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本科生科研指南（66）：气体定律之科学研究的细微之处

热度 1 upflyzhang 2020-10-16 08:28

本科生科研指南（66）：气体定律之科学研究的细微之处 张宇宁 华北电力大学（北京） 现在，我怕的并不是那艰苦严峻的生活，而是不能再学习和认识我迫切想了解的世界。对我来说，不学习，毋宁死。 --- 罗蒙诺索夫（Mikhail Vasilyevich Lomonosov，1711－1765） 科学研究中的很多细节之处是非常重要的。正所谓 失之毫厘，谬以千里 。用此词语来形容细节对于科学研究的重要性一点都不为过。在科学史上，有很多学者因为缺少对于细节的关注和思考而与重要的发现失之交臂，或者提出了错误的理论和解释等等。总之，本科生在开展科学研究之前，不妨牢记和刻苦训练自身科学方法论上的 严谨性 ，以期具备较好的科学素质，这对于本科生的后续发展和长期研究均是有事半功倍的效果。 即使对于同一个实验，不同学者可能却有着完全不同的解读 。本期， 借助气体研究历程中的一个例子，笔者希望本科生能够高度重视科学研究中的细微之处。 一、科学问题 对于燃烧过程的解释存在着众多的学说。燃素说认为燃烧过程是燃素与可燃物脱离的物理过程。波义耳提出了“火颗粒”假说，认为燃烧过程中有火颗粒从中释放出来，并于金属结合形成金属氧化物。 燃烧的本质及空气在该过程中所发挥的作用是亟待解决的科学问题 。 二、“火颗粒”假说 波义耳较早地开展了一系列关于燃烧现象的实验。在实验过程中，波义耳用玻璃器皿加热金属。通过比较加热前后的器皿的总重量，波义耳发现金属变重了。值得注意的是， 对于燃烧后产物的称重，波义耳是将器皿的瓶塞打开后进行的 。虽然这是一个非常不起眼的细节，但带来的效果完全不一样。因为打开瓶塞以后，在加热过程中所消耗的氧气得到外界空气的补充，从而会导致整个器皿的重量（主要是金属氧化物）与加热前（主要是金属）要重一些。 基于这个实验现象，波义耳尝试了建立理论模型进行解释，并提出了 “火颗粒”假说 。他认为在器皿底部的燃料燃烧的过程中，有所谓的“火颗粒”产生。这些“火颗粒”可以穿透器皿从而使得金属变重。 仔细思考，读者们便会对波义耳的“火颗粒”假说充满很多疑问。 l “火颗粒”是否具有质量？ l “火颗粒”既然能够穿过加热的器皿，为何不能穿过金属？ l “火颗粒”为何能够跟金属结合？而不是与其他物质（例如被加热的器皿）结合？ 虽然“火颗粒”假说在同时代的学者中影响有限，但是波义耳的实验至少将化学的研究从较为神秘的炼金术和哲学猜想带到了以实验研究为主的正确道路上来。 三、质量守恒定律的提出 1756 年， 俄国科学家罗蒙诺索夫仔细地重做了波义耳的实验 。在加热的前后进行称重之时，罗蒙诺索夫将器皿的 瓶塞盖紧 ，发现整个器皿的重量在加热前后并不会发生变化。罗蒙诺索夫采用了很多种金属进行了类似的实验，包括铅、铜、银等等。这些实验结果使得罗蒙诺索夫对于波义耳的“火颗粒”假说以及当时流行的燃素说均产生了深深的质疑。 同时，罗蒙诺索夫也发现反应后的金属氧化物的质量增加。因此，他大胆猜想在加热的过程中，一定是金属与空气中的某种成分发生了反应。基于这些现象，罗蒙诺索夫提出了化学反应过程中的 质量守恒定律 。 在化学反应的过程中，参加化学反应的全部物质的质量等于全部反应产物的质量 。 罗蒙诺索夫所发现的反应过程中的质量守恒定律是化学学科的重要基础定律之一，一直沿用至今。而该定律之所以被提出， 主要的功劳在于实验过程中对于实验细节的用心观察和掌控 。 四、氧化学说的建立 在研究过程中，拉瓦锡重复了很多前期学者的著名实验，包括赫尔蒙特的“柳树实验”等等。在实验过程中，拉瓦锡发现赫尔蒙特的实验存在诸多问题，并导致其结论并不可信。 1774 年，拉瓦锡也与罗蒙诺索夫一样重复了波义耳关于金属煅烧的实验。在称量的过程中，拉瓦锡同样是保持瓶塞的紧闭，并发现反应前后整个器皿的质量并未变化。 在打开瓶塞的一刹那，拉瓦锡 敏锐地感受到器皿外部的空气带着尖锐的声响冲进了器皿之中 。在瓶塞打开后，当拉瓦锡再次称量整个器皿之时发现整个器皿的质量增加了。他又继续称量了金属氧化物的质增量，发现恰好等于整个器皿的质量增量。 基于这些实验现象，拉瓦锡推断在燃烧的过程中，金属与空气中的某些成分化合了。后续，在普利斯特利氧化汞聚光分解实验的启发下，拉瓦锡终于建立了较为完备的 氧化学说 。 由此可见， 在科学研究的过程中，对于细节的敏锐观察极为重要，是科学家需要具备的基本科学素质之一 。 五、对本科生的建议 在科学研究的过程中，本科生应该牢固树立 一丝不苟 的工作态度和作风，这对于科学研究计划的顺利进行颇有帮助。切记不要好高骛远，急于求成。 防止出错的办法就是做事情的时候严格按照规章制度进行，而不是马马虎虎地盲目推进 。通常而言，在一个庞大的系统中，寻找一个错误通常很难，唯有步步为营、稳扎稳打方是正途。

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本科生科研指南（65）：气体定律之科学研究的连续性

热度 1 upflyzhang 2020-10-9 09:37

本科生科研指南（65）：气体定律之科学研究的连续性 张宇宁 华北电力大学（北京） 化学家们使燃素成为一种含糊的要素，它没有严格的定义，因此适应于一切可能引用它的解释。 --- 拉瓦锡（Antoine Lavoisier，1743－1794） 在我们所学的教科书中，充满了各种用科学家的名字命名的重要定理和定律，以纪念这些科学家在该领域的相应贡献。如果我们仔细地审视科学史上的各类文献和诸多学者围绕该科学问题的思考，我们便会发现 很多领域实质性的突破实际上通常是由一大群科学家所组成的集体前仆后继、不断思考的结果 。用数学上的概念作类比，诸多的科学发现可以看作是一个 连续函数 ，是几代人一直不停努力的结果。本期，为了阐述上述现象，笔者借助人们对于氧气及其性质的认识做一个较为细致的介绍。 毋庸置疑的是，在个别研究领域，某个天才的贡献是绝对性的，整个人类的认识随着这个天才的贡献而跨越性地得到拓展（即数学上的 阶跃函数 ）。 一、科学问题 早期，人们已经意识到了空气对于燃烧的重要作用。当空气匮乏之时，燃烧也便无法进行。但是，很多的科学问题依然是有待解决的： 空气在燃烧过程中具体地扮演了怎么样的作用？ 二、研究历程 关于空气的认识可以简单为 三个阶段。 第一阶段， 人们认识到空气是一种混合物 。长期以来，人们对于空气的理解更多是从哲学家提出的各种理论中得到的。无论是在古代西方还是古代东方，空气都是作为一种组成世界的基本元素而存在。自16世纪以来，以实验为主导的研究方法逐步兴起，代替了单纯的哲学上的思考。在认识空气性质方面，有两个实验值得一提，一个是17世纪中叶 胡克 采用真空泵所做的实验，另一个是 梅猷 用小老鼠和蜡烛做的实验 。 在封闭的器皿中，胡克通过 真空泵 将其中的空气抽走，从而观察木炭在空气中和真空中燃烧现象的区别。当空气存在时，木炭一如既往地剧烈燃烧，最后变为灰烬。当空气被真空泵抽干时，同样是加热木炭，这时候木炭只是会变黑，并不会燃烧。这个实验证明了空气对于燃烧的重要性。 梅猷的实验是将一个罩子扣在一个在水中漂浮的木板上进行的 。通过这样的一种设置，梅猷可以很方便地控制罩子内空气的总量。当在木板上放一支蜡烛并点燃，随着氧气的消耗，水面便会上升至一定高度，随后蜡烛便熄灭了。从已学习的知识中，我们马上便可以解释此现象：蜡烛燃烧过程中消耗了一定量氧气，氧气耗尽蜡烛熄灭，剩下的主要是氮气。类似地，梅猷还用小老鼠做了类似地实验，结论也类似。梅猷意识到动物的呼吸和蜡烛的燃烧都要消耗空气中的某一种物质。因此，梅猷认为空气中有 两种成分 ，一种可以对蜡烛有助燃作用，对小老鼠的呼吸有帮助，而另一种则没有这些功能。 第二阶段， 空气中的助燃成分是可以人工制备的 。这个发现主要来自于胡克与波义耳共同进行的实验。如前所述，如果没有空气，加热木炭只是会使得木炭变黑，并不会燃烧。但是，如果把木炭和硝石（主要成分为 硝酸钾 ）混合在一起进行加热，木炭又可以剧烈燃烧了。因此，胡克断定加热硝石一定可以得到空气中的助燃成分，并把这种成分命名为“亚硝空气”。实际上，硝酸钾受热分解后正是产生了氧气，从而使得木炭燃烧。遗憾的是，胡克对此并未进行进一步深入地进行系统性研究，与氧气的发现失之交臂。舍勒和普利斯特利对氧气进行了较为全面的研究，并被公认为氧气的共同发现者。 普利斯特利还尝试呼吸了一下他所制备的氧气，感觉神清气爽，并据此预测了氧气在医学上的应用 。 第三阶段， 氧化学说的创立标志着一个新的化学时代的到来 。尽管舍勒和普利斯特利对氧气进行了较早的研究，遗憾的是二人均是燃素说的忠实信徒，从而影响了他们在化学反应方面的深入认识。基于大量实验，拉瓦锡对于燃素说持有怀疑的态度。拉瓦锡的两个实验颇具代表性。 在第一个实验中， 拉瓦锡尝试从金属燃烧后的灰烬中通过还原反应得到空气，从而证明灰烬实际上是金属与空气中某种成分结合的结果 。在这个方面，拉瓦锡使用了氧化铅与焦炭进行反应，结果发现的确大量生成了某种气体（即二氧化碳），但遗憾的是并没有得到预想的空气（实际上应为氧气）。后续，拉瓦锡尝试用铁锈进行类似的实验，也没有得到氧气。 第二个实验的灵感来自于普利斯特利的启发 。在普利斯特利访问巴黎时，他向拉瓦锡介绍了自己用聚光镜加热红色氧化汞粉末分解得到了一种可以助燃的气体。因为受燃素说的影响，普利斯特利把氧气称之为“脱燃素空气”。这个实验给了拉瓦锡巨大的启发，因为该实验清晰地展示了 汞通过氧化反应与氧气化合得到氧化汞，而氧化汞加热便可以得到金属汞和氧气 。这个简明的实验直接地宣布了燃素说的终结， 所谓的金属中的燃素是不存在的，氧化反应才是真谛 ！ 三、科学家精神 一代代科学家的不断启发是科学研究中的重要环节，确保了研究不断地得以深入 。波义耳和胡克的很多实验被后续的很多科学家不断地重复和完善，对于气体领域研究中实验方面的深入起到了重要的作用。普利斯特利的很多的气体研究设备（比如 集气槽 等）又受到了黑尔斯等前辈的启发。同属于一个时代的学者，普利斯特利关于氧化汞的实验极大地启发了拉瓦锡并促进了其 氧化学说 的创立。氧化汞的上述特性非常直接地证明了氧化学说的正确性，从而使得该学说迅速地得到了广泛认可并掀起了一场化学革命。

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本科生科研指南（64）：气体定律之科学研究中的从0到1

热度 2 upflyzhang 2020-10-2 17:25

本科生科研指南（64）：气体定律之科学研究中的从0到1 张宇宁 华北电力大学（北京） 在物理学家和化学家深入地研究原子论和分子假说之后，正如我所预言，它将要称为整个化学的基础和使化学这门科学日益完善的源泉。 --- 阿佛加德罗（Amedeo Avogadro，1776－1856） 在科学研究的过程中，重大突破的形成往往并非一帆风顺，需要打破已经形成的惯性思维甚至突破已有理论框架的束缚。其中，部分原创性的研究成果甚至要经历 从0到1 的飞跃。 这种飞跃不仅实质上地改变了人们的知识结构，更为重要的是深刻地从科学哲学的视角上影响了科学研究的进程，即科学范式上的突破 。本期，为了方便本科生了解相关的概念和提升科学素质，笔者简要介绍范式突破的核心内涵并枚举科学史上重要的范式突破之一的分子学说及其时代背景作为例子予以说明。 一、科学研究简析 为了方便本科生较为形象地理解科学研究的内涵，笔者简要地围绕科学研究及人类知识宝库的形成过程进行说明 。我们可以把人类现有的全部知识比作一个圆，圆圈里面的是我们已经掌握的知识，圆圈外面则代表了我们尚未掌握和理解的现象。因此，圆代表了人类知识和认知的边界。 l 本科阶段 ：我们的学习集中在一个较小的圆之中，集中精力学习各个学科中最为基本、最为重要的知识。 l 硕/博士课程修习阶段 ：仍然会选修一些课程，这时候我们所学的知识范围略有扩大、深入，但仍然是人类知识中的 沧海一粟 。 l 硕/博士科研选题阶段 ：简而言之， 文献调研和科研选题便是不断逼近人类知识极限的过程 ，为后续取得突破做知识上和技能上的准备。这个时候，我们更专注于在某个小的科学领域中的一些基础知识及其中可能开展的、潜在的创新性研究。此时的学习方式与以前有着巨大的变化，我们不再像以前一样系统地学习知识，因为不再有这个必要，也没有这个时间。 取而代之的是基于文献调研、讨论和批判为主的学习模式 ，这中学习方式是研究生相比本科生时的学习方式非常不同的一点。 l 科研攻关阶段 ：围绕科研选题阶段确定的研究目标、研究方案和技术路线等等，在导师的指导下进行实质性的科学攻关，并取得有创新性的研究成果。 不同的学校对于研究生学位论文的要求可能不同，但从研究生培养的流程上而言却大同小异。当研究生完成一项具有创新性的研究成果的时候，从某种意义上讲， 我们的知识边界便在某个局部向前推进了一小步 。众多的来自一个小领域的科学研究成果的逐步积累和汇聚，不断地将我们的知识边界扩大。 与一般性研究成果不同的是， 科学研究中的范式突破所带来的知识边界的扩大范围更为宽广，对众多研究领域发展的影响更为深远 。 二、原子学说及实验矛盾 原子学说与实验的矛盾可以从我们中学化学中常见的化学反应说起。众所周知，2个体积的氢气与1个体积的氧气结合，可以生产2个体积的水蒸气。这个规律最早是由盖-吕萨克发现的，又被称为是 气体反应的体积定律，其完整的表述如下。 同温同压下，参加同一反应的各种气体，其体积成简单的整数比 。 这个看似简单的定律却带来了旷日持久的争论。主要的原因是盖 - 吕萨克实验与当时的原子学说相矛盾。结合当时的历史条件，我们先回顾一下当时主流的、由道尔顿提出的原子学说所持有的核心观点。需要注意的是，当时的人们只有原子的概念，对分子完全没有了解。 l 原子的不可分割性 ：不能将原子进一步地再进行分割。这一点，当时的理论与现代理论很相似。 l 不同元素的原子可以以简单的整数比相结合。 l 同温同压下，相同体积的不同气体的质量不同，且 不可能 含有相同的 原子 数目。 根据盖 - 吕萨克的实验结果，意味着 1 个氢原子可以和半个氧原子相结合，这严重动摇了原子学说的基本根基。因此，依据上述原子学说的观点，道尔顿对 公开反对 盖 - 吕萨克定律 并认为其实验方法不够牢靠。鉴于 道尔顿和盖 - 吕萨克均是当时显赫的科学家，这场争论旷日持久，影响甚广。但是，遗憾的是，一直没有什么结论，化学及相关学科一直在一片混沌中蹉跎前行。 三、 科学家精神 为了解决上述原子学说与实验的矛盾，阿佛加德罗于 1811 年在法国《物理杂志》 上发表了关于分子学说（原文中称之为“复合原子”） 第一篇论文，其核心的观点如下。 同温同压下，相同体积的不同气体含有相同的分子数目。 与道尔顿的原子学说相比，在引入 分子概念 之后， 盖 - 吕萨克的实验和原子学说都是正确的，彻底解决了二者的矛盾。因此， 阿佛加德罗的分子学说 从 研究范式 上获得了巨大的突破，从而带动了相关学科的迅速发展，包括 原子量 的精确测定和 化合物 元素成分的测定。 分子学说的提出在整个科学历史上具有重要的地位，极大地改变了相关学科的面貌，深远地影响了自然科学中各个学科的发展历程。正因为如此，尽管分子学说的提出者阿佛加德罗在生前几乎没有获得过各类荣誉，但是历史已经证明分子学说在科学历史上的重要地位。 四、深远影响 阿佛加德罗的分子学说一直都没有得到广泛的认可，在其生前几乎没有得到学术界的肯定和认可。1860年9月3日至5日（阿佛加德罗去世4年后），在德国卡尔斯鲁厄举办的国际化学大会上， 全世界的化学家终于意识到阿佛加德罗定律才是引领化学走向统一和和谐的金钥匙 ，同时也是结束化学界关于原子量等测量混乱状态的重要科学依据，并由此让阿佛加德罗名垂青史。 五、对本科生的建议 文献调研中， 因为论文的体量浩如烟海，本科生需要在导师的指导下通过不断地对自己的研究方向加限定词方能有所收获 。例如，如果对流体感兴趣，需要不断地把自己的研究领域加以限定，诸如“基于高速摄影方法的聚焦激光激发的空化泡溃灭现象的实验研究”等等。通过不断聚焦，方有可能逼近人类知识之边界。另外，并非所有的参考文献都可以称之为 知识 ， 只有那些真正地拓展了领域内科学认识的文献方是重要的、值得细读的 。 注释部分 注一： 本文的内容来自于笔者的两次演讲内容：一次是2020年09月17日14:00-15:00在华北电力大学教三报告厅举行的能源动力与机械工程学院2020级研究生新生入学教育大会（发言时长：15分钟），另一次是2020年09月30日19:00-20:30在线举行的2017级本科生免试推荐研究生答疑会。

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本科生科研指南（63）：气体定律之燃素说的时代性及其终结

热度 2 upflyzhang 2020-9-25 09:14

本科生科研指南（63）：气体定律之燃素说的时代性及其终结 张宇宁 华北电力大学（北京） 没有科学想象，就不可能有所创造。 --- 范特霍夫(Jacobus Hendricus Van't Hoff, 1852-1911) 实践是检验真理的唯一标准。对于这句话，很多同学都是耳熟能详的。通常情况下，一个科学理论需要被实验观察所证实之后方能得到同行的广泛认可。 在科学史上，有为数不少的理论在当时很流行，并获得了广泛的赞誉，但后来却被证实是错误的 。相反，部分有真知灼见的理论在科学家所处的时代却遗憾地被埋没，直到过了很多年方才被发现具有重大的科学价值。本期，笔者以科学史上显赫一时的“ 燃素说 ” 为例对此进行说明，以期向同学们展示 科学的价值和真理可能会被一时掩盖，但永远不会被埋没 。 一、燃素说的时代性 虽然“燃素说”及其所得到的结论并不是正确的，但“燃素说”的存在有它较为显著的时代意义。下面， 从“燃素说”所处的时代的视角出发，我们进一步探讨其所处的时代背景及当时的知识水平 。 在当时的条件下，人们对于化学、气体等等均存在着较为局限的认识，以下列举几个例子。 首先， 与物质相关的基本概念尚未建立 。很多今天我们所熟知的基本物质的分类、定义及其他相关的知识在当时并没有得到充分的认识。在当时的历史条件下，人们并不知道混合物、化合物、单质等等概念及其区别。例如，对于空气，大部分人一直沿袭古代哲学家的观点将其看成是一种物质，而不是多种气体的混合，更遑论氧气、氮气、二氧化碳等等气体及其性质等等。对于气体本身性质的研究（例如，氧气的助燃特性及氧化反应），自然也非常匮乏。 其次， 化学学科及化学反应的概念尚未建立 。在当时的时代下，人们对于物理及其所涉及的运动刚刚有所了解。但对于化学，人们却知之甚少，尚未形成一门独立的学科。大部分化学反应都被涵盖在炼金术等职业之中，尚未形成较为科学的研究手段和方法。对于我们今天所熟知的各类氧化反应更是无从解释。 再次， 能量守恒等基本物理学定律尚未被确立 。在那个时代，人们对于能量的本质及相关概念尚缺少理解。因此，对于燃烧过程中的各种发光、发热的现象，人们更是无从理解。 最后， 基于当时的科技水平和认知，无法针对“燃素说”理论及其推论开展有效性检验 。因为缺少必要的检验手段和实验数据，科学无法取得实质性的突破和进展。 因此，在当时的时代背景下， “燃素说”得到了大批的学者的拥护和信奉，流传甚广 。值得一提的是，“燃素说”是历史上较早用于解释各类化学现象的系统性理论。从引导化学学科发展的意义上讲，“燃素说”具有一定的历史意义。 二、燃素说走向终结 “燃素说”走向终结的标志性事件是拉瓦锡的氧化理论 。通过实验观察，拉瓦锡敏锐地发现了“燃素说”存在的漏洞。在封闭的容器中加热金属之时，金属表面因为氧气参与了金属氧化反应从而生成了一层氧化层而变重，但是整个容器的重量并未改变。根据这个事实，拉瓦锡推断一定是空气中的某种物质参与了反应。后来证实，这种物质便是氧气。因此，基于这些事实，拉瓦锡提出了氧化理论并建立了新的化学学说。1783年，拉瓦锡关于氧化理论论文的发表宣告了“燃素说”的终结。 三、给本科生的建议 首先， 本科生应更为重视科学家在科学研究过程中所展现出来的独特思想 。 从科学史的视角来看，科学的发展正是一代代科学家不断努力的结果。从这个视角来看，用观点的对错来衡量科学家的影响和贡献是不够全面的，甚至是有失偏颇的。虽然部分科学家的观点是错误的，但他们提出了很多与众不同的、超越时代的研究方法和视角，这些思想对于后继者反而有着极为深刻的影响。例如，赫尔蒙特极为重视实验研究，他的“柳树实验”（虽然结论是错误的） 使得科学研究摆脱了单纯的哲学思考，转而通过实验提出观点并予以验证 。 其次， 结合科学家及科学理论所处的时代，有助于本科生了解科研创新的客观规律及重要理论的形成背景 。例如，“燃素说”来自于人们围绕燃烧现象的长期观察和思考的过程之中，有其历史的必然性。随着科学的进步和测试手段的发展，“燃素说”终结于科学家对于空气、氧气认知水平的提升和对于化学反应的深入理解，也是一种历史的必然。 最后， 本科生应时刻保持对于科学本身的客观和理性，不要盲目地迷信流行的理论和学术权威所提出的学说 。虽然“燃素说”在历史上曾得到过大量知名学者的拥护，但是因为该理论的错误性，最终被新的理论所取代。在推翻“燃素说”的过程中，拉瓦锡功勋卓著，但其后续建立的“热质说”又将科学引入了另一个死胡同。

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本科生科研指南（62）：气体定律之燃素说的兴起

热度 1 upflyzhang 2020-9-18 08:00

本科生科研指南（62）：气体定律之燃素说的兴起 张宇宁 华北电力大学（北京） 人生最大的快乐不在于占有什么，而在于追求什么的过程中。 --- 诺贝尔(Alfred Bernhard Nobel，1833-1896) 在气体及其相关定律的认识过程中，因影响广泛，“燃素说”在很长的一段时间里均受到了众多学者们的拥护和认可 。后来，随着科学技术的不断进步，“燃素说”很遗憾地被证明是错误的。从批判性思维训练的视角出发，结合“燃素说”所处的的时代背景、认知水平及该理论的核心观点，笔者拟在本期围绕该学说的形成过程和存在的问题进行一番探讨，以期提升同学们的科学素质和对科学本身的认识。 一、科学问题 自古以来，燃烧与火是人们司空见惯的现象。从生活中，人们很容易注意到燃烧完后的木柴化为了灰烬，而灰烬则很难再被点燃。在燃烧过程中， 人们自然好奇，到底该过程发生了哪些转变和变化导致了这样的结果 。一直以来，人们对于气体的认识非常有限。直到赫尔蒙特，人们才知道世界上不止存在空气一种气体。而对于燃烧过程的认识，其所经历的过程则更为漫长。 从科学上讲，与燃烧和气体有关的诸多科学问题亟待解决： 燃烧的本质是什么？空气在燃烧过程中扮演了怎样的角色？为何部分物质燃烧后变轻而另一部分物质则会变重？ 二、燃素说的形成 “ 燃素说 ”是科学史一个著名的、已经被证明是错误的理论。“燃素说”的形成最早源自于人们对于生活中燃烧现象的观察。当部分物质被点燃之后，其留下的灰烬通常情况下因为燃烧会显著地变轻，这个事实引导人们猜测某种物质在燃烧的过程中逃逸出来了，这种物质后续被学者命名为“ 燃素 ” 。 关于后续广为流传的“燃素说”，有据可查的出处是来自于贝歇尔和他的学生斯塔尔。1669年，贝歇尔出版了《 地下物理学 》一书，提出了将物质分为三种土元素（即玻璃状土、油状土、流质土），并认为在燃烧的过程中“油状土”会逃逸出去。上述观点被贝歇尔的学生斯塔尔所继承，并将“油状土”用“燃素”（Phlogiston，来自希腊文，意思是使得火可以开始）替代，后续迅速地在科学界广为流传， 持续而深刻地影响了大批的学者及相关的领域的科学研究工作 。 三、燃素说的核心观点 “燃素说”的若干核心观点列举如下。 首先， “燃素说”认为燃烧是一种物理上的分解过程，而不是我们现在所熟知的化学过程 。在燃烧过程中，“燃素说”认为物质中的“燃素”会逃逸出来，与其他可燃烧的部分进行了物理上的脱离。例如，纸张被点燃后，“燃素”便会逃离出来，因此留下的灰烬无法再进行燃烧。依据上述说法，用“燃素说”来解释部分物质的燃烧过程貌似有一定的道理，这也是“燃素说”之所以被广泛认可的原因之一。 其次， “燃素说”认为空气在燃烧过程中的主要作用是将“燃素”带走 。通过持续不断地实践和观察，即使在17世纪，人们已经认识到了空气对于大部分燃烧过程的重要性，但对于空气的实质性作用及具体过程尚知之甚少。“燃素说”也尝试解释空气在燃烧过程中的作用，认为空气的作用是物理上的，主要是把“燃素”带走。 最后， 为了解释部分现象，“燃素说”在其发展过程中又进一步引入了“负重量”的概念 。对于一部分物质的燃烧过程，燃烧后的物质质量会变轻，这可以按照“燃素说”解释为“燃素”的脱离。但是，又有另一部分物质在燃烧之后，物质的质量却会变重（例如，金属加热氧化的过程）。这种情形却很难用“燃素说”中的“燃素”分离过程进行解释。于是，部分学者引入了所谓“ 负重量 ” 的概念对此予以解释。此时，“燃素说”理论已经有些牵强附会了，摇摇欲坠。 总之，“燃素说”通过定义“燃素”这一较为模糊的概念尝试对各类燃烧等化学反应进行理论上的解释。遗憾的是，只要稍微具备中学化学知识，同学们便会发现“燃素说”给出的解释和论断是不科学的、错误的。 四、给本科生的建议 对于科学史的了解有助于本科生理解创新的精髓 。通过对化学学科发展中的若干片段的阅读和思考，我们便可以极大地加深对于气体本质和相关定律的理解和认识。 “燃素说”的提出及其被广泛地受到认可具有较为鲜明的时代特征 。基于人们长期对于燃烧现象的好奇与思考，迫切需要对这些现象给出理论上的合理解释。 “燃素说”很好地适应了这种需求，尝试了从一个理论框架下对各种化学反应进行解释 ，这是其被学者们认可的核心原因之一。 另外，以当时的科技水平，相关理论的实验检验很难开展。因此新的理论很难对“燃素说”形成冲击。这些原因使得“燃素说”在很长的一段时间里占据了主流的位置。

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本科生科研指南（61）：气体定律之科研平台的重要性

热度 1 upflyzhang 2020-9-11 14:33

本科生科研指南（61）：气体定律之科研平台的重要性 张宇宁 华北电力大学（北京） 一切科学上最伟大的发现，几乎都来自精确的量度。 ---- 瑞利 （John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh，1842－1919） 随着科学研究进程的不断深入，很多研究领域的入门门槛也越来越高 。这些高门槛对于本科生进行科学研究和创新活动带来很大的挑战，不但需要其具备较为全面的综合素质和科学素质，而且需要较好的科研平台提供支撑。从另一方面而言，较为适当的科研平台对于本科生的科研训练也同时会起到很好的促进作用，有利于人才的培养和能力的提升。 在本期之中， 借助气体定律所涉及到的若干个故事以及其他科学史上的知名科研成果，笔者将重点讨论科研平台的重要性以及其对于本科生科研活动的影响 。 一、科研平台的重要性 首先， 科研平台为开展科学研究提供了重要的条件 。诚如古语讲的“工欲善其事，必先利其器”，良好的科研平台是科学研究得以顺利进行的第一步。回顾气体定律的研究历程，博友们便可能已经看出平台对于研究的重要促进作用。早期，由于缺少较好的气体收集技术，人们对于气体的认识长期停滞不前，甚至认为只有空气一种气体。后续，黑尔斯提出了 集气槽气体收集装置 并在其所著的《植物静力学》一书中进行了详细的阐述。这个装置为希望研究气体的科学家提供了莫大的帮助，终于可以实现各种气体的有效收集，从而为进一步认识气体的物理化学性质奠定了重要的基础。很多重要的气体发现都是基于黑尔斯的集气槽装置实现的。同时，在后续的时代中，借助与气体领域的研究工作，诞生了很多知名的科学家，包括舍勒、普里斯特利等等。 另一个例子是 波义耳定律 的发现，即对于质量、温度恒定的气体，气体的压力与体积的乘积为常数。1659年，波义耳和助手胡克首先在科研平台上下了很多功夫，有效地改进了 空气泵 ，然后迅速地将其应用于空气性质的研究。正是基于这些高端设备的研发，波义耳为气体的性质研究提供了很好的科研条件。三年后，“波义耳定律”便被提出。 类似的例子不胜枚举，包括伽利略引入望远镜进行天体的观察等等。由此可见，科学研究平台对于相关领域的研究具有重要的意义。 其次， 科研平台为进一步深入研究提供了可能性 。黑尔斯提出的集气槽装置适用于不溶解于水的气体的收集。在使用的过程中，科学家在研究不同气体之时，必然会发现部分气体是 溶于水 的，无法采用 黑尔斯提出的集气槽装置进行收集。这种需求会促使科学家进行进一步地思考，从而将装置进行改进或者推进新的研究成果的产生等等。例如，1766年，卡文迪许发现了这个问题，便提出了 水银收集法 ，即采用水银代替水，从而避免了气体的溶解。无独有偶，类似的装置在1772年 普里斯特利 在研究氯化氢等溶于水的气体时也提出来过。由此可见， 科学研究还是有一定的规律可循的，而良好的科研平台是促使科学家能够发现科学背后的客观规律的重要前提和条件 。 最后， 科研平台有助于科学家得到精确的测量结果 。在气体定律的研究过程中，对于同一现象很多学者均开展过相关工作。但是，最后能够名垂青史的是那些一锤定音的学者。例如，围绕压强与温度的关系，早在17世纪末， 阿蒙顿 便对其进行了研究，观察了不同温度下气体压强的变化情况，并对实验数据进行了总结。可惜的是，虽然相关实验结果与真实情况大体上是接近的，但最为基本的物理定律而言，精度仍然有待提高。后续，1802年， 盖-吕萨克 借助于更为先进的科研平台对该现象进行了精确的测量，得到了“盖-吕萨克定律”，即对于质量、体积恒定的气体，气体的压力与温度成正比。另一个例子是 稀有气体 的发现。该发现源自于瑞利勋爵关于空气等气体密度研究的实验数据，他发现不同渠道获得的气体之间存在着极其微小的差异。值得一提的是，这些微小的差异只有借助于精确的测量平台方能够被发现，从而引起重视，并通过提出假说和后续验证予以解决。基于上述贡献，瑞利于1904年因稀有气体领域的学术贡献被授予诺贝尔物理学奖。由此可见，精确测量对于科学研究的重要意义和价值。 二、给本科生的建议 首先， 需要清晰地定义好自己的科学问题 。只有科学问题清晰了，才能够后续逐步厘清所需要的必要科研平台及条件。 其次， 在导师的调研和选择上多下功夫 。从社会洪流中来看，每个导师无比渺小。但在学生们的世界中，一个导师可能便是打开另一个世界的一扇窗。务必充分重视导师的重要性。 最后， 不断通过调研与讨论推进科学问题的进展 。当条件具备之时，需要不断的努力去填补。具备条件的人很多，只有努力去执行方是正途。

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本科生科研指南（60）：气体定律之创新精神和知识学习

热度 1 upflyzhang 2020-9-5 08:35

本科生科研指南（60）：气体定律之创新精神和知识学习 张宇宁 华北电力大学（北京） 一旦科学插上幻想的翅膀，它就能赢得胜利。拼命去争取成功，但不要期望一定会成功。 ---- 法拉第（Michael Faraday，1791-1867） 作为中学物理中一个普通的知识点，理想气体状态方程对于大部分同学并不陌生 。对于部分优秀的同学，学习这个知识点甚至只需要一个小时即可。但人类的对该现象的认识却经历了172年的漫长历程，从1662年波义耳关于气体的思考到1834年克拉伯龙提出理想气体状态方程的最终形式。 一个小时的知识学习与172年的知识创新历程间的巨大差异，耐人寻味 。 一、存在问题 通常， 大部分本科生对于创新即充满了好奇又会犹犹豫豫 。一方面，创新对于本科生而言是一个很光鲜的词，也是国家和社会所鼓励的热门字眼，见诸报端。另一方面，本科生又会有非常多的犹豫。 l 创新的本质是什么？ l 创新需要哪些知识呢？需要做哪些准备？ l 创新需要投入非常多的时间吗？是否会影响日常的学习？ l 创新对自己未来人生会产生怎么样的影响？可以获得哪些体验和机会？ l 听说做研究和科研创新，最好有导师的指导，那导师又是什么样的一种人？怎么和导师建立联系？ 诸如此类，部分同学经常对这些问题摸不着头脑。询问周边的同学，也经常很难得到有效的解决。因为高等教育以及科研创新的高度专业化，家长也是爱莫能助。 可惜的是，犹豫之间，时光流逝，很多想法无从实践，甚为可惜 。 二、创新精神 为了方便广大学子能够对科学及创新感兴趣，本期我们重点讨论创新精神与知识学习之间的关系与不同之处 。 诚然， 具备一定的知识基础对于创新是非常必要的 。著名的物理学家、流体力学家朗道曾提出一个“ 理论最低限度 ” 的说法，并将其用于指导创新人才的选拔和测试。根据朗道的观点，“理论最低限度”指的是从事物理学领域相关研究必须需要具备的若干基础知识，这些知识是研究过程中必不可少的。为了方便学生学习，朗道和他的学生们编著了非常知名、广受欢迎的《 理论物理学教程 》。该丛书 共十卷 ，前七卷由朗道和他的学生栗弗席兹编写，后三卷因为朗道的意外车祸是由栗弗席兹和皮塔耶夫斯基按照朗道撰写的计划编写。《流体动力学》是该系列教程的第六卷，也是笔者用于指导学生进行创新研究的主要教材之一。关于物理学，其他的一些很有帮助的教科书包括《 费曼物理学讲义 》等等。毋庸讳言，必要的知识储备是创新的前提。 值得一提的是， 只有知识是无法做出创新性工作的 ，还需要有创新的精神。当学生达到理论最低限度以后，知识上的补充并非核心因素，创新精神的培养和历练才是重中之重。 从本质上而言，创新精神和知识学习是两个评价学生能力的不同维度，二者从本质上是完全不同的两回事 。 这里试举两个较为极端的例子说明 。例如，某位同学知识非常丰富，考试成绩很好，但思维较为僵化，缺少创造力，只会照搬课本进行刻板的学习。后续，当碰到一些棘手的问题之时， 没有了教课书，没有了可以参考的资料 。问题的解决完全需要其本人通过深入思考并提出有创新性的方案。对于这种情形，此类同学经常表现不佳。需要注意的是， 当同学们步入社会以后，大部分问题都属于此类 ，需要我们自己根据当前形势进行分析、判断并解决，没有模式可以参考。 在另一个例子中，我们假设某位同学思维很活跃，但对于知识的掌握不够扎实。对于很多事物，该类同学通常都能给出与众不同的解决方案和思路，出人意料。但因为知识不够扎实，很多的方案的可执行性和效果会大大折扣。 简而言之， 大部分同学并不缺乏知识，缺少的是创新思维和创新精神 。以气体定律为例，理想气体状态方程以及笔者提及的各个气体实验定律对于大部分本科生都可以很快掌握。但创新精神和创新能力的培养却需要同学们更为细致地体会各个定律的创新之处以及与前人工作的异同，这些都需要同学们花一些时间方能领会。 三、未来之路 较为理想的情况是培养创新和知识均极佳的人才，但这种人才的培养需要导师们付出极大的耐心和努力，也需要同学们转变思维方式，刻苦努力。 我们不妨从各个阶段对二者有所侧重，方是更为可执行的路线 。这里以流体物理研究为例，简要列举各个阶段的学习要点，供同学们参考。 l 初高中 ：打好坚实的基础，注重学习基本的物理、力学概念。 l 大一 ：注重学习微积分等数学类基础课程，这些课程对于大部分物理类、工程类的学科均至关重要。 l 大二 ：慢慢尝试给自己加码，可以就感兴趣的某一个小的课外自定主题进行主动学习。主题一定要选取得小一点，可以是某种数学技巧，也可以是某类物理知识等等。数学类学习可以购买《数学指南---实用数学手册》一书，物理类可以看看《费曼物理学讲义》。 l 后续创新 ：围绕某个科学研究领域进行调研，圈定感兴趣的题目，在导师的指导下进行科学问题的凝练、分析以及技术路线的制定。 注释部分 注一：本文整理自笔者于2020年09月04日在华北电力大学吴仲华学院2019级招生宣讲会上作为导师代表的发言（18:00-21:20，笔者发言时长约28分钟，地点在主楼F座201室）。

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本科生科研指南（59）：气体定律之从道尔顿到阿佛加德罗

热度 1 upflyzhang 2020-8-28 08:00

本科生科研指南（59）：气体定律之从道尔顿到阿佛加德罗 张宇宁 华北电力大学（北京） 一些人能获得更多的成就，是由于他们对问题比起一般人能够更加专注和坚持，而不是由于他的天赋比别人高多少 。 ---- 道尔顿（John Dalton，1766-1844） 物质的本质一直是人们比较好奇的话题 。这些认识对于人们理解很多的化学反应过程非常重要。在道尔顿之前，尽管不少科学家对元素和原子的概念均有所提及，但多为经验定律，尚缺少深层次的理论基础。后续，道尔顿提出了较为完整的 原子学说 ，将人类对于物质的认识提升到了一个新的高度。而 阿佛加德罗定律 的提出为化学的进一步发展铺平了道路。结合已有的五个实验定律，克拉伯龙提出了今天我们所熟知的 理想气体状态方程 ，历经 172 年 的气体研究完美收官。 一、科学问题 简而言之，气体定律的研究需要回答以下科学问题： 不同气体所含的粒子数（一般用摩尔表示）和体积间需要满足怎样的规律？ 混合气体中的压力又是如何确定的？根据已知的气体定律又能得到怎么样的深刻规律？ 二、研究历程 1801 年，道尔顿提出了“ 气体分压定律 ” ，即在质量、温度不变的情况下，气体混合物的压力等于各个气体分压之和。气体的分压指的是当该气体组分单独占有整个混合物体积时所具有的压力。为了解释“气体分压定律”， 道尔顿在1808年出版的专著《化学哲学的新体系》中系统地阐明了他提出的定量化的化学原子论学说，准确认识了原子的若干重要性质以及化学反应的本质 ，一直被沿用至今。 1811 年，阿佛加德罗提出了“ 阿佛加德罗定律 ” ，即对于温度、压力恒定的气体，一个摩尔的任何气体的体积均相同。阿佛加德罗提出该定律的历史背景是为了解释盖-吕萨克发现的气体化合前后的体积变化规律。 正如今天我们所熟知的，盖-吕萨克实验中发现2个体积的氢气与1个体积的氧气化合后便可以得到2个体积的水蒸气。因为当时并没有分子的概念，盖-吕萨克认为相同体积的不同气体的原子数目均相同，但道尔顿坚决反对此观点。 根据盖-吕萨克实验结果，阿佛加德罗提出了分子概念，并指出在盖-吕萨克的实验中，相同体积的气体的分子数相同而非原子数 。这样整个学说就很完备了。 遗憾的是，阿佛加德罗的观点并没有得到业内的重视，一直到大约五十年后才引起广泛注意。1860年9月，在德国卡尔斯鲁厄举行的国际化学会议上，与会的科学家为了解决原子量定义及测定标准不一的问题进行了激烈的讨论，但分歧很大。会议末期， 直到阿佛加德罗定律被重新提及和重视之后，化学学科中重要的关于分子化学式和原子量的问题才得以形成定论 ，并在后续逐步地完成了测量工作。由此可见，阿佛加德罗定律在化学学科中的重要性。 图一 阿佛加德罗（Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro，1776-1856） 三、科学家精神 道尔顿出身于纺织工人家庭，家境贫穷，只上了两年学。为了生计，道尔顿12岁起便在教会学校打工糊口。在这期间， 道尔顿对科学研究产生了浓厚的兴趣，并一生勤奋努力、百折不挠 。他很早便开始关注气象学的研究，并养成了每天记录气象日记的习惯和爱好。即使道尔顿成为了知名的化学家之后，他依然保持着记录气象日记的爱好。这个爱好持续了一生，据说他总共留下了 20 多万 条气象记录。 正如前苏联科学家柳比歇夫坚持了长达 56 年 的科学研究的时间管理日记一样，杰出的科学家大多都具有超人的毅力和持之以恒的精神。对于本科生科研而言，这些习惯的建立和维护值得在接触科研的早期便能够给予足够的关注。 四、深远影响 这五个实验气体定律从不同的侧面揭示了气体所应具有的性质。1834年， 克拉伯龙 （Benoît Paul émile Clapeyron，1799-1864）综合了上述五个实验定律，得到了中学课本中所常见的 理想气体状态方程 (Ideal gas law) ，即气体的压强与体积的乘积等于气体的摩尔数乘以理想气体常数再乘以开氏温度。 图二 克拉伯龙(Benoît Paul émile Clapeyron，，1799-1864) 从1662年的波义耳定律到1834年克拉伯龙提出的理想气体状态方程，历经 172 年 ，人类关于气体的认识得以相对地完备和统一，为后续从分子尺度进行进一步的深入研究打下了坚实基础。 虽然只是物理或者化学课本中的一个简单的公式，但理想气体状态方程本身却蕴含着近200年左右大量科学家孜孜不倦的探索和努力 。在此过程中，围绕气体定律所开展的思考和实验工作也极大地促进了化学学科的全面发展，包括道尔顿原子论的提出，阿佛加德罗的分子概念等等。 五、后世纪念 为了纪念阿伏伽德罗的科学贡献，重要常数之一的“ 阿伏伽德罗常数 ”（英语：Avogadro number）便以其名字命名，它表示了每摩尔物质中所含的粒子数。在化学学科中，“阿伏伽德罗常数”是联系粒子的摩尔质量和其真实质量的重要纽带，其数值为6.02214076×10 23 每摩尔。

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本科生科研指南（58）：气体定律之盖-吕萨克的空中探险

热度 1 upflyzhang 2020-8-21 08:38

本科生科研指南（58）：气体定律之盖-吕萨克的空中探险 张宇宁 华北电力大学（北京） 在任何情况下，都应该使我们的推理受到实验的检验，除了通过实验和观察的自然道路去寻求真理之外，别无他途。 --- 拉瓦锡(Antoine Lavoisier，1743-1794) 当18世纪的化学家们忙于发现各种新气体之时，物理学家们也一直异常繁忙地在探讨着气体的物理性质及规律。在这个阶段，与气体有关的很多现象令物理学家们着迷。起初，托里拆利发现气体压力随着温度而改变。后来，帕斯卡通过测量不同高度处的大气压发现了其随着高度的变化而逐渐降低。人们自然而然地好奇于天空中距离地面很远的地方处气体的各类性质。 基于对天空的好奇以及对气体定律的兴趣，很多科学家采用了气球进行空中探险，以求探寻这些现象背后的客观规律 。盖-吕萨克便是上述探险成员中杰出的一位，他以7016米的高度保持空中探险的世界纪录长达50年。 一、科学问题 随着越来越多种类的气体被发现，人们自然希望知道气体的各种物理性质及气体各个状态参数之间应遵循的规律。具体而言，出于对天空的敬畏和好奇，在天空中各处气体所具有的压强和温度是人们当时非常关心的热门话题。相关的科学问题可以概况为： 随着高度的变化，气体的压强会发生怎么样的变化？上述变化之间是否遵循明确的物理定律？ 二、研究历程 高空探索的发展依赖于热气球等技术的进步 。 1783 年9月19日，在法国的凡尔赛宫，一只巨大的热气球被放飞。在其吊篮里，乘客有三个，分别是一只山羊、一只鸭子和一只公鸡。1783年11月21日下午2时，罗齐尔和朋友乘坐热气球飘过了塞纳河和巴黎市区，高度达到了3000英尺（约4827.9米），当时引起了不小的轰动。后来，热气球的探索不断，包括飞跃英吉利海峡进而实现了从英国飞到法国等等。 当时的热气球较为笨重，体积很大，且续航能力较弱。热气球的上升主要是靠自带的稻草等燃料加热，而下降则要依靠自然冷却从而通过重力作用逐渐下降。因此，这种热气球的航程是极其有限的。后续，氢气球被发明，体积较小，通过将所携带的沙包抛掉上升。需要下降时，把氢气泻出即可。 罗齐尔试图将二者优点相结合，在热气球上面再加上一个小的氢气球，但不料却在首航时发生了爆炸，当场殒命 。经过改良后，这种双体气球后续也得到了充分的发展。 盖-吕萨克 （Joseph Louis Gay-Lussac，1778-1850） 对于气体定律的研究贯穿其一生。早在1802年， 年仅24岁的盖-吕萨克便提出了著名的盖-吕萨克气体定律 ，即当质量和体积不变时，气体的压力与温度成线性正比关系。为了准确地获得高空中空气的各类数据，盖-吕萨克开始了他的一系列探险。与其他高空探险者不同的是， 盖-吕萨克的气球携带了很多科研设备，包括用于确定方向的罗盘、测量空气所需要的气压计、温度计、湿度计等等，俨然是一个空中实验室 。1804年，盖-吕萨克到达了 7016 米的高空，这一纪录保持了 50 年 之久。通过采集各个高度下的空气样本，盖-吕萨克发现大气的组成成分并未因高度的不同而发生变化。 图一 约瑟夫·路易·盖-吕萨克(Joseph Louis Gay-Lussac，1778-1850) 1862 年9月5日下午，格莱舍和考克斯维尔突破了 10000 米 大关，创造了新的记录。 图二 格拉舍和考克斯威尔的飞行高度记录 图中左侧为标尺，单位为英里 三、科学家精神 值得一提的是， 高空空气稀薄，气压极低，人和动物都会有剧烈的不适感 。在探险过程中，盖-吕萨克需要承受剧烈的头痛等等症状，与此同时还要操作各种科学仪器，困难可想而知。尤其是在6000米以上的高空，低压对人体的伤害非常之大，会导致人的口舌僵硬、四肢麻木等症状，严重时人还会失去知觉。 对于9000米以上，基本上是人类的死亡区 。 格莱舍和考克斯维尔能够在缺少特别防护的条件下突破万米实属万幸 。可是，另外两位探险家就没有那么幸运了。1875年4月15日上午，西维尔和斯皮奈里、提桑迪尔三人一同搭乘热气球挑战万米记录。虽然有呼吸机的帮助，但是真正到了高空，人的知觉几乎丧失，根本无法有效地进行操作，西维尔和斯皮奈里不幸牺牲，提桑迪尔侥幸生还。另外，早期的探险家并不知道气压的急剧变化对人体的危害，加上大部分气球的可操纵性较差，无法实现缓慢的起降。 图三 葬于巴黎拉雪兹公墓的斯皮内利和西维尔 四、深远影响 空中探险的意义是巨大的。从远古时代起，人们便对高空充满了敬畏和幻想。在中国古代神话中，天空是神仙们的居所。在西方的神话体系中，也充满了 对高空的 各种描绘和幻想。 盖-吕萨克的空中探险，不仅详细地获得了各个高度下空气的温度和压力等详细数据，还通过分析空气样本了解到空气的组成成分随着高度的增加不变。后续， 格莱舍等的探险除了对温度、湿度、气压、磁场等进行常规测量之外，还在气球探险的过程中 详细记录了云层性状、声音传播、露点变化、光线折射等现象 。可以说，上述探险极大地丰富了人们对天空的了解。 五、后世纪念 1983 年，为了纪念盖-吕萨克的载人航行 200 周年，中非共和国发行了一张印有盖-吕萨克头像和探险所用气球的纪念邮票。 图四 盖-吕萨克纪念邮票

