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科学思维和科学方法在力学和工程教学中的应用
2011-06-01  全国高等学校教学研究中心  

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  叶志明:力学基础课程教学指导分委员会副主任委员 上海大学副校长

  现在,科学发展非常快,知识的使用寿命越来越短,大学生在大学阶段学习的知识可能若干年后就没用了,所以大学应该教给学生什么?怎么教?是非常关键的。已故上海大学钱伟长校长1983年到上海工业大学就任时就指出:我们希望学生到学校里来主要是掌握一种正确的学习方法、工作方法和思想方法,也就是辩证唯物主义的方法,所学的课程也好、专业也好,无非是一种载体,通过这个载体,训练学生掌握方法。这话听起来简单做起来可并不容易。直到今天,我们仍然强调要教给学生方法,但不是人人都能做得好、做到位。

  首先,讲讲方法论。关于“方法论”,《辞海》里是这么说的:“是关于认识世界和改造世界的方法的理论,按其不同层次有哲学方法论、一般科学方法论、具体科学方法论之分”。现在的科学学普遍认为,要判断一个理论是否科学,必须要符合逻辑、经验、社会学和历史的四套标准,缺一不可。其实,我们会发现有时候做一件事情,只要抓住它的特征,就特别好办,这就是方法。举一个例子,参加本科教学评估的时候,时常要判断一所高校的特色。我们都知道一所大学要总结特色其实很费脑筋,往往是整理了很多东西,但好像都不准确。后来,我总结出一个判定的方法,即:先总结一所大学的特色,比如总结了上海大学的两个办学特色,然后把“上海大学”这个名称拿掉,把“西南交通大学”安上去,看这两条是否能够成立,如果这两条成立,就再把“浙江大学”安上去,如果这两条也能成立,那么就可以下结论:所总结的这两条不是上海大学的特色,而是所有高校共有的。相反,如果把所有高校安上去后都不成立,才是这所高校自己的特色。后来,我用这个方法判断高校的办学特色,发现很准确。而科学的思维方法是复杂的,它是各学科通用的研究方法,是进行科学探索、科学实践、科学研究的一般方法。当然,它又是多层面的,有宏观的、中观的和微观的,等等。例如,经线地图,地球沿经线展开;纬线地图,地球沿纵向(竖向)展开。如果这张地图放在店里卖的话,人们多半不会去买,因为它看起来很别扭,不习惯也不熟悉。比如,我们坐飞机从北京到纽约,从经线地图上看与从纬线地图上看,结果是不同的。如果看飞行路线图,甚至会看到飞机的飞行路线是曲线!有些人会奇怪怎么不飞直线飞曲线为呢?因为,地球是圆的,把它展平后直线变成了曲线。如果从地球仪上就可以直观地看到,从北京到纽约直飞穿越北极是地球球面上的最短直线距离。这说明,我们有时候看问题要全面、完整地看,这就是科学思维和科学方法所包含的一些道理。

  再比如,法国数学家曼德布罗特问英国的海岸线有多长,这一问,问出了分形体和分形理论。曼德布罗特现在美国普林斯顿大学工作,1997年他到上海大学来讲学,给我们讲了一个故事,他说一个三维谢氏塔具有自相似结构,一个面包厂的老板找到他,说你这个体积总是可以限定在一个球里面,所占的材料最少,我用这个办法来制造面包,面包可以做的最大,而用到的面粉最少。做面包的老板也能够用这种科学思维去思考他的面包应该怎么做,这都是一些例子。我们每个人都是靠眼睛来观察事物的,比如图1a看起来是一个女人;图1b看起来是一个男人,但放在一起看,原来是同一个人。所以,有时候眼睛会给你一个错误的判断。 

  (a)                    (b)

  图1 放在一起看,原来是同一个人

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