培養(yǎng)也在全球范圍內(nèi)享有美譽。以UIUC 為例，對比該校本科教育中基礎(chǔ)理論課程的設(shè)置情況，對我國高校土木工程專業(yè)研究生創(chuàng)新潛能的培養(yǎng)當有借鑒之效。UIUC 土木工程專業(yè)必修的基礎(chǔ)課程主要包括：微積分（I、II 和III）、矩陣理論導論、微分方程導論、普通化學（I 和II）、大學物理（包括Mechanics、Elec & Mag、Thermal Physics 三門課）、靜力學、動力學導論、固體力學導論、流體力學導論、材料行為、系統(tǒng)工程與經(jīng)濟學、工程與科學計算導論、工程風險與不確定性等，一共67 個學分[11]。此外，UIUC還設(shè)置了工程倫理和人文素養(yǎng)方面的必修課。與重慶交通大學相比，其基礎(chǔ)課程無論是學時學分，還是課程的涵蓋度都明顯更高，充分體現(xiàn)了UIUC 對基礎(chǔ)理論知識的重視。

進一步對比UIUC 本科階段的其他專業(yè)課程還可以發(fā)現(xiàn)，UIUC 要求學生必須涉獵兩個土木工程專業(yè)領(lǐng)域（UIUC 共分為交通工程、建筑工程、環(huán)境工程、水資源工程、結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、材料性能、能源與全球環(huán)境等8 個領(lǐng)域，其涵蓋范圍明顯大于我國的土木工程專業(yè)），而重慶交通大學的本科生在大二時開始進行專業(yè)方向分流（包括橋梁工程、道路工程、隧道及地下工程、地鐵及軌道工程、建筑結(jié)構(gòu)工程等5 個方向，相比UIUC 劃分得更為細致，專業(yè)領(lǐng)域的范圍也窄得多），進入專業(yè)課程學習，并要求跨方向選修一門專業(yè)課。對比可以看到，UIUC的本科教育更加注重讓學生較廣泛地涉獵土木工程的主要領(lǐng)域，而不是過早讓學生進入專業(yè)學習，充分體現(xiàn)了潛能培養(yǎng)的育人初衷。相比之下，重慶交通大學的本科教育考慮學生未來的就業(yè)情況，提前讓學生進入一個相對狹窄的專業(yè)領(lǐng)域?qū)W習工作技能，反而讓學生失去了寬廣的跨專業(yè)領(lǐng)域的知識結(jié)構(gòu)，對工作挑戰(zhàn)和環(huán)境變動的適應性反而更差。UIUC 土木工程專業(yè)的人才培養(yǎng)之所以享譽全球，與其十分注重潛能培養(yǎng)的理念密切相關(guān)，以寬、博的基礎(chǔ)理論儲備作為創(chuàng)新潛能的泉源，在不斷更新變化的行業(yè)領(lǐng)域和社會環(huán)境中，以不變應萬變，讓學生具備向?qū)I(yè)領(lǐng)域發(fā)展的潛能以及終身學習的潛能。

四 提升土木工程專業(yè)研究生基礎(chǔ)理論儲備的建議

從筆者在重慶交通大學指導研究生的經(jīng)歷和心得來看，研究生創(chuàng)新潛能匱乏是由多種因素導致的，其中基礎(chǔ)理論知識不夠扎實最為突顯。很多研究生缺乏基本的理論推導能力，也缺乏系統(tǒng)的邏輯思維能力，對于力學和數(shù)學公式只知其然，不知其所以然。他們對于考研數(shù)學中的二階微分方程通解和特解背得滾瓜爛熟，但一旦將之用于求解穩(wěn)定問題的特征值、剪力滯效應的剪切位移函數(shù)時就全然摸不著頭腦了?？梢?，這些學生掌握的只是知識，而非運用知識的能力。知識本身不會轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新潛能，運用知識的能力才是創(chuàng)新潛能的重要方面。由此可見，提升土木工程專業(yè)研究生的基礎(chǔ)理論儲備是個系統(tǒng)性工作，筆者只能根據(jù)自己的心得體會，嘗試提出一些不成熟的建議。