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本科生科研指南（57）：气体定律之从波义耳到盖-吕萨克

upflyzhang 2020-8-14 10:43

本科生科研指南（57）：气体定律之从波义耳到盖-吕萨克 张宇宁 华北电力大学（北京） 要想做好实验，就要敏于观察。 ---- 波义耳(Robert Boyle，1627-1691) 历史上，围绕气体性质的研究，大量学者进行了很多细致的实验工作，最终形成了我们中学教科书上所熟知的理想气体状态方程。简而言之， 在这个历史阶段，主要的学术贡献可以用五个实验定律来概括 ，分别是波义耳定律、盖-吕萨克定律（又称 阿蒙顿定律 ）、查理定律、达尔顿分压定律、阿佛加德罗定律 。 上述五个定律分别从不同的侧面反映了气体的各个参数间的关系 ，为后续理想气体状态方程的顺利提出奠定了扎实的实验基础。从一个小小的理想气体状态方程出发，基于历史的视角回顾一下科学的历程，相信对本科生提升科学素质会有一定的帮助。本期，首先介绍三个重要的实验发现，分别是波义耳定律、盖-吕萨克定律、查理定律。 一、科学问题 在这个阶段，科学家较为关注气体的一个状态参数的变化对其他状态参数的影响，即以下科学问题： 在气体的压力、体积、温度参数中，一个参数的变化对于其他参数有何影响？ 为了方便进行研究，科学家一般将气体的一个参数固定从而研究气体其他的两个参数变化间的关系。 二、研究历程 按照时间顺序，与气体有关的 三个 重要实验发现将被简述如下。 1662 年，波义耳（Robert Boyle，1627–1691)提出了“ 波义耳定律 ” ，即对于质量、温度恒定的气体，气体的压力与体积的乘积为常数。1639-1644年，波义耳曾游学欧洲，研读了很多伽利略的天文学著作和实验研究成果。这些经历使得他对于实验研究高度重视，并于1654年在牛津建立了一个设备较为齐全的实验室。除了研究气体以外，波义耳对化学的诸多领域也是贡献卓著，奠定了化学学科的基础。 他创造性地把物质分为了酸、碱、盐三类，并且给每类物质都下了明确的定义 。例如，他是第一位将植物的汁液用作酸碱指示剂的科学家，并发明了 石蕊试纸 、石蕊试液等等，一直沿用至今。1659年，波义耳和助手胡克（Robert Hooke，1635-1703）一起改进了空气泵的设计并将其用于空气性质的研究。这些设备的研发为波义耳研究气体的性质打下了坚实的基础。 图一 波义耳（Robert Boyle，1627–1691) 图二 波义耳设计的空气泵示意图 图片来源：维基百科 在17世纪末，阿蒙顿（Guillaume Amontons，1663-1705）提出了“ 阿蒙顿定律 ” ，即气体的压强与其温度有关。根据他的实验，当温度从较冷的水所对应的温度增加到水的沸点所对应的温度之时，气体的压强可以增加大概三分之一左右。该数值大体上与真实情况接近。但是，因为阿蒙顿缺少精确的实验测量仪器，其结果的精度显得较为粗糙。1802年，上述规律被盖-吕萨克重新地以更精确的方式提出，又被称为“ 盖-吕萨克定律 ” ，即对于质量、体积恒定的气体，气体的压力与温度成正比。 18 世纪80年代，查理（Jacques Charles,1746-1823）提出了“ 查理定律 ” ，即对于质量、压力恒定的气体，气体的体积与温度成正比。1801年，道尔顿（John Dalton，1766-1844）也发现了类似的定律，他观察到随着温度在两个固定点之间的升高，所有气体的体积均有相同程度的膨胀。1802年，盖-吕萨克将该发现的首创权归功于查理尚未发表的相关工作，该定律的名称一直被沿用至今。 三、科学家精神 正如如下所说的话，波义耳高度地重视实验工作，他的这种思想可以说贯穿其一生中的各项科研工作之中。 “ 如果人们关心真正的科学成就较之个人利益为重，如果把自己的精力都献给了做实验，收集并观察事实，那么他就很容易证明，他们在世界上建立了伟大的功勋 。” 波义耳还提出了“元素”的基本定义，认为其是化学方法中不能再分的某些实物，并认为确定“ 元素 ”的唯一途径便是实验。依照此定义，波义耳采用实验确定了金、银、汞、硫磺等等物质是“元素”（即当代化学所称的单质）。 四、深远影响 波义耳对于化学学科的独立做出了很多贡献。1661年，波义耳在其出版的《 怀疑的化学家 》一书中做了如下的论述。 “ 我们所学的化学，绝不是医学或药学的婢女，也不应甘当工艺和冶金的奴仆，化学本身作为自然科学中的一个独立部分，是探索宇宙奥秘的一个方面。化学，必须是为真理而追求真理的化学 。” 图三《怀疑的化学家》封面 这是多么铿锵有力的字句！正如波义耳的一生，秉持着依靠实验建立化学自己的定律的信念，为实现化学学科的独立和科学化贡献了他全部的才华。 此外，为了解决化学学科中定义混乱的局面，波义耳提出了化合物和混合物的概念，并详细地规定了当今仍在使用的化学反应、化合过程、分解和分析等等化学专用术语。 五、后世纪念 波义耳是历史悠久、国际知名的英国皇家学会的三个主发起人之一。为了纪念波义耳的贡献，英国化学学会设立了“波义耳分析化学奖”。 图四 “波义耳分析化学奖”奖章

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本科生科研指南（56）：气体定律之氧气的发现

upflyzhang 2020-8-7 08:32

本科生科研指南（56）：气体定律之氧气的发现 张宇宁 华北电力大学（北京） 世间最大的快乐，莫过于发现世人从未见过的新物质 。 ---- 舍勒（Carl Wilhelm Scheele，1742－1786） 氧气是人类赖以生存的基础。 起初，人们所知道的气体只有空气，并认为空气是“一种”物质 。另外，人们已经认识到空气在燃烧过程中的重要助燃作用。例如，拉瓦锡通过实验发现很多物质在没有空气之时便不会燃烧。通过对在空气中进行的各种燃烧反应后气体的实验观察，科学家才进一步发现并不是所有的空气都会参与燃烧反应。具体而言，只有一小部分（大概五分之一）左右的空气会参与反应，而其他剩余部分则不会参与反应。 在18世纪70年代，这些实验现象最终导致了氧气的发现以及后续关于其性质的诸多探索 。 一、科学问题 最初，人们对于空气是一种物质从未怀疑过，这种思想深刻地渗透在早期的各种哲学流派之中。但是，随着认识的不断深入，关于燃烧的一些实验结果让人们意识到空气可能是一种混合物。围绕空气的这些新发现，相应的科学问题可以归纳为： 空气是由哪些气体组成的？这些气体在空气中占多少比例？组成空气的气体各自具有什么样的性质？ 在氧气的研究过程中，黑尔斯的 集气槽 （详见： 本科生科研指南（55）：气体定律之黑尔斯的气体收集技术 ） 为科学家在实验室中开展气体研究提供了极大的便利，相关领域蓬勃发展。 二、研究历程 气体领域的探索和重大发现大多是由同时代的一大批科学家围绕其对于气体研究的兴趣各自独立地进行的。其中， 氧气的发现便是一个典型的例子，分别被舍勒、普里斯特利、拉瓦锡在18世纪70年代先后独立地发现 。 1772 年，舍勒通过观察部分化学物质在空气中因吸收氧气而发生的变化以及白磷等的燃烧，发现了空气中约有五分之一的气体是可以参与上述化学反应的，并将其命名为“火气”，意即有助于燃烧之意。这便是对氧气性质的早期发现和理解。遗憾的是，舍勒的上述重要工作因为出版商的耽搁，直至1777年他的专著《论空气和火的化学》才正式出版。 舍勒一生中做了大量的实验，但发表的论文与他做过的工作相比，只占很少的一部分。他基本上都是凭着个人对于化学的强烈兴趣而废寝忘食地开展研究工作 。 图一 舍勒1777年出版的《论空气和火的化学》一书的封面 瑞典语名称：Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer 图二 舍勒实验室的概貌 图片来源：维基百科 1774 年，普里斯特利加热氧化汞得到了一种新气体。经过测试，普里斯特利发现这种气体不仅可以使得蜡烛更为猛烈地燃烧，并且他本人吸入之后感觉极为舒服。 他还让小老鼠也吸入了这种气体，发现其寿命可以比在空气中有所延长 。这些探索让普里斯特利猜测这种气体对后续的医学也可能有很大的帮助。另外，普里斯特利还发现空气燃烧后剩余的气体也是一种当时人们尚不知道的新气体，他把这种新气体称之为“脱燃素空气”（即氮气）。后来，拉瓦锡称其为“硝”，再后来被学者们称为“氮”，沿用至今。 1774 年， 在密闭的容器中加热锡和铅两种金属时， 拉瓦锡发现在此过程中空气失去了一定的重量。据此，拉瓦锡断定空气中的一部分 （即氧气） 参与了化学反应。后续，拉瓦锡依据这些实验结果将空气分为“最易于呼吸的空气”（即氧气）和其余剩下的部分（即普里斯特利提出的“脱燃素空气”，即氮气）两个部分。1779年，拉瓦锡正式提出了“氧”这个词语。这些都为拉瓦锡氧化理论等新化学学说的提出提供了实验基础。 由此可见， 三位学者均是独立地从不同的侧面和方法在研究氧的诸多性质，最终极大地促进了对于氧及空气的理解，从而推动了科学的进步 。 三、科学家精神 协同是科学家的重要品质之一。具有重要价值的科学研究则更需要多个甚至大量科学家进行协同攻关。 在氧气的发现过程中，舍勒、普里斯特利、拉瓦锡三位科学家虽然均独立地做出了自己的发现，但他们之间的通信却是科学史上的一段佳话 。 最早发现了氧气的是舍勒（1772年）。他的贡献之所以后续被史学界得到认可，其核心证据来自于舍勒与拉瓦锡的通信。虽然在1777年出版的专著中，舍勒已经对氧气进行了描述，但这个时间显然在普里斯特利之后（1774年），当然不能算作是首创性的证据。舍勒曾经提到过他给拉瓦锡写过一封信，详细阐述了氧气的性质。 1993 年，这封信终于被找到，方才确定了舍勒在1772年发现的氧气，从而确立了其优先权 。试想，如果没有这次舍勒与拉瓦锡之间的通信交流及学术成果的分享，舍勒必然失去了氧气发现的优先权。从某种意义上讲，恰当的学术交流还是非常必要的。 通过学术交流，普里斯特利关于氮气的发现加深了拉瓦锡对空气的认识。1774年，拉瓦锡通过金属氧化的实验已经证明了部分空气的确参与了氧化过程，但那时候拉瓦锡甚至还不知道空气是混合物。这个认知水平与普里斯特利和舍勒相比并不算先进，因为此时普里斯特利已经发现了空气是由氮气和氧气组成的，并发表了相关论文，而舍勒甚至已经通过测量得出了氧气占空气大约五分之一的结论。但是， 在访问巴黎期间，普里斯特利将他的一些重要的发现，包括氮气等等，告知了拉瓦锡 。这些新概念极大地促进了拉瓦锡对于化学反应的认识和研究，并为后续他提出氧化理论以及新的化学命名体系提供了重要的线索和证据。 四、深远影响 氧气的发现首先从观念上极大地冲击了当时人们对于物质世界的认识。以前，人们一直都认为空气本身便是一种“物质”。而一系列科学实验明确无误地显示空气主要是由氧气和空气按照一定比例组成的混合物。 这个事实对于当时人们关于物质概念的冲击是非常大的，促使人们不禁要更进一步地思索诸如物质的本质是什么等一大堆哲学和科学问题 。 另外，上述实验也冲击了已有的关于燃烧的理论（即“燃素说”），进一步指出燃烧本质上是燃料与氧进行化合的过程，为拉瓦锡后续提出氧化理论提供了充足的实验证据。一场化学领域的革命蓄势待发。 五、后世纪念 舍勒为化学的发展做出了巨大的贡献，也做出了极大的个人牺牲。据猜测， 舍勒的英年早逝极有可能与他长期接触、嗅闻化学药品等等有关 。关于舍勒的详细介绍，读者可以参考《站在巨人肩上:从舍勒谈有机化学》一书。1942年，在舍勒诞辰200周年之际，瑞典发行了面值为5欧尔（ore）的邮票以示纪念。 图三 瑞典斯德哥尔摩的舍勒雕像 图四 舍勒诞辰200周年纪念邮票

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本科生科研指南（55）：气体定律之黑尔斯的气体收集技术

upflyzhang 2020-7-31 10:02

本科生科研指南（55）：气体定律之黑尔斯的气体收集技术 张宇宁 华北电力大学（北京） 气体的产生自古有之，但如何将其有效地进行收集却一直是一个难题 。同时，气体的收集也是进行后续研究的重要一步。实际上，正是气体收集技术的提出和改进为众多的科学家独立地开展关于气体的研究工作提供了可能，从而极大地提升了人们对于气体性质的认识。以空气为例，人们早期把它看做是一种物质（例如西方哲学中的“四元素说”，详见 本科生科研指南（54）：气体定律之赫尔蒙特的气体发现 ）。后续，通过定量地观察在空气中进行的燃烧等化学反应和分析残余气体的成分，人们才逐步地认识到原来空气竟然是一种 混合物 ，里面含着有助于燃烧的氧气和不参与燃烧的氮气等等。 在气体的研究过程中，黑尔斯发明的集气槽气体收集装置发挥了重要的作用 。由此可见，气体收集技术对于气体性质认识的提升以及化学科学发展的重要性。 一、科学问题 通过各种各样的方法，人们可以获得很多种类的气体。人们自然很好奇地希望进一步地了解以下科学问题： 通过不同的方法和渠道收集得到的气体具有怎么样的性质？它们是否是同一种气体？ 在解决上述科学问题以前，首先需要突破的是气体收集装置方面的 技术问题 ，即如何有效地将各种过程中产生的气体收集起来并进行存储？因为只有经过气体收集之后，科学家才可以进步地对其进行研究和比较。在18世纪，科学家将收集到的气体存放在用动物的膀胱等制作而成的、可充气的囊袋之中。 二、研究历程 在人们的日常生活中，气体的生成司空见惯。例如，啤酒在 发酵 的 过程中会产生二氧化碳等气体，动物粪便的发酵会产生可燃的甲烷（赫尔蒙特在早期对此进行了实验，详见 本科生科研指南（54）：气体定律之赫尔蒙特的气体发现 ）。基于实践，1772年，普里斯特利（Joseph Priestley，1733-1804）还基于二氧化碳溶解于水的原理发明了“苏打水”，并作为一种可口的饮料至今畅销不衰。 在生活实践中，人们很早便注意到 加热 是从物质中生成气体的一种有效的方法。早期，布莱克（Joseph Black，1728-1799）通过加热碳酸镁获得了二氧化碳，又进一步通过加热石灰石再一次获得了二氧化碳。舍勒（Carl Wilhelm Scheele，1742－1786）的很多气体相关的发现也是基于加热的方法获得并收集特定的气体，如通过加热二氧化锰和浓硫酸的混合物获得氧气，通过加热硝酸钾或者氧化汞再一次制备得到氧气等等。这些工作极大地改变了人们对气体的认识，蓦然发现很多物质里面竟然蕴含着多种的气体。在此之前， 对于气体的研究更多的是从物理的视角进行，而气体的化学变化过程的发现大大地引起了人们的好奇 ，这对于化学学科的发展至关重要。 另外， 燃烧 也可以获得气体。早期，赫尔蒙特（Jan Baptist van Helmont，1580-1644）便发现木材燃烧后会发出某种气体（即二氧化碳）。舍勒也发现白磷等燃烧后也会产生很多种类的气体。 虽然气体的生成技术自古有之，但是如果希望较为系统地进行研究，科学家迫切需要一种简单、易操作的方法，实现实验过程中产生气体的收集。在这方面， 黑尔斯所著的《植物静力学》（英文书名：Vegetable Staticks）一书对后世的影响甚大，因为该书详细地介绍了一种将物质加热并收集该过程中放出气体的详细方法 ，即集气槽（pneumatic trough）气体收集装置。一个典型的 集气槽 由四部分组成。 l 一个水槽：用来盛装一定量的液体，一般是水； l 一个集气瓶：主要用于收集得到的气体，一般将其口朝下倒立放置； l 一个支撑台：主要用来固定集气瓶，也可以将其悬吊起来； l 管道：将集气瓶的瓶口与气体的发生装置相连。 图一 史蒂芬·黑尔斯 (Stephen Hales，1677-1761) 图二 黑尔斯发明的集气槽 采用黑尔斯发明的装置，可以通过在盛装液体的槽中加入不同种类的液体实现不同性质气体的补集。例如，对于不溶解于水的气体，槽中装水即可。 对于溶解于水的气体，槽中可以用水银代替 。针对溶解于水的集气槽的改进，上述的 水银收集法 在1766年由卡文迪许以及1772年由普里斯特利分别提出（例如，用于收集氯化氢等溶于水的气体）。值得注意的是，因为水银有毒，这种方法对于早期的化学家的健康产生了很大的危害，现在已经被摒弃。 三、科学家精神 在定量测量方面，黑尔斯的工作极为细致、堪称典范 。在植物学方面，黑尔斯进行了很多细致的实验测量，并在植物对气体的吸收方面提出了很多新的观点。对于植物的生长，黑尔斯较早地提出了植物很有可能通过他们的叶子从空气中汲取了“养分”。对于植物的生长，通过长达五年的“柳树实验”定量测量后，赫尔蒙特认为水变成了柳树的枝干等等。与赫尔蒙特的“柳树实验”不同的是，黑尔斯的实验更为系统化和定量化。 通过定量地测量植物叶子的表面积以及植物根系的长度和表面积，黑尔斯较为定量地研究了植物的蒸腾作用 。依据这些定量化实验，黑尔斯指出 空气 可以通过植物的叶子等等“ 参与 ” 到植物的成长之中，并非只有根部是植物营养的唯一来源。甚至，他还猜测 光 有可能是植物生长的重要能量来源之一。在其所处的时代，黑尔斯的这些思想是非常超前的，影响了后续包括拉瓦锡在内的很多学者。 四、深远影响 从今天的知识水平来看，黑尔斯的集气槽气体收集方法估计顶多是中学化学实验的水平。但是， 在历史上，黑尔斯提出的集气槽气体收集方法是世界上第一个在实验室中便可以简便地进行气体收集的有效装置 。因其原理简单、操作容易，集气槽气体收集方法被后续诸多知名的科学家采用。例如，布朗明哥（William Brownrigg，1712-1800)后续将集气槽用于矿井中的可燃气体（如甲烷）以及氧气耗尽后的空气的研究。卡文迪许（Henry Cavendish，1731-1810，英国剑桥大学著名的卡文迪许实验室以他的名字命名）用集气槽收集了二氧化碳和氢气并研究了它们的性质。普里斯特利（Joseph Priestley，1733-1804）也使用集气槽研究了氧气和二氧化碳等多种气体的性质。例如，1772年，普里斯特利在《对各种气体的观察》论文中详细给出了他采用黑尔斯发明的集气槽收集到的气体，包括氧化氮、氮气、二氧化氮、氧化亚氮、氯化氢等等。上述气体大部分不溶于水，也有的溶于水，从而促使了他对集气槽法进行了改进，采用水银代替水。 图三普里斯特利使用的集气槽 五、后世纪念 在植物学领域，银钟花属的树木（ Halesia ）于1759年以黑尔斯的名字命名。美国植物生物学家协会（The American Society of Plant Biologists）每年一度会颁发“史蒂芬·黑尔斯奖”以示纪念。 黑尔斯在医学领域也有着极大地贡献，于 1727 年第一次测量了动脉的血压 ，还发明了一种用于去除胆结石的医用镊子。 图四 黑尔斯的纪念碑碑文 该碑位于英国特丁顿的圣玛丽教堂

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本科生科研指南（54）：气体定律之赫尔蒙特的气体发现

热度 2 upflyzhang 2020-7-24 08:00

本科生科研指南（54）：气体定律之赫尔蒙特的气体发现 张宇宁 华北电力大学（北京） 气体定律是大学课程体系中一个较为重要的知识点，与物理、化学等公共基础课以及流体力学、热力学等专业核心课程均有着较为密切的联系 。实际上，气体的认识过程本身便是一段很长的科学探索历程。早期，人们只知道空气“一种”气体，后来逐步发现了二氧化碳、氮气、氧气等等多种气体，并且更进一步地认识到空气实际上是一种混合物。气体的认识历程极大地促进了化学学科的发展，也进一步促进了相关的工业应用。 一、科学问题 几千年来，人们对于气体并不陌生，但对于气体的性质，包括物理和化学性质却一直知之甚少 。人们对于气体和物质世界的好奇催生了很多 哲学 方面的思考，包括我国的五行相生相克、西方的“四元素说”等等。 具体而言，在早期的人们的意识之中，只有空气“一种”气体。 由此可见，在早期的关于气体的讨论中，实际上大多都是围绕空气进行的，并且多数上是哲学意义上的思考。 直到17世纪， 赫尔蒙特等陆续地发现了各种各样的气体 ，人们才知道气体竟然有如此多的种类。与此同时，相应的科学问题才逐渐地被提出，包括：这些气体具有怎么样的特征和性质？ 二、研究历程 公元前五世纪及之前，众多哲学家便对物质世界进行了深入的思考。在西方，古希腊哲学家恩培多克勒（Empedocles，公元前494-434）综合前人的思想提出了“ 四元素说 ” ，将世界分为土、水、火、气四种元素。值得注意的是，此处的气专指空气（英文：air），并非我们通常现在意义上的气体（英文：gas）。我国的哲学家提出了 五行学说 ，即金、木、水、火、土，也是对物质世界的一种哲学划分。 真正让人们意识到除了空气以外气体存在的是赫尔蒙特（Jan Baptist van Helmont，1580-1644）。他做了非常多的实验，发现了我们今天所熟知的水蒸气、二氧化碳、氨气等等多种气体。英文气体一词，即 gas ，也是赫尔蒙特从古希腊文中引入到英文之中的。 图一 赫尔蒙特（Jan Baptist van Helmont，1580-1644） 赫尔蒙特发现了很多种类的气体，并其通过实验有效地探讨了这些气体的部分性质。例如，他发现动物的排泄物经过发酵以后会产生一种气体（即 甲烷 ），它可以燃烧。木头燃烧后也会产生一些废气（即 二氧化碳 ），但这些气体并不会有助于燃烧，反而会让火焰熄灭。 赫尔蒙特的很多其他见解也大多来自于实验中的观察。下面简要讲述一下赫尔蒙特持续了五年之久的著名的“ 柳树实验 ” 。赫尔蒙特先用一个瓦盆装上200磅经过干燥的土，并把一颗5磅重的柳树载种到盆中，然后不断地浇水。经过了一段时间之后，柳树自然而然地长大了，从最初种下去的5磅长到了169磅多。经过称量，赫尔蒙特发现瓦盆中土的质量变化实际上很小，可以忽略不计。由于当时还没有光合作用的概念，赫尔蒙特猜测一定是他浇注的水促使柳树长大，并变成了柳树的各个组成部分。另外，赫尔蒙特进一步观察到很多物质（例如部分气体）在燃烧后都会产生水。 这些实验让 赫尔蒙特 很坚定地认为水是所有物质的基础。例如，在“柳树实验”中，水变成了柳树的树干等物质。在气体的燃烧过程中，物质又回归于水。因此，从本质上讲，赫尔蒙特仍然继承了“四元素说”的哲学体系。 与持有“四元素说”的其他学者显著不同的是，赫尔蒙特非常重视实验观察并通过实验认识和了解世界，并非只是纯粹地进行哲学思考 。这在当时是一种很大的进步。另外，赫尔蒙特认为只有空气和水是元素，并且水的重要性更高一些，而火和土在他看来并不能算作是元素。 三、科学家精神 在早期的化学研究及气体的制取方面，舍勒的贡献非常之大 。从14岁起，舍勒便通过在药房跟随药剂师作学徒而接触了化学，对化学、药学等学科产生了浓厚的兴趣，并且勤奋地阅读和工作。舍勒的勤奋正如药剂师写给舍勒父亲的信中所说，“ 他把一半睡眠时间用于阅读那些对他来说还过于高深的著作，损害了他的健康 ”。1775年，舍勒在瑞典的雪平接任药房经理直至去世。 图二 卡尔·威廉·舍勒（瑞典语：Carl Wilhelm Scheele，1742年－1786年） 早在18世纪60年代，舍勒便研究了金属和酸的反应所生成的气体（即 氢气 ），发现这种气体非常易燃。1770年，舍勒发现当萤石(主要成分是氟化钙)和浓硫酸共热时，会产生一种溶于水呈酸性的气体(即 氟化氢 ) ，并进一步发现此物质可以通过与玻璃进行反应实现玻璃的雕刻工艺。1772年，舍勒尝试了各种方法制取“火气”（即 氧气 ），之所以命名为此因为他发现这种气体可以帮助燃烧。舍勒先是通过将软锰矿与硫酸共热制取了氧气，紧接着又通过加热硝酸钾、氧化汞等等制取了氧气。舍勒还进一步通过硫化钾等物质对于氧气的吸收作用以及白磷等物质在空气中的燃烧过程测得了氧气在空气中占比约为20%。这个数字与我们今天所熟知的21%非常之接近。后续，基于此，他出版了一生中唯一的一部著作《 论空气和火的化学 》。1774年，舍勒通过软锰矿与浓硫酸共热制取了 氯气 ，并且探索了氯气的很多性质，包括密度大于空气、可溶于水、强还原性（漂白）等等。舍勒还是很多染料的发明者，如早期用于粉刷墙壁的黄绿色的“舍勒绿”（CuHAsO3）。 在当时的条件下，人们对化合物的毒性并不是很清楚。在研究化学的过程中， 为了较为全面地探索物质的化学性质，舍勒有品尝和闻嗅自己合成的化学产物的习惯 。实际上，舍勒制备出的很多气体(如氟化氢)和物质（如“舍勒绿”）对人体均是具有一定毒性的。1786年5月21日，因为长期被化学物质毒害加上过度疲劳，年仅43岁的舍勒与世长辞，不禁让人感到万分遗憾。 四、深远影响 早期，人们主要是通过思考认识自然，而非实验观察。 赫尔蒙特高度重视实验研究，并从中去认识客观的自然规律 。他的很多观点也均出自他在相关实验中的观察和思索。比如，他通过长达五年的“柳树实验”思考柳树之所以能够长大的奥秘等等。虽然赫尔蒙特的观点本身有着诸多的错误，但是赫尔蒙特的这种实验思想对后世的很多学者具有着深远的影响。 在气体的研究方面，波义耳深受赫尔蒙特的影响，对其倍加推崇，并在后续通过实验观察发现了著名的气体实验定律（即 波义耳定律 ）。在后续很长的一段时间内，各个领域的诸多知名学者均在一定程度上受到了赫尔蒙特通过实验认知世界思想的影响，包括哈维、伽利略、培根等等。由此可见，赫尔蒙特的实验思想对后续科学的进步和发展起到了很大的推动作用，其影响持续了近两百多年。 五、后世纪念 实际上， 赫尔蒙特本身还是一个生理学家及医学家，是医学化学学派的代表人物之一 。在 1648年出版的 专著(英文书名 Ortus medicinae)中，赫尔蒙特较早地阐述了酵素（ferment）在人体的消化过程中的作用，并认为 酵 素是人体的胃部、肝部可以产生各种各样生理现象的关键 。同时代的学者、实验生理学创始人之一威廉·哈维（William Harvey，1578年－1657年）对赫尔蒙特的工作给予了高度的评价，认为其“非常接近现代的关于酶的作用的观点”。 赫尔蒙特还著有《论尿结石》的专著，里面描述了采用化学实验方法通过酒精和尿素混合所生成的白色沉淀，被称为“ 赫尔蒙特丸 ”。

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本科生科研指南（53）：帕斯卡的压强公式及科学的可证伪性

upflyzhang 2020-7-17 07:59

本科生科研指南（53）：帕斯卡的压强公式及科学的可证伪性 张宇宁 华北电力大学（北京） 在中学物理中，同学们便已经学习过压强的基本概念及其国际单位帕斯卡。 在流体压强性质的认识过程中，帕斯卡做出了杰出的贡献，继承并进一步发展了托里拆利的工作 (详见： 本科生科研指南（52）：托里拆利的气压计 )，得到了我们今天物理学中所熟知的压强公式（即压强与高度的关系式）。不仅于此，在压强概念的认识过程中，帕斯卡还对科学研究方法本身做了很多深入的思考，他的一些思想被后续学者逐渐发展为检验一个论断是否是一个科学论断的核心标准，即“ 可证伪性 ” 。基于压强领域的工作，帕斯卡还进一步发明了 液压装置 和注射器等等。本期，笔者围绕帕斯卡压强公式的来龙去脉以及所涉及的科学论断的可证伪性做一番探讨。 图一 帕斯卡（Blaise Pascal，1623-1662） 图片来源：维基百科 一、科学问题 1644 年，托里拆利实验已经明确证实了 真空 的存在。当时的人们已经认识到了大气压的一些基本性质，包括一个大气压可以支撑10米的水柱或者760毫米的汞柱等等。按照托里拆利的分析，“ 我们生活在空气的海洋之底 ” 。也就是说，我们周围的空气像海洋一样层层叠加，而我们便生活在其最为贴近地球表面的一层之中。 从气压计的英文名字 Barometer 中便可以看出上述端倪。Baro在古希腊语中是 重量 的意思，意思即大气的层层压迫产生了大气压。 那么，既然空气存在质量，此时的科学问题便可以进一步凝练为： 在不同的高度下，流体中的压强会发生怎样的变化？压强又跟哪些因素有密切关系？ 二、研究历程 在早期的研究中，伽利略更多的是从流体的 重量 角度考虑真空及泵中流体流动的机理。而1644年的托里拆利实验采用水银证明了大气压强所产生的液体柱的高度与液体的密度成反比。 1647 年，帕斯卡接触到了托里拆利大气压实验的详细信息和主要结论。后续，他重复了托里拆利的相关实验并反复思考真空的本质问题。1647年，帕斯卡发表了一篇论文更为系统地讲述了空气压强对于各类液体所能支撑的高度以及气压计中真空的本质。1648年，帕斯卡又发表了另一篇论文讲述流体静力学相关理论。 通过不断的思考，帕斯卡意识到真正决定压强大小的另外一个因素应该是测量大气压时所在位置的高度，而不是重量 。帕斯卡居住在法国多姆山的附近，高度1460米左右。遗憾的是，帕斯卡身体虚弱无法爬山，他便拜托他的姐夫代劳。在帕斯卡连续几个月不厌其烦的劝说下，他的姐夫皮埃尔（Florin Périer）于1648年9月19日携带着水银气压计与其他两个朋友一起攀登了多姆山以便对帕斯卡的理论进行验证。 结果是令人鼓舞的 。在山脚下，他们用水银气压计测量了压力，刻度线为26英尺又3.5。到了山顶，水银压力计的刻度线为23英尺又2.0。该实验重复了五次之后，结果依然如此。 估计皮埃尔没有想到一次爬山便可以验证在后来几百年的几乎所有物理学课本中都会提到的公式，否则他便不会耽搁几个月的功夫了 。帕斯卡仍不满足，他跑到巴黎的圣雅各伯屠宰场教堂（saint-jacques-de-la-boucherie）的高约 50 米 的钟楼继续测试，结果显示压强也降低了些许（大概两个刻度）。 通过上述实验， 帕斯卡最终确认影响压强大小的核心因素是测量位置所处的高度 。为了进一步说明上述原理，帕斯卡设计了一个新的实验体系，将一个 极其细 的管子插入到一个封闭的木桶之中，另一端源源不断地倒入水。假设管子足够高，大概有三层楼的高度。帕斯卡之所以要把管子弄得细一些是为了说明高度才是影响压强大小的核心因素，而不是管子中水的重量。这时候，即使管道很细，木桶仍然会因为受到管道中水的压力而开裂。 图二 帕斯卡裂桶实验示意图 图片来源：维基百科 实际上，帕斯卡的上述科学发现具有广泛的影响力，深刻地揭示了压强的本质特征。浮力原理最早是由阿基米德在公元前3世纪发现的，并被广泛应用。但是，浮力原理的数学证明却需要引入帕斯卡的理论才可以完整地得到（详见： 本科生科研指南（33）：浮力原理 ）。另外，我们日常生活中使用的咖啡壶 （详见： 本科生科研指南（32）：咖啡壶奥秘 ） 以及青藏高原考察所使用的浮空艇均与帕斯卡的贡献有关。 三、科学家精神 虽然关于真空和压强性质的科学实验已经大体完成了，但真正的与已有理论的论战却才刚刚开始 。此时，伽利略已于1642年去世。托里拆利在1644年做完采用水银证明真空的实验后，忙于数学，后续不久因为在佛罗伦萨感染伤寒后去世。此时，帕斯卡几乎孤军奋战。 我们先看一看论战的另一方亚里士多德学派的观点。亚里士多德指出， 任何一个运动的物体一定是被某种物质所带动的 。对于因为水银倒置所形成的封闭管道上部的空间来说，亚里士多德学派认为既然光可以穿透这个管道，那么依据上述运动原理这个管道里面必然有某种物质。正是这种物质使得光移动到了管道外部。在实验中，没有看到这种物质表明这种物质“ 不可被观测 ” 的。 在与亚里士多德学派学者的论证过程中，帕斯卡逐渐明晰了科学论断所应具有的特征，即“可证伪性” 。我们拿上述亚里士多德学派的论断作为例子对“可证伪性”进行说明。上述论断可以简单表述如下：在上述管道之中，存在着某种“不可被观测”的物质，它使光从管道中穿透而出，因此没有物质的真空是不存在的。遗憾的是，亚里士多德学派的论断是不可被证伪的。 因为如果某个人去观测，不论结果如何，这个论断都是对的 。如果看到了某种物质，说明真空不存在。如果没有看到物质，便可以用存在某种“不可被观测”的物质进行说明。因此，帕斯卡断言亚里士多德学派的论断并不科学。通过上述论战，帕斯卡基本上阐述了自然科学论断的基本特征，有助于后续完整的科学研究方法的形成，对科学进步起到了巨大的推动作用，功不可没。 四、深远影响 帕斯卡对于科学发展的影响是巨大的。他的一些思想后来被哲学家波普尔（Karl Popper，1902-1994）所继承并发扬，形成了“ 证伪主义 ” 。“证伪主义”对于判断一个论断是否是科学论断发挥了巨大的作用，避免了类似于上述亚里士多德学派为错误理论所进行的非科学的辩护。另外，“证伪主义”突出了经验在检验科学理论方面的重要作用，其虽然是个别对象，但可以提供判断科学理论错误性的证据。这些关于科学研究方法本身的逐步积累对于现代科学的进一步发展非常有必要。 帕斯卡对于科学的探索远远不止于压强。实际上，帕斯卡的动手能力很强。1642年，帕斯卡在19岁时便自己开始动手制作 计算器 ，并亲手制作了20台，是机械计算领域的先驱者之一。另外，帕斯卡在数学领域很有天赋。在早期与 费马 （1607-1665）的私人通讯中，帕斯卡对 概率论 的形成和发展起了一定的促进作用。在二项式系数的研究中，帕斯卡提出了二项式系数的计算表格，即“ 帕斯卡三角 ” 。 图三 帕斯卡计算器实物图（1652年） 保存地点：The Musée des Arts et Métiers 图片来源：维基百科 图四 二项式系数中的帕斯卡三角 图片来源：维基百科 五、后世纪念 早期，压强的单位主要是巴（英文为bar），该单词来自于希腊语词根baro的变体。巴的概念由英国气象学家肖先生（Napier Shaw）于1909年提出，并于1919年在世界范围内获得广泛的认可。 1971 年,国际计量大会上，将帕斯卡作为压强的国际单位制，1个标准大气压等于101325帕斯卡 。1巴等于10万帕斯卡。在气象学领域，经常使用千帕作为单位。 其他以帕斯卡名字命名的包括“ 帕斯卡定理 ”，即在不可压缩有限流体中，某处一点的压强的改变立刻会传递到流体中的任何地方（详见： 本科生科研指南（34）：声波传播 ）。此外，法国中部地区克莱蒙-费朗的一所大学以帕斯卡的名字命名，即布莱兹•帕斯卡大学，是一个较为活跃的多学科综合性大学。

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本科生科研指南（52）：托里拆利的气压计

upflyzhang 2020-7-10 17:38

本科生科研指南（52）：托里拆利的气压计 张宇宁 华北电力大学（北京） 我们生活在空气的海洋之底。 --- 托里拆利（1608-1647） 对于气压计，大家并不陌生。在中学物理中，我们便已经学会了相关的原理并知道一个标准大气压等于760毫米汞柱产生的压力。在真空领域，压力的单位有时也用“托尔”表示（英文为torr）。实际上， 人类对于真空本质的认识和思考却经历了将近两千年的漫长历程 。从早期的亚里士多德，到后来的伽利略，一直到托里拆利的著名实验才最终将真空是否存在搞清楚。本期，通过回味这一段宝贵的科学历程，我们一起感受科学研究的魅力和价值。 图一 托里拆利（1608-1647） 画家利比（Lorenzo Lippi，1606–1665)绘制于1647年 来源：维基百科 一、科学问题 托里拆利研究真空及大气压的原因是来自于当时的实际需求以及伽利略的启发 。托里拆利是伽利略的最后一个学生，深受其影响。1642年，在伽利略逝世后，当时的斯卡纳大公国的大公斐迪南二世·德·美第奇请托里拆利接任伽利略作为该公国的数学公爵和比萨大学的数学教授之职。此时， 斯卡纳大公属下中有一个水泵制造商，希望能够将已有的水泵进行进一步改良，使其可以将水提升至12米的高度 。经过了多次实验以后，该制造商却发现10米是水泵的极限。注意，此处的水泵是早期依靠大气压及压力差驱动的，与现代的依靠转动部件提升水流能量的方式极为不同。 上述需求中的 科学问题 可以概括为： 水泵中的水在何种力的作用下实现了高度的提升？ 基于以上科学认识便可以想出具体的办法来提升水泵的性能。 二、研究历程 关于大气压和真空的研究由来已久。早在公元前四世纪，亚里士多德（公元前384-322）便在其名为《物理学》的专著中描述了决定物体运动的公式。他认为， 物体的运动速度与物体的质量成正比，与运动物体周围介质的密度成反比 。按照此公式，他继续断言，如果存在真空，则运动物体周围介质的密度趋向于零。那么，此时，运动在其中的物体的速度则趋向于无穷大。因此，真空一旦产生，则存在于其周围的物体立刻便能将真空填充，因此真空也便不会存在。因此，亚里士多德断言，“ 自然界里是没有真空的 ”（Nature abhors a vacuum）。 鉴于亚里士多德的崇高地位以及教会的维护，该思想在随后的两千年中一直占主动地位。到了16、17世纪，情况逐渐改变。先是伽利略用实验挑战了亚里士多德关于物体运动速度取决于物体自身重量的论断。对于真空和空气的重量，伽利略也做了很多的思考。以下引自李景文所著的《伽利略》一书中 伽利略与亚里士多德信徒关于水泵抽水机理的辩论 ，大体上可以反映伽利略的核心观点和认知。 “我可以告诉你们：水之所以能克服重力，沿着管子上升，是因为空气把管中的水往上压。空气有重量，总是有推力，因此只要哪里出现真空，空气就设法去填满它。” “ 空气有多重？” “ 每平方英寸空气重15磅” “ 你怎么能证明这一点呢？” “ 水泵中的水可以证明。空气把水往上推，低于34英尺时（笔者注：大约10米），水就比空气轻；高于34英尺时，水就比空气重；如果刚好34英尺，两者的重量就相等。因此，只要你把这些水的重量称一下，就能求出空气的重量。” 从以上的对话中，我们看到伽利略对于大气压尚未有清晰的认识，但 伽利略认为真空是存在的 。1630年，贝里亚尼（Giovanni Battista Baliani，1582–1666）发现虹吸管的极限是10米并写信给伽利略求助其原因。 伽利略明确回复是真空帮助虹吸管吸水但是真空已达到了极限 。对于为何水泵的水在真空的作用下会克服重力而运动，伽利略曾提出过“真空力”的概念，但“真空力”的本质是什么以及如何进行测定却不得而知。另外，伽利略的理论并没有解释为何水的高度提升极限总是10米，而不是其他数值。在阅读了伽利略的理论之后， 贝尔蒂（Gasparo Berti，1600-1643）与朋友一起设计了一个实验装置验证真空的存在 。实验的时间大概是1640-1643年间，贝尔蒂建造了一个用铅制造的管道，内部充满水，两端封闭。然后将其中的一段浸没到水中后将密封打开，结果发现管道中剩余的水正是10米。因此， 贝尔蒂认为这个实验证明了真空的存在 ，管道中水的上部的剩余空间正是被真空所充满。遗憾的是，贝尔蒂的实验结果直到1647年才向外透漏，而此时托里拆利的实验结果已经被广为传播。 图二 贝尔蒂开展大气压及真空探索的实验装置（右侧管道） 图片来源：维基百科 1644 年春季， 托里拆利在佛罗伦萨采用水银进行了著名的关于真空的实验 ，实验名称为“快银”（英文：quicksilver，即汞，是水银的别称）。当时，托里拆利对贝尔蒂的工作并不知情。基于对大气压作用的深刻理解，托里拆利在实验之前猜想，当真空形成之时，介质的上部真空部分并不会产生作用力，而底部的大气压产生的作用力依旧。这样便会产生一个向上的作用力导致流体的运动直至平衡。他进一步猜想，液体上升的高度与介质的 密度 密切相关。因此， 托里拆利实验的一个重大创新便是采用水银作为介质 。与水作为介质相比，水银的高度只有大概十三点六分之一，这样便极大地降低了实验的难度。托里拆利的实验产生了巨大的影响，尤其是在法国、波兰等地，也直接导致了一场有关真空存在与否以及所涉及的亚里士多德理论正确性与否的耗时良久的大争论。 图三 托里拆利手绘的关于气压计的雏形 此图源自与托里拆利于1644年6月11日与里奇（Michelangelo Ricci）的通信，发表在以下著作中《Opere dei Discepoli di Galileo》（Florence，1975） 三、科学家精神 科学精神及创新文化是需要不断地进行传承的，这也是现代大学的主要功能之一 。回顾大气压和真空的创新历程，伽利略功不可没。他的观点深刻地影响了后续的很多学者，包括贝尔蒂、托里拆利等等。正是这些创新文化在一代有一代学者间的传承和发扬，才最终导致了对压强本质认识的不断提升以及真空的发现。 另外， 这种创新传承的影响是极其深远的 。数学谱系计划（英语：Mathematics Genealogy Project，网站网址为https://mathgenealogy.org）是统计数学家学术谱系的网络数据库，相关数据包括所有 历史上和当代的 数学家的毕业年份、母校、博士生导师及其指导的博士生等等。截止至2020年6月30日，整个网址有257788条数据库。根据数学谱系计划网站的数据，托里拆利有 20060 个继任者（即，他指导的学生及其后续学生等等）。可见，托里拆利对科学的贡献之大。 严谨求实是托里拆利另外一个值得让人敬佩的优秀品质 。在做完证明真空存在的实验之后，托里拆利并没有正式的发表它，主要原因是托里拆利认为实验尚存在瑕疵，因为空气大气压所支撑的水银柱的高度会随着 冷热 而变化。实际上，在不同 海拔高度 的地方做同样的实验，水银柱的高度也会不同。这些问题随着后续理想气体定律的深入研究以及帕斯卡等人的工作被逐步地得到完美解决。未发表的另一个原因是，托里拆利那时候对于数学非常痴迷，忙于解决摆线运动等重要的科学问题。此外， 托里拆利还是世界上第一个从科学角度分析风的形成机制的学者 ，他指出风是由于地球不同位置处空气温度的不同以及其引起的密度差所产生的。在物理学方面，托里拆利还进一步指出 在 容器的底部开一个小孔之时，水的流速与容器中水的深度的平方根成正比，即 托里拆利定律 。尽管没有发表相关实验结果，托里拆利的实验依旧名垂青史。 四、深远影响 真空的发现和存在性证明对科学的研究方法本身有着较为深刻的影响，后续研究中学者们越来越重视实验的作用。回到开篇中水泵提水高度的问题，根据托里拆利的理论，单纯依靠大气压只能够将水提升到10米高度。后续，人们开始逐步地采用通过旋转部件增加流体压强的方法实现更高高度的提水。1654年5月8日，即托里拆利实验的十年之后，在德国举行的马德堡半球实验再一次向人们充分地展示了真空的力量。两个普通的半球通过真空泵将其间的空气抽出之后，即使两侧同时用15匹马也无法将其拉开。这时候，人们真正地见识到了大气压的威力，极大地促进了相关科学的发展。我们家中常用的电灯也是真空应用的好例子。在19世纪，通过大量的实践证明在真空中灯丝的寿命更长。 五、后世纪念 为了纪念托里拆利的杰出贡献及其高尚的品格，大量的现象和物品以他的名字命名，枚举如下。 l 真空测量的单位“托尔”（Torr，即托里拆利英文名字Torricelli的前四个字母） l 托里拆利管（Torricelli tube） l 托里拆利真空（Torricelli vacuum） l 托里拆利定律：描述小孔出流现象中水流速度的定律，是伯努利方程的一种特殊形式。 l 托里拆利潜艇：意大利有四艘潜艇均以他的名字命名。 l 小行星7437：发现后被命名为托里拆利。

