开心地学习 做“好玩”的研究

专访“钱学森力学班”首席教授郑泉水

来源:《水木清华》杂志 2012年第10期  李想  关悦

        郑泉水,清华大学微纳力学中心主任、清华大学航院学术委员会主任、清华学堂人才培养计划“钱学森力学班”首席教授和教育部长江特聘教授。

   1980年代主要从事理性力学研究,解决了140多年未能解决的Cauchy 平均转动问题。1990年代系统开展了现代张量函数表示理论及各向异性和非线性本构方程的研究,为该理论的建立及其应用基础做出了重要贡献;后致力于非均匀和各向异性材料的力学,建立了新的细观力学方法(IDD方法)。2000年后主要兴趣是微纳米力学和多学科交叉研究,开创了范德华滑移型新原理运动器件等研究领域,在结构超润滑领域取得突破性进展,产生了广泛的国际性影响。

 

图为郑泉水近照。

       创新,是科学家的生命、是研究的灵魂。而当一位极富于创造性的科学家把专注的目光投向教育与科研时,他又会创造出怎样令人着迷的新点子呢?

        郑泉水,清华大学“钱学森力学班”首席科学家、微纳米力学与多学科交叉创新研究中心(简称微纳力学中心)主任。作为一名科学家,他在自己的领域里取得了一系列享有国际声誉的成就。作为一位老师,郑泉水一直为回答“钱学森之问”、为成功培养创新型人才不断摸索。如今,他正带领清华大学“钱学森力学班”实践着新的教育模式。在将近两个小时的采访中,郑泉水饶有兴趣地把自己的教育理念和实践娓娓道来,给我们展示了当创新真正融入教学和科研时,会展现出怎样充满魅力的新方向。

“歪打正着”地学习

        作为“文革”后首届大学生,郑泉水并没有受到良好的中小学教育,大学之前没有学过多少知识。当年考入江西工学院(现南昌大学)土建系时,他的数学甚至没有及格,全班倒数第一。

        “刚入学时我的数学不好,我就用几个月的时间拼命看数学。”中小学时的他,因为个子较高,不能坐在前排,而自小眼睛不好,让他无法看清楚黑板上的内容。所以,他常常只能自己看书、钻研。一学期下来,郑泉水一跃成为全班数学最好的学生,很多同学都拿着解决不了的问题来找他,这让他尝到了甜头。于是,他又在第二学期自己看书,拼命补物理,考试时,他不到30分钟就交卷昨晚了两个小时的物理考题,并拿到满分。渐渐地,郑泉水摸索到了自己的学习方式,并一点点自学完成了土建系的核心课程--理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学等,提前考试或免试通过。

        回忆起那时自己的学习,郑泉水笑言:“我是瞎猫抓老鼠,恰好找到了自主学习和通过研究来学习的方法。”除此之外,他还将自己颇具传奇色彩的学习经历归功于遇到的老师:“我遇到了很多很好的老师,特别是杨德品、熊祝华教授等,他们给了我很宽松的环境,让我可以自由地成长,也给了我很多鼓励和自信。”

  大学时,老师听说他的张量分析自学得很好,就主动为他安排讲座,甚至邀请他给老师们上课。大二时,郑泉水看到一篇弹性力学方面的论文,感觉这篇论文并没有很好地解决问题,于是就自己写了一篇论文,成功地推进了这些问题的解决。论文在他大四时发表,老师对他赞扬有加,不仅免了有关课程的考试,还直接给了他高分。1982年,在戴天民教授主讲的全国应用数学和力学“张量分析”的讲习班上,他不仅解决了老师给他的问题,甚至解答的范围还超出了这一问题,写出了一篇论文。这让戴天民教授异常兴奋,戴教授主动邀他一起写书,并把他推荐给了钱伟长先生。而当时,他才刚刚大学毕业,留校任教。

  大学毕业,他报考了北京大学应用数学专业的研究生,却因政治不及格没有考上。幸运的是,北大的郭仲衡院士很欣赏他,破格录取,让他以在职硕士进修的方式继续深造。1989年,他直接申请了清华大学固体力学专业博士学位,师从黄克智院士。1993年,他调往清华大学力学系任教授、博士生导师,直至现在。

  一路走来,独特的成长经历、宽松的学习环境和来自师长的信任、鼓励,让郑泉水摸索出了对自己而言可能是最好的学习方式。只是那时的他,还没有完全意识到自己这种“研究型”的学习方式,到底有着怎样巨大的能量。

  而现在,作为一名老师,他所希望、所专注的是怎样把这种有效的学习方式传承给自己的学生,让他们能同样自由地去研究、去创新。

钱学森力学班和猫头鹰实验室

        “中国的学生在主动学习和创新方面问题较大。”采访中,郑泉水毫不讳言自己对目前中国教育状况的忧虑。在他看来,很久以来,传统的教育模式已不能满足当今社会对创新人才的需求。而执教过程中发生在身边的学生故事,屡屡让他感触很深:

猫头鹰实验室(OWL)2012年暑期开放创新夏令营。

  “2002年曾经有学生告诉我,班上真正想做研究的只有他自己一个人。当时我听到后异常震惊,难道那么多学生跟随名师、院士,只是为了拿到一个学位吗?”

