钱学森思想：工程科学学习的几点体会

经福谦

西南科技大学材料科学与工程学院院士

钱学森院士是我未曾谋面但十分仰慕的一位科学大师。今天来参加这个座谈会，缅怀他光辉的科学与教育思想，感到十分荣幸。

本来，从钱老领导下的我国航天工程所取得的举世瞩目的成就中，就不难感受到他科学思想的光芒万千。为了参加这次会，我最近在《工程——跨科学视野中的工程》杂志2010年4期中查到了钱老有关“工程科学”理念的两篇文章，尽管它们都是转载自大约60年前钱老发表的文章，看过之后又结合自己近50年在军工科研部门的经历和所见所闻，对钱老“工程科学”理念的科学意义有了一点粗浅的认识。今天说出来，愿与大家切磋、深化和共勉。

1．工程和科学的目标任务是不相同的。

工程是为了改善人们生活质量而提供的某种工业产品，但这种产品又不是自然界能够直接提供的，即解决哲学意义范畴的改造世界的问题；科学则是为了了解客观世界（自然界）的规律，它的世俗目的则是为了提升人类改造世界的能力，即解决哲学意义范畴的认识世界的问题。于是从“科学”到“工程”便成为人类社会从事物质文明建设活动的始点和终点。进一步再问，在这个始点和终点之间是直通的吗？钱老的意思是不能直通，两者之间要有一个中间环节。在1947年的文章中他称之为“工程科学”，并且比较明晰地阐明了在这个中间环节中要做的事。考虑到当前科学界的另一种说法，即科学—技术—工程的三阶段论。两者比较，钱老的《工程科学》与三阶段论中的“技术”环节实有一种对应关系。我也注意到近日的《科学时报》上曾有把“工程科学”改称为“技术科学”的报道。后来又仔细查看钱老1957年的文章，他在没有作特别说明的情况下也把称谓改成了“技术科学”了。看来，这两种说法是指同一回事。

2．对于在“科学”到“工程”之间为什么还需要这个中间环节——“工程科学”的问题，在科学—技术—工程三阶段论中记得这么说过：技术阶段任务是开展从科学发现到产品制造之间的可能性（可行性）问题的研究。但对它的研究内容和做法没有给出明晰的说明。

对于这个问题，我理解钱老的见解是：由于科学家关注的是得到某个问题的精确解，但是能得到精确解的问题往往是简单的问题；工程师关注的是对某个工程产品的设计与制造任务的完成，但是在产品设计制造过程中遇到的问题往往是复杂的。于是，在这中间就出现了从“科学认识”到产品设计和制造之间的一个“间隙”地带。当然，在这个“间隙”中实际是存在着两类性质的“间隙”的，其中与产品设计环节有关的“间隙”是由于理论的“无奈”造成的，与产品制造环节有关的“间隙”是由于技术本身的“无奈”造成的。钱老在“工程科学”（“技术科学”）文章讨论的重点是属于解决第一类的“间隙”问题。对此，钱老提出的具体解决方案是：通过一种把科学理论和工程设计技术相结合的办法，去建立一个有科学基础的、适用于工程设计的理论体系，并进一步指出：“这一理论既不是自然科学本身，也不是工程设计技术本身，它是这两个不同部分的人们生活经验的总和，有组织的总和，是化合物，不是混合物。”即形成一个新的科学门类——工程科学，用它连接从自然科学到工程设计技术环节之间的“间隙”。这就是我理解的钱老指明的工程科学研究内容。我理解的钱老为这个“连接”过程策划的具体做法如下所述。

（1）根据工程（产品）目标任务中规定的性能指标要求，运用自己对相关自然科学学科的理论知识，并收集相关的实验数据和现场观察数据，用于分析并给出影响具体任务性能指标的主要因素和次要因素。这是第一步的工作，是为下一步工作做准备的。(www.xing528.com)

（2）第二步工作是真正的创造性研究阶段，是运用自然科学规律探索完成工程设计任务的阶段。这个阶段中的工作流程是：在第一步给出的主要影响因素见解的基础上，提出一个含有若干经验性规律认识和参数的（理论模型）初步工程设计模型→为了检验初步模型的合理性及其与实际情况的偏差（近似程度），设计并进行有针对性的验证性实验→根据验证性实验结果，对初步模型中的经验成分进行修正，并提出新的优化后的工程设计模型→……即通过这种理论→实践→再理论→再实践的多次的、螺旋式上升的认识过程，直到构建出一个满意的工程设计模型为止。勾划出这么一个研究流程的客观原因是要弥合科学认识方面的不足，这是由工程问题的复杂性引起的。这个见解虽然是钱老在60年前提出的，但是今天读来，仍然深深地被他学术思想的深邃性而震撼。考虑到科学技术发展的现状，我以为当代工程问题的复杂性还出现了如下的一些新因素。