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本科生科研指南（51）：比尺效应

upflyzhang 2020-7-3 08:00

本科生科研指南（51）：比尺效应 张宇宁 华北电力大学（北京） 根据相似原理，模型和原型间物理参数的数值可以通过量纲分析获得的具体关系式进行换算。在实际应用中， 因为流体的真实流动与理想情形间必然存在着一定的差异 ，因此流动现象的模型和原型间的关系式可能在一定程度上偏离由流体基本理论出发通过相似原理得到的结果，即模型和原型间存在 比尺效应 。从某种意义上讲，比尺效应是普遍存在的，只不过对于不同流动现象程度上有所不同而已。本期，我们具体了解一下比尺效应形成的原因、特征及其应对措施。 比尺效应中一个较为极端的例子便是空化流动 。例如，当液体流经较为狭窄的区域时，压力会变低，液体容易发生相变而成为蒸汽态，即发生空化（详见： 本科生科研指南（48）：无量纲数之空化数 ）。 空化流动之所以存在较强的比尺效应主要是因为空化现象的部分核心机制尚未被充分地清晰地揭示 。例如，对于空化初生的机理，相关理论模型的认识扔有待提升。换言之， 描述空化现象的完整理论并未严格地建立起来，因此难怪会存在比尺效应 。根据相似原理的相关知识，两个流动相似需要满足微分方程相同、定解条件相似的条件。但是，遗憾的是，部分复杂流动的微分方程尚未被准确地给出，因此模型和原型间无法实现相似换算便也容易理解了。 对于同样一个流动，不同物理参数的比尺效应可能大不相同 。例如，对于两个不同比尺的流动，二者间的流量可能存在较小的比尺效应，基本上符合相似原理得到的结果。但是， 值得注意的是，这个结果并不说明上述两个流动间比尺效应较弱 。对于较为复杂的参数（射流的长度和速度等等）和现象，比尺效应可能仍然要重点考虑。再比如，流体中因流动扰动等引起的压力大幅度的变化和脉动通常存在较强的比尺效应。 影响比尺效应的另一个重要的因素是原型与模型间的几何比例关系 。根据量纲分析可知，力矩等重要物理量的比例均与几何比例紧密相关。如果几何比例较大，模型和原型间的物理量间可能存在着较大的差异。但是，上述的关系并非是确定的，仍然需要具体问题具体分析。另外，加工精度也是影响比尺效应的关键因素。如果模型较小，加工较难，则比尺效应会较显著。值得注意的是，当流动的尺寸过于小时（例如微米量级），控制流动现象的微分方程会完全改变，从而严重影响模型与原型间相应物理量的比较，并表现出较强的比尺效应。另外， 不同比尺的流体现象受力的物理机制可能极为不同 。例如，对于体积极大的汽泡（例如，海军鱼类爆炸产生的半径高达几十米的汽泡），浮力起到主导作用。但对于体积很小的汽泡（例如，激光束聚焦后产生的半径为微米级的汽泡），浮力的作用则可以忽略不计。由此可见，上述两种汽泡间的流动必然存在着较强的比尺效应。 克服比尺效应的方法主要可以从以下几个方面下功夫 。一方面，对于模型试验及相关试验台，可以采用已有的原型数据进行详细的 校对 ，从而避免或修正比尺效应的严重影响。另一方面，可以通过设计多组 不同比例 的模型试验件并进行详细测试。通过不同组间数据的对比以及同原型数据的对比，可以更深一步地探讨比尺效应的影响程度及重要因素。例如，1861年，为了准确了解原型船舶的各项重要指标并验证船舶流动的重要理论，英国工程师威廉姆· 弗劳德 建造了尺寸分别为3、6和12英尺的 模型船舶 ，并在水池中对上述三个不同比尺的模型进行了非常详细的实验研究（详见： 本科生科研指南（46）：无量纲数之弗劳德数 ）。从后续的学科发展中可以看出，上述基于不同比尺模型的研究成果在很大程度上推动了船舶工业的快速发展。 综上所述，比尺效应对于部分流动是真实存在的，可以尝试采取针对性措施对其进行适当的控制，以保证模型试验对于工业发展和研发的重要意义和价值。

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本科生科研指南（50）：模型试验

upflyzhang 2020-6-26 08:00

本科生科研指南（50）：模型试验 张宇宁 华北电力大学（北京） 学习了相似原理和量纲分析之后，很多同学可能已经跃跃欲试，希望在科学研究的过程中以及实际问题的解决中一显身手。 纵观科学史，相似原理的的确确在重要理论的发现以及工程实践中发挥了巨大作用 。1822年，约瑟夫· 傅里叶 （Joseph Fourier，1768-1830）发现了在具有明确物理意义的方程或者不等式中，各个项的量纲具有一致性，并将其作为检查物理方程正确性的一种方法。1872年， 瑞利勋爵 提出了当今流体力学教课书中仍在广泛引用的 瑞利法 并将其应用于若干重要的研究之中，并在后续将其写入了他1877年发表的著名专著《声学理论》（The Theory of Sound）之中。1878年， 白金汉定理 （Buckingham theorem）被严格地从数学上证明，进一步完善了瑞利法。1915年，瑞利勋爵在《Nature》杂志发表了一篇名为《The Principle of Similitude》的短文，使得 相似原理 被更多人所熟知。直到今天，相似原理和量纲分析依然是本科生流体力学课程中的重要教学内容。 在相似原理的研究中，模型的称谓是相对于原型所讲的 。一般而言，原型指的是拟真正研究的对象。模型指的是在研究所和研究室中有限的空间和环境下，为了方便进行科学研究和验证，将原型进行了等比例缩放后的对象。二者间重要参数的换算关系正是通过相似原理进行构造的。此外， 实验和试验是两个极为容易混淆的概念 。如果一个现象的科学原理尚不清晰，此时所做的工作一般称为 实验 。如果希望通过尝试性的运行对某个研究对象的性能进行测试，则一般将此工作称之为 试验 。例如，一种新型水电机组的研发工作是实验，而已经充分进行了原理论证的水电机组在投运之前所做的各种类型测试（例如，效率测试、功率测试、转速测试等等）则被称为试验。对于部分情况，实验和试验难于明确区分，可通用。 因为相似原理的研究对象通常是尺寸巨大的工程实际问题，所以大部分研发工作属于试验类型 。 在设计模型试验时，根据相似原理，需要保证模型和原型的相似准则数相等 。例如，对于粘性力起主要作用的流动，相似准则数用 雷诺数 表示，其定义式为特征速度乘以特征长度除以流体的运动粘度。当我们将原型的尺寸缩小十分之一时，如果流动的工质不变的话，那么我们需要将特征速度提升到原型的10倍。通常而言，上述条件很难在模型试验中得到满足。一个较为可行的解决办法是在模型试验中采用不同类型的工质进行替换。当尺寸缩小十分之一时，如果模型试验所采用工质的运动粘度是原型的五分之一，那么特征速度只需要提升至原型的2倍即可，比较容易实现。 需要注意的是，这种方法并不是总能奏效 。工质替换的影响是多方面的，包括模型试验过程中对工质无毒、无害、不易挥发等性能的具体要求，以及工质价格方面的考量。 对于实际工程中的流动，通常需要满足的相似准则数不止一个，可能是2-3个甚至更多。 部分情况下，相似准则数间存在矛盾，即在满足一个准则数时便一定无法满足另外一个 。例如，对于重力和粘性力均存在显著影响的流动，假如模型和原型均用水做工质，则必然存在矛盾，无法同时满足这两个无量纲数。在这种情况下，需要基于流动本质的深刻理解，对无量纲准则数进行取舍，只求满足其中的一个或两个较为重要的无量纲准则数即可。 在部分应用中，相似原理的作用是非常重要的。例如， 当所研究的对象尺寸非常大时，必须采用相似原理进行前期的试验验证等工作 ，这基本上属于大型工程研发的基本常识和必要步骤之一。此外， 对于极难研究的原型流动，相关的研发工作也通常需要严重依赖基于相似原理的模型试验研究工作 。例如，人体内血液流动的研究在医学领域中有着巨大的需求。但是，受制于人体内的复杂环境以及因伦理道德等方面的限制，原型流动的研究较难开展。因此，依据相似原理，通过体外的模型试验进行替代性研究已在相关领域的研发中蓬勃发展。

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本科生科研指南（49）：相似条件

upflyzhang 2020-6-19 18:42

本科生科研指南（49）：相似条件 张宇宁 华北电力大学（北京） 相似原理和量纲分析在流体力学领域中有着广泛的应用，尤其是对于解决一些复杂的工程问题有很大的帮助 。对于满足相似条件的流动，我们可以方便地采用相似原理进行模型试验的设计，并能够通过准确测量模型的物理参数进一步推导出原型所对应的重要物理参数，极大地节省了成本。在具体使用相似原理进行试验设计之前，同学们应该从数学和物理的角度对相似原理进行深入的学习，这样后续在使用的过程中才能准确把握、灵活运用。值得一提的是，这些深入的理解对于科学研究和解决工程问题均非常重要。 在真实的工程问题中，相关的物理参数经常无法严格地满足理论上的相似条件。 此时，问题的有效解决需要同学们在对相似条件扎实掌握的基础之上，较为全面的评估并抓住问题的关键。本期， 我们从控制流体运动的微分方程及其定解条件的视角去审视流动相似条件的本质特征 。 一方面， 描述相似流动的微分方程必须是相同的 。微分方程是控制流体流动及其规律的内在核心因素，也是后续对流动进行求解的主要研究对象。因此，两个流动必须是由同一个或者同一组微分方程来描述才可能是相似流动。具体而言，我们通过三个不同角度的例子进行说明。 1. 非连续介质 。在 日常生活中，我们看到的大部分流体一般都可以看成是连续介质，即其物理量（诸如，密度、压力、速度等等）是空间和时间的连续函数。但对于高空以及太空中存在的非常稀薄的、接近真空的流动而言，其分子密度异常的低，需要更多地考虑 气体分子 的运动特性。 因此，描述上述两种流动的微分方程完全不同，不是相似流动。 2. 非牛顿流体 。对比蜂蜜和水的流动，我们会发现二者无论是流动状态还是流动速度上均有很大的不同，不是相似的流动。究其原因，描述二者粘性等物理参数的方程（即 本构方程 ）非常不同。水是典型的牛顿流体，应力和应变成简单的线性关系。而蜂蜜则不同， 应力和应变 呈现出较为复杂的性质，即非牛顿流体特性。 3. 主导作用力 。流体受到的力包括重力、压力、粘性力等等，部分特殊流体还受到电磁力等等的作用。 对于同样的流体介质，主导流动的作用力可能非常不同 。例如，对于水库大坝泄水时的流动，主要是受重力驱动的，其他作用力的影响较小。而对于狭窄管道内的流动，粘性力则起到重要的作用，不可忽略。当流体通过输送管道进行运输时，经常需要对流体进行加压，使其具有较大的压强，这样通过压力差进行输运。因此在有压管道流动中，压差力和粘性力均较为重要。 另一方面，描述相似流动的微分方程的 定解条件 必须是相似的。微分方程确定后，需要补充若干条件才能够求解。不同类型的方程所需要的定解条件不同，大致可以分为以下两类。 1. 边界条件 。 简而言之，便是在边界上流体需要满足的条件。例如，在一维的管道流动中（即只考虑流体沿着管道方向的流动），在管道的壁面处，流体的速度在宏观流动的研究中一般设置为 0 （即 无滑移边界条件 ）。再比如，在管道的入口处，流体的速度可以是给定的均匀来流。 2. 初始条件 。当流体是非定常流动时，需要先给定流体的初始流动状态（又称为初始条件），这样方程才能够有确定的解。 一般而言， 流动相似意味着描述流体流动中重要的、起主导作用的无量纲准则数是相同的 。部分情况下，微分方程包含了描述流体流动的无量纲准则数。例如，在粘性流体的运动微分方程中，雷诺数已在与粘性力有关的项中有所表述。因此，微分方程相同，则雷诺数相等。 微分方程确定后，加上补充的定解条件，流体的流动便可以通过求解该方程进行唯一的确定。 当两个流动的微分方程相同、定解条件相似，则这两个流动便是相似的 。在后续的分析中，我们可以利用相似准则数相等构建模型与原型参数间的对应关系式，从而达到解决科学和工程问题的目的。

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本科生科研指南（48）：无量纲数之空化数

upflyzhang 2020-6-12 08:00

本科生科研指南（48）：无量纲数之空化数 张宇宁 华北电力大学（北京） 空化现象是流体中一种特殊的现象，具有着丰富的物理内涵和工程应用。早在1754年，数学家和流体力学家 莱昂哈德 · 欧拉 (Leonhard Euler ，1707–1783)便指出在液体中产生空化泡的可能性。而空化真正地走入人们的视野则是在19世纪末世界上首艘蒸汽船“透平尼亚号” (Turbinia)首航的过程中。在首航中， 研究人员发现该船的行驶速度并没有达到设计时速 ，但原因尚未可知。后来，英国科学家 查尔斯·阿尔杰农 · 帕森斯 （Charles Algernon Parsons，1854 - 1931）发现 空化 是导致该蒸汽船首航不利的主要因素，并着手建造了世界上第一个空化实验研究装置（简称为“ 水洞 ”），并对该现象进行了系统地研究。后来，帕森斯改进了该蒸汽船的设计，螺旋桨的个数也由原来的1个增加到3个，使得该船的时速达到34节 (约等于63 km/h)，从而成为当时 世界最快 的船。 为了更为定量地研究空化现象， 空化数 被广泛应用。其定义式如下：分子为流体中的绝对压强减去对应温度下水的饱和蒸汽压；分母为二分之一倍的流体密度再乘以平均来流速度的平方。由上述定义式可以看出， 空化数的本质是欧拉数 （详见： 本科生科研指南（47）：无量纲数之欧拉数 ） ，只不过具有较为特殊的形式。在常温下，水的饱和蒸汽压的数值大约为 2338.8Pa 。另外，为了方便研究，进一步把空化现象发生时对应的空化数称为 初生空化数 。从空化数的表达式来看，部分同学可能认为初生空化数应该为0，理由是只有这时流体中的局部压力才等于水的饱和蒸气压，水才会汽化。但实际上， 由于水中含有大量的杂质（例如，泥沙颗粒、溶解性空气等等），这些杂质的存在提供了良好的空化泡的产生和生长环境，因此初生空化数一般远大于0 。也就是说，当流体的压力远大于该温度下对应的水的饱和蒸汽压时，空化便已产生了。 空化 常见的 产生方法如下： 1. 高速旋转 。这种方式常见于各类型的水力机械（例如，水力发电机、泵等等）之中，属于水力空化的一种。例如，在水力发电站中，核心的发电设备被称为水轮机，其内部的旋转部件（被称为转轮）在水流的冲击下以一定的频率做旋转，从而进一步通过联轴器带动发电机发电。在转轮旋转的过程中，在流场的局部区域可能造成较大的低压，从而引发空化。 2. 狭窄通道 。当水流过较为狭窄的通道之时，根据流体的连续性方程（即质量守恒方程），流体的速度会升高。进一步根据伯努利方程，流体的压力则会降低。当流体的压力降低到一定程度之时，水中便会发生空化。例如，在流体流过文丘里管的流动中，文丘里管的喉部（即截面积最小的部位）区域在一定条件下便会发生空化。很多空化的研究装置（即小型水洞）便是依据此原理建成。 3. 高能量激光 。经过聚焦后，高能量激光可以在水中特定的光学聚焦点产生局部高能量，进一步产生等离子体并使得周围的水在瞬间汽化，产生空化。这种方法的优点是精度较高，可以精确地控制空化泡的产生位置和大小。聚焦激光可以产生非常微小的空化泡，从几个微米到几百微米之间。 4. 水下爆炸 。这种方法多见于军事应用之中，例如海军用的鱼雷等爆炸装置。水下爆炸过程中，炸药的能量使得周围的水迅速汽化，形成空化泡，并在此过程中产生强烈的冲击波。空化泡的振荡过程以及最终产生的射流对周围的水面船体会产生巨大的破坏作用。这种方法产生的空化泡尺度非常之大，泡的半径可以达到十几米甚至几十米。 5. 电火花 。两个电极间能量的迅速释放可以在局部产生巨大的能量，并在电极的附近产生一个空化泡。这种方式产生的空化泡尺度可以通过调整电极间放电的能量等等进行调整，其半径一般在几个毫米到几十个毫米之间。 6. 声学方法 。在声场的作用下，水中含有非凝结气体（例如，空气）的气泡会发生声致振荡，其部分的特征和效应与空化泡十分类似，又被称为声致空化。在较为剧烈的条件下，气泡在振荡的时候还会发出剧烈的强光（即声致发光）。值得一提的是，声致空化能够显著地促进化学反应，并在上世纪90年代催生出了超声化学（英文为Sonochemistry，其中sono为英文中的超声之意），至今仍然非常活跃，相关的讨论详见国际期刊《Ultrasonics Sonochemistry》。 7. 高速射流 。在高速的射流中，经常伴有空化现象。一个较为著名的例子便是枪虾（详见： 趣说空泡（7）：依靠空化效应捕食的海洋生物 ），它有一个巨大的鳌，可以用来捕食小虾。当有小虾等动物从枪虾周围游过时，枪虾便会触发它的巨鳌，类似于手枪发射子弹一样将巨鳌内的水流以极快的速度喷射出去。值得一提的是，上述水流中含有大量的空化泡，并具有很强的动能，足以击晕甚至杀死小虾，可见自然界之神奇。枪虾的名字也正是因为其捕食时所发出的、与手枪类似的巨大声响而得名。 因空化泡的产生机制不同，不同领域中使用的无量纲数不同。在水力空化中（例如，因高速旋转或者水流通过狭窄通道所产生的空化），一般采用无量纲准则数 空化数 作为判断空化发生与否及其程度的判据。而对于激光聚焦产生的空化泡，空化数则并不适用。 近些年来， 空化研究受到广泛的关注，其中一个核心议题是空化过程中所产生的一些剧烈物理现象形成机制的讨论 。在空化泡破裂的过程中，空化泡内部会产生一个极其细小的水 射流 ，其宽度与空化泡的半径基本上成正比关系，射流的速度可以高达100m/s。另外，激光诱导空化泡可以在初期和末期均向外发射出强烈的冲击波，波速高达5000m/s，可以用于膜表面以及硅基半导体材料的清洗。 空化发光 现象也广泛地受到关注，其核心原因是空化泡内部瞬间极端的温度场和压力场。测量结果显示，空化泡内部的瞬态局部温度可以达到 5000 开尔文 以上，而瞬态压力则可以达到 10 万 个大气压。从这些重要物理现象的近期研究进展来看，空化物理机制的研究必将大有可为！

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本科生科研指南（47）：无量纲数之欧拉数

热度 1 upflyzhang 2020-6-5 07:50

本科生科研指南（47）：无量纲数之欧拉数 张宇宁 华北电力大学（北京） 各类管道流动在我们的日常生活中扮演着重要的角色 。当自来水流过管道时，因阻力的存在会产生一定的能量损失，从而使得流体的能量在流动过程中逐步降低。因此，在市政工程的建设中，需要合理地布置若干个给流体增加能量的 泵站 ，从而使自来水可以方便地供给到千家万户。当上述泵站发生故障时，生活的经验告诉我们自来水龙头打开后将没有水流出或者只有少量的水流出，这是因为水的能量不足以克服阻力以及因楼层高度带来的重力，从而导致自来水的供应问题。当上述现象发生时，我们经常听到工程师提及水压不够等等，这又是怎么一回事呢？ 本期，我们围绕管道流动损失计算的发展历史简要介绍欧拉数以及欧拉的若干重要科学贡献。 图一 欧拉画像 引自维基百科： https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Leonhard_Euler.jpg 加斯帕尔· 普罗尼 （Gaspard de Prony，1755-1839）在19世纪时已认识到管道内流体因阻力所造成的损失的影响因素，并得到了一个 经验公式 。在该经验公式中，管道的损失与管道的长度、直径以及管道内部流体的流速有关。后续，亨利· 达西 （Henry Philibert Gaspard Darcy，1803-1858）对该公式进行了重要的改进，并引入了一个系数进行表述，被称之为 达西损失系数 。1845年，上述公式后续又经过朱利尔斯· 维斯巴赫 （Julius Weisbach，1806-1871）进一步完善了相关细节。在该公式中，达西损失系数又称为 沿程损失系数 ，其数值与多个变量有关，包括流体流动的雷诺数、管道的粗糙度等等。在达西公式发表后的一段时间里，因为 缺少 损失系数数据，达西公式相比普罗尼公式只是在一些具体的例子上略胜一筹，优势并未充分地发挥出来。后来，很多更为精细但使用区间较窄的公式也陆续被发现并在一定范围内被应用，比如哈森-威廉姆公式（Hazen–Williams equation）以及曼宁公式（Manning equation）。后续，随着实验技术的兴起， 尼古拉兹和莫迪先后详细地测量了各类管道的达西损失系数，使得达西-维斯巴赫公式的优势得以充分发挥 ，并形成了今天在流体力学教科书中广泛引用的管道阻力计算公式。 下面我们结合管道流动介绍一下欧拉数的物理意义及定义 。当有损失存在时，管道内部流体的能量损失会随着流动的行进不断地累积，从而导致流体的压力逐步 下降 。在工程上，经常用水头损失来表述上述能量损失，其定义式为管道入口与出口间压力的差值除以流体的密度再除以重力加速度。按照达西-维斯巴赫公式，上述水头损失等于以下三项的乘积：达西损失系数、管道长度除以管道的直径、管道内流体的平均流速除以2再除以重力加速度。如果将上述公式无量纲化，我们便可以得到欧拉数， 其定义式为入口与出口间的压力差除以流体的密度再除以流体平均流速的平方 。欧拉数反映了压差力与惯性力的比值。 这里，我们有必要介绍一下流体力学及数学、物理等各个学科中经常出现的科学家欧拉。我们中学时经常用到的 自然底数 （数值约为2.718281828）又被称为欧拉数。众所众知，在复变函数中， 欧拉公式 是非常重要的一个公式，它极致地体现了数学之美！ 因为欧拉的科学贡献实在太多，如果全部用欧拉的名字命名会导致大量的误解和使用不便 。为了解决上述问题，科学界有一个约定俗称的规定，一般以欧拉之后研究该问题取得显著进展的第一位学者进行该公式的命名。由此可见，欧拉强大的学术影响力和贡献。例如，流体力学中描述流体运动通常有两种方法，一个是 欧拉表述 ，采取从固定的区域观察流体的运动，另一个被称为 拉格朗日 （Joseph-Louis Lagrange，1736-1813）表述，采取跟随流体质点运动的视角描述流动现象。但实际上， 正如朗道和栗弗席兹合著的理论物理学教程第六卷《流体动力学》（第五版）中译本第6页的脚注2中所说，利用拉格朗日变量描述的流体运动学方程实际上早期也是由欧拉得到的 。 在本期中，结合流体力学常用概念，笔者简要介绍几个以欧拉名字命名的重要方程和概念。 1. 流体平衡的欧拉微分方程。 该方程描述了流体处于静止状态下的压强梯度和流体所受到的力之间需要满足的微分关系式。通过该方程可以得到帕斯卡原理以及流体静压强公式等等。 2. 欧拉动力学微分方程。 该方程描述了理想流体（即粘度为 0 的流体，又被称为无粘流体）的受力、压力梯度与流体的运动加速度之间的微分关系式。 3. 欧拉积分。 当理想正压流体（满足流体的压力只是流体密度函数的流体）在有势质量力（例如，重力）作用下做无旋定常流动时，该方程展示了流体的质量力位势能、压强势能、动能之和在全流场中保持不变，并且可以互相进行转换。

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本科生科研指南（46）：无量纲数之弗劳德数

upflyzhang 2020-5-29 08:38

本科生科研指南（46）：无量纲数之弗劳德数 张宇宁 华北电力大学（北京） 2019 年12月17日下午， 山东号航空母舰 在 海南三亚的军港正式交付我国海军，这标志着我国向海军强国又迈出了重要一步。山东舰可谓是一个 庞然大物 ，长315米，宽75米，满载排水量约为7万吨，吃水深度约为11米。相信同学们都很好奇这样一个巨型军舰的具体建造过程以及其所依据的原理。本期，我们重点围绕无量纲数 弗劳德数 及模型水池的概念对相关的流体力学原理进行简要的介绍。 图一 山东号航空母舰（注一） 19 世纪，船舶工业蓬勃发展，需求量巨大。但由于真实的船舶尺寸极其巨大， 如何有效地在早期的设计阶段进行详细的实验研究和优化设计是摆在船舶工业界面前的重要科学问题 。1861年，英国工程师威廉姆· 弗劳德 发表了一篇论文，探讨了采用按照真实船舶 等比例缩小 的模型船体进行试验研究的可能性，并依据此推测真实船舶的各种重要指标。该论文中，他还提出了一个在模型船舶和真实船舶间进行重要参数换算的公式，也就是后续以他的名字命名的 无量纲准则数 。为了验证该理论，他自己建造了3个分别为3、6和12英尺的 模型船舶 ，并在水池中对其进行了详细的实验，并依据这些测得的数据预测真实船舶的各项重要指标。上述论文发表后，获得了广泛的认可，极大地促进了船舶工业的发展以及模型水池的建设。在此过程中，海军造船师Ferdinand Reech也对该理论的形成有一定的贡献。随后，世界上第一个 模型水池 便在英格兰西南部原德文郡南部城市托基（注二）建造。弗劳德的工作为船舶工业提供了重要的理论基础，影响深远。除此以外，在水射流驱动领域，也有以弗劳德名字命名的物理量，被称为“弗劳德推进效率”，用于衡量输出功率和输入功率的比值。 图二 威廉姆·弗劳德（注三） 现在，我们来具体的探讨一下弗劳德数的 物理意义 和定义式。具体而言，弗劳德数表征了 惯性力 与物体所受到的 重力 的比值，其定义式为运动物体的特征速度与重力加速度乘以物体的特征长度后开二次根号的比值。围绕具体的问题和研究对象，弗劳德数中相关变量的选取举例如下。 应用案例一 ：对于 船舶 ，特征速度一般取为船舶与海水的相对速度，特征长度一般取为船舶的长度。 应用案例二 ：对于 潮汐波 以及其他一些浅水波现象，特征速度一般取为波的运动速度，特征长度一般取为深度。另外，可以依据弗劳德数的大小进行流动状态的划分。弗劳德数小于1的流动称为亚临界流动，而弗劳德数大于1的流动称为超临界流动。 应用案例三 ：对于 旋转搅拌 过程，由于速度等于旋转角速度乘以特征半径，因此弗劳德数可以进一步定义为旋转角速度乘以根号下的特征半径除以重力加速度。 应用案例四 ：对于 分层流动 或者不同密度流体的流动（例如，冷水与热水相混合的流动），重力加速度项应进行适当修正，应将其乘以两种流体间的密度差并除以典型流体的密度。 应用案例五 ：对于在 其他星球 发生的流动，需要采用该星球的重力加速度。 应用案例六 ：在 生物学 领域，羊等哺乳动物腿部移动过程中的动力学行为研究也可以采用弗劳德数进行，其反映了离心力与重力的比值。对于该问题中特征长度的选取，不同的研究议题的选择有可能不同，有的研究人员只计算羊腿关节以下的长度，而有的研究人员则采用整个腿的长度。 2020 年，我国即将进行 火星探测器 的发射。火星表面的重力是地球表面重力的 0.38 （注四）。因此，火星上的物体所受到的重力比地球要小。同样的特征速度和特征长度下，火星上的弗劳德数 较大 ，这些知识对于火星探测器在火星表面成功着陆非常重要。 从弗劳德数的故事中，同学们可以体会到 数学物理基础 的重要性。弗劳德的第一份工作是在铁路公司做测量师，并在1837年至1844年间负责建造了英国布里斯托到埃克塞特间 的 部分 铁路。在此过程中，通过丰富的工程实践，他很熟练地掌握了铁路建设中的重要设计准则以及经验方法，并在此基础上进行了创新，改进了拱形桥和交叉点的设计。后来，弗劳德的兴趣在英国知名工程师布鲁奈尔的引导下逐渐转向船舶建造和设计领域，并在后来取得了很大的成就。从铁路、桥梁界到造船界，弗劳德的跨度可谓很大，但他却能够很好地转型成功并成果丰硕。究其原因，很可能与其优秀的数学和物理基础有关。而打好数学物理基础的最佳时期正是青年时期，也就是 大学本科 这个阶段。另外，对于一些交叉领域的研究（例如上文中提到的关于羊腿部运动的动力学行为的研究），实际上从数学物理角度而言，很多内容是可以与流体力学中所学到的知识进行相互借鉴的。 注释部分 注一：该图片引自新华网的报道。 新闻标题：新华社记者带你走近山东舰 新闻链接： http://www.xinhuanet.com/photo/2019-12/27/c_1125396643_3.htm 注二：1968年该城市已与托贝合并。 注三：该图片引自wikimedia。 链接： https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Williams_Froude.jpeg 注四：该数字引自以下文献。 《DK儿童太空百科全书》，第129页

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本科生科研指南（45）：无量纲数之雷诺数

热度 1 upflyzhang 2020-5-22 10:28

本科生科研指南（45）：无量纲数之雷诺数 张宇宁 华北电力大学（北京） 为了方便同学们更为深刻地理解无量纲数的 本质特征 ，从本期开始，笔者选取若干常用的无量纲数进行详细地介绍，包括无量数的定义、物理意义、重要参数选取、常见数值范围、实际应用范例等等。 从无量纲数的构造方法而言， 流体力学中的无量纲数一般将惯性力与流体受到的力进行比较而得到 。根据力形成的物理机制不同（例如，重力、粘性力、压差力、表面张力等等），我们便可以得到各种各样的无量纲数(详见： 本科生科研指南（43）：无量纲数构造方法 )。雷诺数的构造方法也是基于上述原理，其表征了惯性力与粘性力的比值，定义式为流体的密度乘以特征速度再乘以特征长度然后除以流体的 动力粘度 。因流体的运动粘度等于其动力粘度除以密度，所以雷诺数也可以表述为特征速度乘以特征长度除以流体的 运动粘度 。在雷诺数的表达式中，特征速度一般选取为来流的平均速度，动力粘度则与流体本身的物理性质有关。 值得一提的是，虽然雷诺数是以奥斯本·雷诺（Osborne Reynolds）的名字命名，但实际上 该无量纲的命名反映了一代流体科学家对流体力学发展的贡献 。雷诺数早期的思想在1851年便被乔治·斯托克斯（George Stokes）提出，后来1883年雷诺发表了较为系统的研究管内流动现象及其阻力的论文（注一），并将雷诺数作为管内流动状态的判定准则。1908年，阿诺德·索末菲尔德（Arnold Sommerfeld）在国际数学家大会上发表的论文中采用“ 雷诺数 ”的名字（注二），并后续被相关学者使用。 物理意义而言，雷诺数反映了惯性力与粘性力比值的大小 。当雷诺数较小时，惯性力起主要作用，流体的流动较为有序（即 层流流动 ）。当雷诺数较大时，粘性力起主要作用，流体的流动则较为混乱和无序（即湍流或者 紊流流动 ）。下面我们以管道内部的流动为例，对雷诺数的概念进行简要说明。当流动的流速较低时，其流动状态为层流。随着流速的逐渐增加，雷诺数逐渐增大，流动状态逐步由层流过渡到湍流。值得一提的是，在上述转变的过程中，流动状态存在一个过渡区，在该区域流体的流动状态通常难以明确判定。当流动转变为典型的紊流之时，此时的雷诺数便是 上临界雷诺数 （对于圆管，大概为13800）。类似地，当流动从速度较大逐渐降低时，当流体从紊流转变为显著的层流时，其对应的雷诺数称之为 下临界雷诺数 （对于圆管，大概为2320）。之所以存在上、下两个临界雷诺数，其根本原因是由于过渡区的存在。在过渡区内，即使流动可以保持在层流状态，但该流动会极 不稳定 ，对于外界的微小扰动很敏感，容易转变到紊流状态。在工程上， 一般采用下临界雷诺数作为流动状态是层流还是紊乱的判据 。类似地，当流体绕过圆柱流动时，也可以采用雷诺数作为层流到紊流转变的判据。当雷诺数较小时，流动处于层流状态，流体绕过圆柱后仍然保持非常有序的流动，其流动具有很好的轴对称性。当雷诺数较大时，流体逐渐在圆柱后部发生流动分离现象，并会进一步在圆柱后部产生涡旋运动。随着雷诺数的进一步增加，流动的对称性被极大地破坏，并产生两个交替出现的涡街（称为“卡门涡街”）。当固体（例如，大桥）的固有频率与上述卡门涡街的频率接近时，固体会产生强烈的共振效应，振幅显著，甚至于造成坍塌等严重事故（详见： 本科生科研指南（25）：卡门涡街 ）。 值得注意的是， 当流动现象存在上、下两个无量纲数时，应该选取哪个作为流动状态转变的判据需要根据所要研究的现象确定 。例如，在飞机超声速现象早期的研究中（详见： 本科生科研指南（26）：突破声障 ），工程界起初采用下临界马赫数对该现象进行了系统地研究，结果发现当流动的马赫数大于此数值时，飞机未必会遇到声障，因此下临界马赫数对指导工程实践存在很多的弊端。后来， 我国著名科学家郭永怀先生严格地从数学上证明了当飞机的马赫数超过下临界马赫数时仍然存在稳定解 ，并不一定会遇到声障，并依据此提出了采用了上临界马赫数作为超声速研究的判据，后续受到广泛的关注和认可。 在雷诺数中， 特征长度 的选取非常重要。下面我们以几种常见的流动为例展示特征长度的选取极其依据。 1. 圆柱绕流。特征长度一般选为圆柱的直径。 2. 管内流动。对于圆形的管道，特征长度一般选为管道的直径。 3. 平板绕流。特征长度一般选为平板的长度。 4. 球形物体绕流。特征长度一般选为球体的直径。 5. 气泡振荡。因为气泡的直径在振荡过程中会处于 动态变化 之中，因此不适合作为特征长度。一般而言，气泡振荡过程中的 最大直径 通常是较为稳定的，因此一般采用气泡的最大直径作为特征长度计算雷诺数。 部分情况下，流体可能并未充满整个流动的通道（例如管道）。另外，还有很多的工程应用涉及到复杂的、非圆形截面的管道或者管束。为了方便对这些情形进行计算，在流体力学中引入了 水力半径 的概念，其定义为流体过流部分的截面积除以被流体浸润的边壁长度（又称为“湿周”）。而水力直径（又称为 当量直径 ）则等于4倍的水力半径。在计算雷诺数时，特征长度选取为当量直径即可。由此可见， 雷诺数对于处理复杂的管道流动问题具有重要的理论指导意义 ！想象一下，为了测量各类管道的阻力损失，18世纪的工程师要做多少繁重的劳动并对各类管道进行逐一实验。而采用基于雷诺数的表述方法，不但流动的物理机制更为清晰，而且所涉及的工作量也会大幅度地减少。 最后，我们简单列举常见流动的雷诺数量级（按照数值排序），供同学们参考。 1. 细菌的流动：0.0001。 2. 游动的 纤毛虫 ：0.1。 3. 极小的鱼：1。 4. 大脑中的血流：100。 5. 游泳运动员：4 × 10 6 。 6. 海豚：4 × 10 8 。 7. 大型舰船：5 × 10 9 。 8. 热带气旋：1 × 10 12 。 值得一提的是， 海豚游泳的速度如此之快，以至于其身体表面出现极低的低压区，并进一步产生空化泡，所产生的剧烈破坏作用促使它需要停下来 （详见： 趣说空泡（8）：为什么海豚不能游太快？ ）。 注释部分 注一： 奥斯本·雷诺于1883年发表的论文的详细信息和下载地址如下： Reynolds, Osborne (1883). An experimental investigation of the circumstances which determine whether the motion of water shall be direct or sinuous, and of the law of resistance in parallel channels. Philosophical Transactions of the Royal Society. 174: 935–982. doi:10.1098/rstl.1883.0029. 下载地址： https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rstl.1883.0029 注二：阿诺德·索末菲尔德（Arnold Sommerfeld）1908年在国际数学家大会上发表有关雷诺数论文的详细信息和下载地址如下： Sommerfeld, Arnold (1908). Ein Beitrag zur hydrodynamischen Erkläerung der turbulenten Flüssigkeitsbewegüngen (A Contribution to Hydrodynamic Explanation of Turbulent Fluid Motions). International Congress of Mathematicians. 3: 116–124 下载地址： https://web.archive.org/web/20161115133937/http://www.mathunion.org/ICM/ICM1908.3/Main/icm1908.3.0116.0124.ocr.pdf

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本科生科研指南（44）：量纲分析

热度 2 upflyzhang 2020-5-15 07:53

本科生科研指南（44）：量纲分析 张宇宁 华北电力大学（北京） 对于一些复杂的物理问题，同学们可以先用 量纲分析 对影响该现象物理本质的核心无量纲数进行推导，以方便后续进行更为细致的实验和理论研究。简而言之， 量纲分析通过对物理过程中所涉及到的各个物理量的量纲进行分析，根据物理方程量纲一致性原理确定该物理过程所涉及的无量纲数 ，并进一步指导后续实验和深入研究。本期，笔者借助两个 司空见惯 的例子向同学们介绍一下量纲分析的物理本质。 首先，我们介绍一下量纲分析所依据的 白金汉π定理 。对于一个含有n个物理量的过程，当其含有m个基本量纲时，该定理显示该过程由n-m个无量纲数主导。例如，流体经过管道的过程中的压强降低的幅度与管道长度、管道内径、绝对粗糙度、平均流速、流体的密度和流体的动力粘度有关。那么该物理过程共有 7 个 物理量， 3 个 基本量纲（时间、长度、质量），因此，我们便可以得到 4 个 无量纲数。如果我们前期的猜想是准确的，那么该物理过程便只与这4个无量纲数有关，而这4个无量纲数可以从上述7个物理量中适当地选取若干个物理量进行乘法和除法来表述。需要注意的是， 该物理过程具体的表达式以及所涉及到的系数从上述定理中无从得知 ，我们需要进一步结合实验研究进行确定。 接下来，我们看一个 小车在路面上行驶的例子 。假设小车是匀速直线行驶，则小车在一定时间内所行驶的距离与时间、小车车速这两个参量有关。很多同学可能感觉这道题似乎较为简单，但实际上正是透过这样一个简单的例子我们方能深入的理解上述白金汉π定理的原理。那依据上述定理，该物理过程有3个物理量，2个基本量纲（时间、长度），因此可以得到 1 个 无量纲数。大部分同学立刻都想到了可以用距离除以时间和车速作为无量纲参数。得到这个无量纲参数后，我们便开始寻找该物理过程的具体表达式。 如果不进行量纲分析，假设每个参量要做10组实验方能确定其影响的话，那么2个物理量便是100组实验 ，工作量颇大。但经过量纲分析之后，我们现在只需要对1个物理量进行10组实验就可以了，一个下午便可以轻松完成了。经过多次实验之后，发现这个无量纲参数非常稳定 地 在1的附近波动，因此我们便得到了该物理过程的具体表达式。 现在，我们加大一点难度，开始 考虑一个小球和细绳组成的单摆在小振幅下的振荡周期问题 。我们猜想这个物理过程中所涉及的 振荡周期可能和小球的质量、单摆的绳子长度和重力加速度等物理量有关 。那么，一共有4个物理量，有3个基本量纲（时间、长度、质量），因此便可以得到 1 个 无量纲数。最后，我们可以用单摆的周期与绳子长度除以重力加速度开二次根号的比值作为无量纲数。这时候，我们便可以开始实验工作了。部分同学可能受上一个实验的影响，感觉这次应该还是在1附近。实验结果出来了！令人惊讶的是，上述无量纲数在 6.28 附近波动。这是怎么回事？原来6.28正好等于 2 π 。因此我们便得到了中学物理中所讲授的单摆振荡周期公式。这时，细心的同学可能发现， 振荡周期跟我们起初设想的单摆质量这个参数并没有关系 。事实证明，我们初期的猜想是 错误 的。但为什么我们却又得到了正确的结果呢？因为小球质量的引入在增加了一个变量的同时，也增加了一个基本量纲（质量），因此并没有改变无量纲数的个数，所以对结果没有影响。但如果我们将上述小球的质量替换为小球的半径，则无量纲数变为了 2 个 。针对另一个与小球半径相关 的无量纲数，我们费了很多力气做完实验后才发现与此现象无关，白费功夫。因此， 在进行量纲分析之前，我们对物理过程所涉及到的变量要有清晰的认识，避免因疏漏导致错误的结果 。 综上所述，量纲分析给本科生的科学研究提供了一个强大的理论工具，将其熟练地加以科学运用，很多复杂的科学问题便可迎刃而解。

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向Lotfi Zadeh院士学习四种创新思维

热度 1 dwchen 2020-5-8 14:58

向 Lotfi Zadeh 院士学习四种创新思维 首先让我首先简单介绍一下 Lotfi Zadeh 教授。 Lotfi Zadeh （ 1921-2017 ），美国工程院院士，美国加州大学伯克利分校计算机系终身教授，模糊逻辑之父，世界著名的人工智能专家， 是 IEEE, AAAS, ACM, AAAI 等国际学会的 Fellow和 多个国家的外籍院士。 Zadeh 教授共以第一作者或者唯一作者发表论文论著 200 篇以上，总引用约为 15 万次，每年还在持续增加中。 Zadeh 教授 入 选 IEEE 在 2011 年评选的人工智能名人堂（ AI Hall of Fame ）第一批 10 人组，与很多人工智能的创始人 、 图灵奖和诺贝尔奖获得者并列，也是我 2009 年在美国 UC Berkeley（加州大学伯克利分校） 访问的导师。 我与 Zadeh 教授在伯克利相处了 1 年多。虽然他已 88 高龄，退休多年， 每个工作日几乎都坚持上班，每周组织我们开圆桌研讨会（ Roundtable Discussion ），每学期给伯克利的师生做 1-2 次公开大报告 (Open Presentation) 。 Zadeh 的一生是创新的一生，以创新为乐，才思泉涌，绵延不绝。通过他的言传身教，我认为，从他的身上我们可以学习四种创新思维。 1. 模糊集（ Fuzzy Set ） 的逆向思维 在经典集合论中，一个元素要不属于一个集合，要不不属于，隶属度非 0 即 1 ，是个离散变量。 Zadeh 先生发现在人类的一些经验和感知的语言表述中，存在模糊现象（比如年轻人，美女，很热等等），很难分得很特别清楚。从经典集合进行逆向思维，他就创造出模糊集合（ Fuzzy Set ）的概念。在模糊集中，隶属度在 之间， 是个连续变量。 这个逆向思维产生的想法（ Idea）像 一粒小小的荠菜种，在 Zadeh 教授几十年的精心培育下，逐渐茁壮成长为模糊系统的参天大树，包括模糊集合，模糊规则，模糊推理，模糊合成，解模糊，模糊控制等等。这篇在 1965 年发表的原创论文，至今被引用了 8 万次以上，可谓百年难遇。由此也产生了很多国际期刊，比如 IEEE Trans. on Fuzzy Systems, Fuzzy Set and Systems 等 20 多个以Fuzzy为标题的国际著名期刊。 2. 软计算（ Soft Computing ）的集成思维 90 年代初，各种智能算法的研究百花齐放，如模糊逻辑、神经网络、概论推理，遗传算法、混沌理论等。 Zadeh 经过多年的认真思考和反复琢磨，提炼了这些方法的共同点：对不确定、不精确及不完全真值的容错。然后，提出了一个新的理论叫软计算（ Soft Computing ），将已这些神似而形不似的相关理论都集成起来，有了统一的旗帜。 Zadeh 教授在 20 世纪 90 年代初，率先在伯克利成立了世界上第一个软计算研究中心（ Berkeley Initiative in Soft Computing ， BISC ），成为世界软计算研究的发源地和中心。据说最辉煌的时候，有上百名来自世界各国的研究人员和访问学者在此交流访问。国际上，也随后出来了很多以软计算命名的著名期刊，如 Soft Computing ， Applied Soft Computing 等 10 多个国际期刊。 软计算其实不软，计算速度快，计算效率高，计算效果好。 3. 不确定性一般理论（ General Theory of Uncertainty ， GTU ） 的统一思维 自从模糊理论被提出，一直被传统的概率论专家所否定。他们坚持认为：凡是能用模糊解决的问题，概率论均可以解决，甚至解决得更好。 Zadeh 教授曾经写了很多论文解释这二者之间的不同，以及模糊逻辑的重要性和对概率的互补性。但是，概率论是一个有几百年历史的经典学科，广大研究者都形成了自己的思路，是很难改变的。 到了晚年，大约在 80 岁之后， Zadeh 先生工作的重点就是将这两者统一起来，他称之为不确定性的一般理论 GTU 。我在伯克利听过 2 次他的公开报告，就是介绍他关于 GTU 的思考和一些理论推导。这个问题太大，如同爱因斯坦的“统一场论”， Zadeh 先生也仅仅开了一个头，实在没有精力完成它，希望后继有人能完成这个伟大而艰巨的任务。 4. 可解释性人工智能 (Explainable AI，EAI) 的前瞻思维 2009 年，深度神经网络（ DNN ）快速崛起，很多人工智能的科研人员纷纷转向 DNN 研究及其应用。我在伯克利访问期间，也看到很多教授和研究生转向 DNN ，就去问 Zadeh 教授，这是否是未来的发展方向。 Zadeh 告诉我， we will discuss it in our roundtable discussion( 我们将在我们的圆桌讨论会上讨论 ). Zadeh 教授不仅没有跟风，而且持续召开多次“ Interpretability VS Accuracy （可解释性 VS 精度”）研讨会，指出神经网络虽然精度高，但是可解释性差，号召我们研究面向复杂系统的高精度而且可解释性强的新型智能算法。我有幸亲自参与了这些研讨会， 对 Zadeh 的前瞻性思维记忆犹新，对Zadeh的亲自上白板演算历历在目。 5. 总结 今年 4 月初，我国国家自然科学基金委员会（NSFC)发布原创探索项目 - 面向复杂对象的人工智能理论基础研究项目指南，提出“聚焦人工智能可解释性问题 ” ，直指“基于深度神经网络的人工智能具有不可解释性”，鼓励我国学者提出新的人工智能基础理论，方法和应用。 谨以此文纪念和蔼可亲的 Zadeh 先生，创新不断的 Zadeh 教授，提携后进的 Zadeh 院士。希望我们能在先生的指引下，发扬光大模糊理论和软计算理论，努力完成先生未竟的 GTU 和 EAI 。 作者简介：陈德旺，IEEE高级会员， IEEE Trans.on ITS 编委， 中国自动化学会混合智能专委会副主任，中国运筹学会智能计算分会副理事长，美国加州大学伯克利分校访问学者， 福州大学数学与计算机科学学院教授、博士生导师，主要研究方向包括人工智能、大数据和智能交通。至今发表论文120余篇，其中SCI检索论文40余篇，IEEE Transaction论文13篇，他引3000余次 ；获得各类科研奖励10多项。