  2007年,航天航空学院90余名即将毕业的学生中,有个别学生因故没有毕业。这一事件再次使郑泉水感到震惊。个中原因,他认为有很多,但对自己所学专业不感兴趣、难以主动投入学习无疑是最重要的一点。而这样的问题,在清华其他专业、乃至全国其他高校,都绝非少数。如何使学生热爱自己的专业、如何使学生主动投身于研究中、如何培养创新型人才,成为了“折磨” 郑泉水的一系列问题,让他苦苦探索着新的教育模式。他找教授们商讨,向校领导建议进行一次改革,建立一种独特的教育模式。恰巧清华大学正在酝酿以培养拔尖创新人才为目的的“清华学堂人才培养计 划”,“钱学森力学班”(简称“钱学森班”)就在这样的背景下应运而生了。

  钱学森班成立于2009年,它是清华大学实施“清华学堂人才培养计划”所创立的六个班之一,定位于工科基础科学班,以工程力学系为主,联合航天航 空、机械、土水等学院的8个系,借助于全球范围顶尖学者的力量共同建设。钱学森班每年招生三十人,采取本/硕/博贯通培养、动态流动管理模式,通过小班授课、导师制、配备最优秀师资队伍并聘请著名学者和国际大师授课等措施来培养最优秀的创新型人才。

  作为钱学森班的首席教授,郑泉水担负着制订钱学森班培养方案、组织协调项目实施的重任。为此,他投入了大量的心血和精力。三年多以来,他在钱学森班所坚持的是“开放式的创新人才培养”模式。他所关注的问题在于“能不能建立一种创新人才培养机制,使正常IQ以上的学生开心地学习和成长,并做出较大的成就;也使教师能够开心地教学和育人,并取得重大的创新成果。”

  这一点上,郑泉水非常推崇卢瑟福教授所领导的英国剑桥大学卡文迪什实验室。卡文迪什实验室成立于1871年,是迄今全球培养出诺贝尔奖获得者最多(30多位)的实验室。从成立初至1933年,实验室只有一名教授。卢瑟福担任教授时期(1919~1937), 他培养出了11名诺贝尔奖获得者 (还间接培养了两三位),创造了旁人难以逾越的记录。这一奇迹令众多教育家深深着迷。郑泉水也在积极地探索其中的奥秘:“卢瑟福相信,教育的方向是使人们找到并追求他自己最感兴趣又擅长的方向、为自己制定目标。这是最核心的一条,但这还不够,只是一个出发点。通过研究去学习的最终目的是创新,而创造性很容易死掉,这就需要老师的精心呵护。”

  在钱学森班,郑泉水和他的同事徐芦平等正在打造一个创新孵化平台,称作开放智慧实验室(简称OWL,亦称猫头鹰实验室)。这是一个让学生充分实践自己梦想的地方。郑泉水说:“我们要给钱学森班的学生提供一个平台,一种刺激,一些环境,使他们在三至四年内实现从被动学习到主动学习、到自主学习、再到研究型学习的转变。要想真正实现这一转变,最核心、最重要的是学生自己的兴趣和信心,是他们的自主性,是要以学生为本。”

  根据钱学森班的培养计划,学生进入钱学森班的第一年,仍以被动学习为主,但会加入一些主动学习的因素,使学生的自主性不断增强、选择性更广。第二年,他们就可以利用OWL进行自主的实验与研究了。

  “只要你有自己的想法,我们就会给你提供必要的实验设备,并寻找合适的导师进行指导。学生也可以组织自己的团队,以协作的方式来进行研究。”他打了一个比方:“这个孵化器是以学生为主,有的学生孵化出小鸡,有的是小狗,或者小鸭。”而需要寻找的最好的导师,就是各称其职的导师。如果所找的老师不合适,“因为不懂,他们甚至会把这些创造性扼杀掉”。郑泉水认为,卢瑟福深谙此道,“他鼓励学生提出自己的想法,如果这一想法在自己的经验范围之内,他就协助学生进行研究;但如果这一想法超出了他的范围,他则会建议学生寻找新的导师”。相较卢瑟福,郑泉水的梦想更大,OW L不仅对钱学森班开放,也对整个清华开放,更通过互联网向整个世界开放。他的目标是在全世界范围内寻找最合适的导师,吸引全世界导师关注OWL。