①从科学原理到工程产品设计之间，经常还会遇到多学科的联合攻关问题。举例来说，从法拉第电磁感应原理到建造一个发电厂，绝不仅是一个单纯的电力生产学科门类的问题，在它的设计与建设过程中还会遇到转轴摩擦与润滑、叶片冲蚀、输电损耗、电线绕阻发热等问题。若进一步拓展为水电站设计任务，还要再加上水坝设计、生态学影响，以及可能发生的地质灾害（包括诱发地震）等等问题，它们都需要一一设法解决的。这么一来，科学与工程设计技术之间的“间隙”就不单是电力门类自身的科学（电磁学）与工程（电站设计）技术之间的“间隙”了，而是又加上了多个非电力门类的科学与电站设计技术之间的多个“间隙"了。好似“间隙”是来自四面八方。

②随着当代高新技术产业的发展，某些需要在特定环境条件或极端条件下工作的新产品研制任务日益增多，因而又会在工程产品设计流程中引进了新的复杂因素。举例来说，固体力学中把弹塑性变形分解为球量应力与偏量应力两个部分的贡献。但在经典力学框架内构建弹塑性本构模型时，是把这两部分应力分量对变形的影响作了解耦处理的，具体说是把塑性变形归结为只受偏量应力的控制，于是就提出了Johnson－Cook之类的本构模型，并在较低的压力区得到了成功的应用。但是科学实验的结果表明，位错萌生及其运动是主导塑性变形的物理机制，而它们又是会受到球量应力影响的。这个实验事实说明，经典力学中把球量应力部分和偏量应力部分对变形的影响采用解耦处理办法只不过是对较低压力区问题的一个可以接受的近似方法，是绝不可以把它不加限制地用到高压区去的。因而就引发了近30年来的对高压区本构建模问题的研究。又如，化学周期表中的元素排位是按照它价电子的情形考量的，因为是价电子决定了元素的化学性质；但在高压下，由于离子（原子）间距的缩短会导致离子（原子）电子结构的变化，其中就包括有芯电子向价电子的转移，这么一来，又会使该元素的化学性质发生了变化，也就是说这时就出现了高压区周期表中元素位置需要重排的科学问题。此类极端工况条件下出现的新物理、新化学、新力学问题，自然也会在工程产品设计中增添了新的复杂因素。但是值得注意的是，一旦对这类新物理、新化学、新力学问题的科学认识得到了突破性进展，就又会对促进工程产品设计技术的发展打开了一条新的途径，使工程科学研究提高到一个新的水平。后一方面的意义是应该引起足够重视的。

3．以上只是我个人对钱老工程科学的片段理解。对钱老工程科学理论的正确性和蕴含的大智大慧，还需从历史的回顾中得到理解，这样方能加深理解和发扬光大，从而更加凸显出科学大师的风采。因为历史是一面镜子，“实践是检验真理的唯一标准”。其中既要包含运用工程科学思想而得到成功的事例，但是我认为更要重视由于没有运用工程科学思想而失败的事例。只有进行正反两方面的反思，才能真正规划好我们今后怎么“走路”，才能以最佳的效费比走向科技强国之路。比如说，“画加打”、“调参数”等等这类某些科技工作者用于研究的方法行吗？全面地回顾过去，这么做绝不是为了去追究烦恼，而是为更好地规划未来。可以毫不讳言地说，上面列举的做法都是不符合钱老所说的“建立一个有科学基础的、适用于工程设计的理论体系”的见解的。

当然，要实实在在地做到“以科学为基础”也绝非易事。它需要运用决策者和广大科技人员的智慧，坐在一起认真地讨论，做好规划，落实投资与建设，以及延揽与培养人才等等实事。但这项内容已不是这次座谈会安排的任务了。有关这方面的规划设想，国外已经有了一些公开报道，建议大家查看和思考。

最后我想，对钱老缅怀的最好方式是尽力继承和发扬他的光辉学术与教育思想，我愿与大家共同努力。

（编者按：本文是作者根据2011年12月6日在钱学森科学和教育思想研讨会上所做的报告整理）