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本科生科研指南（43）：无量纲数构造方法

upflyzhang 2020-5-8 07:49

本科生科研指南（43）：无量纲数构造方法 张宇宁 华北电力大学（北京） 针对一个具体的物理问题， 本科生通过深入的分析获得掌控该现象的核心无量纲数是取得研究进展的关键 。在科学研究的过程中，本科生可以尝试通过定义若干个必要的无量纲数，使得我们对于物理问题的认识和分析上升到一个新的层次。无量纲数的引入不但对于当前问题的分析和求解大有裨益，而且后续 当 本科生 研究类似的问题时也会受益良多。本期，笔者重点谈一下本科生在科学研究过程中经常会用到的无量纲数的构造方法及其原理。 首先， 本科生可以尝试将拟研究的物理量与特征物理量相联系 。例如，在由弹簧和小铁块组成的简谐振荡系统中，同学们需要研究的物理量是铁块的 瞬时位置 。该参数是此现象的核心参数，其与铁块受到的弹簧弹性力及其引起的加速度之间存在着密切的联系。为了方便起见，我们这里先忽略摩擦力的影响。在初始时刻，我们把小铁块拉离位置一定距离后释放，小铁块便在上述释放的位置、平衡位置以及另一侧的对称位置间做往复的摆动。从无量纲的参数构造而言，首先我们可以将铁块的瞬时位置减去弹簧的平衡位置得到其振幅，然后再将此数除以铁块的最大振幅（也就是我们的铁块初始释放的位置），这样我们便得到了表征铁块瞬时运动位置的 无量纲参数 。与以前不同的是， 对于任何一个类似的系统，无量纲位置参数等于零均是代表平衡位置，其等于1均是代表最大振幅 。因此，通过定义无量纲位置参数，我们把需要用瞬时位置坐标、平衡位置坐标、最大振幅3个参数来描述的问题变成了用1个无量纲参数来描述，方程更为简单。与此同时，同学们对相关物理概念的理解以及所获得的解的通用性均会大大增强。由此可见，在科学研究的过程中，无量纲参数的合理构造是非常重要的。通过无量纲数的定义，我们完全可以将在弹簧和铁块中获得的研究成果应用到单摆、振荡电路等等领域，因为这些现象背后的基本方程是非常类似的。 类似的无量纲数构造方法在很多其他的科学研究工作中也是非常常见的 。例如，在研究声场中气泡的振荡过程时，为了衡量小气泡周围的压力分布 是否均匀 ，可以采用气泡的初始半径除以声波在液体中的波长定义无量纲参数。若此无量纲参数较小，则说明气泡周围的声场变化较小，可以将其近似看成是变化的均匀压力场。反之，若此无量纲参数较大，则说明气泡的周围声场变化较为剧烈，需要考虑其声场的非均匀效应。在研究空化对材料表面破坏的分析中，学者们通过引入汽泡中心到壁面的距离除以最大汽泡半径这一无量纲参数将典型的物理现象进行有效地划分，取得了很好的效果。由此可见， 通过引入这些简单的无量纲参数便可以非常方便地、有针对性地开展研究 。 其次， 本科生可以尝试将不同机制进行比较获得无量纲参数 。为了方便比较不同机制的贡献，可以尝试分析由其比值定义的无量纲数的大小，并依据此进行判断。对于传质的研究，上述过程通常采用 舍伍德数 进行，它表征了对流传质与扩散传质两种机制的比值，该无量纲数的命名主要是为了纪念化学工程家Thomas Kilgore Sherwood的贡献。 另外一个经常用到的类似的无量纲数是 品质因子 （Q factor）。在简谐振荡中，品质因子表征的是系统中的总能量与每个振荡周期中系统内的能量耗散之间的关系。通过定义这个无量纲数，同学们便可以较为清晰的理解该系统内的能量耗散情况以及其振荡曲线等等。 最后， 本科生可以系统地学习一下某一个学科内的无量纲数构造体系 。例如在流体力学的相关研究中，同学们需要重点关注运动与受力之间的关系。在对流体进行受力分析之后，我们便得到了各个力的矢量合成所形成的三角形，并最终确定了外力之和及其方向。根据牛顿第二定律，上述外力决定了流体的运动加速度等等。在流体的研究中，为了方便表述，一般将质量和加速度的乘积称为 惯性力 。那么，我们只需要将各种力的形成机制与惯性力之间做比值，便可以得到各种各样的无量纲数，诸如雷诺数、弗劳德数、欧拉数等等。这些无量纲数表征了在相关流动中，该力在流体的宏观运动中所起的作用大小。当然，我们也可以将上述无量纲数之间继续进行比值，从而得到新的具有重要物理意义的无量纲数。比如，将表征惯性力与表面张力比值的韦伯数与表征惯性力与粘性力比值的雷诺数之间再做比值，我们便得到了 毛细数 ，它表征了粘性力与表面张力之间的比值。 综上所述，同学们需要在开展研究之前先系统地学习一下无量纲数的构造技巧及其物理含义，后续便可以有效地将复杂物理现象进行简化并深入分析。

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本科生科研指南（42）：无量纲数

热度 1 upflyzhang 2020-5-1 14:13

本科生科研指南（42）：无量纲数 张宇宁 华北电力大学（北京） 对于无量纲的数字，在我们的日常生活中实际上非常之多 。比如，我们平时经常说的 角度 便是一个无量纲的数字，其他的例子包括 圆周率 、黄金分割率和自然常数等等。在科学研究中，为了更为深刻地揭示相关科学规律，也需要定义诸多的无量纲数以 方便 后续的研究和分析。另外，无量纲数的引入还有利于 减少 科学研究中所涉及的变量，有效地对研究所涉及的核心内容进行梳理。本期，结合近些年来的教学和科研工作，笔者和同学们一起探讨无量纲数的奥秘。 首先， 无量纲数的引入可以极大地方便使用 。在科学研究的过程中，所涉及到的很多变量有时候会很大或者很小。 如果我们全部用它们有量纲的绝对量来表述，会带来很多的不便 。比如，一个分子的质量与我们通常所接触到宏观物体的质量相比非常之小。在我们学习化学的过程中，如果每次分子的质量均用其绝对的质量来表述的话，不但学生基本上很难记住，而且也非常的没有必要。因此，国际上，对物质的原子和分子质量的表述便采用了 相对原子和分子质量 的概念进行，以碳12原子的十二分之一作为基本单位，将其他物质的原子、分子等等与其进行比值得到相对原子和分子质量。例如，按照此定义，碳原子质量为12，氢原子为1，氧原子为16。那么，由上述原子组成的各类分子的质量便可以很快计算出来。比如，氧气有2个氧原子，其分子量为32；二氧化碳有1个碳原子和2个氧原子，其分子量为44；甲烷有1个碳原子和4个氢原子，其分子量为16。由此可见， 通过定义相对原子和分子质量等无量纲数，中学生对于化学的学习便会非常的方便 。 对于物质的密度，同学们都很熟悉。但在很多特殊的场合，为了方便起见，经常会用到相对密度的概念。例如，在 消防行业 中，当密度低于水的物质发生火灾时，如果用水对火灾进行扑灭，该物质因为浮力会浮在水面上，对救火极为不利。所以，消防行业通常使用物质与特定温度下水的密度之比来表征密度，并有针对性地制定相应的消防对策。同样的道理， 通风口的设置也要充分考虑危险气体与空气的密度之比，相关措施的制定也是运用了相对密度的概念 。密度低于空气的，通风口设置在上方，而密度高于空气的，通风口应设置在下方。 石油行业也有类似的相对密度的概念，主要是因为石油的密度随着温度的变化较为显著 。因此，我国石油工业将油品在20℃时的密度定义为标准密度，其他温度下的密度可以采用相对密度进行度量，使用起来很方便。 其次， 无量纲数经过数学运算以后仍然是无量纲数 。如果对无量纲数进行数学运算，所得到的新的数 仍然 是无量纲的。比如，将一个无量纲数加上另一个无量纲数其结果仍然是无量纲数。类似地，其他数学运算也不改变无量纲数的量纲特性，包括减法、乘法、除法、幂指数、开根号等等。例如，我们把上述的相对密度取一个倒数，便可以得到一个新的无量纲数。值得一提的是，当两个无量纲数相乘时可以产生一个新的无量纲数，但是在很多情况下，该新无量纲数的价值会大打折扣。例如，流体物理中，一般用雷诺数反映流体中惯性力与粘性力的比值，用欧拉数反映压差产生的力与惯性力的比值。如果同学们在学习流体力学的过程中，将雷诺数和欧拉数相乘得到的一个新的无量纲数，它的物理意义是压差产生的力与粘性力的比值。但实际而言，对于一个流动，如果主导该流体流动的物理机制已经完全可以用雷诺数和欧拉数表述，一般不再引入其他的无量纲数。一个特例是毛细数，其表征的是粘性力与表面张力之间的比值。 最后， 科学和工程上重要的无量纲数的选择应有科学依据 。根据上述数学运算，同学们便会发现对于同一个物理现象和目的，无量纲数的选择是 无穷 的。因此，无量纲数的定义必须要遵循一定的科学准则才能让其发挥作用。一般而言， 我们更为关注无量纲数本身的物理含义 。比如，上述消防行业，消防员对于相对密度小于1的流体，立刻便可以形成较为明确的救火对策。如果我们把上述相对密度重新定义，比如让其乘以2或者减去0.5，虽然肯定得到的数也是无量纲的，但失去了该无量纲数原本的物理意义。 无量纲数的定义应对减少科学问题中所涉及的变量个数有所帮助 。例如，对于给定管道中的流体流动，该流动现象涉及到管道直径、管内流速、以及流体的密度和动力粘度等多个物理量。通过引入 雷诺数 作为无量纲数，将上述变量统一考虑到雷诺数之中，极大地减少了该问题所涉及的变量，为后续科学研究和工程实验带来了诸多便利。 在无量纲数的使用过程中，另外的一个需要考虑的因素是约定俗成 。如果我们把上述相对密度做个倒数，比如将其定义为空气密度与仓库中存储气体的密度之比。那么，这时候，此无量纲数如果大于1表征气体密度小于空气，如果小于1表征气体密度大于空气，与已有的约定俗成的概念正好相反。从概念上看，似乎没什么问题，但实际使用上却会因与已经约定俗成的概念相违背，带来诸多不便和误解。如果这个“新概念”没有带来新的好处，后续便无法推广。 综上所述，无量纲数可以更为深刻地揭示事物的物理本质，并且起到方便研究、学习、使用等等诸多作用，同学们应该加以牢固掌握。

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本科生科研指南（41）：量纲基本

upflyzhang 2020-4-24 08:38

本科生科研指南（41）：量纲基本 张宇宁 华北电力大学（北京） 对于量纲同学们并不陌生，我们进行跑步等运动时记录的距离便是一种长度的量纲。除此以外，量纲实际上还有很多更为有趣的事实等待我们来发掘。例如， 所有基于物理原理得到的方程都满足量纲一致性 ，像我们中学所学的牛顿第二定律便是一例，其各个项的量纲是完全一致的。另外，经过一定的训练以后，同学们对一个尚未被深刻认知的现象可以先采用 量纲分析 进行简化和思考，方便后续有的放矢地进行研究。本期，笔者跟同学们一起聊一聊与量纲有关的一些基本概念。 首先，我们将量纲分为基本量纲和导出量纲 。因为导出量纲是由基本量纲进一步推导而得到，所以我们先重点讨论基本量纲。日常生活中，同学们常见的基本量纲有4个，分别是 时间、长度、质量、温度 。通过这四个基本量纲组合我们便可以得到各种各样的导出量纲。例如，用长度除以时间便得到了 速度 的量纲。在速度的量纲基础上再除以时间，我们便得到了 加速度 的量纲。类似地，我们还可以得到压强、功等物理量的量纲。之所以把后续的速度、加速度、压强等等的量纲称之为导出量纲是因为这些量纲都可以由以上4个基本量纲通过组合得到。基本量纲除了上述4个以外，还有用于衡量发光强度的坎德拉以及同学们中学所学的安培和摩尔等等。 其次，基本量纲的国际单位需要严格定义以统一度量 。 同一个量纲可以对应多个单位，其中最为重要的是该量纲所对应的国际单位。 在我国的古代，古人们用了很多有趣的方法定义时间。比如清华园位于二校门附近的草坪上有一个 日晷 ，古人便是利用其所显示的太阳当前所处的位置来定义一天中的时刻。再比如，看武侠电视剧，经常会看到侠客们用 一炷香 燃尽所需要的时间来进行后续行动的时间衡量。以1秒钟的定义为例，部分同学可能感觉可以直接用1天的长度来进行定义。因为1天有24个小时，每个小时有60分钟，每分钟又有60秒。这样而言，1秒应该是等于一天的86400分之一。但这样的定义会有一个 问题 ，1天的长度又该如何定义？从天文学角度而言，天这个单位并不是足够稳定的。 上述的定义中的误差对我们日常生活的影响甚小，但对于很多快速现象的科学研究便不适用了。 随着科技的进步，基本量纲的国际单位需要有一个更为严格、稳定不变的定义。实际上，几个世纪以来，秒的定义经历了多种的变化，直到近期的基于 原子钟 的定义。例如在1967年召开的第13届国际度量衡大会上，采用了基于铯133原子的“原子钟”对秒进行了精确的定义。因为铯133原子在其基态的两个特定能阶之间跃迁时，该原子所辐射出的电磁波周期非常稳定，用其 倍数 便可以精确地定义秒。原子钟形成以后，世界各国也建造了自己的原子钟并定期进行校对，从而保证各国时间上的 高度一致 。以上以秒为例，我们简要介绍了国际单位制的形成。 其他的量纲和单位的定义基本上与秒的发展历程和原理类似，不再赘述。 最后，为了使用方便，同一物理量各个类型的单位便应运而生 。仍以时间为例，对于研究非常 快速 或者非常 缓慢 的现象，用秒这个国际单位使用起来非常不方便，因此便定义了很多其他的单位。比如，1微秒等于秒的百万分之一，1纳秒等于秒的十亿分之一等等。而对于时间尺度较长的现象，我们可以用1兆秒来衡量，其等于1百万秒（约等于11.6天）。 值得一提的是，在科技和生产活动中，产生了很多约定俗成的单位 ，值得同学们注意。例如，压强的国际通用单位是帕斯卡，常见的其他单位包括用1atm代表一个标准大气压，1 bar代表10万帕斯卡。 而在工程上，常用“公斤”来衡量压强的大小 ，1公斤压强定义为每平方厘米上1千克物体所受到的重力所产生的压强。类似地， 在水力机械行业，通常用扬程、水头来表征机械的宏观做功或者发电性能 。例如，如果某灌溉泵的扬程是10米，其含义是可以将给定流量下的水从低处抽吸到10米的高处，类似的表述农民朋友们用起来非常直观、方便。由此可见， 单位的选用还要考虑到易于理解和方便使用等等的因素 。 综上所述，物理量的量纲和单位里面包含着很多学问，深入学习和领会是同学们掌握很多科学技术原理的重要前提和基础。

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本科生科研指南（40）：相似原理

热度 2 upflyzhang 2020-4-17 17:24

本科生科研指南（40）：相似原理 张宇宁 华北电力大学（北京） 在很多的科学研究领域中，经常会碰到非常大或者非常小的对象，其尺度与我们在实验室通常能够开展的实验研究尺度相差很大 。如何有效地针对这一类现象开展研究是一个重要的问题。比如，大型水电站在我国能源发展过程中起到至关重要的作用，其在正式建造之前需要进行很多细致的方案论证等工作，而这些工作通常都是在大学或者研究所的实验室中采用等比例的小尺度的模型进行的。本期，笔者和同学们一起探讨一下相似原理在处理上述问题过程中的重要作用和巨大魅力。 在很多实际的工程实践中，很多的研究对象的几何尺度是非常之大的 。比如，很多大型水电站的核心发电转动部件（简称“转轮”）的直径经常达到 10 米 左右。对于这样大的尺度，去了真正的工地以外，几乎没有实验室具备相关条件进行研究。另外，考虑到价格等因素，因其加工及原材料费用非常的高昂，实验室通常也没法承受相关费用。但是，从电站的建设角度而言，迫切需要在方案确定、工程正式开工前，对整体工程方案进行详细的、科学的论证。因为水电站的建设及运行的稳定关系到大量居民的生产生活用电的稳定供应以及防洪、灌溉等多项国计民生大事，水电站建设前的相关论证更加显得重要。 对于此类问题，“相似原理”便可以大显身手 。从本质上讲，当两个流动或者现象在满足相似条件时，其相对应的各个物理量之间存在一定的比例关系，简称 “相似原理”。当上述条件能够得到满足或者近似得到满足之时，我们便可以很方便地采用相似原理去解决实际问题。假设研究的对象是一个非常大尺度的物体，我们便可以在具体执行过程中将其结构等比例缩放为一个小尺度的物体，然后在实验室进行详细的研究。假设水电站转动部件的直径是10米，我们给它缩小 20 倍 ，转轮的直径便是 0.5 米 了，这个小部件在我们的很多实验室研究起来便绰绰有余。方便起见，我们将电站的真正运行的机组称为“ 原型 ”机组，而我们在实验室做的小尺度模型称为“ 模型 ”机组。研究完成后，我们便获得了大量、宝贵的机组特性数据。这时候，我们需要根据流体力学中若干重要的基本原理将所得到的实验数据 换算 为原型机组的实际工程上非常关心的各类数据，从而为工程的可行性验证提供强有力的数据支持。 对于小尺度的物体，我们也可以用类似的方法进行 。与上述不同的是，我们需要将小尺度的物体进行一定比例的 放大 ，从而方便加工、观察和实验。人体的鼻腔存在很多精细的结构，分为上、中、下鼻甲等多个组成部分。当鼻腔及其下游的咽喉等部位发生一定的病变时，人体就会出现很多的症状，例如 阻塞性睡眠呼吸障碍综合症 （注一）等等，对人们的日常生活和休息造成很多负面影响，迫待解决。对于鼻腔这样一个精细的小部件，如果直接研究会非常的不方便。因此，很多学者便采用了一个按照等比例放大10-20倍左右的模型对上述鼻腔内的流动进行研究。经过这样的放大后，很多鼻腔内部流动现象的研究便可以顺利的开展了。 去了上述研究极大、极小的物体以外， 即使两个流动的几何尺度非常接近，相似原理也大有用武之地 。在相似原理被发现以前，管道工程师基本上是依赖已有的实验数据进行相关的工程实践。其缺点是，当所要建设的管道与已经积累的管道数据的尺寸等关键参数不相符时，便要 重新 进行实验工作。而影响管道流动的因素 非常之多 ，其工作量异常繁琐。举个例子，对于工程上比较关心的流体流过管道时的 阻力 这样一个简单问题，该现象与管道的直径、长度、截面形状以及管道中流体的粘度、流体速度和流动状态等等参数密切相关，实验工作量之大可想而知。基于相似原理，从物理本质上，可以将影响管道内部流动现象的重要因素归结为 2-3 个重要的由多个变量组成的、具有明确物理意义的、 无量纲 的参数，从而不但能够更为深刻地认识到流动的本质，而且极大地简化了所需要开展的实验工作，可谓是居功至伟。 在相似原理的学习中，本科生要注意以下几点。 1. 适用条件。 应用相似原理的重要前提是拟研究的两个流动需要满足相关的相似 判定准则 ，否则本科生将会得到错误的结果。比如，当所研究的物体尺度非常之小，进入到纳米尺度，其所受到的力和控制流体运动的方程均与宏观的流体非常不同，值得注意！ 2. 抓住重点 。在实际研究中，两个流动通常难以满足绝对意义上的相似准则。这个时候，本科生需要将知识活学活用，抓住起到关键作用的核心物理机制及其特征，并依据此进行实验的设计。 3. 比尺效应 。当模型数据通过比例尺换算后与原型数据进行比较时，有的可能差距比较小，通过若干个小的修正便可以解决，但有的可能差别很大，这时候便提醒本科生尺度可能是影响该现象的核心因素，或者是所研究的两个流动已经并不相似。 注释部分 注一： 与鼻腔流动有关的文献及内容，读者可以参见笔者的硕士论文。 张宇宁, 2008. 人体上呼吸道的计算流体力学研究及其医学应用 (北京: 清华大学，硕士论文).

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本科生科研指南（39）：声速漫谈之气汽液多相流

upflyzhang 2020-4-10 08:17

本科生科研指南（39）：声速漫谈之气汽液多相流 张宇宁 华北电力大学（北京） 在某些特殊情况下， 液体会发生相变而汽化，加上液体中已经溶解的其他种类的气体，此时便会在液体中形成复杂的气汽液多相流 。实际上，上述复杂多相流体在工程中非常的常见。例如，在水电站引水管道的核心控制阀门关闭的过程中，因为流体被阀门所阻塞会在管道中形成很强的压力波，并在管道和上游入水口间不断地传播，直至能量耗散殆尽。在上述压力波的不断传播过程中，在管道内部中的部分区域会形成一个低压的环境，从而使水发生汽化（又称为 空化 ）。当声波在上述复杂的气汽液多相流中传播时，其声速会发生显著的变化并呈现诸多特征。结合笔者在本领域的研究经验，本期初步探讨一下与此现象相关的理论和知识。 平时，同学们都会用电水壶等烧开水。当水被加热到一定程度后，便会逐渐沸腾、汽化，大量的汽泡从水壶的底部浮升上来。在此过程中， 为了使水发生相变，我们采用了提高温度的形式 。在1个标准大气压的环境之下，水的沸点是我们所熟知的 100 摄氏度 。海拔不同的地方，其大气压不同，因而根据热力学基本原理，其沸点也不同。例如，北京市的海拔是31.3米，其大气压很接近标准大气压，水的沸点为 99.9 摄氏度 。对于海拔较高的地方，气压变低，水的沸点会比较低。例如，拉萨市的海拔3658米，其大气压通常在650百帕附近，水的沸点为 88.4 摄氏度 。可以想象当大气压逐步降低之时，水的沸点也会逐步降低。 当大气压达到2300帕斯卡左右时，水在常温20摄氏度下便可汽化 。与上述烧开水过程中通过加热使水的温度提升来实现汽化不同的是，我们通过 改变环境压力 实现了水的汽化。通常，上述减压汽化的过程被称为“空化现象”。 图一 水的相图 在实际的工程应用中，空化的例子非常之多 。对于大部分含有 旋转部件 的流体机械，因为其主轴旋转过程中会在其中心造成一个低压区，从而其中运行的流体很容易发生汽化。当流体机械的转速升高时，例如航空泵，空化则也会越来越显著。大部分水电站的核心发电部件水轮机也大多会有空化的身影。除了旋转机械以外， 当流体在某个部位发生急剧的收缩之时，将会导致其内部流体的速度升高、压力降低，此时也很容易发生空化 。例如，当流体通过文丘里管时，在管道的最为狭窄之处（称为喉部）经常会发生空化。利用上述原理，科学家制成了各种各样的 水洞 对空化现象进行详细的研究。 对于声波在气汽液多相流中的传播， 因为其影响因素众多且存在较为强烈的相互耦合，导致该问题的复杂度很高 。其中，气体的存在会显著地影响整个过程。当压力恢复之时，汽化后的汽体会逐步凝结相变为液态。但水中含有的空气等并不会这样，因此又称其为非凝结气体。两种气体的性质 非常不同 。例如，当气压升高，汽体会迅速地凝结为水，而空气等只会被逐渐地被压缩，并在此过程中其内部压力随着体积的减小而增大，到一定程度便会反弹。从实验上讲，因为气体的含量和分布的控制较为容易实现，因此声波在气液两相流中传播的研究进展较为迅速。但是汽体的形成和控制却较难进行，且其凝结速度很快，实验 难度较大 。因此，该方向的研究很大程度上依赖于理论上的研究和分析。 现在我们讨论一下声速在气汽液多相流的变化 。对于气液两相流，当声波频率低于1000赫兹时，声波在其中的传播速度基本上是一个常数，大概在 几百米 每秒左右。随着声波频率的升高，因为气泡的共振效应，声速会产生剧烈的波动。当声波的频率再进一步升高之时，因为气泡的振荡和影响微乎其微，气液两相流中的声速将等于水中的声速。对于气汽液多相流，声速只有在声波的频率非常之低（大概是0.1-10赫兹）时才是常数，且该情形下的声速非常之低，通常只有 几米-20几米 每秒左右，远低于气液两相流的情形。在某些极限的情形下，声速在气汽液多相流中的传播速度只有0.05米每秒，远低于其在单一介质中的声速。上述声速计算的一个重要意义在于保证设备的安全。例如，在水电站中，需要通过控制阀门的关闭速度来保证管道中形成的压力波传播到入水口再反弹回来之时，其阀门尚处于开启状态。上述计算过程中，研究人员需要对声速进行准确地计算方可得到正确的结果。 图二 声波在三种不同含汽量的气汽液多相流中传播速度的变化（注一） 注一： 该图片引自笔者发表的以下论文中的图二。 Zhang, Y., Guo, Z. and Du, X., 2018. Wave propagation in liquids with oscillating vapor-gas bubbles.Applied Thermal Engineering,133, pp.483-492.

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本科生科研指南（38）：声速漫谈之气液两相流

upflyzhang 2020-4-3 08:11

本科生科研指南（38）：声速漫谈之气液两相流 张宇宁 华北电力大学（北京） 在我们平时生活中常用的自来水中，实际上，水里面溶解了一定量的气体。即使水中溶解的这些气体的含量非常的微小，其 对于声速的传播都有可能产生非常显著的影响 。具体而言，当声波或者压力波在管道中进行传播的时候，很可能因为这些气体的存在而形成气液两相流从而发生声波传播速度的改变。在本期博客中，结合工程中的实际应用，探讨一下声波在气液两相流中传播时所涉及的现象。 管道流动在各类工程应用中司空见惯 ，包括南水北调工程中输送水的巨型管道、石油工业中运送石油的管道。在水力发电站中，一般通过建设大坝将水蓄积在上水库中，然后通过引水管道将其引入到水轮机等发电设备之中。因为电网的用电负荷存在显著的波动，当机组不需要发电之时或者设备检修过程中， 需要用阀门将引水管道中的水关闭掉 。 关于阀门大家并不陌生，家家都有的水龙头便是一种简单的阀门 。我们可以将手指作为阀门对其过程进行一番尝试和体验。当把水龙头打开时，我们用手指逐渐堵住水龙头的出水口，尝试模拟阀门关闭过程。在此过程中，我们发现水流速度会迅速的升高，这是因为水流因我们手指的阻隔受到限制，减少了其流动的截面积。在流量一定的情况下，迫使水流提高流速从我们的手指与水龙头的缝隙中流出。 当将“ 阀门 ”完全关闭，我们的手指会感受到些许水流对手指的作用力 。当流量越大的时候，这种作用力感觉越为明显。这主要是因为水流的动能全部转化为其他形式的能量以及水流中本身具有的压强势能导致的。 在水电站的运行过程中，需要用阀门的开启控制引水管道中的水流。但是， 对于阀门的关闭过程，需要特别的小心，否则很有可能酿成巨大的灾难性事故 。与上述用手指堵住水龙头实验相同的是，阀门的关闭将导致流体中压强的升高。但与上述实验不同的是，水电站中的水因为从较高的位置流下来，其重力势能几乎全部转化为动能，其流速较快。此时， 如果迅速将阀门关闭，上述动能将在阀门处引起巨大的压力 ，并沿流动的相反方向产生一个压力波，简称为“水击现象”。 一般而言，上述压力波基本上以 声速 进行传播，沿着上游一直传播到管道的入口，然后被反弹回来，又传播到阀门，如此反复直至其能量被完全耗散。工程上， 迫切需要对压力波的传播速度进行准确的预测，从而确定阀门的关闭速度 。为了保护阀门及电站系统，一般需要适当地调整阀门的关闭速度，使得当上游反弹回来的压力波到达阀门处时，阀门尚未完全关闭，从而避免阀门处压力的急剧升高及其可能造成的损伤。 当阀门关闭产生的压力波在水中传播之时，水中的小气泡很可能会发挥重要的作用 。例如，当压力波经过之时，气泡会产生振荡（注一），从而改变声速。在很多情形下，气泡即使只有万分之一左右的体积百分含量，便足以显著地影响声速。去了对声速的影响以外， 气泡振荡因其耗散了一部分能量也可以影响压力波的幅值 。 在水中的气泡半径呈一定的有规律的分布，气泡总体的影响可以对上述不同半径气泡的影响及其含量进行积分来确定。当上述压力波的幅值越大之时，其引起的气泡振荡也越为剧烈，而上述气泡振荡对声速的影响也越为强烈。 当阀门关闭产生的压力波过于强烈之时，因其对电站的正常运行存在较大的安全隐患，需要引入相关装置进行专门处理。一般而言， 可以通过在电站中引入能量耗散组件实现上述压力波的能量衰减 。例如，在管道中设置一个与外界相连的井（简称“ 调压井 ”），从而起到调节作用。当管道中的阀门关闭之时，管道中的压力迅速升高，远高于外界的大气压。此时，部分流体流入到调压井之中，从而引起井中水体水位的升高及后续的振荡，起到能量耗散的作用。值得一提的是，上述调压井的造价很高，需要严密论证。 综上所述，本科生可以逐步领会到即使是水中不起眼的小气泡在某些情形下也会有巨大的作用，包括对声速的影响等等。 注释部分 注一： 关于压力波导致的气泡振荡，参见笔者以下博文： 本科生科研指南（ 37 ）：声速漫谈之声致振荡 http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1225612.html

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本科生科研指南（37）：声速漫谈之声致振荡

upflyzhang 2020-3-27 23:03

本科生科研指南（37）：声速漫谈之声致振荡 张宇宁 华北电力大学（北京） 当声波在含有气泡的液体中进行传播之时， 声波的波速会发生剧烈的变化 。比如，声波在水中的传播速度是1480米每秒，但在气泡流中声波的速度会在部分情况下急剧地衰减到 10-20 米每秒左右。这其中的原因我们不妨用中学物理介绍过的 简谐振动 过程来进行解释。在本期博客中，笔者就围绕这个问题展示一下这两个现象之间的 密切联系 并基于此解释一下声波波速的变化规律。 首先， 我们回顾一下中学物理中简谐振动的例子 。具体而言，一个小铁块在弹簧的作用下在物体表面往复运动的例子就是一种典型的简谐振动。在初始情况下，当小铁块偏离弹簧的平衡位置之时，小铁块便会受到弹簧因为弹性形变而产生的作用力。比如，当小铁块初始压缩弹簧，则铁块会受到一个弹簧的驱动力，迫使其向平衡位置运动。当铁块到达平衡位置之时，弹簧的驱动力因为已无变形而为0。但在平衡位置时，铁块由于 惯性 会继续运动，从而逐渐拉伸弹簧。此时，弹簧因为拉伸，给铁块一个指向平衡位置的作用力。随后，铁块在弹簧的作用下逐渐减速，最终达到最大的偏离位置，铁块的速度也降低至0。此时，铁块已完成了半个周期的振荡。后续，铁块会沿着相同的路径返回到初始位置。在理想情况下，如果没有摩擦力的作用，铁块会这么一直振荡下去，而其 振荡的固有频率等于弹簧的弹性系数除以铁块质量再开二次根号 。上述弹簧的作用力又被称为 恢复力 ，因为其方向永远倾向于将铁块拉回到其平衡位置。 类似地，当微弱声波在水中传播时，如果水中存在小气泡， 气泡便会在声场的作用下发生类似的简谐振动 ，其机理与上述铁块-弹簧体系非常的类似。在气泡振荡的情形下，运动的实际上是气泡界面所推动的周围水体，尤其是气泡附近的水体。类似于上述弹簧产生的恢复力，气泡振荡的驱使作用力主要是气泡两侧的 压力差 ，其特征也满足恢复力的定义。假设，初始条件下，气泡内部压力小于外界压力，气泡则逐步地被压缩。此时，随着气泡边界的逐步收缩，气泡的体积逐渐减小。根据 理想气体状态方程 ，此时气泡内部的压力则逐渐增加，从而使得气泡内部的压力大于外部的压力。因而，气泡边界会逐渐减速至0，然后逐渐加速朝着平衡位置运动。当气泡到达平衡位置时，因为惯性继续膨胀，从而导致气泡内部的压力急剧减小，从而使得内外部的压差趋向于使气泡收缩并回到平衡位置。由此可见， 气泡的运动可以有效地简化为简谐振动，从物理本质上与铁块-弹簧体系完全一致 。 现在，我们进一步考虑声场的作用。声波相当于从外界为气泡振荡提供了一个正弦变化的驱动力，从而使气泡能够形成稳定的、频率为声场频率的振荡。现在，依据声场频率的不同，我们分三种情形讨论声波引起的气泡振荡（注一）。 第一种情形 ：声场频率远大于气泡振荡的固有频率。此时，气泡的振荡幅值非常之小，可以忽略。因此，气泡对声波的传播速度影响甚微，声波的传播速度等于其在水中的传播速度。 第二种情形 ：声场频率接近气泡振荡的固有频率。此时，气泡的振荡幅值非常之大，即产生共振。共振的危害实际上非常之显著，比如本系列博客第25期提到过的卡门涡街所引起的大桥坍塌以及火电厂冷却塔倒塌事故等等（注二）。此时，气泡振荡对声波的传播速度影响极大，声波速度在这个范围之内会急剧地变化。 第三种情形 ：声场频率远小于气泡振荡的固有频率。此时，气泡的振荡幅值主要受气泡振荡的固有频率影响，该数值主要取决于气泡的半径以及气泡在水中所占的体积百分比（又被称为体系率）等参数。因此，气泡对声波的传播速度有一定影响，但当气泡大小及分布等参数给定时，声速在该情形下是一个定值。当气泡较少之时，声波的传播速度接近水中的声速。 图一 笔者计算得到的波速随着声波频率和气泡体积百分比的变化曲线（注三） 最后，我们讨论一下真实的、带有能量耗散的情形。与上述理想体系不同的是，在真实的情况下，小铁块在运动过程中除了受到弹簧的作用力以外，还受到地面对弹簧的摩擦力，其方向与小铁块的运动方向相反。因此，在没有外界能量输入的情形下，小铁块的振荡幅值会逐渐减小直至静止在平衡位置。类似地，气泡在运动过程中也会受到流体因粘性而产生的作用力，并且该作用力也是与流体的运动方向相反，起到能量耗散的作用。由此可见，声波在含气泡流体的传播过程中，部分能量转变为了气泡的振荡以及由此带来的能量耗散，从而导致了声波能量的衰减。 从声波传播过程中物理机制的阐述及类比，本科生可以体会如何科学地开展知识的有效积累和使用。 1. 数理基础 。数学和物理是从事很多领域研究工作的重要前提和基本功，本科生需要在大学学习过程中对此高度重视。比如，对于简谐振动以及相关更为复杂的振荡形式的分析过程中，一般会采用复变函数进行研究，并进一步依托复速度等概念进行求解。 2. 物理本质 。对于重要的物理现象，本科生需要充分地理解其物理上的本质。比如，在此例中，通过分析我们发现气泡在声波作用下产生的振荡是导致声速变化和声波能量耗散的核心原因，从而可以加深对声速在含气泡流体中变化的认识。 3. 活用类比 。很多知识间具有很强的相通性，本科生在学习过程中可以充分地对此加以利用。例如，在流体力学课程的学习中，复杂串并联管道的能量损失计算可以类比电路的串并联原理进行。在传热学的学习中，部分内容也通过类比电路原理提出了热阻等概念。 注释部分 注一： 笔者详细的推导过程详见以下论文。 Zhang, Y., Guo, Z. and Du, X., 2018. Wave propagation in liquids with oscillating vapor-gas bubbles. Applied Thermal Engineering,133, pp.483-492. 注二：关于卡门涡街共振现象，参见笔者以下博文： 本科生科研指南（ 25 ）：卡门涡街 http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1211649.html 注三：此图引自笔者发表的如下论文中的图4。 Zhang, Y. and Du, X., 2015. Influences of non-uniform pressure field outside bubbles on the propagation of acoustic waves in dilute bubbly liquids. Ultrasonics sonochemistry,26, pp.119-127.

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本科生科研指南（36）：声速漫谈之单相介质

upflyzhang 2020-3-20 16:42

本科生科研指南（36）：声速漫谈之单相介质 张宇宁 华北电力大学（北京） 对于声速，同学们并不陌生，对于一些常见介质中的声速已有了一定的了解。在第34期博客（注一）中，笔者已经向本科生介绍了若干声速相关的计算公式和现象。在本期和接下来的几期中，笔者将进一步 向同学们介绍若干与声速有关的知识 。为了方便起见，笔者 从较为简单的单相介质开始介绍，逐步过渡到复杂的多相介质情形 。近期的博客内容安排如下： 第36期 ：“声速漫谈之单相介质”（本期）将重点介绍常见的空气和水等单相介质中的声速计算理论。 第37期 ：“声速漫谈之声致振荡”将讲述气泡在声场作用下引起的振荡的核心特征及其物理机制。 第38期 ：“声速漫谈之气液两相流”将着重于介绍声波在气液两相流中传播速度的变化及其核心影响因素。 第39期 ：“声速漫谈之气汽液多相流”将介绍更为复杂的气、汽、液相互掺混的多相流动中的声速计算。 对于气体或液体等单相介质，声速计算的通用关系式是体积模量除以密度再开一个二次根号。体积模量反映了介质在压强增加时体积变化的相对程度。 我们先看一下气体中声速的计算。首先，假设所研究的气体是 理想气体 。对于理想气体，体积模量可以近似用 比热比 乘以气体压强进行计算。具体而言，比热比是该气体的定压比热容与定容比热容之比。在没有发生相变和化学反应的条件下， 比热容等于单位质量的物质每升高1个开尔文所需要的热量 。因此，比热容反映了物质吸收、放出热量的能力。定压比热容是将物质在 压力不变 的状态下进行比热容的测定。而定容比热容是将物质在 容积不变 的状态下进行比热容的测定。 对于比热比主要的影响因素是气体分子所含有的原子个数。对于 单原子分子 ，比热比大约为 5/3 。大部分 稀有气体 （注二）都是单原子分子，比如氩气、氦气等等。对于双原子分子，比热比大约为 7/5 。空气中的氧气、氮气、氢气、一氧化碳、一氧化氮等等均是双原子分子。对于 多原子分子 ，比热比大约为 4/3 。水蒸气、二氧化碳、甲烷等均属于多原子分子。对于空气，其主要的组成部分是氧气和氮气，也含有微量的水蒸汽、二氧化碳和稀有气体等等。因此，空气基本上可以看作是双原子分子，其比热比约为1.4。 根据气体中声速的计算公式，可以得出以下几条规律。首先，对于分子中原子个数不同的气体，比热比略有不同。同等条件下，单原子分子组成的气体中的声速比双原子和多原子组成的气体中的声速略大。其次，将理想气体的 状态方程 带入其中，我们便得到了声速等于比热比乘以气体常数再乘以 绝对温度 除以气体分子量然后将结果开二次根号。对于空气， 声速可以简单的估计为绝对温度开根号再乘以20 。在20摄氏度条件下，空气中的声速可以用上述公式预估为342.43m/s，而该状况下空气中声速的实际测量值为343.21 m/s。由此可见， 上述公式对该现象的描述非常准确 。因此，实际上，气体中的声速一方面与气体本身的性质有关，另一方面与气体的温度密切相关。 我们现在看看液体的情况。液体中的声速计算也是采用体积模量除以密度再开一个二次根号。不同的是，液体的体积模量和密度随着温度、压力等的变化很小，通常 可以忽略 。下面我们以水为例子进行介绍。常温常压下，水的体积模量为 2.15GPa （注三）,密度约为1000千克每立方米。依据公式，声速可以估算为 1466.29 米每秒。对于水，当其中溶解有其他物质时，声速会有一定变化。比如海水，虽然其氯化钠的浓度值很低，但海水的体积模量上升至 2.34GPa （注三）。另外，考虑到海水密度的微小变化，大约为 1030 千克每立方米，海水中的声速可以估算为 1507.26 米每秒。因此，海水中的声速比纯水中高出大约 41 米每秒。本科生千万不要小看上述的细微差别，因为该数值会对海洋中的声学探测活动有重要的影响。 另外，当水在管道中传播的时候， 管道的性质 也会对水中的声速有重要的影响。具体而言，管道的直径、管道材料的弹性模量、管道的厚度等参数会使得管道中的声速比无管道的情况下 略低 。 从上述声速的小故事中，本科生可以逐步体会到掌握流体物理基本原理的重要性，概述如下。 1. 抓住主线。 从中学到大学，本科生实际上已经学会了很多重要的基本知识。在从事科学研究的过程中，本科生需要将上述已学习的核心知识共同围绕一个 科学问题 有效地组织起来并加以运用，不但可以加深对知识本身的理解，而且有可能创造新的知识。比如，本期我们将声速的定义与理想气体的状态方程、比热比等知识相联系，得到了很多可靠的声速计算公式。 2. 看清本质 。对于很多现象，本科生不能只从表面上去看，需要运用基本原理进一步看清楚现象的本质。比如，根据公式，气体中的声速貌似与压力和密度相关。 表面上看，密度越小、压强越高，气体中的声速越快。但上述关于压强和密度的分析并未完全反应气体声速的本质。 实际上，进一步运用理想气体方程后，本科生可以进一步发现 温度 才是该现象的核心本质。 3. 知识储备 。很多常见的知识，本科生在学习的时候可以多举一反三，多问问为什么，并积极主动地去查找和获取知识。比如， 比热比 在本科生大学期间所学的多个课程中有涉及，但很多同学对其本质的认识并不深刻，仅仅停留在字面的意思上。实际上，比热比与气体分子的组成密切相关。诸如此类的基本知识本科生应该牢固地掌握。 注释部分 注一： 详见笔者本系列博客前期的相关内容： 本科生科研指南（34）：声波传播 http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1222030.html 注二：稀有气体初期被称为“惰性气体”，因为当时认为它们不参与化学反应。但后来发现，稀有气体也可以发生化学反应并生成化合物，因此而改名。详见笔者本系列博客前期的相关内容。 本科生科研指南（1）：自我准备 http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1190179.html 注三：水和海水的体积模量数据来自以下网站： https://www.engineeringtoolbox.com/bulk-modulus-elasticity-d_585.html

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本科生科研指南（35）：声波反射和耗散

热度 1 upflyzhang 2020-3-13 11:05

本科生科研指南（35）：声波反射和耗散 张宇宁 华北电力大学（北京） 在医院中，同学们经常可以看到B超等基于声波的临床检测仪器。在诊断过程中，医生用B超便可以很方面地对内脏等器官进行医学检查，从而及时发现病变并对症治疗。在检查的过程中，医生通常还会在患者的相应待检查的部位涂抹一层油状的液体。这一期我们便来聊一聊 声波的一些特性及其在传播过程中因反射、耗散带来的能量变化 。 首先， 我们先探讨一下理想情况下的声波传播 。假设你在某处说了一句话，发出了一股声波，这股声波在理想情况下会一直传播下去。在声波的传播过程中，为了方便说明，假设中间 没有任何的障碍物也不存在任何衰减 。按照流体力学的基本理论，这股声波应该可以到达很远的地方，但实际上可能并非如此。我们先分析一下上述现象的原因到底是什么。首先，我们假设发出该声音的同学在空间中可以被看作是一个点源。相比与我们所要研究的声波所传播的距离，这个假设基本是合理的。另外，我们不考虑声波传播的 方向性 ，认为该声波的传播是 各向同性 的。那么，我们便会看到一个类似于 球形的波在不断向外传播 。在距离声音发射源1米处的地方，该声波所具有的能量密度假设为1毫瓦每平方厘米。随着该声波的传播，因为球面的面积不断随着半径的增加而增大，该声波的能量密度也会急剧地降低。在10米处，其能量密度只有 0.01 毫瓦每平方厘米了。在100米处，其能量密度只有 0.0001 毫瓦每平方厘米。从这个分析我们看出，即使是在理想的情况下，声波的能量密度也会随着传播距离的增加而变得非常低。因 此，在远距离处， 该同学发出的 声音自然而然地很难 被人耳所感知到 。 其次， 障碍物对声波具有反射作用 。在传播过程中，当声音遇到障碍物时，会反射声波，进一步阻碍了声波的进一步传播。在日常生活中，障碍物非常常见，包括墙壁等建筑物以及空气中细小的灰尘都可以一定程度上反射声波。因此， 反射作用进一步让我们发出的声波的传播距离变得极其有限 。在实际应用中，很多设备正是基于物体对声波的反射作用而研发而成的。例如，B型超声检查（简称为“B超”）便是其中的一例。超声波指的是频率在 20 千赫兹 以上的声波，因其超过了人的耳朵能够感知的频率极限而得名。超声波诊断去了我们熟知的B型超声以外还有A型超声、多普勒超声等多种形式。 B 超设备主要依据人体不同的部位对于超声的反射回声来了解人体内部结构的 。在B超检查前，涂抹的油状液体被称为 耦合剂 ，其主要功能是为了减少皮肤上的毛孔等对于超声波的反射作用，同时也可以起到排出空气、润滑皮肤的作用。在海洋领域，很多捕鱼船也装备了基于声波的检测设备，通过观察鱼群的回声确定其所属类型。 声波的反射不但与物体的尺寸有关，而且与物体的材料等属性有关 。物体对声波的反射能力通常用 反射截面积 进行量化评估，反射截面积越大说明该物体对声波的反射能力越强。反射截面积这个术语与航空领域雷达监测过程中使用的类似术语的定义十分类似，只是声波与雷达发射出的波的性质不同而已。例如，一个刚性的球体对声波的反射截面积 远小于 同等尺寸的软球。而海洋中的 气泡 因为在声波的作用下可以发生物理振荡，因此其反射截面积 非常大 。 最后， 声波在传播过程中存在一定程度的衰减 。声波的衰减机理有很多种，包括粘性耗散、热耗散、声耗散。 我们以声波通过含气泡的流动为例进行说明 。 粘性耗散 广泛地存在于各类流体之中，其本质是由于物体粘性的影响而带来的声波能量衰减。 热耗散 指的是对于气泡等物体由于声波引起了气泡表面的振荡，从而不断的压缩其内部气体并做功生热，其产生的能量通过与外部的水进行热交换而耗散掉。 声耗散 指的是气泡在声场作用下引发振荡，从而使气泡本身也变成了声源并向外发射能量，进一步带来了能量损失。值得一提的是，气泡的存在不但极大地影响了声波的能量特性，而且 对于声波的波速也存在显著的影响 。例如，水中的声速为1480米每秒，空气中声速为340米每秒，但在空气和水组成的气液两相流体中声速却可以达到 10 米每秒 的极低速度。另外， 声波的耗散程度与声波的频率相关 ，高频耗散大一些。对于气、汽、液多相流动，其声波的衰减将更为复杂（注一）。 从我们司空见惯的声波的传播过程中，本科生也可以学习到很多有益的知识。 1. 勤于思考。 在日常生活中，为何声波的传播总是存在一定范围？为何在水中游泳时，岸上的人的说话反而听得不清楚了？即使从这样一些简单的问题入手，本科生也可能会得到很多的启示。本科生的知识积累主要还是要依托兴趣在平时一点一滴的思考和实践中逐步形成、巩固，后续才能融会贯通、厚积薄发。 2. 层次清晰 。在分析问题的过程中，本科生应力求按照科学方法论一步步地扎实开展。正如前述所说，我们首先通过理想模型的分析，掌握了声波的能量密度随着球形波的传播而迅速衰减这一现象。其次，进一步探讨了障碍物反射对于声波能量特性的影响。最后，分析了声波衰减的几种典型的物理机制。通过这样一个流程，我们便对声波的传播特性有了更为深入的理解。 3. 联系实际 。在很多研究领域以及工程实践中，声波的传播速度和衰减是很重要的研究课题和内容。在能源动力领域，为了防止管道流动中异常高强度压力波的危害，需要提前采取一定措施对其能量进行衰减。另外，在水电站关机的过程中，阀门的关闭时间也要依据精确的声波传播数据进行设计。 注释部分 注一： 对于复杂汽/气/液多相流动中的声波传播研究，请参见以下笔者发表的论文以及指导的硕士研究生郭忠玉的学位论文： Zhang, Y., Guo, Z. and Du, X., 2018. Wave propagation in liquids with oscillating vapor-gas bubbles. Applied Thermal Engineering,133, pp.483-492. 郭忠玉, 2018. 声波在汽/气/液多相流动中的传播 (硕士论文, 华北电力大学 (北京)).