（一） 基于本-碩-博三階段的課程體系改造

美國高校通常將本科-碩士-博士三個學位培養(yǎng)層次作為一個整體來考慮，將三個培養(yǎng)層次作為創(chuàng)新潛能培養(yǎng)的三個階段，既相互獨立又相互關(guān)聯(lián)，有利于統(tǒng)籌協(xié)調(diào)人才培養(yǎng)的不同階段[12]，取得了舉世矚目的教育成就，培養(yǎng)的創(chuàng)新人才遍布全球。因此，要想從根本上提升我國土木工程研究生基礎(chǔ)理論儲備，從而轉(zhuǎn)向“創(chuàng)新潛能”培養(yǎng)，提升我國高等教育的成材率，只有釜底抽薪，從本- 碩- 博三階段的課程體系上進行改造，本科注重學生知識結(jié)構(gòu)的“寬”和“博”，碩士研究生注重知識結(jié)構(gòu)的“厚”和“專”，博士研究生注重知識結(jié)構(gòu)的“深”和“精”，實現(xiàn)“寬口徑、厚基礎(chǔ)”的創(chuàng)新潛能培養(yǎng)模式。

（二） 研究生課程教學模式改革

目前，我國研究生課程教學存在相當大的問題。在“研究生以學術(shù)研究為主，課堂學習不再重要”的錯誤思想下，授課教師和學生都不重視課程教學，教學內(nèi)容、授課方法、考核方式都相當隨意，與本科教學完全脫節(jié)，既無法做到查漏補缺的連貫性，又無法實現(xiàn)前沿領(lǐng)域的高階性。筆者在UIUC 訪學期間，深度體會了美國高校對研究生課程教學的重視程度。知名教授親自授課，每周都有大量實踐性作業(yè)，題型非常靈活，一般都需要花費不少時間和精力方能完成。由此可見，要提升我國土木工程研究生基礎(chǔ)理論儲備，研究生課程教學模式改革勢在必行。以本- 碩- 博三階段課程一體化為契機，注重研究生教學內(nèi)容的銜接，改變當前滿堂灌、傳授式的教學模式，以研討式、啟發(fā)式的教學方法引導學生形成自學能力、思辨能力、邏輯思維、創(chuàng)新思維。推動研究生課程教學成為夯實研究生基礎(chǔ)理論儲備的重要環(huán)節(jié)，促使研究生課程教學與本科課程教學齊頭并重。

（三） 促進學科交叉與基礎(chǔ)理論融合

科學技術(shù)發(fā)展具有前沿交叉性，土木工程專業(yè)雖為傳統(tǒng)學科，但近年來與材料科學、計算機科學、信息技術(shù)等學科的交叉融合發(fā)展非常迅速，比如BIM 技術(shù)、機器視覺技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、新材料等在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應用。多學科間的交叉與融合已經(jīng)成為基礎(chǔ)科學研究的普遍現(xiàn)象，也成為產(chǎn)生重大原創(chuàng)性、顛覆性成果的沃土。培養(yǎng)研究生學科交叉的創(chuàng)新潛能，其前提是研究生必須具備交叉學科的基本理論知識以及對土木工程前沿領(lǐng)域的精確把握。在國家大力倡導智能建造、綠色建造的行業(yè)背景下，在土木工程專業(yè)的本科和研究生培養(yǎng)過程中推行學科交叉只是順勢而為，但如何做到與土木工程專業(yè)基礎(chǔ)理論的深度融合仍值得進一步研究。

五 結(jié)語

2020 年，習近平總書記在科學家座談會上強調(diào)，我國經(jīng)濟社會發(fā)展和民生改善比過去任何時候都更加需要科學技術(shù)解決方案，都更加需要增強創(chuàng)新這個第一動力。激發(fā)人才隊伍，培養(yǎng)創(chuàng)新源動力，國家科技創(chuàng)新的根本源泉在于人。作為我國創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，如何提升研究生創(chuàng)新潛能已是刻不容緩。本文從基礎(chǔ)理論儲備的角度探討了土木工程專業(yè)研究生創(chuàng)新潛能的培養(yǎng)問題，以美國知名高校UIUC 為例，對比分析了研究生基礎(chǔ)理論儲備與其創(chuàng)新潛能的關(guān)聯(lián)，最后提出了提升土木工程專業(yè)研究生基礎(chǔ)理論儲備的三點建議，以期為我國研究生教育改革吶喊助力。