  通过这样一种开放式创新人才培养模式,钱学森班学生的主动性与积极性大大提高。最近,钱学森班2009级学生杨锦在实验中观察到水面上漂着一层微小的泡泡,许久不破。于是,郑泉水鼓励并指导杨锦进行全面的文献调研和系统的机理探索实验,最终成功发现、建立了可实现永久不破泡泡的机制。“在这个过程中,杨锦没日没夜地进行实验、阅读、检索和建模,几乎把清华的几个相关实验室都跑遍了。正因为是他感兴趣的、自己主动做的研究,才会有这样坚持的动力。另一方面,这样的想法如果得不到合适的老师指导,也肯定没办法走下去,而我恰好在微纳结构表面湿润性方面 有深入的研究。他的发现与我的兴趣结合到了一起,或者说,他所孵化的‘小鸡’正好遇到了我这只‘母鸡’。”郑泉水很幽默地说。在钱学森班,学生们还积极组织团队,共同协作,建立新网站——逃课网,制作磁驱动潜水艇等。这些有趣的想法也都得到了OWL负责人徐芦平等老师们的帮助和指导。

郑泉水在讲课。

  有学生评论道:“这么多年来被动学习以后,我发现自己创新的激情终于回来了。”郑泉水则说,当越来越多的学生通过钱学森班的学习而建立起对研究、科研以及创新的兴趣时,他的模式就有望真正成功了。

寻找志同道合的“战友”

  在郑泉水的教育理念里,他的理想还不止于此。 他不仅希望学生能开心地学习,也希望老师能真正教得开心。

  “教育的本质,在于创造一个环境,让学生自由成长。老师对学生的基本态度,应该是把学生当作自己的孩子。如果这是你自己的孩子,你甘心只是招进来让他给你打工或者凑数吗?”郑泉水认为,不少老师对于教学及学生缺乏一种热爱,教学缺乏挑战性和新颖性,很难开心地履行自己的职责。这就使教学变得很无趣,甚至失去了意义,也直接导致学生丧失了学习的兴趣。

2012年钱学森力学班第三次教学研讨会。

  在他看来,老师与学生之间应该是互为激励的, 也是互惠的:“好的老师常常能识别好的想法。很多诺贝尔奖的想法来自于学生。在这个过程中,老师和学生是双赢的”。在自己的教学过程中,郑泉水对学生不乏严格的要求,但更多的是创造一种宽松的环境、对其进行积极的鼓励和专业的帮助。他所指导的学生,有三个曾经获得全国优秀博士论文奖的荣誉。而在这一过程中,他直言自己也从学生身上获益良多,“是学生在帮着我进行阅读,并不断激发出创新思想”。

  与此同时,郑泉水一直在致力寻找与他有相同教育理念的老师。他很自豪于钱学森班成功地吸引来了一批极好的老师,他们正开心地在钱学森班讲授着课程。他坦言,自己并不是钱学森班教学最受欢迎的老师。但他很高兴看到越来越多优秀的老师都乐于为钱学森班付出,甚至主动请缨。“比如力学系的张雄老师、数学系郑建华老师、化学系李强老师等。他们为钱学森班的课程投入了大量的心血和时间,乃至把多项研究都暂时停下来。而他们的课程也受到了学生的热烈欢迎。”在学生与老师的双向互动中,学生的兴趣被调动起来,老师也异常兴奋,甚至有老师向郑泉水感叹“从来没有教过这么好的学生”。郑泉水笑言:“他们觉得,钱学森班为他们提供了一个实现自己原来梦想的机会。”

  如今,钱学森班已渐入正轨,郑泉水又迎来了新的挑战——如何科学地选拔具有创新特质的学生以及如何对其进行评价。为此,他专门组织成立了一个由教育学和心理学专家牵头的第三方课题组,试图通过客观的调研,对钱学森班的老师、学生及课程进行评价及分析。同时,他认为,现在的钱学森班存在着同质化现象,他立志于在钱学森班实现多样性,希望钱 学森班的不同学生能在不同方面各有所长。他希望通过自己及身边这一批好老师的共同努力,可以把中国学生在中小学阶段常被扼杀的品质——如好奇心、调皮、不受拘束、自主性强等——重新找回来,从而使他们这些真正热爱学生及教学的老师能拥有更多更好的学生。

  在郑泉水看来,钱学森班模式无疑是一种创新,但这不是创新唯一的模式。对于不同类型的人才来说,其培养模式必定是不同的。钱学森班所培养的学生,既不是通才,也不是现有学科划分意义上的专才,而是具有良好人文素质与扎实科学基础的创新型人才。