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本科生科研指南（34）：声波传播

upflyzhang 2020-3-6 08:35

本科生科研指南（34）：声波传播 张宇宁 华北电力大学（北京） 在帕斯卡原理中，假设流体是 不可压缩 的流体，并基于此得出了 流体中一点处的压力变化会瞬时地传播到流体中的任何一点 。在我们日常说话的过程中，同学们可以感受到声波传播实际上是有一定的时间的。再比如，雷雨天气时，打雷和闪电大致是同一时间发生的，但闪电因为光的传播速度极快，很快我们便看到了。然后，再过了几秒钟，雷声才传到我们的耳朵之中。那对于帕斯卡原理中所涉及的瞬时应该怎么样理解呢？什么流体才可以被视作不可压缩的呢？本文以声波的传播为例阐述这两个问题。 对于固体材料，我们一般用弹性模量（又称为杨氏模量）来衡量其在受到外部的应力作用时材料的变形情况。类似地，流体中通过定义体积模量衡量流体在外界压强变化时的体积变化率。当流体的体积模量越大时，在同等压强的作用下，其体积的变化率越小。例如，水的体积模量是2.0 GPa。对于1升的水， 即使当其受到100个大气压时，其体积只缩小了大约0.5% 。因此，水的体积模量可谓非常之大，其抵抗压力的能力异常强大。因此，大部分的情形下，在外界压强的作用下，水的体积基本可以视为不变。因此，水的密度也近似不变，而这正是不可压缩流体的一个重要特征。因此， 水在通常情况下可以简化为不可压缩流体 。 为了阐述帕斯卡原理中瞬时的概念，我们做一个理想的假设，即水完全是不可压缩的。换而言之，即使受到再高的压强，水的体积也不会发生任何变形，即体积变化率为零。那么按照体积模量的定义，体积模量等于压强的增量与水的体积变化率之比。此时，体积模量则会趋向于无穷大。在液体和气体中， 压力波的传播速度约为体积模量与密度之比再开二次根号 。 在此理想情况下， 压力波的传播速度也将是无穷大 。因而，在帕斯卡原理中，当假设流体为不可压缩流体之时，压力的确可以瞬间传播到流体中的各个地方。 我们现在审视一下实际上的情况是怎么样的。首先，我们计算一下声速。水的体积模量是2.0 GPa，密度大约为1000kg/m 3 。根据声速计算公式，水中的声速的理论值为 1414 m/s 。在20摄氏度的水中，声速的实际测量值为 1481 m/s 。由此可见，采用该公式预测液体中的声速是很准确的，水中压力波的传播速度是非常快的。 在大多数时候， 水可以被视作为不可压缩流体，并且水中压强变化的传播近似为是在瞬间完成的。 但是，在某些特殊情况下， 水的压缩性必须要考虑。一个典型的例子便是水电站阀门关闭过程中引起的“水锤效应” 。在阀门关闭的过程中，因为水被阻塞，其局部压力会迅速升高，产生一个幅值较大的压力波在管道中来回传播。在这种情况下，就要具体地计算压力波的传播时间并以此为依据设计阀门的关闭时间，避免阀门被破坏。 现在，我们看一个空气的例子。根据气体的性质，气体的体积模量等于该气体的比热比（空气为1.4）乘以其当前的压力。在一个大气压下，空气的体积模量为0.14MPa，远远小于水的体积模量。空气的密度约为1.2 kg/m 3 。根据声速计算公式，空气中声速的理论计算值为 343.27 m/s 。在20摄氏度、一个标准大气压下，空气中声速的实际测量值为 343.21 m/s 。由此可见， 空气中声速理论值的计算结果非常的准确 。 从帕斯卡原理中基本假设的进一步阐述和解释，本科生可以体会以下几点。 1. 理想模型 。在学习过程中，为了方便理解重要的 基础性概念 ，在教材及授课过程中，我们通常将复杂的概念加以简化，从而基于此介绍相关的重要基本原理。部分情况下，理想模型可以很好地近似相关的情形，例如大部分时候水可以很放心地被看作不可压缩流体。即使理想模型会在一定程度上偏离实际情形，本科生在上述学习过程中依然可以通过对理想模型的理解建立基本的知识框架。 2. 融会贯通 。从字面上来看，帕斯卡原理的一些阐述似乎与我们的实际生活经验不符合。但是，经过一番透彻、科学的分析之后，本科生对帕斯卡原理中的假设及描述以及其所涉及的基本概念的理解便能够逐步自洽起来，形成 完整 的知识结构。 3. 核心知识 。本科生需要扎实地掌握一些基本的基础公式和物理原理，比如本文中所涉及到的体积模量和声速的定义等等。值得一提的是，上述公式在计算气体和液体中的声速之时， 理论值与实际测量结果能够惊人的符合 。这从一个侧面说明了科学原理的重要性。

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本科生科研指南（33）：浮力原理

upflyzhang 2020-2-28 09:15

本科生科研指南（33）：浮力原理 张宇宁 华北电力大学（北京） 在中学的物理课本中，同学们已经初步学习了浮力原理 ，即浸没在液体中的物体会受到垂直向上的浮力，其大小等于该物体排开的液体所受到的重力。这个定理是希腊学者阿基米德最先发现的，因此也称其为阿基米德原理。但是，在中学物理课本中，并没有详细讲述该原理的来龙去脉。实际上， 阿基米德原理是前面在第32期“咖啡壶奥秘”中提到的中学课本中压强基本概念的一个重要推论 。基于静止流体中压强的基本公式，本文详细地给同学们介绍一下阿基米德原理的推导过程及其相关的一些知识点。 关于阿基米德发现浮力原理的过程，相关传说有很多个版本，其中一个被广泛流传的版本是从公元4-5世纪的 拉丁诗歌 （注一）中讲述的故事传承下来的。该诗歌讲述了阿基米德当时应国王的邀请检查国王的王冠在制作过程中是否被掺杂了其他的金属。在思考此问题的过程中，阿基米德冥思苦想也没有找到合适的方法。有一天，阿基米德正在浴缸中洗澡，突然有了灵感，提出了通过比较王冠和制作所需的等量黄金所排开水的体积的方法测量王冠是否被掺假。基于此，阿基米德提出了浮力原理及其计算公式，即我们课本中熟知的浮力计算公式。 图一 思考中的阿基米德 该画作由画家Domenico Fetti 绘制于1620年 图二 描述阿基米德在洗澡过程中发现浮力原理的漫画 为了推导阿基米德原理并深入讨论该议题，我们现在 对一个完全浸入到水中的球体（见图三）进行受力分析 。外界的大气压我们用 p 0 表示。图中 A 和 B 点是球体两侧的两个极点，其沿着重力方向的垂线与容器内水的液面分别相交于 C 和 D 点。根据中学课本中的静止液体压强公式，在距离液面一定水深处的一点，球体在点所受到的 压力等于液体密度乘以重力加速度再乘以距离液面的高度再加上外界大气压 。 图三 完全浸没在水中的小球示意图 从压力的性质可知， 水中压力的方向是垂直于物体表面且沿着内法线方向的 。因此球的上表面所受到水的压力是向下的，而下表面受到水的压力则是向上的。因此，我们将小球分成两部分并分别进行受力分析。对于下表面，我们可以按照微积分的思想将其分成无数个小的微元，其受到的压力等于该微元处的流体压强乘以微元的截面积。因为 A 和 B 点在同一高度， 压力在水平方向上的分量会自行抵消 ，所以我们只需要考虑竖直方向上的力即可。将上述求得的力沿着垂直方向进行分解并进行求和（即积分）便得到了下表面受到的浮力，其方向是向上的。在分解的过程中，为了方便起见，我们可以将微元截面向水平方向进行投影。另外，按照上述的计算，我们发现上述积分正好等于由图四中的 红色斜线所标记区域所具有的体积 。 图四 小球下半部分所受到的压力分析 我们现在用同样的办法对小球的上表面进行受力分析，其数值大小等于图五中的红色斜线所标记区域的体积。同时，注意到流体对小球上表面产生的压力方向是向下的，我们在其前面增加一个负号。我们将上、下表面所受到的垂直方向上的力进行相加便得到了小球所受到的浮力的大小。在上述运算过程中，在上下表面受力分析过程中得到的两个体积相减则正好等于小球本身的体积。另外，大气压强在计算过程中互相抵消对浮力并没有影响。因为上述两个体积相减总是为正值，所以小球受到的浮力是竖直向上的。这个时候，我们便通过 运用中学课本中的压强公式和微积分证明了阿基米德浮力原理 。在上述推导过程中，我们基本上只使用了一些基本的微积分思想以及流体压强的若干特性。但通过这个推导过程，我们对中学物理里的浮力原理更进一步地加深了认识。 图五 小球上半部分所受到的压力分析 现在，我们围绕浮力做一点拓展思考。根据浮力原理，物体所受到的浮力只与其排开液体的体积有关。因此，潜水器无论是处于10米深还是1000米深的水中，其所受到的浮力都是一样的。不同的是， 潜水器的内部和外部间的压差在不同的水深时会有极大的不同 。在游泳池中，如果我们不运动的话，身体便会下沉，这主要是因为所受到的水的浮力较小，无法抵消重力。人体的 平均 密度大概为 1.026 g/cm 3 ，比水的密度1.000 g/cm 3 略大，因此人在游泳池中不动的话会沉底。一般海水的密度1.030 g/cm 3 ，跟人体的大致相当，海水中游泳时也是会下沉。可以想象一下，只要往水中加入足够的盐，水的密度便会显著提升，从而人便可以在其中浮起来了。例如，死海中的盐度很大，其密度为 1.100 g/cm 3 ，难怪人在其中可以毫不费力地浮起来。 另外，还可以从 能量守恒 的角度思考流体静压强的基本公式。在流体中，机械能主要包括重力势能、压强势能、动能三种。当流体静止时，其动能为零。当流体从较高的位置变化到较低的位置时，流体的重力势能降低了，并全部被转化为了压强势能。因此，流体中的压强便会升高，其具体的升高数值用中学课本中的压强公式计算即可。因此， 中学课本中的流体静压强计算公式也可以看作是能量守恒在静止流体中的表现形式。 从中学课本的浮力原理到本文的推导，本科生在增长知识见识的过程中可以体会以下几点。 1. 知识升华。 从中学课本中对浮力原理的简单介绍到大学教育中从流体力学角度对浮力原理的详细推导，实际上是 对知识不断地加深理解、认识和思考的过程 。正如本文所展示的，同一个知识点从不同的维度去进行理解是一种很好的个人思维训练方法和手段。 2. 重视基础 。在本文的推导过程中，同学们需要用到若干微积分的思想和技巧。实际上， 很多大学课程的学习都需要前期掌握必要的基础知识 。例如，公共基础课微积分是学好流体力学等专业核心课程的前提，而流体力学知识又是深入理解专业主干和选修课程的必要储备。由于上述课程间存在着较强的 耦合 ，本科生在学习过程中应尤其注意，打好基础为要。 3. 适用范围 。中学课本以及本文的讲述过程中举的例子一般都是浸没在液体中物体的浮力。那么，浮力公式是否适用于气体中的情形呢？实际上，如果气体的密度变化很小甚至可以忽略时，可利用浮力公式对该情形进行简单的估算。例如，比如，公园中常见的氦气球便是利用浮力原理在空气中实现浮升的。氦气的密度 0.1786 kg/m 3 ，远低于空气的密度 1.2900 kg/m 3 。此外，中国科学院正在进行的科学考察用的 浮空艇 的内部也是充的氦气（见图六）。值得注意的是，与水不同的是，空气的密度受到众多因素的影响，包括海拔、气候等等，导致浮力和压强的计算更为复杂。 图六 中科院青藏高原科学考察使用的浮空艇 注释部分 注一： 该拉丁诗歌的名字是Carmen de ponderibus et mensuris。

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本科生科研指南（32）：咖啡壶奥秘

热度 1 upflyzhang 2020-2-22 22:12

本科生科研指南（32）：咖啡壶奥秘 张宇宁 华北电力大学（北京） 很多同学和朋友都喝过咖啡，而 咖啡的制作过程中也饱含着很多科学的道理 。咖啡的制作有的是用咖啡壶进行的，也有的是用咖啡机实现的。 本文以意式摩卡壶为例展示一下用咖啡壶制作咖啡过程中的流体力学道理 以及从中可以拓展学到的若干知识。另外，喜欢游泳尤其是喜欢潜水的朋友可能都曾有过在游泳过程中耳朵进水的经历，这个也部分地跟本文所介绍的知识有联系。 意式摩卡壶是一种常见的咖啡壶，其最大特点是简单方便，比较适合居家使用，并可以制作出类似浓缩咖啡口感的咖啡。意式摩卡壶是由意大利人Alfonso Bialetti 于 1933年 发明并制造的，图一展示了早期以他的姓氏命名的公司Bialetti制作的摩卡壶的样子和广告。现在市面上所销售的摩卡壶基本上与此非常相近。 图一 Bialetti公司的摩卡壶广告 为了方便解释摩卡壶的工作原理，图二进一步展示了摩卡壶的剖面图。在咖啡的制作过程中，水置于壶的底部空间之中，四周有密封圈防止水从周围溢出。研磨后的咖啡粉则置于上部一个漏斗型的容器中，并通过中间的一个管道与下部的水相连。装填完毕后，水因为在低处并不会与咖啡粉进行混合。后续，用电热器或者燃气灶对摩卡壶底部进行加热。随着加热的进行，底部的水逐渐受热并沸腾产生蒸汽，源源不断地通过中间的管道进入咖啡粉，并进一步向上流出通过喷嘴进入摩卡壶的上部。待此过程完成之后，一杯美味的咖啡便制作完成了。在此过程中， 为什么水可以克服重力不断向上涌入呢？ 这里面的道理我们要从帕斯卡原理开始讲述。 图二 意式摩卡壶剖面示意图 1647 年，法国数学家布莱斯·帕斯卡发现对于通常的水等流体而言， 系统中任何一点的压力改变均可以立刻传递到流体中的任何部位 。换而言之，对流体所施加的压强会迅速且同等地向四面八方的流体进行传播。用数学公式来说， 水中两个点之间的压力差等于水的密度乘以重力加速度再乘以二者之间的高度差 。以上发现便被简称为帕斯卡原理。为了纪念帕斯卡的贡献，在1971年的第十四届度量衡大会上，将压强的单位用帕斯卡的名字命名，这便是我们中学课本中已熟知的单位“ 帕 ”（Pa）的来历。 关于帕斯卡原理，我们可以用“ 帕斯卡水桶实验 ”（见图三）对其进行简单的说明。在实验过程中，将一个较长的管道插入到圆形木桶之中。假设一个人从管道上方源源不断地向管道中注入水，使管道内部时刻充满水。首先，我们运用帕斯卡原理对若干特征点的压强进行分析。取桶中管道外部水面上的任意一点（标记为A点），因该点与大气接触，其压力为一个大气压。取与A点处于同样高度下管道中的一点（标记为B点），则根据帕斯卡原理，该点的压力等于一个大气压再加上管道中水柱的高度所产生的压强。因为A点和B点之间存在压强差且管道内部的B点压强较高，管道中的水便会源源不断地向木桶中流入，桶中的水面则不断会升高并最终水会溢出。 图三 帕斯卡水桶实验 来自1872年Amédée Guillemin 绘制的图片 现在我们运用帕斯卡原理解释用咖啡壶制作咖啡的过程 。在加热之前，同一水平线下，管道中水的压力和外部的压力相同，不存在流动。当咖啡壶被加热时，水会被逐渐汽化，产生蒸汽。因为壶的下部空间采用密封圈进行了密封，随着蒸汽的增加，下部空间中汽体的压力不断的升高。类似于“帕斯卡水桶实验”中的分析，此时管道外部的压力大于同一水平线上管道内部流体的压力。 此时，二者间的压力差不断驱动流体向上涌入 。产生的蒸汽越多，上述流体的涌入速度越为剧烈。部分的蒸汽也在此过程中混入到水中一并进入了上部空间的咖啡中。这些流体经过咖啡时会将咖啡溶解并将其中的油脂进行快速的萃取，然后通过顶部的喷嘴不断地流入到上部的容器之中。通过此过程， 一杯浓郁的、饱含油脂的咖啡便制作完成了 。咖啡机的原理与此类似。不同的是，为了进一步萃取咖啡的油脂和提升咖啡的口感，咖啡机在蒸汽产生之后采用泵对蒸汽进行进一步的压缩以提高其压力至9-15个大气压，从而达到更高的咖啡品味。 从咖啡的制作过程以及帕斯卡原理，本科生可以体会以下几点。 1. 观察生活。 我们日常生活中司空见惯的很多现象实际上都饱含着科学的道理，比如本文中讲述的咖啡的制作过程以及其中涉及的帕斯卡原理等等。以此类推，我们在游泳池中潜入水底（假设水深为 2 米）过程中，根据帕斯卡原理，此时我们耳朵承受的压力比在空气中增加了约 0.2 个大气压 。在此压差的作用下，如果没有防护措施，难怪耳朵经常会有水进入了。 2. 举一反三 。在中学课本中，我们便已经学习过了压强和帕斯卡这个国际单位。进一步而言，只要顺着这个基本概念出发，再深入拓展学习流体压强的性质、帕斯卡原理以及流体静力学等相关知识便会对这些基本概念的理解更为深入。 3. 联系实际 。在学习过程中，本科生可以多尝试将知识与实际相结合，这样做不但有助于对基本概念的理解，而且方便深入学习和领会新的知识。比如，最近几年我国在深海 潜水器领域有很多突破，其中 蛟龙号载人潜水器在2012年6月27日创造了下潜7062.68米的记录 。根据帕斯卡原理，该水深下的压强约为700个大气压。基于以上认识，同学们可以想象此极端压力环境会对潜水器的承压性能带来多么大的挑战。

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本科生科研指南（31）：空速管的功能

upflyzhang 2020-2-14 21:02

本科生科研指南（31）：空速管的功能 张宇宁 华北电力大学（北京） 顾名思义，空速管的主要功能是测量飞机的飞行速度。但实际上， 空速管的功能远不止于此 。随着航空航天的迅速发展，控制成本是各个公司需要着重考虑的核心问题。因此，需要尽可能的使设备紧凑化、多用途，从各个角度充分发掘设备自身的潜力，节约成本。虽然最初的设计中空速管主要是为了测量飞机的速度，随后 根据流体力学的基本原理空速管还被用于飞机的多种重要数据的测量 。 一个典型的例子是用空速管的测量结果计算飞机的飞行高度 。在空速管的测量过程中，需要测量大气中流体的静压强。测量过程采用一种一端用膜封闭的盒子进行。在已知封闭端气体压力的情况下，根据飞机飞行时膜的高度变化便可以计算出此高度下大气中流体的静压强。 依据此数据进一步运用流体力学的基本原理进行换算便可以获得飞机的飞行高度 。大气层按照垂直方向从地面到太空可以依次分为对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。其中对流层离地面最近，其高度随着纬度变化。在中纬度地区，对流层的高度大概是10-12公里。一般民航飞机的飞行高度的上限大概是12000米。因此， 民航飞机在飞行过程中一般处于对流层的区域 。在对流层中， 大气的温度随高度的增加而递减 ，平均每升高100米，气温降低大约0.65℃。根据大部分大学课本中的流体静力学基本方程以及我们中学所学的理想气体状态方程，便可以通过积分得到一个简单的大气流体中静压强和高度的关系式（ p 为压力， z 为高度）： 值得一提的是， 尽管该公式的推导过程极其简单，但是其计算精度却是惊人的准确 。例如，西藏拉萨市的海拔是3650米，根据该公式计算得到的大气静压强为64509Pa。实际测量结果在夏季为65230Pa，冬季为65000Pa。以二者的平均作为基准， 该公式的误差仅为0.93% 。不仅如此，上述推导原理对于研究有大气的恒星也依然适用。基于上述公式和空速管测得的静压力，系统便可以很方便地计算得到飞机的当前高度及升降速率。 飞机在高空飞机中难免受到剧烈气流的影响，造成飞机纵向的对称面与相对气流方向产生夹角，一般称为 侧滑角 。该角度的测量对于飞行的稳定性和安全性具有重要意义，保证飞机可以及时地进行姿态的调整。在部分飞机上， 该角度的测量通过在空速管的垂直方向上安装小叶片实现 。同样的道理，沿着水平方向安装的小叶片可以用于测量飞机的迎角（又被称为攻角）。恰当的迎角对于飞机的飞行很重要，可以 保证环绕飞机的气流产生足够的升力用于抵抗飞机所受到的重力 ，保证飞机正常飞行。由此可见，空速管对于保障飞行安全具有多重重要意义。 随着航空技术的进一步发展，战斗机逐步过度到重视隐身性能等参数上来。 战斗机的隐身性能指的是战斗机在受到主动雷达侦测时其反射截面积的大小 。雷达工作时会发出电磁波，当其到达物体表面时则一部分电磁波会被反射回来，被雷达探测到。当战斗机反射回来的雷达信号较少或者微乎其微时，雷达无法发现该战机，则该类型战斗机便是隐身战机。 影响雷达反射的一个重要因素是战机的几何截面积 。对于将空速管前置在机头类型的战机，其反射截面积一般较大，因此隐身性能较弱。另外，头部的空速管还会一定程度上影响机载雷达的正常工作。因此，在后来的设计中，很多战机为了保证隐身性能便将头部的空速管取消，将其设置在机身部位等等。 空速管在不断的发展，其形状和使用方式也一直在变化，但有几点很值得本科生细致品味。 1. 基本原理。 空速管测量中所涉及的流体力学基本原理都是比较简单的，大部分大学本科生均可以顺利地进行推导。但上述原理对现实世界的描述却是如此的准确。就像本文中讲述的大气静压强与高度的关系一样，竟然可以达到如此高的精度，不禁让人叹为观止。由此可见，牢固地掌握基本原理和知识具有重要意义。 2. 追踪前沿 。随着技术的不断提升，不断有大量新的测量技术涌现出来。例如，为了更为精确的进行飞机速度的测量，一种被称为嵌入式大气数据传感系统已经被提出并应用，其在飞行器头部安装大量的嵌入式的大气数据传感器对飞机的重要参数进行测量，相关领域的进展也值得关注。 3. 返璞归真 。尽管头部安装的空速管对飞机的隐身性能会带来一定的影响，但是在很多时候这种设置依然是可靠的选择。例如，在部分先进战机的研发和试飞过程中，均会在头部安装空速管以保障飞行安全。可想而知，传统的布置方式和技术有着它独特的魅力和优势。

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本科生科研指南（30）：空速管的演化

upflyzhang 2020-2-7 15:10

本科生科研指南（30）：空速管的演化 张宇宁 华北电力大学（北京） 在航空领域，皮托管因主要用于测量飞机的速度，一般被称为空速管 。对于空速管，其实大家并不陌生，很多战斗机前面非常突出的类似于针状的结构便是空速管。空速管的形式和布置受到飞机整体设计中众多因素的影响，包括飞机的气动布局、机载雷达布置、隐身性能、结构强度等等。本文主要介绍战斗机和民航客机的空速管及其演化。 图一展示了我军列装的歼6战斗机及其空速管 ，在该飞机头部非常长的一个针状的部件便是空速管。一般而言，将空速管布置在战斗机的最前端是因为 此处的速度测量受气流扰动较小，测速较为容易进行，测量结果也最为准确 。在战斗机的其他部位，测速因受到周围气流扰动、战斗机运行姿态等因素的严重影响，测得的速度值存在较大的波动，不易测准。图一中看到歼6战斗机前端的空速管非常长，这主要是为了避免战斗机周围大气流动中的扰动对测速的干扰，从而提升战斗机速度测量的精度。因为该型号战斗机采用的是机头进气的方式，空速管便布置在了机头的下方部位。另外，当歼6战斗机停靠在机场时，该空速管可以折起来以方便停靠并节省地面的空间，提高机场的有效可用面积。因为歼6的空速管较长，因此需要很高的结构强度以满足高速飞行的需要，这对于飞机的重量也会造成一定的影响。同时代的其他战斗机（例如米格19-S，见图二）也有很多采用类似的空速管布置方式。值得一提的是，因为在设计过程中的一些变动， 歼6战斗机早期型号的空速管并不是在头部，而是在右侧机翼的尖部 （见图三）。对于歼6感兴趣的同学，可以前往北京昌平区小汤山镇的中国航空博物馆参观，那里展示了若干架已退役的歼-6战斗机。 图一 我军歼6战斗机前端的空速管 图二 东德的米格19-S 图片来源： http://www.afwing.info/aircraft/j-6-history.html 图三 歼6早期型号的空速管位于右侧翼尖部位置 http://www.afwing.info/aircraft/j-6-history_3.html 后续，我国战斗机的空速管经历过多次的迭代和变换。1984年， 成功完成首飞的歼8II战斗机采用了机头锥空速管的形式 （见图四）。该飞机采用两侧进气的布局，是当时较为先进的机型。2001年4月1日，在海南岛专属经济区上空发生的我国与美国军机空中相撞的事故中，海军航空兵便派出了2架歼-8II战斗机执行对美国军机的监视和拦截任务，其中一架在与美机发生碰撞后坠毁，飞行员王伟牺牲。我国当前的主力机型 歼10的多个衍生型号的空速管均采用了机头锥部的形式 （见图五）。该飞机属于第四代战斗机，单个引擎驱动，具备全天候、多功能的作战能力。 图四 歼-8II型战斗机 图五 歼10战斗机及其前部的空速管 民航客机一般均会配备一个或者多个空速管以保证飞机运行过程中测速的准确性 。图六展示了欧洲空中客车公司生产的A330客机头部的多组空速管及其他各种类型的传感器。与战斗机较长的前置空速管相比，民航飞机的空速管显得更为小巧。图七展示了空客A330飞机空速管的放大图。这是 因为战斗机飞行速度更快，其所受到的气流扰动更大 ，因此战斗机的空速管需要设计得较长以便可以减少气流扰动的影响提升测速的精度。 图六 空客A330客机头部的空速管及其他各种各样的传感器 图七 空客A330的空速管放大图 从空速管的演化中，本科生可以体会以下几点。 1. 系统工程。 空速管作为飞机的重要组成部分，其型号、布置方式、材料等等均要服从飞机的整体定位及设计要求。因此，我们看到不同的战斗机因为作战定位不同，其装备的空速管也存在着显著的差异。值得一提的是，除了以上讲的空速管相关内容之外，隐身性能实际上对空速管的布置也提出了更高的要求。 2. 以小见大 。虽然空速管看起来是飞机上一根毫不起眼的 “针”，但实际上其中也同样蕴含着丰富的科学道理和故事。尤其值得一提的是，因为空速管的问题导致的航空灾难或者航空事故已经有多起，造成了严重的后果，值得高度重视！因此，在本科学习阶段，同学们应秉持求真务实的精神将所学到的各类知识掌握扎实，以便后续能够活学活用。 3. 贵在坚持 。做人做事难得的是将好的品质和习惯能够长期坚持，做科学研究亦是如此。具体而言，很多知名学者均是围绕自己感兴趣的领域坚持了几十年甚至一生，一直保持着对未知世界强烈的好奇心，并孜孜不倦地努力探索和工作。随着航空领域对于测速精度和安全性能要求的提升，空速管的演化和不断革新正是展示了科学家和工程师在此领域长期不懈的努力和探索。

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本科生科研指南（29）：皮托管原理

upflyzhang 2020-1-31 18:41

本科生科研指南（29）：皮托管原理 张宇宁 华北电力大学（北京） 2009 年6月1日，法国航空的447号航班在由巴西里约热内卢市的加利昂国际机场飞往法国巴黎市的戴高乐机场的途中 不幸在巴西附近岛屿坠毁，机上216名乘客及12名机组人员全部罹难 。后续空难的最终调查报告显示，飞机遇难的罪魁祸首是 测量飞机速度的皮托管被飞行过程中飞机所结的冰所堵塞 ，使该飞机无法准确地测量其当前的飞行速度，并由此导致了自动驾驶系统关闭和机组人员应对操作失误等一系列事故，并最终造成飞机失速并迅速坠落从而酿成空难。由此可见， 皮托管是保障飞机安全的重要测量设备 。为了方便本科生了解皮托管的工作原理，本文围绕该领域的相关知识着重进行介绍。 皮托管最早是由法国知名的工程师亨利·皮托于1732年发明 （注一）。在皮托所处的时代，广为流传的关于流体速度方面的知识中包含着很多错误的认识，因此迫切需要对此进行纠正。当时，皮托受命测量法国著名的塞纳河河水的流速，在此过程中他发明了皮托管用于测量该河流中流体的流速。后续， 1858 年，帕尔·达西对皮托管进行了重要的改进并沿用至今 （注二）。 图一 皮托管发明人亨利·皮托肖像 图片引自以下网址： http://www.edubilla.com/inventor/-henri-pitot/ 图二 亨利·皮托1732年发表的关于皮托管论文的首页 图三 帕尔·达西1858年发表的改进皮托管论文的首页 皮托管的测量原理如图四所示 。在介绍皮托管的工作原理以前，我们先介绍一下总压的概念。根据机械能守恒原理，在忽略流体高度变化的情况下，流体的动能和压力势能总和保持不变，即 总能量守恒 （注三）。如果将上述能量全部用压强的单位来表述，可以将动能表示为动压，并将其与流体中的静压相加，所得的值被定义为 总压 。在皮托管的正中，有一个被称为总压孔的小孔，它用于测量流体的总压。其原理是依据上述的能量转化，当流体的速度变为0时，流体所具有的能量全部转变为了压力势能，即总压。早期的皮托管只负责测量总压，因此又被称为总压管，而静压的测量是与总压分开进行的。后续，为了 方便 使用， 将静压和总压的测量整合到了一起，形成了完整的速度测量使用的现代皮托管 （见图五）。皮托管的侧面分布着若干个静压孔，用于测量流体相应位置的静压，即该点处流体的真实压力大小。根据皮托管测量得到的总压和静压，基于流体的密度便可以准确地计算出流体的速度。值得注意的是， 皮托管测量得到的速度是流体中某个点的瞬时速度 ，而不是部分流体的平均速度。另外，对于飞机等运动的物体，由皮托管测量得到的速度是飞机与大气的相对速度。如果想要知道飞机相对地面的速度，需要在皮托管测得的速度的基础上对风速进行修正。 图四 皮托管的工作原理示意图 图五 真实飞机皮托管的总压孔和静压孔 皮托管结构简单、测量准确，百余年以来一直被广泛应用 。实际上，大部分飞机都有2-4套皮托管测速系统，一方面可以互为备份，防止某个皮托管意外失灵的情况，另一方面可以方便系统对所测得的速度进行互相校对。绝大部分飞机用的皮托管测速系统均具有加热功能，防止结冰所造成的堵塞等等。在对飞行员进行培训之时，一般会模拟皮托管失效的情形。一旦皮托管无法正常工作，则飞机的驾驶系统便失去了飞机当前速度的有效数据，进而影响系统对飞机当前的其他状态参数的判定。此时，自动驾驶系统的部分功能可能无法正常运转，飞行员需要及时地手动干预并迅速进行处置。在地面上，当我们开的轿车上面的速度表坏了之时，我们可以找个适当的地方停下来看一看，或者至少通过观察窗外的景色和其他车辆去初步判定当前的时速。想象一下，在万米高空，边上全部是茫茫云海，参照物全无。因此，一旦飞机皮托管失灵，系统失去了有效的速度数据，飞行员急需对当前的危机进行准确的判断和快速的处理。 从皮托管的故事中，本科生可以体会以下几点。 1. 基本概念。 皮托管是 1732 年发明的，后续虽然几经改进，但其基本的原理并没有太大变化。关于皮托管的原理，在大部分工科流体力学相关的课程中一般都会有所介绍。在本科阶段，同学们需要扎实地掌握专业领域内的重要概念和基本原理，这将对未来的深造和发展大有裨益。 2. 培养兴趣 。大部分学科的内涵实际上都十分丰富，本科生可以不断地进行深入的了解和挖掘，并逐步培养个人对所学专业的兴趣。由本文可见，即使是流体力学课程中的一个关于皮托管的知识点便可以引出很多的故事，包括流体测速、飞机设计、航空灾难等等。实际上，通过对所学知识形成的历史背景、重要节点、核心进展等等的深入了解，本科生可以从很大程度上加深对于科学的理解和热爱。 3. 重视积累。 随着网络的日益发达，知识的获取渠道越来越多。对于课上感兴趣的知识点，本科生可以利用业余时间多举一反三，用搜索引擎查一查相关的关键词便能找到很多好资料，这些知识的积累便是本科生后续厚积薄发的关键。 注释部分 注一： 亨利·皮托于1732年发表的论文的相关信息如下： Pitot, Henri. Description d'une machine pour mesurer la vitesse des eaux courantes et le sillage des vaisseaux. Histoire de l'Académie royale des sciences. 1732: 363–376 注二： 帕尔·达西于1858年发表的论文的相关信息如下： Darcy, Par. Note relative à quelques modifications à introduire dans le tube de Pitot. 1858: 351–359 注三：在流体力学中，文中流体的能量守恒一般用伯努利方程描述。

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本科生科研指南（28）：穿越黑障

热度 1 upflyzhang 2020-1-24 08:00

本科生科研指南（28）：穿越黑障 张宇宁 华北电力大学（北京） 当飞行器返回大气层时，因飞行器与大气间的剧烈摩擦和周围气体的压缩升温，其表面的温度将急剧升高（注一），并进一步 导致飞行器材料和空气的电离，产生等离子体 。当物质处于等离子体状态时，其物理性质会发生很大的改变，与固态、液态和气态均不同，并对电磁波产生强烈的吸收和散射作用。图一展示了笔者采用高能量聚焦激光在实验室中产生的等离子体及其发光的照片（注二）。因此，当飞行器周围被等离子所覆盖之时， 飞行器与外部的通信因电磁波被等离子体强烈的削弱而受到严重的影响，从而产生通信不畅甚至中断的现象，简称为“黑障” 。另外，等离子体对于雷达信号也有很好的吸收作用。因此，“黑障”是当飞行器从外太空返回时进入大气层后的重要现象。 图一 笔者采用高能量聚焦激光在实验室中产生的等离子体及其发光 “ 黑障”在飞行器返回大气层时广泛存在。 图二展示了典型的飞行器进入大气层后其下落高度（左侧）和速度（右侧）随时间的变化曲线。图中黑色的区域便是“黑障”区。例如，神舟五号飞船的返回舱在进入大气层以后便发生了“黑障”现象。根据已发布的神舟五号执行任务过程中的重要时间节点（注三），2003年10月16日6时04分， 神舟五号飞船进入大气层后因“黑障”而通信中断 。后续，随着飞船的下落速度不断降低，飞船周围的等离子体也逐渐变薄。6时07分，搜救直升机收到返回舱的无线电信号并且目视到返回舱，说明飞船已经穿越了“黑障”区域。类似地，神州七号载人飞船也在返回途中碰到过“黑障”区（注四）。 当飞行器穿越“黑障”区时，因其所处的外部环境极其恶劣，存在着很强的事故隐患 。例如，1971年6月30日，前苏联联盟11号宇宙飞船返回舱再入大气层时，因压力阀门密封性能在分离时被破坏，舱内压力急剧降低导致三名宇航员死亡，教训惨痛。值得注意的是，不仅飞行器进入地球大气层时会有“黑障”区，当飞行器进入含有大气层的其他星球时也会有“黑障”区。例如， 火星探测器“探路者号”、“好奇号”均在进入火星大气层后遇到过“黑障”现象 。 图二 飞行器进入地球大气层后的速度及高度随时间变化示意图 该图片引自如下网站 https://www.spaceacademy.net.au/spacelink/blackout.htm 尽管“黑障”现象持续的时间只有几分钟，但其对飞行器的安全却意义重大 。飞行器飞行过程中一般需要实时地将各类重要数据（包括冲击、振动、热流、位置、速度等）返回地面控制中心，方便地面控制中心进行数据分析和飞行器的相应调整。而一旦进入“黑障”区域，飞行器与地面控制中心间的通信联系被切断，地面人员无法实时地了解飞行器的实时状况，也无法给出有效的操作指令。然而，因高空大气中的湍流等的存在， 上述失联对于后续飞行器着陆时的位置精度等等均有很大的影响 。如果着陆地点不佳（例如难以营救的偏远山区等等），不但极大地增加了后续地面搜救的难度，而且可能对飞行器的安全以及宇航员的生命造成一定的风险。当飞行器降落在地球上时很多事情还方便处理一些。然而，当探测器在火星上遇到“黑障”时，失败的风险将更高。据统计， 人类已经进行的火星探测器着陆实验的成功率仅为37% （注五）。因此，飞行器穿越“黑障”区域的研究具有重要的意义。 当飞行器穿越“黑障”区域时， 可以在以下几个方面下功夫从而削弱“黑障”的影响 。 1. 将通信用的天线安装在等离子体最为薄弱的位置。 2. 在飞行器表面适当喷涂可以减少等离子体厚度的涂层。 3. 优化飞行器的形状，从而减弱等离子体的厚度并优化其分布。 另外，雷达对于保障载人航天返回舱的安全具有重要作用。在神舟七号飞船进入大气层后的返航途中遇到 “ 黑障”时 ，通过对雷达跟踪系统进行一系列优化，其在 11 秒之内便锁定了返回舱 （注六） ，为后续的着陆和搜救提供了重要的位置数据。 从“黑障”相关的研发故事中，本科生可以体会以下几点重要综合素质。 1. 知识的相通性。 从 “ 黑障”形成的原理可知，只要存在大气层，飞行器在着陆过程中便会遇到“黑障”区域。因此，无论是在地球上着陆还是在火星表面探测的过程中，都会有“黑障”的身影。因大气层是由星体的引力而产生的，月球等星体由于质量较小，无法有效地吸附气体分子，所以一般近似地认为月球没有大气层。因此，在月球表面着陆时便不必考虑“黑障”现象。 2. 系统思维。 通常，一个重大工程的设计和实施涉及到非常多的环节和因素。这就需要科研工作者不但能够提升个别局部产品的性能，而且要从系统的视角去审视最终产品的综合性能指标。值得注意的是，前苏联联盟11号宇宙飞船事故和多次的火星探测器着陆失败已为我们敲响了警钟。系统思维能力需要同学们在本科阶段的学习中便要开始深刻领会。 3. 知识间的关联性。 “ 黑障”现象并非孤立地存在，而是与“热障”现象等有着极其密切的联系。在开展飞行器热防护的同时，实际上也要考虑“黑障”的影响。例如，从飞行器表面涂层的设计而言，既要能够有效地为飞行器提供热保护，也需要能够削弱等离子体的形成并抑制其厚度。因此，上述需求对材料的设计提出了更高、更为苛刻的要求。 注释部分 注一：该现象简称为“热障”。关于“热障”现象及其防护方法的详细介绍，请读者参见笔者的系列博文。 本科生科研指南（27）：突破热障 http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1214572.html 注二：笔者在实验室中产生的等离子体是采用高能量的Nd:YAG激光器通过聚焦透镜在水中形成的。 注三：与神州五号任务执行过程中相关的时间均引自维基百科网站中文版词条“神舟五号”。 注四：引自科学网新闻中心相关报道 特写：神七穿越“黑障”惊心动魄的240秒（副标题：北京航天指挥控制中心目击侧记） http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2008/9/211508.html 注五：该数据引自崔平远等的综述论文第9页，如下。 崔平远,窦强,高艾.火星大气进入段通信“黑障”问题研究综述 .宇航学报,2014,35(01):1-12. 注六：该数据引自新华网报道，如下。 新华网：我国捕捉穿越黑障区神七目标仅用11秒 http://scitech.people.com.cn/GB/9599076.html

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本科生科研指南（27）：突破热障

upflyzhang 2020-1-17 07:45

本科生科研指南（27）：突破热障 张宇宁 华北电力大学（北京） 2003 年10月16日5时35分（注一），北京航天指挥控制中心向正在太空中运行的我国首个载人飞船神舟五号发送返回指令，自此神舟五号飞船开始返航。6时04分，神舟五号飞船进入大气层。在此过程中，根据宇航员杨利伟的自述（注二），“ 快速飞行的飞船与大气摩擦，产生的高温把舷窗外面烧得一片通红；紧接着，在通红的窗外，有红的白的碎片不停划过 ”。由此可见，飞行器在高速飞行过程中除了要突破“声障”以外（注三），还因为 外部高温压缩空气的影响及飞行器与空气的摩擦生热而造成机体表面温度的急剧升高 ，难怪宇航员杨利伟驾驶神舟五号飞船进入大气层后飞船的舷窗外面会被烧得“一片通红”。在飞行器早期的设计和实践过程中，因为机体材料无法承受上述过程中所产生的巨大热量，飞行器的速度一直遇到难以突破的瓶颈。为了方便表述，业内一般将上述 因在大气层中飞行器飞行过程中所产生的热量所造成的飞行速度的限制简称为“热障” 。因为突破“热障”后飞行器的速度便可以迅速的提升，其应用范围也可以大幅度的拓展，所以该现象一直是航空航天领域的重点内容之一。为了方便本科生对相关概念能够有一定的了解，本文将详细介绍“热障”现象及其克服方法。 图一 神舟五号飞船返回舱 图片引自新华网 http://www.people.com.cn/GB/keji/1059/2135603.html 当人类在1947年10月14日第一次突破了声障实现了超音速飞行之后，飞行器的速度一直在不断的提升。最初，航空界普遍认为，飞行器飞行过程中因为空气是冷的，可以很好地给飞行器表面进行冷却。但是，实践证明， 当飞行器的速度继续升高之后，飞行器周围的空气因被更为剧烈的压缩导致其温度显著升高 ，导致飞行器的材料因无法有效承受上述高温而失效。因此，飞行器的速度便一时被“热障”所阻碍。实际上，上述“热障”现象在理论上是可以明确解释的。 早在1938年，我国知名科学家钱学森先生在其博士论文的第一章中（注四）便有详细的理论计算和描述 。根据钱先生的算例计算结果（注五），当飞行器以6倍声速飞行时，其表面的温度将达到外界温度的 8 倍 （大约1500摄氏度）。试想一下，如果没有材料性能的提升和足够的防护措施，当飞行器运行在如此高温度的高压空气之中，飞行器的材料必然无法承受。此外，上述高温不仅仅影响飞行器的外部结构及材料，对于飞行员的安全以及机组内的各种仪器仪表也均造成了重大的威胁。具体而言，当飞行器的速度高于2.5倍声速之时，“热障”便会非常显著。因此，在一段时间内，飞行器的速度因“热障”的影响而无法进一步提升。 图二 钱学森先生的博士论文封面 最为直接有效的克服上述“热障”的方法便是 将飞行器的材料更换为能够耐受高温同时具有较高强度的材料 。例如，美国采用钛合金材料制造飞机，而前苏联采用不锈钢材料进行替代，二者都对克服“热障”起到了不错的效果。经过长期的努力，1956年9月27日，人类终于突破了“热障”，达到了3.2马赫（注六）。随后，战斗机、侦察机的速度得以大幅度的提升。 图三 首次突破“热障”的X-2试验机 图片引自维基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/X-2%E8%A9%A6%E9%A9%97%E6%A9%9F 此外，飞行器的热防护方法还包括加装隔热设备和安装冷却系统给飞行器的表面进行降温等措施。随着技术的进步， 飞行器表面还经常被覆盖一层烧蚀材料 ，从而将热量通过烧蚀材料的融化、汽化等过程有效地耗散掉。一般而言，此类烧蚀材料一般是采用汽化潜热大、绝热性能好的、高强度的复合陶瓷制备，从而有效地保护飞行器的安全。类似地，飞行器的表面也经常涂抹一层防护涂层以防止过热所造成的材料破坏。在“热障”防护方面，我国神舟五号载人飞船采用了烧蚀材料和涂层防护等方法，杨利伟所看到的碎片便是烧蚀材料逐步脱落后留下的。 因为航空航天工程的复杂性， 突破了“热障”并不意味我们便可以一劳永逸 。一个惨痛的教训便是美国的哥伦比亚号航天飞机的失事事故。2003年2月1日，当哥伦比亚号再入大气层时，因航天飞机的热防护系统被其外部脱落的泡沫材料损毁而失事，机上7名航天员遇难。由此可见，飞行器热防护系统及其有效设计仍然是航空航天领域的核心议题之一。 从“热障”研发的历史中，本科生可以体会以下几点。 1. 前瞻性。 科学研究需要有一定的前瞻性，应通过仔细的分析和推理去发现重要的问题。在“热障”现象的研究过程中，部分 研究人员墨守成规地认为飞行器不会发生 “ 热障”问题。但是，钱学森先生通过理论推导和物理分析遇见到“热障”的必然性以及其对飞行器发展的重要影响，而后续的实践完全证实了上述预见的准确性。因此，在研究过程中，需要对所研究的领域有前瞻性的思考，尤其是思考那些尚未出现的，但在未来可能起决定性作用的重要现象。 2. 关注细节 。细节决定成败，在需要团队作战的重大项目中尤其如此。根据调查结果，美国哥伦比亚号航天飞机失事的原因主要在于泡沫材料的焊接工艺问题，其焊缝处所掺杂的少量氢气泡在受热膨胀后会导致泡沫分离，从而脱落并损毁了热防护系统。遗憾的是，上述问题未能够被及时发现，不仅造成航天飞机解体和 7 名宇航员丧生等恶劣事故，而且对航空装备的后续研发和使用造成了很大的冲击。另一个例子是为耗费巨资研发的哈勃望眼镜（注七）提供主镜片的制造公司在镜片磨制过程中存在重大失误，导致该镜片聚焦不准。更为惊讶的是，该问题直到该望远镜被送到太空中才因传回的图像极为模糊而被发现，一时成了全世界的笑谈。 3. 牺牲精神 。一项重要工程的成功实施需要几代人的努力和拼搏，除了有效的团结协作以外还要敢于牺牲个人的利益。在航空航天发展的过程中，无数的航天员和试飞员做出了杰出的贡献甚至献出了生命。例如，驾驶 X-2 试验机首次突破 “ 热障”的 米尔姆 • 阿普特（注八）便因飞机在一个倾斜转弯动作之后的操作失灵事故而牺牲。 4. 关注前沿学科 。随着 “ 热障”现象及其防护措施的持续研发，逐渐形成了气动热力学这一空气动力学领域的新分支，重点研究高速飞行器边界层内的传热传质现象、烧蚀作用的特征及其与周围流场的耦合作用等等内容。本科生应该多关注这些前沿、新兴学科的发展和研究进展，并有效地围绕感兴趣的议题积累相关知识。 注释部分 注一：本文中关于神舟五号的详细时间数据均引自维基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A5%9E%E8%88%9F%E4%BA%94%E5%8F%B7 注二：摘自杨利伟自述《天地九重》，解放军出版社，2010年1月出版 注三：当飞行器速度接近声速之时，因周围的空气被急速的压缩，飞行器的阻力会迅速增加，飞行器机体亦受到巨大的压力，简称为“声障”。关于“声障”的详细内容及介绍，请读者详见笔者的系列博文，本科生科研指南（26）：突破声障 http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1213542.html 注四：钱学森先生的博士论文题 目如下，关于热障现象的描述在该论文的第一部分。该论文于1938年1月1日答辩，原文下载自加州理工学院的网站。 Hsue-shen Tsien, Ph.D Thesis, Problems in Motion of Compressible Fluids and Reaction Propagation, Caltech. 下载网站： https://thesis.library.caltech.edu/133/ 注五：此算例及相关数据详见钱永刚编著的《钱学森精神读本》，第118页。 注六：第一次突破 “ 热障”的飞行器是美国的X-2火箭飞机，其在1956年9月27日的试飞中首次突破“热障”，但后续因为控制系统失灵而坠毁在沙漠中。 注七：哈勃望远镜的故事详见知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/32897299 注八：英文名Milbum G. Apt，关于X-2试验机的详细细节请见维基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/X-2%E8%A9%A6%E9%A9%97%E6%A9%9F

