作者:金涌 来源:中国科学报 发布时间:2022/8/2 19:55:41
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多维度思维方法养成是新工科教育目标之一

 

要想实现我国科技创新在高端领域高水平发展,高校必须在新工科教育中着力思考如何培养创新型人才的问题。放眼全球,国内外高校围绕这一话题的探索和实践已非常丰富,如果相互借鉴则会收获颇丰。

以美国麻省理工学院为例。该校为了提高工科学生的创新能力,在大一新生中专门开设了一门32学时的选修课“思维方法”。之所以如此,是因为他们认为多维度思维方法的养成在新工科建设中有着重要作用。

结合中国国情,笔者也认为,多维度思维方法可能是未来开启工业界和社会发展创新、创业之门的钥匙。相关培养可以确保“在校教育”与“终身自主学习”相衔接,有助于实现“科学”“工程”“人文”与“艺术美学”的多学科融合,有利于原创性和颠覆性的创新、创业的形成。

在笔者看来,涉及创新的多维度思维大致可分为以下几类。

伦理思维

所有创新必须符合人类伦理道德,这既是前提,也是不可逾越的底线。

某些“科学家”出于功利主义,希望凭借“前所未有”的路径追求名利目标,如开展生殖细胞克隆实验等,毫不考虑由此可能导致的不良后果。一些违反人性的研究更是在“国家”“公众”利益的遮盖下进行,如细菌战、大规模杀伤性武器的研制等。

比如,因发明化学合成氨而获得诺贝尔奖的德国化学家哈伯,曾在第一次世界大战中为德军研制了芥子气等毒气,并于1915年4月22日对法军第一次释放,直接导致5万人死亡、1万人严重受伤,由此开启了世界毒气大战。哈伯的行为受到了诸多科学家的谴责,甚至他的妻子克拉拉·伊美娃博士也因激烈反对其丈夫的残酷行为而含恨自杀。

在新工科教育中,必须告诉学生,超出人类伦理的所谓创新一定要禁止。

创造性思维

创造性思维可细分为很多方向,包括分析性思维、系统性思维、抽象思维、观察—验证思维等。

许多复杂性科技问题均包含以下特点——分属于多个子系统,其中可能又分属线性和非线性关系;各系统参数间强交联;参数在空间与时间有显著分布,且不可以平均值确定其变化规律,或称之为平均场理论失效;根据初始条件不同,参数变化可出现多态,演化呈现完全不同的规律,即所谓“主动性系统”。

对于这类课题的求解,可通过将复杂系统拆解成若干子系统,分别进行研究和定量数学表达,然后再把各子系统分别研究的成果辩证地统一起来。这被称之为分解—还原性思维方法。

系统性思维是钱学森先生极力倡导的。他在被授予“国家杰出贡献科学家”称号后说,“两弹一星工程依据的都是成熟理论,系统工程思维的理论与实践才是我一生的追求,它的意义远超出我对中国航天的贡献”。

抽象思维中最理性、最高的层次是通过数学计算的分析表达。许多科学家都表示过,一个不能用数学方程式表达的研究成果,不应被认为是一项完整的科学研究。

更多的科学研究成果是通过观察发现问题、提出问题从而解决问题来完成的。爱因斯坦曾提到,发现有价值的问题需要天才和创新思维,解决问题只是巧妙的数学推演和灵巧的实验而已。钱学森也指出,“从一个猜想开始,然后才是科学论证。从思维角度看,科学工程发源于形象思维,终于逻辑思维”。

达尔文创立的生物进化论具有划时代的意义,从根本上颠覆了生物发生和发展的“神创论”。其主要论据是他在长达5年的长途旅行中,通过对各种生物的细心发掘和考察而积累的丰富资料。

仅在美洲西岸的加拉帕戈斯群岛上,他就发现并研究了225种植物,其中有100种是新物种。他对这些观察结果系统归纳,认为只有以物种的逐渐变异,才能解释他所观察到的生物从时间到空间上的有序变化。经过多方考证,他出版了《物种起源》一书,成就了伟大的事业。

批判性思维

批判性思维包括辩证思维、反向思维等。它要求人们能够透过现象看本质,即从已有理论、规律进行推演,从不同视角对过程进行解析,探索事物间的联系性、学说间的内在关系。

处理宏观与微观的问题都需要辩证思维。如杨振宁、李政道发现,宇称守恒规律适于宏观世界,而宇称不守恒规律适用于微观世界。

辩证思维要求用对立统一的立场看问题。我们遇到许多问题,从正面和反面分别观察都有正确性,在特定场合,对与错也会互换,如量子力学对光的波粒二象性的包容性认知。

为启发学生思维而提出的命题,不应只有简单的标准答案,而要充分激发学生的想象力和思辨力,全面认识问题。

反向思维也可由对原猜想的怀疑开始,古人云“积疑起悟,学博渐通”。如丘成桐开始对卡拉比猜想的完美性深表怀疑,多方证伪,结果却证明了它是正确的,也可称证伪思维。

反向思维在工程领域不乏实例。例如,我国钢铁产业需要大量高品质矿石,但国内大部分矿石含铁量只有30%左右,通过浮矿技术富集铁元素有很大难度。鞍钢矿冶公司反向思维,从矿石中筛选提取化学性质单一的脉石,剩余矿石的铁含量从30%提高到60%以上,解决了国产铁矿石的难题。

团队合作思维

科技的飞速发展使学科分化和交叉不断加强,某一领域提出的命题与许多学科相关,使物理、化学、生物、信息等多学科都有介入的可能和必需。上世纪初的那种单打独斗的做法很难有大作为。

比如,脱氧核糖核酸双螺旋结构的发现,就是物理学家薛定谔提出猜想,分析化学家查加夫提出结构拆分,合成化学家鲍林提出螺旋化学键的存在,实验物理学家富兰克林用X光衍射得到结构照片,最终由理论物理学家沃森·克里克完成的。

特别是一个巨大的创新工程项目,如原子弹制造的曼哈顿计划,是数万不同专业的人才共同完成的。

寻求真诚、恰当的合作者是成功的捷径之一。这种思维的植入可以从幼儿的集体游戏中开始,在大学教育中不断推进。

市场性思维

对于一个伟大的创新发现发明过程,从开始立项到结果产生,发明家都应清楚它的社会价值,工程研究与纯科学基础研究的差别正在于此。对于重要的研究项目,要全程进行应用可行性动态评估,以作为重要的决策依据。

总之,为了培养高素质创新型人才,新工科教育要不断进行改革。其中重要的一点就是不仅要灌输给学生大量前沿信息和知识,更要多维度开发学生的创新性思维方式,解决只依托已有知识或已知自然规律研发,与依托想象力进行开创性工作之间的矛盾,激发学生内在的创新潜能。多维度思维方法的养成,无疑是创新工科教育的重要环节。

(作者系中国工程院院士、清华大学化工系教授)

 
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