奇妙的新领域:开创多学科交叉研究新模式

  在教育理念及培养学生的不断创新中,郑泉水没有放松自己的科研。作为一名科学家,他转战不同领域,一次次地开辟着新的疆域。创新,同样是他在科研工作中所执着追求的。

郑泉水和学生们一起。

  郑泉水始终都葆有一种强烈的好奇心,几十年来,他的研究方向涉及了理性力学、非均匀材料的力学和微纳米力学等方方面面。他的兴趣异常广泛,从“各地的树为什么有不同的树高极限”到“永久不破的水泡”,这些问题都能让他与学生激烈探讨许久。

   如今,郑泉水把重心放在了微纳力学中心的建设上。这一中心成立于2010 年,旨在开创新型跨院系多学科交叉研究模式,以期成长为特色显著的国际知名微纳米科技创新中心。身为微纳力学中心的创办主任,郑泉水正带领自己的团队努力攻克一系列跨学科领域的课题。听他对自己研究领域的介绍,听众能立刻领略到什么是他所说的“有趣、好玩”的研究。

  众所周知,机器之所以损坏,80%是因为磨损。郑泉水及其团队最近在国际上首次实现了微米尺度石墨之间的几乎为零的摩擦和磨损,被公认为该领域的一大突破性进展。对于这一进展的前景,郑泉水充满了信心,而憧憬着可以出现永不磨损的机器,更是让他兴奋不已。

  他们也正致力于固体与液体界面问题的研究。在现实生活中,我们会发现,雨后的荷叶上有很多水珠,当水珠滚落后,荷叶就会变得干干净净。这种自清洁技术吸引了研究者的兴趣,他们揭示了荷叶等自然界自清洁表面为什么具有特定尺寸的微纳米结构,通过研究这一结构,就可能研制出极佳的自清洁材料并投入于日常使用中。还有结冰问题,冬天的飞机常常因为结冰而晚点,郑泉水和他的学生们梦想着通过改变固体的表面和结构,来改变固体的湿润性能和流动性能,进而实现飞机的不结冰。

  现在开采石油过程中,真正能流出来的只有30~40%, 剩余60%以上的石油无法流出来。郑泉水和他的国际合作团队主攻的另一课题,就是研究纳米和纳米复合材料,以使石油开采的深度进一步增加,从而使更多的石油流出来。

        乍听之下,这些研究五花八门,涉及的领域很广泛,但它们都跟我们的生活息息相关,同时意义重大。这些问题,可能很多都曾在我们童年“异想天开”的念头中一闪而过,但大多数人只是想想,或者随着年龄增长、课业繁重,慢慢将之抛却,对此丧失了兴趣和动力。“异想天开”与 “创新”,往往只是并不遥远的距离。郑泉水研究的这些课题也正从另一个角度证明了,他所反复强调的创新的激情、自主研究的兴趣是多么重要。

  直至今日,郑泉水始终在研究中保持着广阔的探索视野及强烈的科研欲望。但研究越深入,涉及的学科和领域也就越广泛。表面看,这些研究的核心都可归结为固体与固体或固体与液体之间的界面问题,但细究之下,物理、化学/化工、材料等方面的知识都有所涉及。这也正是多学科交叉中心应运而生的原因。中心的研究核心确定为 “在微米和纳米尺 度下与变形、运动相关的重要问题”,集中攻克“与能源、环境、生命医学、药物相关的问题以及微纳米器件”。

        郑泉水坦言,自己面临着很大的压力和体制性的阻力,“交叉机制在中国教育中一直存在着各种问题,包括评价等”。但是,这并没有削弱郑泉水在学校的大力支持下把中心办好的决心和信心。他采取平面化的组织形式,吸引了一批认同交叉理念的老师。中心的研究生与各院系老师通过“头脑风暴”,畅所欲言。然后,根据这些想法,成立跨学科的课题组,由来自力学、物理、化学/化工、材料、生物、微加工等专业的老师与中心的学生共同协作完成。中心要求所有学生至少要有两个跨学科的导师,入学第一年必须到其他学科学习。但这就造成了各种问题。他开玩笑说:“中心是艰难地活到了现在,不过感觉是越来越好了。”他相信,唯有Interface,才能产生化学反应。

  关于自己的双重工作——教育与科研,郑泉水认为,它们是不可分割的。在教书育人中,老师同样会得益于学生的各种新想法。而科研的成功,也必将吸引更多优秀的人才。郑泉水说,他将在教育与科研领域,继续以一种绝决的勇气推行自己全新的理念,以创新,迎来教育与科研上更大的收获。

 

2012年11月22日 10:37:04  清华新闻网

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