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本科生科研指南（26）：突破声障

upflyzhang 2020-1-10 08:27

本科生科研指南（26）：突破声障 张宇宁 华北电力大学（北京） 去年“70周年”国庆阅兵中，我军新研发的一款名为东风17的导弹火爆了全网，也让很多高校学子深感骄傲 。这款导弹的性能优越，具有非常强的全天候打击和突防能力。从飞行速度上来讲，该款导弹属于高超音速武器。在通常的室温下，声音的传播速度大概是340米每秒（注一）。所谓的超音速现象便是某个物体的运动速度超过了音速，而高超音速则意味着物体的运动速度达到了3-5倍的音速（注二）。据媒体报道（注三），东风17导弹的飞行速度在十几个音速以上，或达到20倍音速（即6800米每秒），难怪这款导弹的曝光引起了社会上极大的关注。 若想实现超音速飞行甚至高超音速飞行，首先要突破所谓的“声障”，本文围绕此领域的相关历史和进展为本科生梳理和展现该领域科学研究的脉络。 纵观历史，人类对天空充满着强烈的好奇，翱翔蓝天的梦想一直激励着人类不停地对天空进行探索。在一代又一代前辈的努力下，飞机得以诞生。自此之后， 人类又开始向更为高速的飞行发起挑战，希望能够不断地突破已有飞行器的速度 ，这无论在军事还是民用领域均具有重大意义。但在不断挑战速度极限的过程中，科学界也付出了惨重的代价。1945年6月，英国尝试试飞一款代号为DH-106“燕子”的飞机。 当试飞员将该型号飞机速度提升到接近声速时，机身瞬间破裂，并导致机毁人亡 。在后续的一段时间里，突破声速一直是航空航天领域的核心议题。当飞行器的飞行速度接近或者到达音速， 其所面临的恶劣环境就犹如一个横亘在飞机面前的一堵障碍墙一样，难以逾越，“声障”这个词也因而得名 。 从原理上讲，飞机通过其机型表面等的有效设计实现气流给飞机向上的力（简称为升力）可以克服飞机的重力从而实现稳定的飞行。 但当飞机接近声速时，飞机的阻力会急剧地增加，而升力却减小，给飞机的正常飞行造成一定的困难 。不仅如此，飞机的机体也会产生剧烈的振动，极大地影响飞机的操作。通过仪器测试，科学家进一步发现飞机表面的压力和温度在其接近声速之时会非常急剧地瞬间升高，给飞机的机体带来极大的冲击并造成材料表面的高温破坏。上述难点正是阻碍飞机突破“声障”的核心问题。 想要突破音障，必须在航天基础理论上有所突破。在此过程中， 我国的“两弹一星”功勋科学家郭永怀先生（图一）在此领域有着杰出的贡献 。为了更为方便的理解郭先生的伟大工作，我们先围绕一个简单的管道内部流动例子介绍若干相关的流体力学基本概念（注四）。在这个实验中，我们可以用阀门控制流经管道的流体流速，可以把管子做成透明的并加入红色墨水等从而方便观察其流动状态。当我们将管道的入口流速从较低的数值不断升高的时候，通过红色墨水本科生便可以观察到管道内部流体一开始是比较有序而清晰的流动，而后逐渐转变为无序而混乱的流动，这时我们将发生上述转变的流速准确地记录下来，得到流态转变所对应的流速“上限”。相反，我们将管道的入口流速从较高的速度开始调整，流动起初处于无序状态，然后逐渐过渡到有序的状态，我们则得到了流态转变所对应的流速“下限”。之所以有上、下之分，因为上述两个流速基本上不会重合，且“上限”大于“下限”。在飞机的速度接近声速时，飞机周围流体的流动存在着流动状态的急剧变化，类似于上述管道流动中的“上限”和“下限”。在飞机的初始设计中，科学家更为关注“下限”，但屡试屡败。 郭永怀先生通过严谨的理论推导证明了即使飞行速度超过“下限”，飞机仍然可以正常飞行，并不一定会遇到“声障” 。另外，郭永怀先生更为敏锐地指出“上限”才是真正值得关注的，因为当飞行速度超过“上限”时飞机一定会遇到“声障”。上述研究是空气动力学领域的先驱性工作，具有划时代的意义。在此思想的指导下， 在1947年10月14日，人类第一次突破了声障，实现了超音速飞行 。 具体而言，飞机想要突破“声障”需要在其外形设计方面下足功夫，需要将机翼设计得更薄，部分飞机还将机翼做成了三角形等特殊形状。 图一 中国邮政发行的纪念郭永怀先生的邮票 此外，细心的本科生可能发现网上很多突破“声障”的图片 飞机周围都有很多雾状的汽体 （如图一）。这个实际上是飞机突破“声障”时大气中的水汽因为气流的急剧加压加速而凝结的现象。该雾状云通常呈现圆锥状。其学名是“ 普朗特-格劳厄脱凝结云 ”（注五），又被称为锥状云、冲击领或冲击鞘。另外，在飞机突破“声障”之时，其周围空气因为急剧的升压而产生强烈的巨响，称之为“声爆”，其对飞机及周围的设施具有一定的破坏力。 图二 歼20突破“声障”瞬间的图片（注六） 值得一提的是， 高超音速飞行器的研发是整个国家工业实力和研发水平的极致体现 。例如，在前期的研发过程中，上述东风17导弹需要进行成千上万次的风洞测试，从而对其设计进行不断的调整和优化。上述很多重要的实验是在中国科学院建设的目前国际上最为先进的高超声速风洞“ JF12 复现高超声速飞行条件激波风洞 ” 中进行的。而上述JF12风洞的建设和运营则凝聚了几代人的心血，十分不易。由此可见，基础研究和重大设施对于科学研究和国防建设的重要性。 当空气动力学同行们为突破“声障”和超声速飞行忙得不亦乐乎之时，汽车领域的工程师和科学家也在紧锣密鼓的进行突破“声障”的筹划。 世界上第一辆突破“声障”的汽车是英国制造的Thrust SSC （注七）。1997年10月15日，该车在沙漠中进行了实际运行（图三），最高时速达到 1227.985 千米每小时 ，成为当时世界上跑得最快的汽车。该车重达10吨，长16.5米，宽3.7米，对称配备了两具战斗机用的涡扇引擎作为其运行的动力来源。作为一段历史的见证，该车被永久地保存在英国考文垂市的交通博物馆之中。该博物馆还为游客提供了一个可以体验当时创造世界纪录过程中驾驶环境的模拟器。 图三 在沙漠中狂奔的 Thrust SSC 汽车 上述突破“声障”的故事对我们本科生同学开展科学研究有如下启发。 1. 基础知识 。很多重要的创新均来自于对于基础知识的深入领会和掌握，并基于此进行适当的灵活运用。反过来讲，如果基础不够牢固，对重要问题很难有深入的理解。例如，上述的很多流体力学故事中涉及的实验和想法基本上源于大部分本科生流体力学类课程中的常见概念和分析。在后续深造过程中，本科生便会发现这些基本概念的深入学习与科研工作是息息相关的。 2. 广泛阅读 。本科生平时应该坚持读书、看报，初步了解科学研究领域的最新思想和进展。初期，本科生可以多看一些科普类的书籍，例如 《科学美国人》、《中国科学报》等等。如果后续对某个专业领域比较感兴趣，本科生可以有针对性地看相关领域的杂志。例如，对航空航天感兴趣的同学，可以定期阅读《航空周刊》、《国际航空》、《太空探索》等杂志。 3. 关注热点。 本科生应花一定时间了解社会、科研领域当前的热点话题及其相关的讨论。通过对相关进展和专家解读进行阅读、思考，本科生可以逐渐培养批判性思维等重要能力。例如，美国波音公司的 737MAX 飞机接连出事，其背后的原因可谓是众说纷纭。有兴趣的本科生可以找一些较为权威的资料进行阅读和思考，并与周边的同学讨论，增加对科研的兴趣。比如， 2019 年 8 月的《国际航空》杂志中的一篇专门介绍 737MAX 空难原因探析的论文便很值得一读。 4. 国家需求。 平时学习生活中，本科生可以留心关注 感兴趣领域中 国家的核心需求，有效地将个人的兴趣爱好与国家发展紧密地结合起来。比如，航空发动机一直是我们国家的软肋，迫切需要研发，这涉及到很多专业领域内的诸多复杂问题，有很多的机会供同学们大展身手。 注释部分 注一：严格地讲，在20摄氏度下，声音的传播速度为343.21米每秒。详见如下网站表格中的数据 https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_sound 注二：高超音速的明确定义存在一定的争议，部分教科书将高超音速定义为物体的飞行速度超过3.16倍的音速。详见《工程流体力学》（第四版），孔珑主编，第153页。 注三：本数字引自新浪军事报道，详见以下链接 https://mil.news.sina.com.cn/jssd/2019-10-14/doc-iicezuev2037596.shtml 注四：这个实验历史上称之为“雷诺管道实验”，在大部分的流体力学教科书中均有描述。详见《工程流体力学》（第四版），孔珑主编，第98页。 注五：该现象是一个数学上的奇点，即普朗特-格劳尔奇点（Prandtl–Glauert singularity, 简称为P.G. singularity）。 注六：此图来自中国网的报道，标题为“成都市区现巨响 成飞歼20试飞发出音爆（图）” http://www.china.com.cn/guoqing/2015-11/27/content_37178197.htm 注七：SSC是英文supersonic car的缩写，即为超声速汽车的意思。

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本科生科研指南（25）：卡门涡街

热度 2 upflyzhang 2020-1-3 08:32

本科生科研指南（25）：卡门涡街 张宇宁 华北电力大学（北京） 在科学研究的过程中，经常会有一定的不确定性。因此，科学史上一些重要的发现反而是无心插柳的结果 。纵观科学史，这样的例子不胜枚举，例如稀有气体的发现等等。本期，通过梳理卡门涡街的发现过程及其后续的应用，希望本科生能从中体会在科学研究的过程中细心观察和不断思考的重要性。 提起卡门涡街，其实我们并不陌生， 在日常生活中卡门涡街的例子也非常多 。例如，当小溪中水流的流速较快时，当其遇到大石块等障碍物时，水流会自然地被分成两股绕行。如果仔细观察石块后流体的运动，本科生便可以发现 流体中会出现两个交替的、不对称的小漩涡 并沿着下游运动。这个现象便是流体力学中著名的卡门涡街。在各种绘画作品中，对上述卡门涡街现象也多有描述。据说（注一），在意大利博洛尼亚市一所教堂里的一幅描述圣克里斯多福背着耶稣赤足渡河的油画中，画家描绘了河水在画中人物脚跟处形成的交替的漩涡，即为卡门涡街。 关于卡门涡街，部分本科生可能会疑惑为何漩涡是不对称的？如果采用一个完全对称的大石头（例如圆柱形状的石头），那么上述涡街是否会变成对称的？实际上， 不管被绕流的物体对称与否，只要流体流速达到一定的数值，上述漩涡的出现一定是非对称的 。在早期的研究中，卡门涡街的这种奇异特性的确困扰了很多科学家。如果从卫星中俯瞰地球，即使是大气环流这样大尺度的流动中也可能包含卡门涡街的现象。例如，当大气流经一些岛屿时，也可能会在其后方形成壮观的卡门涡街（见图一）。 图一 大气流动中的卡门涡街示例 https://zh.wikipedia.org/wiki/File:Vortex-street-1.jpg 需要警惕的是，卡门涡街也可能带来很多严重的危害 ，例如美国华盛顿州塔科马海峡吊桥（Tacoma Narrow Bridge）崩塌事件便是由卡门涡街导致的。该吊桥于1940年7月1日建成后首度通车，但很遗憾的是1940年11月7日，也就是该桥刚刚运行四个多月便轰然倒塌。根据调查结果，这起事件的元凶便是 卡门涡街。 当卡门涡街诱发的振荡频率极其接近大桥本身的固有频率时，大桥的桥体便会产生剧烈的振荡直至倒塌 。设计之初，为了美观和节省投资，著名设计师里昂·莫伊塞弗（Leon Moisseiff）提出的将大桥桥面的厚度从7.6米降至2.4米的方案被采纳。在大桥运行的初期，桥面便开始出现上下摆动，甚至很多热爱猎奇的人士专程驾车慕名而来体验大桥振荡带来的刺激（注二）。1940年11月7日，风速达到了大约19米每秒，这大概是大桥建成以来所经历的最大风速。当天，大桥出现了异常的剧烈颠簸并最终掉入海湾之中。由此可见，卡门涡街所引起的强烈震动的危害甚重。 对于这样一个重要的现象，研究的学者自然不在少数。这个现象之所以最后以 西奥多 • 冯 • 卡门名字命名的一个重要的原因是他在该领域的杰出贡献。有趣的是，这个研究本身并非冯 • 卡门的专长，他进入该领域纯属偶然。 1911 年，冯 • 卡门进入德国哥廷根大学给著名的路德维希 • 普朗特教授（注三）当助教。当时，普朗特的一个博士生正在研究水流绕过圆柱体时的边界层分离现象。但是，不知为何在圆柱体表面上的压力总是出现剧烈的振动。起初，大家都以为是圆柱的加工不够精确而导致的，但几经改进扔不见有效果。这个现象被冯 • 卡门注意到了，他经过思考认为可能是流体内在的某种因素导致了这样一个奇特的现象。于是，冯 • 卡门改变了研究的思路，从漩涡稳定性的角度进行分析，尝试了多组方案，终于圆满地解释了圆柱后方 两个交错排列的漩涡稳定存在的现象 。同年，在普朗特的鼓励和支持下，冯 • 卡门发表了人生的第一篇学术论文，也是他的成名之作，对上述非对称涡街现象给出了很好的机理阐述并被实验所证实。 卡门涡街理论的突破对于工程实践有很多潜在的应用。例如，塔科马海峡吊桥坍塌后的重建工作便是卡门涡街应用的著名例子。大桥坍塌后，市政府开始着手大桥的重建工作。当时， 桥梁设计界尚未认识到卡门涡街的严重危害，仍然是从传统的桥梁承重等设计角度出发开展大桥的设计 。有鉴于此， 冯 • 卡门积极奔走并详细阐述卡门涡街的危害，终于说服了市政府改进设计方案，从而避免了大桥坍塌的悲剧再次发生。无独有偶，在 1965 年11月，英国西约克郡费里布里奇发电站内部的两座冷却塔也因卡门涡街诱发的剧烈振动而倒塌。这两座塔有一百多米高，在大风中极易在其后部形成卡门涡街。 卡门涡街的其他应用还包括： 1. 风弦琴发声原理 。风弦琴是英国的一种著名乐器，深受喜爱。英国物理学家瑞利勋爵于1915年应用卡门涡街理论解释了风弦琴发声的原理。 2. 涡街流量计 。因卡门涡街中涡对的形成频率与流体流速有关，因此可以将其作为测量各种管道内流量的一种基本方法。 3. 水电站事故 。卡门涡街诱发的振动可能严重威胁水电站的运行安全。例如，云南大朝山电站（装机容量：225MW）水轮发电机组曾发生过卡门涡街诱发的振动，不但产生了巨大的异常蜂鸣声，而且导致了机组核心部件转轮处的裂纹。 4. 电线除冰 。环境中的风通过输电线时也会产生卡门涡街。与上述静止的圆柱不同的是，输电线在风环境中将呈现较为复杂的运动，因此所形成的现象更为复杂。此类卡门涡街可以使输电线形成较强的舞动，从而有利于输电线在冬季的除冰，避免类似于2008年1月的特大冰雪灾害的形成。 5. 烟囱倒塌 。与上述冷却塔类似，工厂中用于排烟的圆柱形烟囱很有可能会在风的作用下在其后部形成卡门涡街并引起剧烈的振动而倒塌。 冯 • 卡门的创新故事给我们的本科生以下启示。 1. 年少多努力 。 冯 • 卡门 关于卡门涡街的论文便是其人生发表的第一篇论文，并因此而迅速成名。由此可见，本科生更应该趁着年轻多多努力，勤于思考。 2. 关注细节 。起初，涡街的研究并非是 冯 • 卡门 的研究题目。但是，他对该现象并没有轻易地放过，敏锐地从中发现科学创新的机会，并顺利地解决该问题。因而，在科研过程中，本科生需要对重要的若干细节进行敏锐的观察和思考。 3. 独辟蹊径 。当别人在研究涡街问题遇到障碍、止步不前之时， 冯 • 卡门能够指出从涡旋维持的角度思考该问题，并提出了 一种全新的机理解释。在研究遇到困难时，本科生需要换个思维方式，从其他视角去审视科研难题。 4. 反馈社会 。关于卡门涡街的研究， 冯 • 卡门并没有止步于象牙塔，而是 在塔科马海峡吊桥重建过程中积极建言并被采纳，不但避免了类似大桥倒塌悲剧的发生，同时也提升了大桥等建筑设计的标准，堪称理论联系实际的典范。 注释部分 注一：此说法引自冯•卡门，据说这是卡门涡街最早的记录。 注二：此说法引自《冯•卡门》自传中的第27章塔科马海峡大桥坍塌（第211页，中译本第197页）。 注三：关于普朗特教授的学术贡献及边界层理论介绍，详见系列博客（24），网址如下： http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1211649.html

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本科生科研指南（24）：创新故事1

upflyzhang 2019-12-27 08:33

本科生科研指南（24）：创新故事1 张宇宁 华北电力大学（北京） 为了方便本科生对学术创新有进一步的深入理解，从本期开始， 笔者将逐步介绍若干个科学史上经典的学术创新故事并对其进行一定的剖析，力争使得对科研感兴趣的本科生能够较为全面地理解创新的真谛 。 边界层理论是流体力学、传热等领域非常重要的基本理论之一，其对后续流体力学的发展，尤其是 理论流体力学与实验流体力学的有效结合起了至关重要的作用 。在介绍相关创新性工作以前，我们先回到19世纪，并从学术思想发展的视角去感受和体会边界层理论提出的历史背景和重要意义。一直以来，流体的运动规律一直是人们研究的热门话题，一直有众多的学者对控制流体运动的基本方程进行了推导和尝试。经过几代人的努力，该项研究在19世纪取得了重大的突破，法国科学家纳维尔（Claude-Louis Navier）得到了相关的方程并经英国科学家斯托克斯（George Gabriel Stokes）进一步完善后，终于形成了在我们这个时代大部分流体力学教材中经常看到的以上述两个科学家的名字命名的方程（即纳维尔-斯托克斯方程）。 但是，虽然流体运动的基本方程已经得到，但是科学研究并未到此止步。其中一个重要的原因是 该方程的求解异常困难，导致无法得到对指导工程实践有意义的信息 。举个例子，假设一个生活在19世纪的管道设计方面的工程师，其需要迫切解决的核心问题是水流流过管道后的阻力的计算，从而能够合理地开展市政管道的设计以及安排水泵等动力设备，以确保居民和工厂的用水的正常供应。在19世纪时，通用的做法是针对不同类型、直径、截面形状的管道进行逐一实验，然后根据实验结果进行整理并用于指导设计，但其所涉及的繁重的工作量可想而知。因此，在当时的历史条件下 迫切需要发展理论流体力学，并将其与工程实践有效地结合起来从而极大地提高工程设计的效率 。即使纳维尔-斯托克斯方程的形式很漂亮并且其理论解释也很清楚，但从工程师的角度看，未免对纳维尔-斯托克斯方程略感失望。因为工程师们无法求解该方程，因此也得不到对指导他们的工作有价值的信息。 站在这个历史的节点上， 为了适应相关领域发展的需求，必须要新的理论挺身而出改变这一现状，正所谓“时势造英雄” 。解决问题的思路无外乎两个： 1. 采用更高级的方法将该方程的完整形式进行求解。 2. 采用若干假设将该方程进行合理的简化然后进行求解、验证。 我们先从学科发展的视角看一下第一种方法的进展。在理论研究方面， 纳维尔-斯托克斯方程数学意义上的精确求解依然尚未得到有效解决 。2000年5月24日，在美国知名的克雷数学研究所公布的每个悬赏100万美元的千禧年大奖的7个难题中，纳维尔-斯托克斯方程的数学求解名列其中（注一），足见其难度。数值计算方面，由于电子计算机的兴起和普及，在二战及以后，纳维尔-斯托克斯方程的数值求解变得日渐普及，此为后话。至少，从19世纪的视角来看，第一条路几乎走不通。 那么，我们现在审视一下第二条路。这条路看起来颇有希望，但同样困难重重，列举如下： 1. 该方程中哪些项可以简化？ 2. 进行简化需要依据哪些假设及其合理性？ 3. 简化后的方程如果可以求解的话，其精度如何？ 因为纳维尔-斯托克斯方程是较为复杂的偏微分方程，涉及到10几个项，对每一项都需要仔细的推敲和仔细的研究。科学史上，一定有无数的学者为此进行了大量的努力和勤奋的工作，最终，1904年， 德国学者普朗特在德国西南部海德尔堡举办的第三届国际数学家大会上发表的一篇关于摩擦极小的流体运动的论文中有效地对纳维尔-斯托克斯方程进行了简化、求解和验证 。在这篇论文中，普朗特提出了一个崭新的观点，即在远离壁面的区域不考虑粘性的影响，这时的方程得到极大的简化很容易求解，而在壁面附近考虑粘性的影响但采用非常简化的一套方程进行求解（即“边界层方程”）。随后，普朗特的边界层理论迅速地得到了各个工程领域的实践检验，因此得以迅速推广。至此，流体力学有了一套非常强大的理论工具，从此不但理论流体力学得以迅速发展，而且与实验流体力学和工程实践结合得日益紧密。 纵观整个边界层理论的提出和发展，普朗特扎实的基本功、对目标的极致理解、敏锐的物理直觉功不可没。 概况而言，上述普朗特关于边界层理论研究的创新故事对本科生的科学研究之路的启发有以下几点。 1. 敢于提出自己的观点 。对于科学研究，本科生不要有畏难心理，只要经过自己周密的思考和验算并坚信所提出的观点是正确的，便可勇敢地提出自己的想法和思路并勇于坚持。在提出边界层理论之前，普朗特在流体力学领域并无名气，1900年博士毕业后的一段时间内普朗特还从事过固体力学方面工程师的工作（注二）。当普朗特1904年发表边界层理论领域的开创性论文时，他年仅29岁且刚开始系统性地开展流体力学的研究。 2. 提炼关键科学问题 。科学研究的过程中，优秀的学者需要对学科前沿有敏锐的洞察力，并能够提炼和抓住其中的核心问题并围绕此进行攻关和解决。概况而言，普朗特正是抓住了流体力学在其所处时代的前沿问题，通过合理地简化纳维尔-斯托克斯方程并将其与实验流体力学紧密的结合起来，成就卓越。 3. 注重创新思维培养 。对于一个科学难题，一般的思路通常会失效，对解决此类难题的帮助甚小。那么，在此类常规思路已失效的时候，真正的突破和创新通常需要研究人员具备与众不同的思维方式（诸如逆向思维等等）和较为宽阔的研究视野。而对于创新思维的培养，本科生的思维较为活跃，勇于探索和尝试各类新鲜事物，更应着力提升个人创新能力和水平。 4. 积累扎实的基本功 。通常，一项好的研究成果通常需要研究人员对各类基本概念有着非常扎实的理解并在此基础上能够灵活运用。在这方面，本科阶段是打好学术基础最为宝贵的时期。因此，本科生应该扎扎实实地学好基本功课，不应好高骛远、避重就轻。 注释部分 注一：关于美国克雷数学研究所发布的纳维尔-斯托克斯方程难题的具体描述，详见其官方网站。 http://www.claymath.org/millennium-problems/navier%E2%80%93stokes-equation 注二：关于普朗特更为详细的介绍，请读者参考维基百科等资料。 https://en.wikipedia.org/wiki/Ludwig_Prandtl

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本科生科研指南（23）：想法评估

upflyzhang 2019-12-20 07:42

本科生科研指南（23）：想法评估 张宇宁 华北电力大学（北京） 在具体执行一个科研想法之前， 本科生需要严格按照科学工作的严谨性和规范性对已提出的若干个想法进行深入彻底的思考和评估 ，从而才能有效地保证本科生后续开展科研工作时能够目标明确、执行有力、圆满成功。具体而言，围绕科研想法的评估，本科生在初期可以重点围绕以下三个方面因素进行。 第一， 本科生应明晰科研工作的最终目标 。在科研活动的全部过程中，科研目标是引领本科生开展卓越的科研工作的重要导向。在执行过程中，本科生与科研相关的各类具体的工作均是围绕目标详细展开的，因此目标的厘清和明晰是对一个科研想法进行科学论证的首要前提。具体而言，科研目标不但要求本科生能够清楚明确地进行科学的表述和描述，而且 本科生制定的目标还需要满足可度量性和可执行性两个指标 。下面以本科生经常遇到的英语学习为例具体阐述目标的制定及其需要满足的条件。新的一年即将开始，假设某个本科生给自己在新的一年中设定的目标之一是 “希望努力学好英语”。按照我们以上讲述的关于目标制定的标准，这 并不是一个明确、清晰的目标，因为该目标里面包含了若干较为笼统、定义模糊的词汇，诸如： 1. “努力” 应该如何进行明确定义？是以每天投入 2 个小时还是以每周投入 10 个小时进行度量？具体的学习过程应该如何执行？ 2. “ 英语 ” 一词 的涵盖范围过于宽泛，该目标是进行该学生的听说读写四个方面的全面提升还是着重于在某个方面有所突破？ 3. “学好”一词应该如何定义？有无具体的指标进行有效的度量？ 诸如此类的问题在很多本科生制定的目标中普遍存在 。如果制定目标时对目标的表述不够清晰，很可能导致本科生无法对目标实现与否进行有效判断，久而久之本科生也就动力全无。针对上述问题，解决的方法是将拟制定的目标围绕本科生个人的当前需求进一步进行思考、凝练。同样以英语学习为例，与上述的较为笼统的目标进行对比，以下几个目标相对更为明确、可度量和可执行。 1. 每周投入20个小时开展英语口语的学习，使个人托福考试成绩中的口语测试达到25分及以上。 2. 每周写3篇不低于600字的作文，并请英文老师修改，最终在《英语写作》课程的期末考试中达到90分及以上。 3. 每周坚持听1个小时的专业英语网站的新闻，使个人出国考试中的雅思英语考试的听力成绩达到6.5及以上。 与英语学习不同的是，科研创新是更为复杂、长期、多人协作的任务，因而合理的制定目标会事半功倍。 第二， 本科生应通过阅读文献详细了解前人的工作思路及研究进展 。围绕已制定的目标，本科生可以通过详细细致的文献调研了解相关领域内已经在此科学问题上取得的研究进展、曾经做过的尝试、已达成的共识等等。值得注意的是， 本科生的文献调研最终应该以专业的文献调研报告的形式呈现出来 ，应包括科学问题研究背景和意义、问题的描述和定义、文献已有重要工作的详细介绍等等部分。有必要的话，本科生还需要围绕目标通过批判性思维方式指出已有工作的不足和可以改进之处。作为一个阶段性工作的总结，调研报告可以起到承上启下的重要作用，既是对前期文献调研中已学习到的知识和方法的汇总和提炼，也是对后续科研工作思路的进一步思考和厘清。 第三， 本科生应详细论述对于克服已有研究的局限性方面其研究思路上的特色之处以及可能的学术贡献 。在研究思路上，基于扎实的基本功和文献调研，本科生可以大胆地开拓思路，提出一些与众不同的研究想法和手段，从而达到解决关键科学问题的目的。在这方面，本科生所具有的对新知识、新世界强烈的好奇心以及主观能动性是很好的品质，有利于形成卓尔不群的研究思路。下面，笔者以石墨烯的制备为例阐述突破已有的范式及局限性开展创新性研究的重要性。通常，计算机及手机的计算速度严重依赖于半导体硅基材料的性能。但是，因受到摩尔定律的制约，已有的硅基材料的计算性能存在显著的极限，亟待突破。为了打破该极限，工业界迫切需要发展石墨烯等非硅材料进行替代，从而实现计算性能的飞跃。但是，只有一个碳原子厚度的单层石墨烯的制备是困扰众多科学家的重要难题，因为即使用非常高级的抛光机所能制作出来的石墨烯也通常要有 1000 多层厚，不利于后续的研究。基于石墨的层状解理的独特特性，英国曼彻斯特大学安德烈·盖姆采用胶带将高定向热解石墨粘在上面然后对折后再粘一次，不断的如此反复从而实现了石墨的按层剥离并最终得到石墨烯。后续，盖姆因在此领域的卓越贡献获得 2010 年度的诺贝尔物理学奖。由此可见， 突破已有研究手段的局限性是科研工作中非常重要的能力。 总之，想法的论证和评估是做好科学研究的重要流程，本科生需要耐心的思考、认真的调研、不断的讨论，从而达到进一步凝练思路、去粗取精、去伪存真的目的。

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本科生科研指南（22）：追随内心

upflyzhang 2019-12-13 13:22

本科生科研指南（22）：追随内心 张宇宁 华北电力大学（北京） 在从事科学研究的过程中，本科生必然要面临科研方向的选择。在选择的过程中，面对繁杂的信息和从各种渠道获得的建议，本科生可能会产生各种各样的困惑，诸如： 1. 该研究方向的研究意义和相关背景是什么？ 2. 该研究方向是否属于国际国内热点或前沿的研究方向？ 3. 能否有望在本科阶段取得一定的科研成果甚至重大的突破？ 4. 自身的能力能否适应该研究方向对本科生相关研究能力的需求？ 5. 在研究计划执行的过程中，自身需要补充哪些新的知识和新的技能？ 当然，本科生也可能围绕个人的前途和长期发展存在若干的担心和疑惑。虽然以下列出的问题未必跟科研直接相关，但是同样是本科生关心的热门议题。 1. 科研工作能否为自己后续免试推荐研究生加分？ 2. 能否在研究生面试过程中形成个人的亮点和特色？ 3. 后续出国深造的话，是否能够帮助个人增加录取概率并获得奖学金资助？ 4. 该研究需要投入的时间大概要多少？如何在紧张的课程学习中落实相关时间？ 在回答这些问题和做决定以前，我们不妨先仔细审视一下我们追求的目标，本科生可以尝试先将与科研无直接相关的因素丢弃一边，从而专注于科研本身去思考 。对于大部分的本科生而言，影响其做出最终决定的重要因素主要有以下三个： 1. 个人兴趣 。诚如“兴趣是最好的老师 ” ，当做自己感兴趣的事情之时，本科生不但有强烈的主观意愿投入大量的时间于该事情，甚至可以从宝贵的休息中挤出时间去做。就结果而言，通常情况下，无论是事情的执行情况还是本科生的个人身心愉悦程度均能够达到较高的水平。同理，兴趣在科学研究的过程中同样扮演着重要的角色。在《双螺旋：发现 DNA 结构的故事》一书中，美国生物学家詹姆斯·杜威·沃森详细描述了他和英国科学家弗兰西斯·克里克全心全意地开展合作，共同致力于研究 DNA 内部结构的详细经过，他们不断地提出新的模型但又不断地被实验结果所否定。但是，他们依然痴心不改，努力坚持，最终合作提出了著名的 DNA 双螺旋结构，极大地影响并改变了人们对生物体基本遗传物质结构的认识。由此可见，兴趣的确是科研工作最好的驱动力。 2. 学校特色 。在报考学校以前，很多本科生可能对自己所在的学校进行过详细的调研。在科研方向的论证阶段，不妨从科学研究的视角重新审视所在学校的学科、学术、平台、研究等方面的特色，这个对于后续科研工作的顺利进行、导师的选定以及个人的长期发展均是大有裨益的。例如笔者所在的学校华北电力大学是一所以能源电力行业为背景，以重点建设世界一流的能源电力科学与工程学科群为目标的行业内特色学校，其在能源电力领域有着广泛的影响力。结合学校的特色专业和学科，本科生可以大胆地开动脑筋去做很多自己感兴趣的事情，一方面学校和导师既有意愿也有相关知识、能力和人脉尽力去帮助其成长，另一方面，学校强大的校友资源也可以在科研过程中的重要环节给予帮助。例如，华北电力大学的绿色电力协会结合学校特色，开展了“把绿色电力送到雪域高原”等系列活动并坚持了 10 余年，不但给偏远地区送去了电，而且为老乡增了收。这个例子就是学生结合学校特色开展科研和社会实践工作的典型案例。 3. 职业愿景 。在科研方向的选择过程中，如果具备条件的话，本科生应尽可能地将科研工作与个人的长期职业愿景相结合。具体而言，本科生可以通过科研进一步详细了解拟从事职业的重要信息，并有更多机会跟相关职业的从业人员接触。长期坚持以后，本科生不但能够厘清科研的目标和方向，而且对长期发展所涉及的重要问题也能有一个更为具体、明确的认识和理解。在后续做事过程中，本科生便一直可以保持一个清醒的头脑，时刻保持个人的努力与科研工作以及职业发展目标相一致。 一些注意事项及小技巧罗列如下： 1. 兴趣应建立在对事物的深入理解及思考之上 。兴趣的确定是人生中一个重要的议题。本科生要围绕感兴趣的事情不断的尝试、探索、思考和论证，详细确定自己的兴趣点。部分情况下，一些本科生所谓 的“兴趣”有 时候并非如此，实际上其未必真的感兴趣，类似于叶公好龙，哪天机会真正的摆在面前反而止步不前。 2. 本科生应尽早制定职业的愿景及规划 。一般而言，本科生应在大二的时候便开始思考此事，并且有目标的搜集相关信息，向老师等长辈咨询以及通过参与社会实践等获得对拟从事职业的若干新认识。在科研的过程中，本科生在某种意义上也可以进一步丰富与职业愿景密切相关的能力、简历以及相关领域人脉。 3. 本科生应全力以赴通过各种可能的途径开展详细的调研 。在初步拟定一个大致的科研议题后，本科生可以尝试通过各种渠道了解信息，让自己能够在短时间内获取后续进行科学论证及判断所需的信息。在互联网时代，获取信息的途径实在不胜枚举。比如，想了解某个领域的最新进展，可以关注若干知名科学家的近期言论及报道；想知道科研需要具备的若干核心技能，可以关注相关知名微信公众号的推送及历史文章；想具体了解跟自己情形类似的本科生相关科研的经历，可以看知乎上的一些热门问答或者自己去提问。总之，本科生需要不断地开动脑筋，根据个人情况选择合适的方式围绕目标进行调研并解决问题。 总之，本科生无论是从事科学研究还是制定长远的职业规划都应该首先追随自己的内心，做自己认为有重大意义、有重要价值的事情 。

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本科生科研指南（21）：研究领域

upflyzhang 2019-12-6 09:12

本科生科研指南（21）：研究领域 张宇宁 华北电力大学（北京） 经过前期的准备工作，本科生已经对科学研究有了一个初步的了解和认识。为了方便 后续 开展工作，本科生不妨先思考一下自己拟从事研究领域的选择，这是决定科研成败的关键节点之一。在论述如何合理地选择研究领域之前，我们先看看如果研究领域未能确定或者过于宽泛可能带来的若干问题和困难。 第一， 本科生无法形成有效的知识积累 。去了极少数的非常原创性的科研工作，大部分的科学研究均是在前人已有成果的基础上进一步进行创新，从而获得新的知识和认知。因此， 在进入某个研究领域的初期，本科生需要先围绕拟研究的议题形成有效的、扎实的知识储备和积累，从而为后续科研创新打下扎实的基本功 。如果研究的领域未能够明确的定位或者过于宽泛，本科生所需要学习的知识也会大量的增加，且知识之间的相互联系可能较弱，无法形成有效的系统性的学习。例如，如果某个本科生的研究领域锁定在工程领域，那么其可能涉及的范围将是非常广泛的，包括能源与动力工程、汽车工程、机械工程、材料科学与工程、工业工程等等一大堆学科。如果本科生只是围绕工程大类去积累知识，很可能形成以下局面：一会看看风电等新能源发电技术领域进展，过了一会又去翻翻汽车发动机的相关技术瓶颈，也有可能去访问最新材料技术上的突破，凡此种种。如果本科生没有明确的主题和目标的进行阅读，不但本 科生无法围绕某一个科研领域形成有效的知识积累，而且对于本科生基本阅读、调研能力的提升也帮助甚微。由此可见，研究领域的调研、论证及最终确定对本科生而言是非常重要的事情，“这就像穿衣服扣扣子一样，如果第一粒扣子扣错了，剩余的扣子都会扣错 ” 。如果本科生在研究领域的选择上没有给予充分的重视，对于该研究领域的科学意义和核心思想缺少基本的认识，没有将科研的第一粒扣子扣好，那么后续的科研工作自然因知识积累贫乏和思考不足而进展甚缓。 第二， 本科生无法得到有效的帮助和有针对性的指导 。在本科生科研工作及成长的过程中，一般需要学校、导师、实验人员、家长等等的诸多帮助才能顺利进行。在上述过程中，本科生在向他人求助时尽量有较为明确的目标和议题，这样方便及时的解决问题。如果本科生对自己的研究领域和议题均不甚清楚的话，别人也便爱莫能助了。例如，假设某本科生去询问能源动力领域相关导师关于机械设计方面的问题，可能会显得不是那么的合适和高效，相关导师也难以给出具体的解决方案。相反，若 本科生能够通过一番调研明晰了自己的核心研究领域，并在此方向形成一定的了解和积累之后，再去有针对性的向导师擅长的专业领域去咨询和寻求帮助，效果便会更好 ，相关研究的进展也会顺利很多。例如，如果某个本科生咨询长期从事风电领域研究的资深教授关于近期很热门的“弃风限电 ” 现象的现状及其形成原因等问题，那么导师可能会结合多年的研究经验和在业内的长期工作，向本科生传授很多独到的、有建设性的想法和建议。那么，本科生通过上述与导师的讨论和咨询，一方面有效地解决了自身通过网络相关新闻和报告阅读过程中存在的困惑和疑问，另一方面也能够与导师建立信任和联系，方便后续更为有针对性地指导和帮助。 第三， 本科生难以将相关科研工作长期坚持 。从事科研工作需要本科生具有一定的恒心，能够耐得住寂寞，长期坚持下去。如果本科生对研究领域未能很好的确定和明晰，后续本科生在开展具体工作中难免存在畏难情绪、拖沓懈怠，久而久之便不了了之。从笔者指导本科生的经验来看，初期本科生的热情最高、精神饱满，充满了对未知世界的渴望，一听科研这个词甚至都很兴奋，恨不得每天都到导师办公室讨论。但是，如果前几次的科研任务没有能够很好的完成，本科生的情绪会受到很严重的打击，从而导致后期的进展乏力，甚至不愿意再碰科研。究其原因，在初期选择科研领域时，部分本科生只是光凭热情但缺乏科学地进行思考和论证。因此， 在开展具体的科研工作以前，建议本科生应着力先将研究领域详细吃透，明确研究的目标，详细了解具体的研究方法和研究方案等等，论证和思考其中存在的难点和问题 。另外，在初期的时候，本科生尽量谨慎地选择相对适合自己当前认知层次的任务进行攻关，连续做几个任务后积累些许成就感，后续再继续科研便更为自信和有激情。通过上述的努力，本科生不但能够有效地保持科研的热情，而且后续再碰到各种困难便也可以按部就班地思考和解决，提高成功的概率。 总之，研究领域的思考和论证需要本科生在科学研究的初始阶段便高度重视，在导师等的协助下做好顶层设计，方便后期有的放矢地开展科学研究。

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本科生科研指南（20）：警惕风险

upflyzhang 2019-11-29 16:36

本科生科研指南（20）：警惕风险 张宇宁 华北电力大学（北京） 通过前期的文献调研以及导师交流形成一个初步想法以后， 本科生应该首先在导师的指导下对已提出的科研想法进行一番彻底的科学论证及细致思考 ，切忌盲目地开展相关科研工作，否则后续可能带来以下诸多问题。 第一， 科研过程中的任务完成度低，失败的可能性加大 。科学研究是一个相对流程较为复杂的过程，包括诸多个必要的步骤，诸如文献调研、想法提炼、论证思考、方案执行、报告撰写、论文写作等等。通常而言，即使对于专业的学者，从文献的调研开始到获得一定的科研成果一般也需要 1-2 年甚至更长的时间。更不要提后续的论文撰写、修改、校对等等相关工作。因此，本科生在从事科学研究的过程中应时刻警惕其中潜在的风险，并在有经验的导师指导下逐一克服相关问题，方能最终取得成果并有所收获。 第二， 本科生容易出现动力不足、做事拖沓 。科学论证的过程同时也是不断梳理思路、更清晰地提炼核心工作和重要节点的过程。通过科学的系统性论证，一方面本科生可以详细梳理整个科研任务需要完成的若干个子任务及其具体的研究目标和研究内容，另一方面本科生也可将各个子任务间的逻辑关系描述清楚，从而井然有序地安排各个子任务间的优先级和执行顺序。如果本科生没有将各个子任务梳理清晰，当具体执行之时面对大量杂乱无章、千头万绪的任务，可能会感觉无从下手。另外，在没有论证的前提下，即使本科生投入了很多努力和时间，但因受制于眼界较低及逻辑混乱，也很可能会进展甚微。久而久之，本科生的热情便会被诸多杂事所浇灭，成就感也会降低，甚至影响到其对自己未来发展的判断。 第三， 导致做事战线过长、疲于应付的不良状态 。本科生的时间本来就非常有限，去了科研以外，还需要协调好上课、作业、实验、社团爱好、社会实践、学科竞赛、个人事务等等诸多事宜。如果不是寒暑假的话，本科生能用在科研上的时间每周一般也就只有 10 个小时左右。在这样有限的时间之内，如果本科生事前缺少科学的论证和规划，后续做事之时很容易导致战线延长，一直拖沓而无法顺利完成。这种不良状态的危害是非常值得关注的，一方面，这种做事拖沓的不良习惯和状态对于本科生的身心健康都是有害的，容易形成焦虑，甚至对科研及与导师见面形成恐惧感，另一方面，很有可能严重影响本科生正常的学习和生活，而这与最初的科研目的是相违背的。 依据笔者指导本科生的经验，针对科研过程中存在的一些共性问题建议如下。 1. 保持耐心 。做一件事情之前，耐心地思考很重要，想一想如下几个问题：做此事的目的是什么？如何去做成这件事？什么时候完成比较合适？要不要与他人合作？思考本身的确也需要时间，但这是做事之前的必要步骤。如果本科生不去思考清楚便盲目去做，结果一般都不会太理想，有大量的前车之鉴值得警惕。当本科生身心疲惫、内心烦躁之时，不要急于去做某件事情的决定，而是先放松一下自己，然后等心情平复了，再去耐心思考、论证。 2. 努力坚持 。科研虽然不是很难的工作，但坚持对于本科生而言尤为可贵。遇到困难时，多坚持几个月很可能就会海阔天空。另外，不要遇到挫折时，总是怀疑自己是不是不适合做科研，大部分同学的问题主要集中在时间投入不够。鲁迅曾经说过，“哪里有天才，我只是把别人喝咖啡的工夫用在了工作上罢了。”肯于付出努力才是正确的科研态度。 3. 目标极简 。从某种意义上而言，科学研究本身是一个很神圣的工作，通过努力去探索未知的客观规律和现象是一个很有趣的经历。建议在科研的过程中，本科生不必夹杂太多的其他因素，诸如奖学金评定、名校申请、免试推荐研究生加分等等。想得愈多，身心愈疲。简简单单的去追寻自己内心的目标便是无比幸福之事，其他事情不妨看淡一点。 4. 看淡荣誉 。科研过程中最为有趣的是自己的成长，本科生可以尝试每隔一段时间将自己不同阶段撰写的报告或者反映自己认知水平的笔记拿出来对比一下，仔细感受通过科研的训练获得的认知水平的改变、思考问题的全面以及逻辑思维能力的提升等等。对于本科生而言，这种能力的提升才是最值得期待的、也是最为宝贵的，会给本科生带来持久的快乐，终身受益。而对于获得的荣誉以及生活学习中各种不顺心之事，均是身外之物，不妨随缘。 5. 强化执行力 。对于论证清晰、目标明确的事情，本科生务必要全力以赴去执行。一方面，通过有效执行，本科生可以取得一些阶段性的成果，让自己获得更强的成就感，另一方面，通过前期任务的完成，本科生可以顺利进入后续阶段的任务，这样其成长速度也会更快。另外，执行力强的学生更容易获得导师的信任与支持，可以进一步增加科研成功的概率。

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本科生科研指南（19）：想法来源

upflyzhang 2019-11-22 09:09

本科生科研指南（19）：想法来源 张宇宁 华北电力大学（北京） 科学研究的想法是决定科研能否最终顺利开展并取得重要成果的必要环节 。具体而言，一个成功的科研项目一般先从一个初步的想法出发，经过不断的论证促使其成熟，然后逐步落实、实践，最终得以获得重要的发现和结论。一般而言，科学研究重要的创新性想法主要源自以下几个方面。 第一种方法是通过引入新的方法或者工具实现创新 。在科研过程中，很多重要问题的研究及其形成的结论依赖于其所采用的方法及工具的先进程度。随着科学技术的快速进步，更高级的工具甚至全新的工具不断地被发明并广泛应用。在条件允许的情况下， 若能够将这些最前沿的方法引入到研究工作中，必然会给相关领域带来全新的认识 。例如，结构生物学家一直渴望能够完整的解析生物的蛋白质结构，但苦于一直没有很好的研究手段。后来，冷冻电镜的发明使得在不破坏样品结构的前提下实现了蛋白质溶液的迅速冷却，经过后续的筛选、成像、重构等流程，科学家最终解析以前完全无法获取的重要复杂生物的三维结构。再比如，以前对于水电站机组内部材料因低压区域空化汽泡引起的破坏机理一直存在很大争议，但一直缺少相关工具进行详细测量。后来，随着高速摄影成像技术的发展，可以实现每秒钟拍摄几百万甚至几十亿张的拍摄速度，完全可以满足相关研究的需求。基于这些高端设备，科学家已经可以清晰地观察单个汽泡尺度完整的生长和引起材料破坏的过程，并实现了压力等重要参数的精确测量，从而得到了一大批新的证据并形成了新的观点，由此学界关于此现象的认识日渐统一。 第二种方法是围绕新的需求场景实现创新 。针对不断涌现的新需求，该方法将科研相关想法紧密围绕该需求所需要达到的核心目标开展科研工作，并逐步解决该需求所涉及的核心问题。例如，我国甘肃省境内敦煌莫高窟的壁画精美绝伦，经过千年后依然部分保存完好，色彩艳丽，是古人留下的重要遗产之一。遗憾的是，这些壁画极其容易受到周围环境的影响，从而导致严重的破坏。比如，洞窟内岩体中的可溶解性盐随着外部微环境内温度、湿度的频繁变化从而形成溶解膨胀、结晶收缩、再溶解的恶性过程，从而破坏了壁画的结构。因此，迫切需要研发能够有效加固壁画的材料，防止因岩石中含盐水的不断迁移造成的壁画损坏。再举一例，研究埃及木乃伊的传统方法一般需要将其打开进行观察和拍摄等等操作，但打开后的木乃伊很难进行后续的保护，对文物的损害很大。随着高精度成像技术的发展，现在可以通过高能量的 X 射线等成像方法，在不损伤木乃伊本体的情况下，实现精确、详实的其内部结构及特征的研究，从而既促进了相关学科的进一步发展又对文物进行了很好的保护。 第三种方法是通过已有技术的高度集成实现创新 。该方法将相关的核心技术围绕拟解决的关键科学问题集成在一起，从而实现重大的科学突破。例如，很多流动现象的数值模拟一般需要首先将整个计算区域进行离散化，然后在计算过程中用计算机生成的网格代替真实的计算区域，从而实现科学计算。一般而言，计算机发展的早期多采用几十万到几百万左右的网格进行计算，其数值模拟的精度有限。随着计算机能力的提升，无论是计算速度、存储容量、并行计算能力均得到了大幅度提高，并且新型高效率的计算方法更是层出不穷。另外，最近十几年，并行计算方面更是由传统的基于中央处理器的计算方式向并行能力更强的基于显卡图像处理器的计算方式转变。将上述众多技术进行集成，便可实现几个亿甚至几百亿网格的数值计算， 从而极大幅度地提升相关现象的数值模拟精度，并为该领域带来一些新的认识和见解 。类似的想法也适用于分子动力学模拟、计算化学等领域。 在提出想法之前，一些注意事项需要本科生予以重视。 1. 扎实的基本功 。 科研想法的提出需要本科生首先具备较为扎实的基本功 ，对于基本的概念要深刻领会、牢固掌握。只有基于这些扎实的工作和学习，所提出的想法才是科学的、可行的。 2. 重视假设及适用条件 。在学习的过程中，尤其是数学、物理领域的知识，本科生应该 高度重视所学习的公式、方程推导过程中所采用的基本假设以及相关的适用条件 。学习过程中，可以尝试多问问自己一些问题：为何要采用这个假设？不用的话，会给求解带来哪些困难或者是否能够实现求解？基于这些假设得到的结论会有哪些不足？结论有无可能的拓展之处？通过思考这些问题，本科生不但能够对已有的公式领会得更为透彻，而且在后续开展科学研究的过程中有更大的可能性提炼出创新性的想法。 3. 经常性的阅读文献 。关于科研想法，本科生不妨尝试注重阅读文献中关于本文的不足之处的讨论， 详细学习知名学者在逻辑思维方面的严谨性 。另外，如果论文中有提及的话，未来工作的展望部分也值得一读。 4. 重视原创 。在文献选择的过程中， 本科生最好以原创性重要论文的阅读为主 ，从而培养科学领域内的大局观，而不是在一些细枝末节的问题上浪费宝贵时间。 5. 了解相关领域进展 。想法的积累并不应只是局限于本领域内的视野、知识和问题， 本科生可以尝试从不同领域、学科的视角去看问题 。实际上，通过与其他学科的交叉融合，本科生亦有可能形成顶级的研究思路和原创性成果。

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本科生科研指南（18）：批判思维

热度 4 upflyzhang 2019-11-15 12:31

本科生科研指南（18）：批判思维 张宇宁 华北电力大学（北京） 批判思维是本科生进行科学研究需要具备的重要科学素养之一，同时该能力也可对本科生的未来职业规划及发展会产生重大影响 。批判思维的重要性可以从以下三个方面体现。 1. 批判思维可以使得本科生在学习过程中更加牢固地掌握重要的基础知识 。本科阶段的基础知识是本科生未来进行科学研究的重中之重，也是本科教育的核心内容。因此，对科研工作感兴趣的本科生平时应该更加重视基础课程和理论的学习。在学习过程中，若能够采用批判思维方式进行独立的思考， 不但本科生当前知识的掌握更为牢固，而且后续对于知识的运用也会得心应手 。例如，在笔者讲授的《工程流体力学》课程中，在讲解流体力学基本方程推导的时候，通常采用教科书上通用的做法针对一个流体微团进行分析。一般而言，为了方便讲解，会取一个长方体形状的流体微团进行受力分析和推导。针对这样一小节大部分工科学生都会学到的普通知识点，实际上可以展示的批判性问题有很多。例如，为何非要用长方体进行分析？流体微团的尺寸怎么选取比较合适？基于上述假设得到的方程具有哪些局限性？同学们若能够不断如此思考，并引导自己进行深入分析、思辨、查阅资料并最终回答这些问题，以后对这个知识点便可以深刻领会并能将知识间的联系融会贯通。 2. 批判性思维可以极大地锻炼本科生的思辨能力 。无论是科研还是未来其他的职业发展过程中，本科生都将面临众多的信息、因素和条件等等。随着知识和信息传播的加快，人们获取信息的渠道、途径及信息量均极大地增加。因而， 网络新时代的人才需要更为强大的对信息进行有效提取、思考及辨析的能力 。即使对于本科期间的很多选择，实际上也都需要很好的思辨能力。例如，最近刚刚截止的研究生考试报名，对大部分本科生来讲便是人生中重要的一次选择。上述选择过程中，本科生需要面临诸多问题：报考时，针对学校排名、专业排名等等信息，自己应该更关注哪一个因素？应该报考一个相对好考但排名略低的学校还是很难考的名校？学校所在地对自己未来就业会有哪些影响？诸如此类，问题繁多。一般而言，不到最后一刻，好多事情都无法最终确定。 面对这类复杂问题，本科生若能够秉持批判性思维，对获取的信息进行有效的分析并结合自己的定位进行合理选择 ，相信大部分本科生的考试结果应该都会不错。 3. 批判性思维是本科生进行科研创新的源泉 。正所谓 “ 不破不立”，很多优秀的科研成果正是基于对前人已有成果的深入思考并进行批判性的吸收基础上而取得的。例如，爱因斯坦提出的相对论便是其中一个非常著名的例子。在经典力学的框架下，一般并不考虑质量和能量间的关联性，将其分别作为两个独立的变量来处理，并基于此获得了丰硕的成果。但对于宇宙中非常宏观的物体及光等极快现象的研究中，爱因斯坦创造性的提出了著名的质量能量转换方程，完全刷新了人们对时空的认识。这便是批判性思维的极致体现。另一例子是DNA双螺旋结构的发现。在那个时代，很多的DNA结构被提出来，这个领域异常活跃。而沃森和克里克依据其牢固的生物学知识，通过不断的思考和分析，创造性的提出了双螺旋结构，并迅速得到广泛的肯定和赞誉。由此可见，在科研过程中，批判性思维的重要性。 批判性思维的使用过程中，也需要注意以下几个问题。 1. 围绕目标开展工作 。在思考之前，应对目标对象有一个深刻的了解，这是开展批判性思维的必要条件。作为一种重要的思维方式，批判性思维并不是意味着毫无目的的胡乱批判和批评，而是围绕目标提出有建设性、有价值的问题，从而最终促进问题的解决和认识的进一步深入。 2. 关心真理，无问个人的对错 。正如亚里士多德的名言“吾爱吾师，吾更爱真理”所述， 批判性思维的终极目的是进行真理本身的探讨，而不是不同立场的人为了维护自身立场而进行的诡辩 。在此过程中，本科生最为关心的事应是真理本身，并非谁的观点正确，谁的观点错误等等事宜。 3. 从不同的角度看问题 。本科生可以尝试逐步丰富看问题的视角，包括从不同的方面、从不同的身份去思考。基于此开展的批判性思考将更具有现实意义。例如，假设某个本科生阅读了一篇文献，里面详细介绍了某个学者采用一台顶尖的设备获取了一些重要的结果。也许某个本科生感觉可以用更为高级的设备（比如更高的分辨率）将其做的很好，但从实际操作上可能上述论文中的技术已是人类已有设备的巅峰。如果该本科生能够进一步围绕相关仪器设备领域的知识进行一番调研，后续其提出的方案将具有更大的价值并且更容易成功。另外，本科生也可以尝试一下，在工作面试、导师交流等重要环节使用这个 “换位思考”的技能， 可能会收获颇丰。

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本科生科研指南（17）：看淡热点

upflyzhang 2019-11-8 13:58

本科生科研指南（17）：看淡热点 张宇宁 华北电力大学（北京） 科学研究的选题是决定本科生的科研成败及未来发展的大事，应进行详细的调研和论证 。对调研过程中发现的已经形成的研究热点应该结合本科生自身的情况和条件先做一番透彻、深入的分析和论证。另外，既然选择从事科学研究本科生就应该有一颗平常心，能够耐得住寂寞，而不是盲目的追求热点。研究热点形成的原因众多，概况而言有以下四类。 第一类热点是亟待突破的瓶颈性重要科学问题 。这类热点问题通常具有鲜明的时代特征和较强的时效性。例如， 2002 年，严重急性呼吸综合症（英语简称 SARS ，中文简称“非典”）于首次发现后迅速在次年肆虐全球。因其具有很强的传染性以及极高的死亡率引起了全球各国政府及各大科研机构的高度重视。期间，“非典”病毒的应对催生了一系列的热点问题，诸如 1. “非典”病毒的结构表征 2. “非典”病毒的传播机理及其对策 3. “非典”病毒携带者的快速、精确识别 4. “非典”病毒携带者相关医疗废物的无害化处理 5. 专业医护人员防止感染“非典”病毒的紧急应对措施 这一批热点问题在众多学者的努力下，逐一得到攻克。值得一提的是，通过这一事件，我国全面提升了应对重大疾病的预防体系和管理机制，建立了一批专业性的研究机构和较为完备的人才培养体系。类似的热点问题还有前一阵非洲猪瘟的应对以及汶川地震之后关于震后损失评估、抢险救人和堰塞湖排险等亟待解决的关系国计民生的重大问题。 进行这一类热点问题的研究一般需要有较为深厚的知识储备和复杂问题的分析能力 ，能够快速抓住核心问题并围绕其进行攻关。另外，这本身也是一种科学家社会责任的重要体现，需要有很强的奉献和牺牲精神。对于这一类题目，除非得到相关领域专业学者的指导及恰逢其时的重要事件，一般本科生不适合参与。 第二类热点问题是公认的科学难题，但长期没有得到解决 。这类热点问题通常具有非常高的知名度，这类问题的每一次科学进步都将得到众多媒体和大众的热烈关注和报道。同时，因为这类问题很难，一时间很难得到彻底解决。通常而言，这类热点问题会吸引众多科学界的精英围绕其进行攻关。例如，哥德巴赫猜想是数学界较为著名的猜想之一，我国科学家陈景润在该领域做出了重要贡献，并通过徐迟撰写的《哥德巴赫猜想》 将这一发现的完整过程进行了详细的报道，从而享誉世界。类似的例子还有2013 年张益唐证明的孪生素数猜想的一个弱化形式，是该领域几十年来的重大成果之一。另外一个例子是超导领域的研究，随着新的材料体系的不断构建，其工作温度不断提升。虽然其离最终的工程应用尚存在一定的距离，但是其研究热度一直很高。 这类问题通常都是重大问题， 一般需要很强的学科领域知识的积累和独辟蹊径的解决问题的巧妙思路 。另外，这类热点问题的研究风险很高，可能经过长期的努力后仍然一无所获。一般而言，本科生的培养重在打基础和培养科学精神，除非已经过详细论证并对某个问题兴趣十足，此类问题对大部分本科生并不适用。 第三类热点问题源自媒体的关注 。这类问题的涵盖范围较为宽泛，其重要特征是能够引起广大读者的兴趣，其可能的议题包括对一些影响人体健康的常见疾病的研究进展、生活中的一些司空见惯现象的有趣解读等等。因为这类问题跟大部分人都有一定关联，各类媒体会对此类研究的进展可能更为关注。例如，前一阵，长期喝红酒是否对人体有明确益处相关研究的争论便被媒体广泛报道。其他，诸如人类基因组计划等大科学计划的研究进展也是媒体关注的焦点。 对于这类问题，如果学校或者导师具备相关条件或者正在从事相关领域的研究，本科生可以有针对性的围绕此开展工作。 第四类热点问题源自其研究门槛较低，相关领域的研究学者众多从而更容易形成热点 。如果一项研究的门槛很高（比如，需要一个价值几个亿的重要仪器），一般而言，相关同行不会很多，因为大部分学者即使想进入该领域也无从下手。因此，这类领域每年发表的论文数量不会很多。反之，如果研究所需的门槛较低，搭建全套实验设备只需要几万元，其低成本可能会吸引很多学者进入并开展探索。因此，门槛较低的领域因从事的相关同行众多，其成果也相对较多。如果只是从文献检索所获得的论文数量等指标来看，门槛较低的领域更加有希望形成研究热点。 对于这类热点问题，本科生要三思而后行。表面看起来门槛较低的领域通常也是非常活跃、文献更新很快的领域。因此，该领域创新性想法的提炼和执行都需要本科生具有很好的科学素质及执行力，否则很有可能辛苦两年的研究成果因为晚投稿了几个月便可能被同行已经捷足先登了。 总之，本科生做研究重在培养科学精神，对领域内和文献中的热点不妨看得淡一点，这才是未来持久发展的大智慧。

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本科生科研指南（16）：文献脉络

upflyzhang 2019-11-1 07:29

本科生科研指南（16）：文献脉络 张宇宁 华北电力大学（北京） 当前知识的更新频率很快，每年有上百万篇以上的论文发表，形成的数据库浩如烟海。 文献调研的目的并非穷尽的去阅读所有相关文献，而是有重点的阅读与研究主题最为契合且重要的文献，从而能够提升对研究主题的理解和认识 。因为大部分本科生尚处在知识积累和增长见识的重要阶段，未来人生有很大的提升空间，因此 本科生从事科学研究时应该更加注重研究视野的培养，而非文献中的细枝末节 。基于以上认识，阅读文献时可以有意识的思考该研究主题的研究历史、形成的研究分支、获得的重要进展、和该领域活跃的学者等等。具体而言，本科生可以围绕以下三个方面进行。 首先， 详细了解研究主题下已形成的各个研究分支的概况 。当前，学科细分、学科间交叉融合非常普遍，各个学科的内涵都在不断的拓展和延伸，从而形成了众多的各具特色的研究分支。在我们的日常生活中，各种类型的泡随处可见。例如，烧水时容器底面不断涌出的水相变后产生的蒸汽泡，游泳时拍打水面时在水中形成的空气泡，洗衣服时加入洗衣粉或者洗涤剂在水中产生的肥皂泡。 即使对于研究一个我们在日常生活中经常看到的空气泡和蒸汽泡，其已经存在的分支便已非常之多 。与此研究主题相关的分支及其关注点枚举如下。 1. 对于动物学家，重点关注与气泡相关的水生动物的捕食行为，例如座头鲸利用气泡围困鱼群进行捕食（注 1 ），枪虾利用其身体产生的剧烈振荡的汽泡捕食小虾（注 2 ）。 2. 对于物理学家，重点关注汽泡破裂过程中产生的冲击波、发光、射流等物理现象。 3. 对于声学家，重点关注水下航行器在行进过程中因汽泡的破裂产生的噪声及其对航行器隐身性能的影响。 4. 对于材料学家，重点关注汽泡引起的材料破坏的机理及材料表面的损伤特性及防护方法。 5. 对于医学家，重点关注利用汽泡溃灭的能量进行高精度、低创伤的医学治疗（注 3 ）。 6. 对于水力机械领域学者，重点关注汽泡的形成对机组内部流动及宏观特性的影响。 7. 对于光学领域学者，重点关注激光诱导产生的汽泡初期阶段的等离子体演化机制。 8. 对于化工领域学者，重点关注表面活性剂对气泡生成的影响以及气泡对于化学反应的促进作用。 由此可见，即使对于一个简单的气泡和汽泡现象，其形成的研究分支已不胜枚举，大大超出了本科生能够承受的文献调研的范围。若本科生不注意研究脉络的梳理和关键问题的提炼，不但阅读文献时劳心费力，难以长期坚持，而且对文献的领悟及研究结果精髓的理解也是囫囵吞枣、不得要领。 其次， 深入了解已经形成的各个分支的研究特色 。因为依托的研究背景和拟取得的研究目标的不同，每个分支均会具有自己鲜明的学科和研究特色。在阅读文献过程中，认真思考和体会这些特色和不同分支间的互补性是非常有价值的事情。例如，同样是研究气泡破裂时带来的材料破坏，各个分支的研究重点大不相同。对于物理学家，研究的重点侧重于新现象的发现及其物理机制的阐述。对于水力机械领域学者，研究的重点则侧重于这些新现象对于水力发电机组内部流动和机组宏观性能（比如运行效率和发电功率等）的影响。对于材料学家，研究的重点则侧重于依托这些新发现的物理机制，设计并优化现有的材料，使其可以抵抗或者减轻气泡破裂带来的材料破坏。由上例可以看出，上述 研究视角的差别可能带来很多新的想法，甚至如果能够不断深入便可以形成新的学科增长点 。因此，在文献调研过程中，本科生可以尝试不断思考、体会所在学科学术研究的特色，并与同一研究主题下相关学科进行比较、借鉴，这样便可以逐步开阔研究视野。 最后， 重点关注学术分支形成过程中的起到开创性作用的重要论文 。每个学术分支的形成和发展过程中，一般都会有若干重要的学者起到引领性的作用。具体而言，他们或发现了新的重要现象，或引入了前沿的研究工具，或发明了新的数据分析方法，诸如此类。这些重要的论文在学术分支形成过程中起到了承上启下的作用，引发了后续大量学者关于此问题的思考和相关研究的跟进。例如，气泡在极端条件下振荡并破裂时会使其内部温度急剧升高，产生发光现象。这一现象在二十世纪 50 年代便已经观察到，但相关的定量研究进展微弱，核心的原因是缺少行之有效的研究手段精确控制气泡行为及其发光现象。二十世纪 90 年代，若干学者合作研发了一个采用声场精确控制的单个气泡稳定发光的装置，可以形成长期稳定发光的气泡并具有非常好的可重现性。随后，该领域的研究井喷式发展，大量学者迅速进入这一前沿领域，产生了很多高水平的成果，从而形成了单个气泡声致发光研究这个内涵丰富的学术分支，对声学、物理学、化学等学科的发展也都起到了很大的促进作用，解决了一大批长期有争论的议题。 本科生应将自己的宝贵时间多用来去阅读这些开创性的论文，从学科发展的视角去思考问题，这样才能后续有机会做出一流的研究成果 。 结合笔者指导本科生的若干经验，一些相关建议梳理如下： 1. 学会同主题阅读 。每个分支文献均不少，采用同主题阅读很适用于本科生时间较为零碎这一特点。比如，本科生可以用周末的一个上午集中精力围绕一个较为精细的研究主题开展阅读。主题的选择可以是某种最新的研究设备、某个学者或者课题组在此领域的系列研究论文等等。 2. 关注不同领域的研究进展 。不同领域间的互补性很强，有时候对于某研究领域是一个很难解决的问题，但在另一个领域却是已经突飞猛进。本科生从事科学研究遇到困难时可以多尝试去借鉴其他领域的丰富成果和研究思路，这样形成的学科交叉更为可行。 3. 找到该领域的重要开创性论文 。在文献调研过程中，有很多方法可以尝试去找到有价值的论文，比如关注被其他学者引用非常频繁的若干论文、文献引言部分的论述中经常被提及的重要工作、知名专家综述中高度认可的论文等等。 通过不断去阅读优秀论文，本科生的科学鉴赏水平也会逐步提升。 4. 不必太在意论文的发表时间 。除了一些近期刚刚发展和兴起的技术和领域，本科生的大部分文献调研应该更多关注学术思路的产生、形成和发展等等过程，不必太在意其他。 注释部分 注 1 ：有兴趣的读者可以参考笔者于 2012 年 05 月 17 日发表在科学网博客上的《趣说空泡》系列博文（ 5 ）：座头鲸的捕食利器——空泡网。 http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-572125.html 注 2 ：有兴趣的读者可以参考笔者于 2011 年 03 月 11 日发表在科学网博客上的《趣说空泡》系列博文（ 7 ）：依靠空化效应捕食的海洋生物。 http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-420985.html 注 3 ：有兴趣的读者可以参考笔者于 2012 年 05 月 23 日发表在科学网博客上的《趣说空泡》系列博文（ 1 ）：结石治疗中的空化效应。 http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-574167.html

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本科生科研指南（15）：兴趣培养

upflyzhang 2019-10-25 10:21

本科生科研指南（15）：兴趣培养 张宇宁 华北电力大学（北京） 通过前期的文献查找和阅读，本科生应已对若干已调研的学科领域有了一个初步的了解。 在决定未来主攻的研究方向以前，不妨先详细思考一下自己的兴趣点并着力培养。 兴趣的重要性可以从以下几个方面反映。 1. 依托兴趣开展的研究工作可以迸发出本科生无穷的动力 。本科生年富力强，思维活跃，对于新鲜事物无论是学习还是接受能力均较强，这些都是非常优秀的品质。只要是对于感兴趣的事物，本科生便会投入极大的精力和热情去思考、探索、论证直至成功。因此，只有依托于兴趣开展的科研工作，本科生才能够充分调动其工作的积极性和热情。 2. 兴趣是本科生面对挫折时仍然能够执着坚守的重要力量源泉 。无论是科研还是平时做事，即使周密计划和布置也难免在执行时有所偏差。无一例外，大部分本科生开展科研探索的过程中都会遇到各种各样的问题和困难，包括思维方式的不适应，导师交流的不通畅，实验方案的执行不力以及数据分析的举步维艰等等。从统计数据来看，这些都是极为正常的事情，大部分本科生都会遇到这些问题。实际上，对于这些问题和暂时的困难，只要本科生对研究的题目感兴趣并且能够下定决心解决，在导师和相关师兄师姐的帮助下，均都可以顺利克服。由此可见，在开展科研工作以前，本科生的确需要对个人兴趣进行一番梳理和培养，能够从更高的高度看问题。 3. 兴趣可以持续的在本科生后续人生中发挥重要的作用 。正如“自古英雄出少年”，在本科阶段，同学们如果能够对未来的人生做一番科学、理性的思考，那么后续的人生和职业生涯会是完全不同的一番景象。本科教学的一个重要导向就是引导本科生能够树立远大的志向并能够为之踏实奋斗。通过参与科研的经历，本科生可以进一步着重培养逻辑思维的严密性，信息获取及文献调研的能力和科学论证的能力，这对于个人的兴趣和志向的确定和执行均是有所助力的。 从另一个方面讲， 若本科生无明确的兴趣点，后续的科研工作便如无的放矢，无从开展 ，笔者简要从学科发展的角度进行论述。 1. 随着科学技术的进步，当今各个学科的细分日益深化 。伴随着新技术新方法的不断涌现，每个学科均在不断的动态发展中，其内涵和外延也在不断的发生变化。以生物学学科为例，早期的生物学主要是以形态描述为主，后续逐步过渡到实验生物学和现代生物学时期。当今生物学的学科范围涵盖甚广，不但包括传统的植物、动物、微生物、水生生物学等等，还包括分子生物学、神经生物学等新兴学科，并且进一步与其他学科交叉形成了独具特色的生物物理学和计算生物学等新分支。由此可见，如果本科生只是笼统的对生物学感兴趣，其面对的书籍和文献均浩如烟海，无从下手。 2. 即使研究同一领域，不同学科对目标的理解和差异甚大 。每个学科均有自己的特色、方法论以及拟达成的目标等等，这一点要特别引起本科生的重视。例如，经典的四色问题是由南非数学家法兰西斯·古德里在 1852 年首次提出的，该问题简单可以描述为“是否只用四种颜色就能为所有地图染色 ? ”。这个问题看似简单，但实际上其严格的数学证明是异常困难的。同样是这个领域，理论数学家的目标是数学上纯粹的证明，计算数学家的目标是借助计算机手段得到该问题的完全证明，这在 1976 年由数学家凯尼斯·阿佩尔和沃夫冈·哈肯已经实现，而工程领域科学家关心的是如何将该定理在众多工业领域进行广泛的应用。由此可见兴趣的重要性，本科生需要先确定自己核心的科研价值观念，才能逐步确立感兴趣的课题。 3. 不同研究领域所需要的基础知识迥异且互补性较低 。一般而言，每个学科均有一整套较为成熟的理论和知识体系可供本科生和初学者借鉴和参考。因不同学科的特色和定位不同，其所需要的基础知识也大不相同。以上面讲述的生物学学科为例，从事植物生物学研究的同学可能更多会关注植物的形态和外观，比如花瓣形状、颜色及其对应的植物学分类等等。而从事计算生物学的同学则需要牢固掌握数理方程、计算数学以及误差分析等等基本知识。由此可以看出，即使同属于一个大学科，不同子学科间的基础知识之间的共同点可能甚少，其相互间的知识联系也可能很微弱，而研究方法可以互相借鉴的则更少。 本科生在确定研究兴趣的过程中，笔者有如下几条建议。 1. 多向人请教。 通过各种机会加强与他人的交流，这样可以使本科生开阔眼界并增长见识。 对于拟准备参与科研工作的本科生，不妨多跟导师交流和研讨，了解领域内的研究现状和若干重要研究方向，也可以多向研究生请教，了解他们的研究方向和课题进展。有条件的，还可以尝试旁听若干学术会议，听一听顶级专家们对研究领域相关进展的介绍，一定受益匪浅。 2. 做好调研工作。调研是本科生真正了解某个领域的必由之路， 只有基于扎实、详细的调研才能够对拟从事的研究领域有深刻的理解和洞见 ，对此本科生要高度重视。凡事不要只是一知半解便浅尝辄止，而是应该力求理解透彻并且真正的学会、弄懂。 3. 职业规划尽早。 在兴趣的培养过程中，本科生应时刻思考自己未来的职业方向 。长期坚持之后，不但可以保证本科生对拟开展的科研工作目标明确、动力十足，而且对于其后续的长远发展也可以积累深厚的知识、简历和人脉。

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本科生科研指南（14）：文献精读

upflyzhang 2019-10-18 09:19

本科生科研指南（14）：文献精读 张宇宁 华北电力大学（北京） 经过文献的筛选、泛读并补充相关基础知识之后，本科生可以尝试围绕研究领域内的重要文献进行精读。在精读之前，本科生需要做一些准备工作，可以通过思考和回答以下问题以确定是否准备充分。 1. 文献质量。该文献主要有哪些创造性工作？其在该问题的研究中具有怎样的重要地位？作者是采用一种怎样的方式对文中的重要发现进行阐述？ 2. 基础知识牢固。对该课题的研究背景及意义能否进行简述和概况？对论文中提到的常用的方法和术语是否已有明确的了解？对相关数据的分析方法和展示方式是否已知晓？ 3. 时间充裕。是否有足够的时间详细阅读完此文？是否有足够的耐心克服阅读中的各种困难？是否能够不被打扰或者能够抵抗外界的干扰从而保证阅读顺利进行？ 确定准备充分之后，本科生便可以找一个合适的时间对重要文献进行精读 。与泛读不同，精读的顺序可以按照论文的写作顺序进行。 1. 引言部分。 重点阅读该文中对前人工作的介绍及评论，并对照参考文献标记好重要的相关文献，为后续进一步拓展文献阅读范围做好准备 。具体而言，好的引言会提纲挈领地将前人工作进行系统的分类，并对每一类工作的亮点和发现进行详细的阐述和讨论。通过阅读此类的引言，本科生可以初步了解该问题的研究历史及相关的开拓性工作。 2. 方法论部分。此类文献一般会详细地列出所涉及到的具体研究方法，包括核心的仪器设备、辅助系统、数据采集、信号转换等等。其他相关的一些实际操作中的要点一般也会具体给出，比如数据的拟合方法，误差分析等等。总之，对这些执行细节的了解是决定研究成败的关键步骤之一，本科生需要先有一个初步的认识。 3. 结果的展示和阐述。这是论文的精华部分，也是最需要花时间阅读的部分。 通过阅读此类文献，本科生可以详细了解到一个重要的科研成果需要采用何种论述从而进行清晰的展示 。另外，大部分经典论文的图表均很精美，内容紧凑，且信息量大，给读者提供很多有价值的结果，也很值得本科生学习。 4. 后续讨论。这部分一般是针对论文中未尽事宜进行进一步深入的探讨和解释。例如，结果部分介绍了本文发现的一个新现象，后续讨论中则可以通过旁征博引，进一步论述该现象与已有观点的异同，并可以进一步进行定量化分析。 5. 结论部分。这部分作者会对文献中的核心观点进行一个汇总和梳理，对因各种原因尚未进行的研究或者不足进行探讨。 6. 附录部分。一般会针对文中某一个点进行详细阐述和补充完善。例如，文中给出了数据的统计误差，而附录中会详细介绍该误差的计算方法和步骤等等。对于后续研究方案的执行，这些细节是很有帮助的。因此，这些内容本科生也不要轻易放过。 精读文献时需要注意的问题如下： 1. 循序渐进。如果阅读文献时本科生理解作者的意图存在困难，可以暂时停一停，分析一下产生困难的原因是什么，然后对症下药，补充自己的不足。 不要急于求成，盲目的、不按照科学方法论的阅读是没有效果的。 2. 批判思维。 对于作者的观点不要盲目的全盘接受，而是通过自己的分析，取其精华 。正所谓“不破不立”，重要的发现通常源于对已有成果的进一步批判和补充。因此， 批评思维是开展科学研究必要的基本素质之一 。在阅读文献的过程中，本科生也可以着重对该能力进行培养。 3. 文献发表的年代。本科生不必对此过于在意，一篇重要的文献，即使已经发表了十几年也可能会有很大的阅读价值，关键是文献的质量。 4. 参考文献。阅读后，可以适当的进行跟进，通过检索、泛读、精读进一步夯实自己对研究主题的理解。 5. 工作习惯。 最好将文献打印出来阅读，这样方便在上面做很详细的阅读笔记 。准备若干支不同颜色的笔，对论文的内容进行适当标记。在打印的空白处，写下自己的思考、疑问和想法，这些都是后续研究时的宝贵素材。文献阅读完后，可以采用快劳夹等将阅读后的文件保存好以备后续查阅。 一个好的研究计划的执行，不但需要有创新性的想法，而且需要很强的执行力 。文献调研过程正是围绕此有目的地进行科研的准备工作。因此，通过文献的精读不但要进一步落实具体的研究思路，而且要详细论证思路执行过程中的难点和要点。阅读文献的过程正是形成和完善研究思路的过程。这些认知水平的提高需要通过对科学问题的不断思考，对同行工作的不断借鉴等途径逐步实现。

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本科生科研指南（13）：文献梳理

upflyzhang 2019-10-11 07:50

本科生科研指南（13）：文献梳理 张宇宁 华北电力大学（北京） 在对文献进行系统性的阅读之前，本科生要先养成提前泛读文献的好习惯，从而对拟阅读的文献有一个更为直观的认识 。泛读的好处如下： 1. 详细了解文献与研究主题的契合程度 。对于本科生而言，每篇文献因其一般具有很强的专业性所含的信息量均很大，而经典文献则动辄每篇几十页，所需要耗费的精力则更多。因此，即使一个专业的学者阅读此类文献也需要耗费一周甚至更长的时间，而本科生所需要花费的时间会更多。所以，在阅读之前，本科生一定要先进行泛读，详细了解该文献是否与研究主题密切符合，是否是这个研究主题下的重要参考文献。 2. 了解相关学者的研究水平。 读文献时，本科生应尽可能去寻找高水平学者撰写的论文来读 ，这样不但有利于树立良好的学风，而且可以显著提高科研的认知水平。文献泛读时，本科生已基本可以对学者的学术风格、逻辑性、前期工作积累等等均有一个详细的了解，这对于把握课题的研究方向大有益处。 3. 判断文献是否值得详细阅读。如果泛读此文献后，对该文献仍然很感兴趣，那么后续便可以安排时间进行进一步的深入阅读。与泛读阶段不同的是，后续再次仔细阅读文献时已经有了一个大概的认识，更加清晰的了解论文中值得仔细品味的重要亮点、学术思路、精彩结果等等。总之， 带着问题去读文献是非常必要的 。文献毕竟是知识高度专业化的结晶，作者写作时默认读者已经具备了该领域的基本知识，因此大部分内容都集中在新产出的知识上面。因此，如果泛读期间感觉理解上很困难，通常是因为本科生在知识储备上尚不足，应该去找一些参考书去补充新知识。 4. 节省时间。一方面，良好的泛读工作习惯可以有利于进行更多文献的阅读，从而更全面的了解同行的工作进展。另一方面， 泛读后可以更为精准的确定需要后续仔细关注的文献，从而避免浪费很多时间 。很多本科生刚开始读文献时，习惯从头到尾的进行阅读，花了很多时间以后才发现这篇论文跟自己的研究主题关系甚微。实际上，这样的阅读习惯并不适合科技文献的阅读，其效率也较低。因此，泛读可以帮助本科生节省出很多宝贵的时间。 根据笔者的经验，泛读可以采用如下顺序进行。 1. 摘要。重点关注作者开展科研工作采用的研究方法和手段，并通过这些努力和工作获得了哪些新的发现和现象。 2. 结论。部分内容与摘要可能相同，但更为具体和详实。另外，结论部分作者会对文中的一些不足进行说明，并对后续拟开展的工作进行展望，这些都可以作为科研想法的一个启发。 3. 图和表。在阅读时，可以先跳过论文中的文字部分，集中阅读论文中的图和表。图表是论文的骨架，作者一般都是通过图表来展示文中的新发现。通过阅读图例和表例，先搞清楚图表的含义和内容， 自己思考一下从中可以得出哪些重要结论 。然后再去查看文中相应部分的描述和讨论，看看与自己的思考有何差异。坚持一段时间，本科生的科研数据分析和概括能力会显著提升。 4. 其他部分：根据兴趣不同，可以选择性的阅读部分内容。对于初涉该领域的本科生，可以多阅读引言部分，先搞清楚为什么要研究此事，有何重要意义等等。有了一定基础之后，本科生可以重点阅读文献的方法论部分，并对比以前的工作寻找和确定该文的亮点。 一些相关的小技巧汇总如下： 1. 论文全文的获取。因为大部分论文是有版权的，需要学校购买相应数据库才能下载。如果某一篇论文很重要，但又没法下载到，可以尝试与作者联系获取。一个方便的方法是注册一个 Research Gate 网站的账号，然后通过系统给作者发私信，一般学者都会给予反馈。 2. 文献的命名。在开始文献调研之前，本科生最好先设定好一个统一的格式，这样方便后续进行文献的管理、分类和备份。每次下载文献时，都要按照规范去命名，这样养成很好的秩序，免去查找文件的痛苦。 3. 文件的分类。可以将下载的文献统一放在一个指定的文件夹下，然后再逐步按照各类功能进行细致分类。按照阅读的情况，可以分为已阅读、未阅读等等。也可以按照文献的研究方向进行分类。一些文献管理软件也可以协助本科生做好相关事宜。总之，文献的存放秩序要维护好。 4. 英文生词。对于大部分本科生而言，在阅读英文文献时，总会遇到各种各样的生词等等。 建议最好集中精力理解论文的要义 ，只要不是影响核心事宜的理解，尽量不要停顿，这样阅读的连贯性会好很多，效率也会提高。重要的专有名词等等，阅读时可以准备一个笔记本记录，后续有空时补充学习。

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本科生科研指南（12）：文献查找

热度 1 upflyzhang 2019-10-4 07:31

本科生科研指南（12）：文献查找 张宇宁 华北电力大学（北京） 全球每年发表的科研论文浩如烟海，数量庞大，且增长迅速。 为了能够尽快的找到相关研究领域内有价值的科研工作，本科生应先认真学习一些基本的文献查找的方法和技巧 。大体而言，相关研究领域科研文献的查找主要有以下三种获得方式。 首先，可以通过文献数据库进行文献检索获得重要文献。绝大部分论文均可以通过相应的文献数据库进行检索查找到。常见的数据库有 Web of Science ， Scopus 以及谷歌学术等等。部分学科领域还有自己专业的数据库，比如工程领域的 EI （ Engineering Index ）等等，也是非常值得本科生的关注。 每个数据库的特色不同，涵盖范围也各有差异。 例如， Web of Science 数据库主要以英文文献为主，其对入选该数据库的期刊有着严格的要求和遴选标准，其数据库的文献量较少，只涵盖能够入选该数据库的期刊。 Scopus 的范围要大得多，各个语种的期刊都有机会进入，所以其涵盖的论文数量很大。以上两个数据库均是收费的，必须需要付费才能使用。 学校一般都会购买一些常用的数据库，在校的本科生可以通过学校的网站对这些数据库进行访问 。而谷歌学术则完全没有门槛，只要是公开发表的论文均可以被检索到，其功能更像是一个网页，使用起来也只需要能够上网就行。 不同数据库的更新频率也很不一样。例如一篇论文被某期刊在其网站上发表后，一般很快便可以通过谷歌学术提供的网站链接查询到其网址。后续，该论文才会被陆续收录到相应的数据库之中，供学者们检索使用。 另外， 不同的数据库可以结合其优点综合使用 。例如，可以在谷歌学术中创建某个学者的论文追踪提醒。当该学者发表最新的论文时，系统便会自动给预留的邮箱发信告知，这样便可以很方便的了解最新的研究进展。同理，也可以按照此方法跟踪某篇论文被其他后续论文的引用情况。 其次， 可以通过访问相关学者的主页了解重要文献 。大部分学者都有自己的官方主页，上面会详细列出其感兴趣的科学问题以及相关的研究成果。国内的部分课题组还有自己的微信公众号，定期推送取得的科研成果。因为这些资料均是学者经过仔细筛选后整理出来的，基本代表了其最高学术水平并涵盖了其在学术领域的重要贡献。部分学者的主页很精美，里面还会有一些科普性的介绍文字和视频，详细列出相关研究的背景和科研成果的潜在应用等等。 通过这种方式进行文献查找的好处是可以方便的进行文献的同主题阅读，快速的了解和熟悉同一个课题组或者学者的贡献 。如果该领域的研究学者不是很多的话，访问几个学者主页后便可以对该领域的大概情况有一个基本的了解。另外，通过查看学者主页上的会议论文信息，便可以知道该领域的主流学术会议都有哪些，方便后续找机会交流。 最后，阅读文献本身便是很好的查找文献的方式。一般而言， 在论文的引言部分，作者会围绕研究的相关背景和选题意义做一番系统性的论述。 一般而言，引言的写作可以简单分为三个部分，主要包括： 1. 选题的意义和背景。一般是讲述该科学问题产生的背景或者潜在的一些应用场景等等。比如，如果某论文研发出一个可以精确测量水中含气率的方法，在引言中便会详细描述气液两相流在实际工程或者生活中的若干常见情形，并指出精确测量含气率对于深入研究气液两相流特性及其工程监测上的重要意义等等。 2. 前人的研究成果及存在问题。此部分一般会详细描述以前的学者在该领域的学术贡献，包括已有的测试方法、原理及相关精度，存在的问题等等。这一部分是引言的精髓部分， 其文献调研的质量直接关系到科研成果的水平甚至成败，这也就是为什么文献调研是如此重要的原因之一 。 3. 该文的研究方法及章节安排。基于上述文献调研和相关科研工作，此部分会展示作者围绕该核心问题的一些思考和实践，包括研究上的新思路及其可行性的验证。例如，为了提高含气率的测量精度，该作者引入了高分辨率的成像系统及图像处理技术等等。对于较长的研究类论文，作者还会简要介绍一下该论文后续章节的内容及相互间的关联性，以方便读者查阅。 由此可以看出，通过阅读文献，本科生便可以快速的了解一个研究主题下的重要研究进展等等，方便快速的入门和提升。值得注意的是， 本科生文献调研的范围尽可能准确而凝练，不要过于大 。例如，如果研究方向主要集中在围绕某一个现象的实验研究，本科生在阅读文献时尽可能多看实验类杂志，详细掌握相关实验方法、要点、原理和操作等等。对于数值模拟和理论分析类的论文，可以适当阅读，重点看其结果讨论和阐述部分等等。这样阅读文献时便可以有的放矢，目标明确。具体执行时，本科生可以通过阅读相关文献的摘要对该文献的大致内容有个初步认识，然后快速决定是否要看论文全文。

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本科生科研指南（11）：文献调研

upflyzhang 2019-9-27 10:29

本科生科研指南（11）：文献调研 张宇宁 华北电力大学（北京） 在开展正式的研究工作之前，本科生应对前人的研究成果进行详细、深入地调研，力求对拟研究的方向能有一个较为全面的了解。 文献调研是科研工作的重中之重，本科生应该给予高度的重视，扎扎实实地掌握好相关研究领域内的核心知识。 具体而言，文献调研应该围绕以下几个核心目标进行： 1. 积累从事该领域研究必要的知识和研究方法。 首先，通过调研可以基本上了解某个具体科学问题的历史沿革、重要研究节点及相关文献、主要的研究手段等等。作为初学者，本科生需要在调研阶段将这些研究领域内的核心知识牢固掌握。其次， 在文献阅读过程中，本科生应不断地像海绵一样学习、汲取最新的知识，而不必过于在意其可能的用处。 例如，看到一个新的测量仪器，可以仔细调研一下该方法的原理、优势、劣势，然后通过文献调研进一步了解同行学者采用该仪器已开展的相关科研工作和取得的学术成果，有必要的话还可以跟设备供应商了解一下该仪器的价格、操作难点、寿命等等。具备条件时，也可以通过参加学术会议与同行或者其他同学一起探讨一下该仪器的一些重要的实际操作相关问题。最后，本科生对所学的知识应不断的进行梳理和汇总，这样才能持续进步并提升自己对该科学问题的理解，并能将知识有效地融会贯通。总之，文献调研是获得和积累本领域核心知识的重要来源。 2. 详细了解研究领域内的前沿方向。 通过阅读文献，本科生可以详细了解该领域亟待解决的核心科学问题。 一般而言，该领域的若干知名专家会在主流杂志发表综述论文对该领域的研究进展进行汇总。典型的此类综述一般包括以下几个部分：研究的意义，科学问题的描述和分析，同行已有的进展，尚存的科学问题及建议等等。本科生可以详细阅读这些高质量的文献，从而能够较为快速的把握前沿方向及其具体内涵。另外，科研成果必须是原创性的，即前人尚未发现的规律或者现象。因此， 在开展科研工作以前，本科生有必要对前人围绕该问题已有的科研工作进行详细的了解，进一步明确尚未解决的问题 。这些理解和知识对本科生后续确定具体的科研题目和研究方向很有必要。只有把这一步做好，本科生后续才能厚积薄发，游刃有余。 3. 及时关注同行学者在该领域内的研究进展。通过阅读文献及其中的作者信息等等，本科生基本可以判断该领域内较为活跃的几个课题组及相关学者。值得注意的是，科研成果是不断更新的，而热点方向的知识更新速度更快。在具备一定知识积累以后， 本科生平时也应该养成阅读文献的好习惯，定期跟进本领域内主流学者的最新研究进展 ，详细了解这些学者围绕上述核心问题取得的科研成果，以及其研究该问题的思路和方案等等。从笔者的研究经历来看，定期跟进最新文献是非常必要的，不但能够拓展本科生的科研视野，而且可以加深对科学问题的理解。 文献调研过程中的常见问题汇总如下： 1. 围绕目标。 阅读文献过程中，本科生应全神贯注的围绕已定的科研方向开展 ，并总结和梳理相关知识和要点，力求每次能有一点收获，逐步提升。阅读某篇文献前，可以先稍微思考一下,向自己提几个问题，比如通过阅读这篇文献，拟获得哪些信息？哪些部分应该详细阅览？哪些应该略读？凡此种种，不断思考，不断进步。 2. 切忌发散。每个科研方向都有很多的积累，包含众多的学术论文。切忌在阅读过程中，盲目的扩大调研的范围或者更改感兴趣的问题。 因为一旦扩大调研范围，需要了解的背景知识和投入的精力都会以几何级数迅速增长 ，相关的文献调研也很难深入进行。本科生本来就时间有限，应尽可能让自己的研究更为聚焦。 3. 不要匆忙下结论。 科研想法需要科学的、持续不断的进行论证 ，这个过程需要大量的文献调研、数据分析、学术讨论等等。因此，下结论以前，本科生应尽可能的多去阅读文献，充实调研报告的内容，力求对相关科学问题不断的加深理解。 4. 不要盲目跟进热点。很多热点领域竞争激烈，门槛很高，是否需要进入更加需要详细的论证。另外，热点领域的知识更新频率很快，更加需要本科生牢固的掌握文献调研方法。值得注意的是，部分热点研究几年后可能很快衰退，缺少持久的生命力，进入与否应该更加慎重考虑。 对于本科生而言，科研基本功的训练是第一位的，至于研究方向在学术界的热度倒可以不必在意 。很多大师都是通过一些巧妙的构思解决一些传统领域的问题而成名的，不妨可以作为参考。 5. 集中时间和精力。文献阅读最好一气呵成，这样前后能够相互补充，加深理解。 切忌把文献调研搞成马拉松式的阅读，拖沓一周甚至数周才完成 。这样边读边忘，最后真正理解的部分也屈指可数。 6. 阅读原始文献。 对于一些经典的著作或者重要的论文，有条件的话，应该尽可能直接去阅读原文 ，这样不但对该论文有一个直观的理解和认识，而且更能从这些知名论文的阅读中体会到科研的真谛。对于这些重要文献，不要只是看别的学者在其论文中的评论或者综述论文，这样得到的理解可能是肤浅的甚至错误的。

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本科生科研指南（10）：遵守纪律

upflyzhang 2019-9-20 11:09

本科生科研指南（10）：遵守纪律 张宇宁 华北电力大学（北京） 进入课题组在导师的指导下开展研究时，本科生应该严格遵守学术界及课题组的相关制度，这是保障科学研究可以顺利进行的必要前提。与科研相关的重要制度如下。 首先， 本科生应该恪守学术道德规范 。对于刚进入研究领域的本科生，建议先详细阅读学术道德规范相关材料，明确了解开展各类科研活动时需要秉承的基本学术道德准则，了解各类学术不端行为的危害。例如，在撰写和发表论文过程中，不应该抄袭他人（包括导师）或者自己已发表的著作和相关段落，其标准是 写作的论文与已发表的论文有连续七个字符雷同 （专有名词等除外）。另外，更不应该在撰写论文过程中，剽窃已发表论文中的观点并据为己有，正确的做法是应该据实标记论文中所介绍观点的文献出处，并对相关作者的学术贡献予以肯定。还有一大类危害甚重的学术不端是学术造假。简而言之，就是在学术研究过程中，所得到的数据并没有能够有力支持发表论文中所阐述的结论，或者干脆根本没有做研究，而是通过捏造、篡改数据等手段获得结论并将其呈现在论文中。其他的学术不端还包括一稿多投（将相近的或者相同的一篇论文同时投稿到多个不同的杂志）、重复发表等等。 其次， 应该严格按照课题组的规则制度做事 ，保证实验室安全运行。安全是实验室开展科学研究的前提和重中之重，任何时候、任何人都不应该对此掉以轻心。为了有力保障实验室安全，大部分课题组都会建立较为严格的规则制度，并定期检查落实情况。本科生进入实验室以后， 应该严格执行相关实验和仪器操作流程，不可以任性妄为，随意更改 。如果发生类似的事情，不但是对自己和他人的安全不负责任，而且也会因违法安全规定无法得到导师的信任，从此无缘实验研究。近年来，实验室安全事故频发，很多原因均是负责执行的学生麻痹大意，没有按照已确定的章程制度去操作，这些教训是非常深刻而且让人警醒的，本科生更应该引以为戒，珍惜来之不易的机会。如果实验室安全出现问题或者存在潜在的安全隐患，对导师指导学生的心理也会造成重大的影响。另外， 本科生进行实验研究的同时也要学会爱护仪器 ，严格按照仪器的说明书和培训教程操作，遇到不懂的问题及时请教，不要随意更改操作流程。 另外， 应严格对研究思路和实验数据等进行保密 。一个研究思路的获得十分来之不易，需要长期的积累和充分的调研。在成果尚未发表前， 本科生应该按照导师的要求对创新性想法进行保密 ，不要向他人讲述其核心要点和思路，更不要将其放在网络上。如果上述思路被他人获取并抢先发表，已开展的研究可能无功而返，多年的心血也会付之东流。另外，获得的实验数据应该按照规定严格保密，并且采用专用的数据硬盘进行保存，不要将其存放在公众电脑或者网络空间中。 其他常见的与纪律有关的事项列举如下： 1. 请假制度。 如果临时有事情不能够参加实验室相关学术活动务必提前请假，详细说明事由和请假的时间段 。请假的理由应该正当，不要在紧要关头以个人并非重要的私事作为请假的理由。请假的频率不要过高，否则导师可能会认为该学生并非学有余力。对于重要的事情还要想一想补救的措施和相关重要的节点落实情况等等。 2. 做好讨论准备。 在与导师进行学术讨论和沟通过程中，本科生应注意提前做好讨论有关的各项准备 ，包括讨论议题的思考、文献资料的准备和打印等等，不要冒冒失失、毫无目的的见导师，这样不但不够专业，无法取得进展，也会失去导师的信任。 3. 及时完成分配的工作。 导师分配的工作务必按照规定的时间节点、拟定的核心目标按时保质保量完成。 如果部分事宜理解得不是很清楚，应该及时与导师沟通，进一步明确要点和思路。如果因各种原因，时间投入难以保证，务必在做事之前便讲清楚，以方便导师进行工作协调和重新布局。 千万不要等到最后进展不利的时候，再讲自己如何如何繁忙等等 ，因为这时候不但时间已经浪费了，可能还会影响下一步其他团队成员的工作，而且对未完成的任务讲各种理由为自己开脱显然对科研工作并没有责任心。 4. 遇到问题及时沟通。在执行过程中，难免会遇到各种波折和困难，有的思考一下便可以逐步解决，有的可能比较棘手，导致进度迟滞。这个时候，务必向导师和其他人员求救，不要过多在意面子等事宜，把事情干好并从做事过程中学习和成长最为重要。

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本科生科研指南（9）：参加组会

upflyzhang 2019-9-13 08:31

本科生科研指南（9）：参加组会 张宇宁 华北电力大学（北京） 组会是导师指导课题组内相关同学开展科研工作和学术活动的重要平台 ，也是本科生学习各项科研技能、体会科研工作魅力的重要途径，务必定期参加。不同课题组的规模、组织形式和特色迥异，但其组会上的内容和信息大体上有一定共识。具体而言，组会一般具有以下几个功能。 首先， 组会期间导师会对科研工作的思路进行系统性的梳理 。一般而言，导师可通过讲座等方式，定期全面梳理当前科研工作的核心方向、工作要点、同行进展、存在问题等等。此类讲座一般高屋建瓴，内容丰富且与时俱进，对于刚刚进入科研领域的本科生最有启发。比如，导师近期刚刚参加完若干国内外重要学术会议，通过与相关学者的交流了解了很多同行的最新进展以及实验测量方法，后续又阅读了很多会议论文以及相关文献，从而形成了该领域一些最新的想法和思路。这个时候， 导师便会通过组会讲座的形式将拟要解决的核心问题和重点难点进行一番系统性的梳理 ，并对相关研究方向同学的科研课题及任务内容做出分工和调整等等。这些都是该领域最为前沿的进展和想法，也是本科生能够快速了解该领域前沿动态的最直接、最有效的方式。 其次， 组会报告是详细了解课题组最新进展的有效途径 。组会期间，一般会安排 2-3 个同学做报告，导师进行点评和提问，其他同学也可以适当参与。组会报告的内容可以很丰富，基本涵盖了本科生开展科研工作所涉及的方方面面。 1. 文献调研方面，可由某同学围绕近期发表的 5-10 篇论文进行文献综述，并联系经典文献详细阐述该科研方向的最新进展、主要结论和未来工作的建议，本科生可以通过这些报告内容进行详细学习，初步掌握该方向的研究方法和若干进展。 2. 学位论文工作进展汇报方面，由拟毕业申请答辩的同学详细介绍其就读期间开展的重要科研工作，包括文献调研及总结、创新性提炼、研究内容、研究方案、主要结论、论文章节、工作计划等等， 这些都是本科生了解科研流程及写作规范的良好机会 。 3. 各类执行攻略的汇总及介绍方面，由负责编写该攻略的同学作为代表将攻略的编写思路、执行要点、注意事项、相关资料等等进行提纲挈领的介绍。例如，执行攻略可以是某个科研方向所涉及的重要科研仪器的操作攻略以及相关软件的使用介绍。本科生通过参加组会可以大概了解相关仪器的基本概况、操作要点等等，确保后续学习相关核心软件和科研仪器操作时可以做到有的放矢，并大大节省时间。 4. 学术期刊论文发表方面，由近期在主流学术期刊发表论文的同学对论文的核心内容、主要结论、支撑数据等等做详细地阐述，并且可以汇总一下在撰写论文过程中的收获、碰到的困难及解决思路等等，这些都对本科生后续梳理科研思路、学习科研论文写作规范有很大的帮助。 5. 学术会议演讲试讲方面，由近期拟参加国内外学术会议的同学将其汇报 PPT 进行完全模拟实战的试讲及演练，然后由导师和其他同学针对其存在的问题提出修改意见。另外，也可以 完全模拟现场的环境，由课题组成员提出若干个听众可能感兴趣的问题，由试讲同学进行一一回答 等等。还可以让学生轮流担任分会场的主持人，锻炼一下组织协调能力。通过上述过程，本科生可以学习到专业学术汇报的主要特征、详细流程和准备思路等等。 最后，参加组会还有诸多的好处，罗列如下。 1. 认识朋友。通过参加组会并能够很好的进行准备、互动和提问， 本科生可以逐步融入到课题组的研究氛围之中 ，与导师、师兄师姐、其他本科生建立较好的学术与私人联系，这对于后续其在研究方面的成长至关重要。 2. 导师点评。 通过导师对于其他同学报告的点评 ，本科生可以详细了解学术报告的相关规范以及常见的问题，以后再做此类事情之时，便会多多注意，少犯错误。 3. 获得相关学术资源。组会前后，都会分享很多的学术资源，包括重要文献、操作攻略、执行要点、会议纪要、报告 PPT 等等，这些都是能够助力本科生快速成长的优秀资料。 如果本科生没有参加组会，即使有这些资源，但对于如何使用相关资源以及其核心要点的掌握均会捉襟见肘 。 4. 未雨绸缪。通过一段时期的组会报告的旁听和学习，本科生应该已经基本了解了科研所涉及的方方面面的内容，以后其 制定科研工作计划时便可以充分考虑重要核心因素，并能够制定出可行性和执行力均极强的科研计划 。 总之， 组会制度是科研工作的核心组成部分 ，若本科生可以长期坚持参加组会并积极参与相关活动，对其个人的学术能力提高一定有很大的帮助。

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本科生科研指南（8）：确定科研方向

热度 3 upflyzhang 2019-9-6 08:27

本科生科研指南（8）：确定科研方向 张宇宁 华北电力大学（北京） 确定导师后，应该着手进一步与导师协商确定具体的科研方向 ，并围绕此进行攻关。在选择导师的过程中，实际上本科生应该已对拟从事的科研领域有了一个大体的了解（注 1 ）。因为每个研究领域又可细分为若干研究方向，因此本科生需要在导师的指导下进一步明确具体的研究方向。 因科研方向的选择是事关科研成败的核心议题，务必慎重对待、严格论证 。具体而言，确定科研方向的影响因素众多，本文对此进行逐个梳理并探讨。 首先， 详细了解导师擅长的科研方向及在该方向的已有积累 。一般而言，每个导师均有一个自己最为拿手、也是最为擅长的研究方向。在此研究方向上，导师可能已有十余年甚至几十年的深厚积累，对该领域的历史、现状、存在的问题、前沿进展均有独到的见解，并能敏锐地指出该方向的未来发展趋势等等。另外，围绕该方向，导师可以提供开展研究所需要的核心实验仪器和理论研究程序等等， 使本科生可以站在一个较高的起点上去研究相关方向的核心问题 。如果本科生选择这个方向，在后续的指导过程中，导师也可以游刃有余的给予本科生很多详细的指点，避免其走很多不必要的弯路。当然，开拓新的方向是值得鼓励的，关键是需要结合本科生自身的实力、拟投入时间、已有研究条件等等进行科学的论证，并能够长期坚持，否则成功的概率不高。 其次， 研究方向的选择需要与本科生的特长相结合 。不同的研究方向对个人能力要求的侧重点上有很大的不同。例如，纯粹理论方面的研究，需要本科生有较好的数学和物理基础和扎实的基本功，能够在导师指导下自行补充相关领域的知识，并围绕科研的目标进行公式的推导、演算和验证等等工作。理论方面的研究，因其门槛较高，一般都是独自进行，这就要求本科生有较好的分析问题和解决问题的能力。对于实验方面的研究，需要本科生具有较强的动手能力，能够按照导师布置的任务完成实验平台的搭建、改造、调试并开展实验工作，快速掌握各个核心设备的操作要点以及安全注意事项。 实验过程中出现的意外问题，本科生应能够及时向导师汇报，避免因为误操作导致实验安全事故 ，同时也需要对科研仪器进行适当保护。 再次，本科生需要适当 的对待“兴趣”。随着科技的高速发展，现在的科研方向已经极大程度的进行了细分，因此也大大提高了公众了解科研方向及其内涵的门槛。即使为了能够了解某一个具体的科研方向的研究内容，也需要本科生查阅大量的资料，这无疑对本科生是一个很大的挑战。另外，本科生不但要了解科研方向及其难点、要点，还要后续围绕此方向开展工作。当前， 一个成功的科研项目的完成需要涉及到方方面面 ，并且需要极强的团队合作。例如，某个科研方向需要对某个新型化学物质开展测试，如果没有相关核心测试仪器则研究无法进行，那就需要导师申请经费去购买该核心仪器。经费申请到后（通常半年以上），拟购买的仪器需要经过采购、招标、付款、验货、资产报增等等一系列的手续，然后还需要对该仪器的操作流程进行学习和训练等等。可以看出，以上这些实际操作内容是本科生完全无法想象的也无力进行的。因此， 一个好的想法是一回事，把一个好的想法具体实现是另外一回事 。在上述流程中，如果一个环节没有走顺，则后续的工作完全无法开展。例如，如果导师的科研项目申请没有通过，则没有经费去购买仪器，相关的研究也必然会被搁置。因此，本科生如果只是依靠尚未被严格论证的“兴趣”去做研究，成功概率是很低的。 关于“兴趣”的解读，我们可以从另外一个角度去探讨。当老师问幼儿园小朋友“你们以后的理想是什么呀？”，想象一下，小朋友们纷纷举手，通常得到的答案包括宇航员、艺术家、工程师、科学家、诗人等等。但如果我们问一个大学生同样的问题，得到答案一般会完全不同，其内容会更为具体一些， 比如小朋友回答的“工程师”，大学生可能会说“研发智能芯片的电子领域工程师” ，小朋友回答的“科学家”，大学生可能会说“探讨流体湍流流动机理的科研工作者”，诸如此类。具体而言，形成上述回答显著差别的一个重要原因是阅历的增加使得大学生能够更为精确的描述“兴趣”，并且确实可以找到自己感兴趣的事。 因为科研是一个高度创新性的活动，科研方向的选择则需要本科生进一步进行细分 ，最后才能形成真正的兴趣。这需要一个过程和积累，逐步前行才能实现。因此，初期与其依赖于一知半解的“兴趣”去做选择，不如踏踏实实的开展调研工作。另外，依据笔者的经验， 对大部分本科生来讲，兴趣实际上是可以逐步培养的 。 关于科研方向选择的其他建议简述如下。 1. 不断调整。有时候， 科研方向未必会一成不变 ，即使对于导师而言，一般每隔 5-10 年也会适当调整一下科研方向。因此，本科生在从事科研过程中，需要结合自身的实际情况适当调整方向、转换思路。 2. 重视过程。 本科生应多重视科研过程中对于科研方法论的了解 。每个科研方向可能各具特色、各有专长，但从科研方法论上讲却是殊途同归，大体遵循着一套较为固定的研究规律。本科生需要对该规律进行不断的揣摩和总结，熟读科学史和名家开展科学研究的故事，详细解读本领域重要的科研工作及贡献，对其长期发展益处甚多。 3. 团队协作。大部分研究均需要多个人甚至几十个人一起围绕核心问题开展科研工作，这对本科生也是一个很好的锻炼机会。在此过程中，本科生需要掌握与各类团队成员打交道的一些基本技巧，并能及时完成自己的工作任务。 注释部分 注 1 ：详见前述系列博客，张宇宁 . 本科生科研指南（ 4 ）：科研方向调研 . 2019-08-09. http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-1192965.html

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本科生科研指南（7）：与导师讨论

upflyzhang 2019-8-30 07:50

本科生科研指南（7）：与导师讨论 张宇宁 华北电力大学（北京） 与导师建立联系后，本科生应该积极主动围绕科研工作与导师开展有效的学术交流与讨论 。本文按照与导师讨论的初期、中期、后期三个阶段进行介绍，并对议题的选择以及需要做的准备进行详细梳理。 初期阶段，讨论的主要目标是 互相了解，彼此磨合 。本科生需要逐步了解导师的学术特长、指导方式、课题组情况等等。其中，很重要的一个方面是本科生要能够尽快适应导师的指导方式。例如， 有的导师喜欢启发学生思考，讨论过程中，更多的是向学生提问，而不是给出具体的意见 。这就需要本科生平时多动脑筋，多思考解决问题的可能方法，而不是一昧地依赖导师提供问题的解决方案。部分同学可能一开始不适应这种节奏和方式，但长期坚持下来，对个人能力的提高大有裨益。对于这种指导方式，本科生要在讨论前做很多的准备，包括议题的选择和准备、材料的打印和整理、导师可能提出的问题及回答等等。不但如此， 本科生还要在讨论后对讨论过程勤总结、多体会，这样坚持一段时间其能力便会显著提高。 通过以上过程及相关信息的了解，本科生需要进一步明确开展科学研究的动力，并对拟开展的研究方向有一个大体的认识，初步掌握与导师沟通和交流的技巧。 中期阶段，围绕科研课题本科生逐步学习相关 核心技能 。通过上个阶段的积累，本科生与导师已相对熟悉，彼此间也有了一定的默契，这些都是开展后续具体科研工作的重要保障。在此阶段， 导师围绕科研课题会循序渐进的给本科生布置若干任务，并对其能力、品行、心理素质、纪律性进行一个全面的考察。 这个阶段根据学生的表现可长可短，因人而异，短的 1-2 个月，长的可能要半年以上。例如，一般的科学研究均要涉及到文献调研的环节，导师可能会给本科生简要的讲述一下拟开展的科研工作的要点、前期工作、相关论文等等，后续需要本科生进行更进一步的详细调研并逐步落实相关工作。在此过程中，需要本科生学习若干新的技能，列举如下。 1. 文献检索工具。学会使用中国知网、 Web of Science 、谷歌学术等常用科学文献检索网站，并能熟练掌握文献筛选、分析、精炼等等技巧，从而找到与研究主题密切相关的若干核心文献。 2. 阅读文献能力。阅读文献之前，先整理一下文献阅读的目的，带着问题去读文献，从而避免花很多时间阅读无关的文献。详细了解文献的基本结构，学会基本的文献阅读步骤，通过摘要和结论迅速判断文献的内容与研究主题的相关性。 3. 工作进展汇报。建议先采用邮件进行汇报，详细阐述已完成的事宜、工作进展、存在的问题等等。如果有附件的话，邮件正文中给出一个附件的简要目录。 后期阶段，围绕具体的科研工作内容及方案， 融会贯通、厚积薄发 ，取得有价值的科研创新工作。经过前期的精心准备，对研究议题已进行了详细的调研，对科研工作的相关方法论、流程也已经很熟悉，与导师的交流也能够自如进行并能高效利用讨论时间。这个时候， 围绕已经经过详细论证的科研方案，本科生在导师的指导下需要制定一个具体、可执行的科研计划 ，包括对前期文献调研的梳理、创新点的明晰、研究内容和方案的确定以及详细的各个重要步骤的完成节点等等。依据此计划，本科生需要合理安排个人时间，并就关键核心问题与导师保持密切接触。 具体而言，与导师讨论的相关建议如下。 1. 重要内容先讲 。与导师讨论时，把最为重要的、迫切要解决的事情先讲出来。这样围绕此与导师进行详细讨论，从而能使存在的问题得到有效解决并逐步推进后续工作进行。 2. 最好先邮件进行交流 。通过前期的邮件交流和讨论，使导师对拟讨论的议题有一个 熟悉的过程 ，并能够围绕议题进行相应的准备，这样讨论起来效率更高。 3. 讨论时长大概以 30 分钟 左右为宜。时间过长，导师的精神容易疲劳，精力也会没有那么集中。如果能充分准备， 30 分钟足够了。 4. 讨论频率以 一周一次 为宜。如果太密集，很难进行有效的、高质量的讨论准备，讨论效果没法保证，时间也就白白被浪费。如果两次讨论间隔过长，导师对相应的议题已经不太熟悉，需要一个逐步了解的过程。一周一次，无论对本科生和导师都是比较好的选择。 5. 极致坦诚 。如果因为各种原因，进展不够顺利或者没有达到既定目标，坦诚相告即可。本科生自身存在的问题通过不断的反省并及时改进，便可以逐渐克服。例如，上周因为课业繁重或者贪玩等等，耽误了进展，与其故意隐瞒，不如据实相告，否则不但课题进展不顺利，而且不能赢得导师的信任。 6. 如果对结论没有把握的话，慎重对待，不要轻易下结论。可以在讨论时多讲事实和数据，然后和导师一起讨论相关问题及结论，从而避免因匆忙下了一个错误的结论对导师产生误导。 7. 讨论时，所讲的语言需要提前组织一下， 力争议题清晰、层次分明 。讨论过程中，尽量准确、清晰地表达自己的观点及发现，不要讲与当前议题无关的话，这样才能够与导师进行实质性的高效交流。 8. 心理状态调整。诚然，本科生平时要面对上课、作业、课外活动等等诸多事宜， 部分同学的心理健康可能已存在问题或者潜在的隐患 。压力较小时，尚能够自如应对。一旦外界有一定的压力和刺激，其心理健康问题立刻凸显。这些问题本科生都要时刻注意，有必要的话多与导师沟通和交流。

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本科生科研指南（6）：联系导师

热度 1 upflyzhang 2019-8-23 07:50

本科生科研指南（6）：联系导师 张宇宁 华北电力大学（北京） 通过前面的充分调研，本科生已经基本确定了自己心仪的若干导师。那么，现在是开始动手主动联系的时候了。根据笔者的经验，本科生在联系导师之前，有三点需要注意： 1. 重视导师情况的详细调研。前期，本科生一定要通过各种可能的途径 对于心仪导师的基本情况、研究方向、指导特色等等有个大体上的了解 ，并能够清晰的论述为什么选择来该导师课题组做研究。此点是未来导师能够与你讨论并指导的基础，切记务必详细准备。另外，对于曾经指导过本科生做研究的导师，其后续进一步指导本科生的概率更高。 2. 学习邮件使用的基本技能。当前， 邮件仍然是导师处理日常工作的主要方式 。在开始之前，去网上看看攻略详细了解电子邮箱的基本功能并自己实际操作一下。当然手机、微信等等大部分导师也会用，但那些只限于熟人，即已经跟导师建立了牢固联系的学生或者朋友。对于头一次碰到的陌生人，建议不要使用这些方式，发邮件是最为稳妥的方式。 3. 注意基本礼仪。 本科生联系导师前应尽可能学习和了解一些基本的日常礼仪规范 ，邮件中的文字要有基本礼貌，称呼导师时用敬语。可想而知，对于一封颐指气使、错误百出的邮件，大部分导师估计都会弃之不顾。 学习完这些，便可以动手准备拟发给心仪导师的邮件了。具体而言，这封邮件本科生应该做如下的准备： 1. 应先修改本人邮箱的自称为真实姓名，这样导师收到该邮件时便知道你是谁了。以笔者的经验， 很多本科生不注意这些细节，喜欢用网名作为邮箱名 ，比如“睡觉觉的猪”、“会飞的鱼”等等。当导师收到上述邮件时，通常都以为是垃圾邮件便不做处理或者直接删除了，痛失良机，非常不应该。 2. 邮件应有一个醒目的题目表明你的来意，使其能够吸引导师迅速打开查看 或者及时处理。如果题目很含混，或者根本没有题目，基本上很难被导师看到并回复。 3. 邮件内容应该为标准的书信体，且要用书面语写作，不要太过随意。 4. 段落内容清晰，分三个层次即可，先清楚表明发此邮件的目的，再简单论述自己所做的充足准备、调研，最后简单表示一下自己的决心即可。 5. 附件目录务必附上，把附件编一下号码，并简单说明一下每个附件的内容。常见需要附上的附件包括个人简历、成绩单。注意附件不宜过大，否则容易被系统退信。各种荣誉证书原件如果导师没有索要则不必提供。相关文件要注意排版，内容美观清晰。 6. 邮件写作过程中及时保存，或者开启自动保存功能，防止丢失部分内容。 7. 收件人最后再填写，防止因写作过程中误操作，把尚未写完的邮件发送了出去。 8. 在邮件的抄送栏中填写自己的邮箱，这样通过查看你自己的收件箱便可以确保邮件已经正常发出了。如果你自己都没有收到，可能是网络等等的问题，及时解决即可。 9. 发完邮件以后要注意及时查收邮件 ，推荐安装一个手机邮箱客户端，这样系统可以自动推送新到的邮件。定期查看一下垃圾邮件箱，有时邮件会被错误识别为垃圾邮件。如果得到导师的回复或者与你预约时间讨论，务必及时回复，不要拖延，第一印象至关重要。以笔者的经验来看，给对科研感兴趣的本科生回复完邮件后很多次都没有下文了，原因经常是因为这些本科生没有及时查看和回复邮件。 在第一次与导师的联系沟通过程中，本科生也可能存在诸多不顺利的情况。依据笔者的经验，围绕本科生常见的三个问题，将其原因分析如下并附上建议： 1. 能不能直接去办公室找导师？尽量不要，因为这样做意义不大，除非你跟老师认识且很熟悉。 在未预约的情况下，很难有实质性进展 ，因为导师对你无从了解，对你的来意也缺少心理上的准备。建议先通过邮件互相交流，这样见面讨论才能有的放矢。笔者一般先会给感兴趣的本科生发一些相关资料查看，然后陆续保持几次邮件联系后再见面讨论，效率和效果均很好。 2. 给导师发了邮件，但导师不给我回信怎么办？从时间上看， 导师的回信时间因人而异，一般大概为一星期左右 ，如果碰上出差或者特别繁忙的阶段，会更晚一些。请先耐心等待，一个星期以后再定。如果仍未得到回复，先检查一下自己方面的问题，诸如收件人是否正确、邮件是否正常发出、邮件标题是否清晰、附件是否附上等等。如果确认无误，可考虑再给该导师补充发一封邮件，简单说明来意。还未回复，必要时可以直接来导师办公室，但简单说明来意和已发邮件事宜即可，不要久留，意义不大。即使该导师不回复邮件，也不要气馁，因为并不是每个导师都愿意或者适合带本科生， 没有消息未必是坏消息，换个导师试一试即可 。 3. 能不能直接打导师的手机，发短信或者加微信？绝对不要。现在骚扰电话很多，大部分导师可能对于陌生人的手机来电不会接听，微信也未必会加你，短信也不一定会回复。另外，短信的内容过少，信息量小，处理起来也不方便。相比短信，此事邮件交流最好。

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本科生科研指南（5）：导师调研

热度 1 upflyzhang 2019-8-15 09:28

本科生科研指南（5）：导师调研 张宇宁 华北电力大学（北京） 在本科生从事科学研究的过程中，导师的选择至关重要 ，本科生需要对此事详细调研和全面权衡。本文重点论述导师的重要性、优秀导师的若干品质、选择导师的三个重要阶段、常见问题及建议等等。 概况而言，导师的重要性可以体现在以下几个方面： 1. 指导本科生确定较为创新的研究方向。如果导师有着丰富的研究经验和指导学生的经历， 在本科生研究方向的选择方面导师能够给予悉心的指导 ，让本科生明白该方向的要点和精华，并且能够指明具体的难点及需要解决的关键问题。后续，本科生基于此方向进行详细调研和思考，效果更佳。 2. 提供必要的研究平台和科研条件。对于需要若干重要核心仪器和设备才能开展的研究，导师在这方面可以给予充分的便利和指导。虽然很多仪器设备不是很贵，但是对大部分本科生来讲还是难以承受的。另外，学术调研和外出访问等等相关学术活动也需要导师在科研条件方面予以支持。其他方面，包括 导师课题组以前整理的一些攻略、经验和报告等等，都是刚开始从事科研的本科生的宝贵财富 ，本科生把这些资料提前学好，可以少走很多的弯路。 3. 全程参与讨论并协助本科生解决遇到的问题。科研的过程一般都不会一帆风顺，中间难免遇到各种各样的棘手问题。在这方面，导师经验丰富，可以协助本科生将问题逐个分析透彻，并且指明解决该问题的大体思路。 研究过程中，本科生存在的诸多不足，导师亦可一针见血指出，协助其成长。 导师的这个作用非常重要，不但可以给本科生的日后发展指明大体方向，而且对其分析问题、解决问题能力的锻炼也很有帮助。从笔者的经验来看，本科生在科研的初期阶段时最容易受挫。此时如果不能及时梳理问题并解决，部分本科生经常连科研是什么都还没搞清楚便退出了，实在可惜。 以上着重讲述了在与科研有关的几个重要方面导师对于本科生的深刻影响。不仅如此，优秀的导师对本科生的影响是非常长期的、深远的，具体体现在： 1. 教给本科生做人做事的 道理。“师者传道授业解惑”。 优秀的导师通过科研过程更多教给学生的是“道”，包括做人的诚信、做事的认真和追求完美、对待科学一丝不苟的态度等等。 这些宝贵品质对本科生的长期发展尤为重要。 2. 树立良好的科研风气。优秀的导师不但能够在科研工作上给予学生指导，也能够启发学生独立思考、减少盲从，并能够坚持在“科学面前人人平等”。 3. 关心本科生的心理状态并培养其成就感。本科生学业较为繁忙，能用于科研的时间本身就不多，因此特别需要导师在科研工作中给予鼓励和支持，以便能够树立信心，长期坚持。 4. 推荐优秀的本科生进一步深造。对于表现优异的学生， 导师一般会通过各种方式予以推荐，协助其找到理想的深造环境。 笔者在指导本科生期间，在其参加各大高校的夏令营或者推研面试之前，一般会进行一个模拟面试，让本科生提前适应环境，清晰准确的回答问题，大有裨益。 导师的选择既然如此重要，本科生务必要在此事上多下功夫。一般而言，导师的选择大致可以分为以下三个阶段： 1. 信息调研期。主要是通过各种渠道了解导师的相关信息。比如，可以去学院主页、课题组主页或微信公众号看看导师的个人介绍，网上找一找关于导师的相关资料、报道或者新闻，下载几篇导师的最新论文看一看其近期的研究方向，听一听研究生师兄师姐或者以前跟导师做过研究的高年级本科生对导师的评价及其在该课题组的收获等等。总之， 信息渠道要尽可能宽、全，这样才能为后续选择提供科学依据。 2. 尝试互动期。根据第一阶段的调研，初步选定 3-5 个比较适合自己的导师。然后尝试通过邮件或者当面讨论等方式与其主动联系、研讨，互相了解。 3. 选择确定期。经过一段时间的互动、磨合， 导师与本科生之间有了一定的默契 ，能够较好的一起从事科研工作。同时，经过此阶段，本科生也对课题组制度、风格、特色有了一定切实的了解。这个时候，便可以最终确定。 本科生在导师选择过程中的常见问题列举并建议如下： 1. 是否可以不选导师，无师自通？原则上可以，但并不建议。 科研工作是相对高度专业化的事情，环环相扣，需要步步为营。 若一步走错，则满盘皆输。在科研过程中，导师对重要事宜（例如：方向选择）可以给予指导、帮助并严格把关。况且，如果本科生自己单独做科研，上述的所有导师的资源都无从获取，得不偿失。从笔者的经历来看，独自做研究的本科生能成功的凤毛麟角。 2. 导师选择的多个因素（导师名气、指导方式、研究方向等等）间如何权衡？简而言之， 适合自己就好，感觉上舒服即可。 很难做到全部都称心如意，确定你最为关心的因素，然后进行选择。 3. 可不可以选择多个导师指导？原则上可以，但实际操作起来很难。第一，本科生时间有限， 从事两个及多个科研项目是非常不建议的。 第二，不同导师的风格迥异，适应多个导师的指导氛围实际上很难实现。第三，科研方向上，不同导师之间通常差别很大，且知识结构未必能互补甚至基本无关。 4. 可不可以选择外校老师或者网络指导？原则上可以，但实际执行困难。第一，诚信方面，该方式需要师生间能够快速建立彼此的信任。第二，习惯方面，导师和本科生都未必能够习惯这种视频会议或者只是邮件的交流。第三，时间成本方面，实际上的时间投入比面对面交流要更高。 因此， 本科生在导师的选择事宜上一定要慎重，需要从方方面面进行权衡 ，不仅要考虑其感兴趣的研究方向和研究平台等学术因素，也要考虑导师的指导风格与本科生个性是否契合等等实际操作因素。

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本科生科研指南（4）：科研方向调研

热度 1 upflyzhang 2019-8-9 08:15

本科生科研指南（4）：科研方向调研 张宇宁 华北电力大学（北京） 科研方向的调研和选择是做好研究的重中之重 ，需要本科生高度重视并进行全面详细的调研、思考和论证。 兴趣的确是最好的动力，但在本科生确定真正的兴趣之前，需要对所感兴趣的事物做一番充分、彻底的调研和深入了解 。 否则，只会是叶公好龙，当真正的机会来临之时，却显得畏首畏尾、裹足不前。首先，本文将科研方向大致归为三个大类，并详细给出了每个大类的特征和例子。其次，对上述三个大类所需的外部、内部条件进行了一番梳理和分析。最后，基于上述分析探讨本科生进行科研方向选择时的一些原则和建议。 一般而言， 可以将大部分科研工作归纳为以下三个大类 ： 第一大类科研工作的核心特征是 探索未知的重要客观规律 。这一类研究旨在着重探索人类知识宝库中尚未能被清晰认识的重要规律。例如近期多个国家发布了火星探测计划，旨在通过发射火星探测器，对火星的详细特征进行更深一步了解，这便是人类对于未知的太空领域的执着探索。再比如，爱因斯坦提出的相对论，预测了光在引力场作用下可以弯曲并被宇宙观测所证实，这使得人类对客观世界的认识更进一步。除此以外，生活中的很多例子也非常值得本科生关注。例如，雨滴落入水中引起的水池表面的飞溅过程实际上也包含者很多深刻的、尚未被充分认识的科学道理。同理，往厨房水池中扔一个钢球所引起的现象也具有研究价值（注 1 ）。 这一类科研工作需要一定的知识储备和详细的文献调研，并基于此提出创新性的想法和研究方案。除去太空探索及高能物理等大型科学研究项目以外，大部分此类题目从资源需求上来讲相对较低，并不需要非常复杂、昂贵的实验台和高深的理论知识。例如，雨滴飞溅过程研究需要的主要设备是一个观测相机，另外本科生再辅助学习若干常用的图片处理软件和一些基本的流体力学知识即可。值得注意的是，相关题目前期很多学者可能已经做过大量的研究，因而本科生需要对前人的工作进行详细调研，并基于此提出新的见解和想法。简而言之，此类题目对本科生的文献调研和创新能力具有一定要求。 第二大类科研工作的核心特征是 服务于国家重大战略需求 。这一类研究重点在于解决当前我国国家发展过程中的关键技术及核心问题。以芯片制造技术为例，前一阵美国停止对我国的华为公司供应芯片，这对该公司的正常运营造成了一定影响。因此这类问题属于重大的战略技术，必须尽快解决，从而才能形成独立自主的完整产业链条，不再受制于人。再比如，军用战机所需的高性能航空发动机的研制也属于此类。 这一类科研工作对研究条件有着较为苛刻的要求，需要有若干动辄几千万甚至上亿的高精尖核心设备，并且有较好的研究平台和实验条件。实际上，对于很多顶尖方向，全国甚至全世界具备相关研究条件的高校和研究所也通常只有几个。因此，在选择这类题目时，去了文献调研之外，还要关注研究方案的可行性。例如，现在很多国家都在布局火星探测，假设某位本科生提出登陆海王星并进行探测。想法是好的，但如何实现，尤其是该学生如何实现那可就是两码事了。 第三大类科研工作的核心特征是 解决国民经济中的重要问题 。这一类研究重点关注实际的生产、生活中的相关问题，并以解决实际问题为导向组织攻关，并最终服务于社会或者企业。比如，城市交通拥堵的治理需要对海量的摄像头拍摄的车辆信息进行识别，从而精确掌握人们的出行规律并分析拥堵原因。围绕此，亟待解决车辆相关图片的智能自动识别图像处理技术等关键问题，从而避免因人工识别造成的处理数据量少、识别不准确、识别效率低、成本高等诸多问题。 这一类科研工作需要与企业或者实际用户的需求紧密结合 。因此，前期需要大量的实际调研，对其真正需求有充分的掌握。基于此，结合相关知识进行透彻分析，凝练出若干亟待解决的重要问题，并开展科学研究。最终，研究成果的检验也要通过其在实践应用中的表现来进行判定并可能需要反复修改、调试。总之，这一类研究需要与需求用户进行紧密的沟通和联系，从而保证最终的产品和方案能够真正的应用于实际并解决问题。 阐述和分析完上述三个大类科研工作的特征之后，我们具体分析一下本科生进行科研选择的建议和原则： 1. 第一大类：对于本科生较为适合，尤其是思维较为活跃的本科生。所需要掌握的技能相对较少，且科研核心工作之外的事宜不多。 2. 第二大类：对于平台要求较高，如果学校学院具备相关平台并可以供本科生锻炼，在相关领域导师的指导下，可以酌情进行。反之，务必慎重。 3. 第三大类：需要对社会、企业、用户等等的实际需求有着深入的了解，因此拟从事该研究的相关本科生还应具备较强的沟通能力。因大部分本科生尚未走出过校园，人际交往能力以及人脉均有限，建议尽量选择合适的导师进行。另外，此类研究一般周期较长，选择时要谨慎。 另外，建议本科生在选择科研方向以前，务必做好以下几件事情： 1. 务必高度重视调研活动。“没有调查，就没有发言权”（注 2 ），并且“不做正确的调查同样没有发言权”（注 3 ）。本科生应平时利用好互联网、微信公众号、中国知网等众多免费资源，也可以酌情参考知名学者撰写的综述或者发表的观点，从而详细了解拟从事领域的历史、进展及存在问题。 2. 兴趣导向。务必在充分调研的基础上，结合本科生自身感兴趣的方向开展科研工作。另外，在没有充分调研之前，谨慎做出相关结论以免错失良机。同时，也要注意到，对很多人来讲，兴趣是可以在科研过程中逐步培养的。 3. 可执行性。对拟从事的科研方向至少从宏观方面和逻辑上进行科学论证，防止做一些不切实际、甚至违背基本科学原理的事情。 注释部分 注 1 ：具体细节读者可参见笔者以前发表的博文：张宇宁，厨房中的超声速现象， 2012-11-10 ，科学网。网站链接： http://blog.sciencenet.cn/blog-352862-630981.html 注 2 ：此语引自《毛泽东选集》第一卷（第二版， 109 页）中的《反对本本主义》（原文写于 1930 年 5 月）。此文曾一度遗失，在第一版中并没有此文。得而复失后，在第二版中选入（详见第二版出版说明）。此处本本主义是教条主义的早期叫法。 注 3 ：此语引自毛泽东主席 1931 年撰写的《总政治部关于调查人口和土地状况的通知》。

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本科生科研指南（3）：下定决心

热度 1 upflyzhang 2019-8-2 09:25

本科生科研指南（3）：下定决心 张宇宁 华北电力大学（北京） 通过一段时间的前期准备工作，包括科研调研和时间管理，大部分本科生对科研已经有了一个初步的了解，同时对自己可用的时间也有了科学的评判。那么，现在是该下定决心的时候了。 首先， 围绕个人是否应该从事科研应该有一个较为科学的论证过程 ，不要盲目做事。本科生可以尝试列个清单，详细列举出自己通过科研工作所能够获得的重要收获，并对每一条进行更为详细的深入分析。从个人能力上讲，可能的收获包括创新思维提升，创新能力培养，以及通过参与大型科研项目的宝贵经历所获得的顶层设计技能、科学地制定计划的能力和较强的执行力等宝贵品质。从个人未来发展上，一方面，科研的经历有助于本科生开拓眼界，更深入的了解当前领域内的核心问题及研究进展，为以后从事相关职业工作打下牢固基础。另一方面，本科生通过参与科研及后续发表的成果可进一步充实个人简历，尤其是获得导师的大力推荐和支持，这对于其后续发展大有裨益。例如，大部分国外和国内高校在申请博士学位时，都需要填写研究计划并提供 2-3 封专家推荐信。在这方面，从事过科研的本科生明显占有很大优势，其基本科研素质从该研究计划的质量和导师对其能力的中肯评价方面便可直接反映。当然，下定决心之前也要详细评估一下必要的时间和精力投入以及可能的风险，对可能存在的困难也要尽可能全面的评估一下。做事之前，从各个方面，把可能的困难全面的思考、评估、罗列一番很有必要。做计划时将其估计得重一点，做事过程中遇到困难才能从容应对，因为这些事情你早就想到了，也准备好了应对的方法。总之，务必竖立信心， 要有敢为天下先的气势，坚信自己可以坚持下来并取得成果 。同时，也要告诫自己，遇到一些暂时的困难沉著冷静，能够继续坚持下来，保证工作的连续性。 其次，着手制定一个相关计划， 重点在于要落实科研工作所需要的必要的时间投入 。建议学期初，多听多看，积极参加各类讲座，多了解新知识，开拓视野。学期中期，对自己的研究对象进一步凝练并围绕此开展调研工作，并将拟开展的具体工作逐步明晰。学期末，先做一个可执行的假期计划及其要点，然后全力以赴准备考试，力保学习成绩及学业优异。 对于有挂科或者学业较为吃力的同学，建议将心爱的科研工作暂时放一放 ，必须优先保证学业正常。对本科生来讲，扎实的基础是根本，其他均是锦上添花，不要喧宾夺主。笔者指导本科生科研工作期间，每个学期初都会把正在指导的本科生上学期成绩详细询问一下，以确保其学业能够正常进行。 另外， 多重视与他人的交流，尤其是做过科研工作的高年级本科生师兄师姐 ，以及研究生、认识的老师等等。因为同为本科生，与高年级的本科生最有共同语言，面临的问题也很类似，可以多向其学习宝贵的经验。而与研究生和老师的交流则可以迅速开拓视野，抓住前沿方向。 总之，科研路上未必是坦途，但也不至于全然无法解决。 正因为有未知和风险，科研的魅力以及所获得的收获和能力才显得弥足珍贵。 对于可能存在的常见问题，列举如下并附上若干建议： 1. 克服困难 。简而言之，科研的过程是一个不断发现问题并解决问题的过程。通常来讲，即使做好了全部的计划，事情也难免遭遇各种波折，也通常未必能一帆风顺。从另一角度而言，科研的过程也是对一个人的综合素质的全面检验，包括其耐力等等。遇到困难，不妨按照以下几个步骤冷静的分析一下。首先，对所遇到的困难有一个深入的分析和清醒的认识，搞清楚其本质。其次，想想有没有可能从其他角度去解决该困难。另外，可以求助同门师兄师姐、导师等等，多听听他们的建议。总之，遇事不要气馁，沉着冷静的分析并相信自己的能力和判断。除非你已经尝试了所有方法并充分论证了该困难的不可克服性，否则不要轻言放弃。 2. 成就感管理 。在整个科研过程中，多跟以前的自己作对比， 多给自己“点赞” 。平时养成记笔记和文档整理习惯，定期将以前的不同版本拿出来做对比，以明确量化自己的可观进步和显著成长。比如，以前生活很随意，不知不觉发现时间过得很快， 整天忙忙碌碌，但细想也不知道时间都用到哪里了 。做了科研以后，通过系统性的平时训练和统计分析，明确了时间管理的要义并能够坚决执行，这就是巨大的进步。也可以写写日记，或者用语音记录一下自己各个时段的心情，过一段时间翻出来看看、听听也是蛮有意思的体验。 3. 减少拖延 。 科研工作环环相扣，各个环节密不可分 。一般流程是先通过调研扎实掌握若干相关基础知识，然后确定具有创新性的一个研究主题并组织时间克服其中的若干困难将其完成。如果基础知识不够牢固，则后面阅读文献会非常困难，更不要提有创新性的想法等等。遇到问题及时思考、求教并解决， 不要逃避，否则后面早晚有一天它还会蹦出来吓你一跳 。 4. 抵制诱惑 。 这个世界诱惑太多，关键是本科生的时间有限 ，若想能在科研上有所突破，必须对个人爱好和其他事宜有所取舍。想象一下，周六下午终于挤出来三个小时的时间，按照计划你应该全力以赴阅读文献以准备下周与导师讨论。此时，宿舍里的舍友们都去逛街了，心中徒增无限凄凉，感觉为什么只有自己这么辛苦。这个时候，偏偏闺蜜过来约你一起去逛街。你是去还是不去？这是个很大的考验。做决定前，先想一想后果。如果这三个小时没有按照预定的计划进行科研工作，后续从哪里补上？后续是否还有补救的空间？如果没有办法补上，下周怎么跟导师讨论？下周的计划又如何制定？总之，一大堆问题接踵而至，并摆在你面前。因此，要有整体思维， 学会自律和坚忍，坚决抵制各类诱惑 。比较保险的做法是，直接找一个安静的教室或者咖啡厅去看书，避免诱惑，坚决完成任务。总之，不要做了之后再后悔，更不要养成做事拖沓的不良习惯。 5. 遵守承诺 。 做科研和做人的道理是完全一样的，做人做事要讲诚信、重承诺。 对他人和导师已经承诺的事情，请务必做到。如果实在做不到，提前说明其无法执行的具体理由并引以为戒。通过不断的做事，培养导师及朋友对你的信任感。好处是当你需要帮助的时候，他们会毫不犹豫、毫不保留的帮助你。如果平时做事总是找理由推三阻四，可能会给他人留下一个不靠谱的印象，后续再想改变这种印象就很难了。

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本科生科研指南（2）：了解可用时间

热度 1 upflyzhang 2019-7-27 15:07

本科生科研指南（2）：了解可用时间 张宇宁 华北电力大学（北京） 在开始科研之前， 很重要的一步是对自己可用的时间进行科学评估 。虽然科研算不上很耗时费力，但毕竟“天下没有免费的午餐 ” ，必要的时间投入以便及时跟进相关工作仍然是非常必要的。考虑到本科生比较繁忙的学业任务，其可用的时间本来就相对有限，因而更加有必要对个人时间利用情况进行深入了解，以便运筹帷幄、未雨绸缪。 首先，可以用计时器对每天的个人时间进行一个较为精确的统计。上课时间因较为固定统计起来最简单。其他诸如睡觉、吃饭可以大概估计一下。对于作业、报告等等事宜，在做事的时候需要进行详细的记录以便后续统计。其他课外活动、兼职等等也要系统的进行统计。 推荐将时间分成若干个时长固定的“区块”，比如每个“区块”约30-45分钟 。具体每个分块的时长因人而异，感觉舒服即可。两个区块之间休息 5-8 分钟，这样有一个基本的统计单位（简称为“区块”）。如果每天零碎的事宜占时较多，比如回复邮件、刷微信等等，可将其集中在一个或几个区块内完成以方便统计，这样平时做其他事情便可以集中精力。总之，尽可能精确统计个人的时间消费情况。上述统计越精确，后续制定计划的可执行性越强。 然后， 基于上述扎实的统计数据按照“日---周---月”三个尺度进行深入的分析 ，从而详细了解时间消费情况以及各类事宜所占比例等等。可以将日常活动分为几个大类进行统计，比如作息（比如必须有的吃饭、睡觉）、上课、作业、社团、兴趣（诸如篮球、音乐、游戏之类的）、上网（诸如刷微信朋友圈、微博、购物、看小红书）等等。然后，对每个大类所占用的时间进行详细的统计。坚持一个月，大部分本科生都会发现时间真的值得敬畏。通常一个惊人的事实是，本科生在日常琐事（诸如刷微信朋友圈）上所花费的时间远远超过其本人的想象。如果坚持一年，本科生便可以有足够的数据了解自己的时间消费情况以及其可用时间。 下一步， 如果本科生希望从事科研的话，那便需要围绕目标进行顶层设计，确保充足的时间投入 。假设一个科研项目一年需要投入 500 个小时，一年 52 周，那么一周平均需要约 10 个小时进行科研。时间安排上，寒暑假期间可以多花一点时间，假设每周科研用时 20 小时，假期共 14 周，合计 280 小时。即使不考虑过年过节、生病等意外情况，学期期间本科生每周至少要保证科研用时投入超过 6 个小时。总之，做一番顶层设计和精细计算之后，本科生可以对自己的科研工作包括生活有个更为全面的了解，方便进行科学的决策和规划。 如果， 做完了计算发现时间不够用的话，就需要进行“开源节流” 。“开源”的目的是发掘更多的时间用于科研工作，可以进行以下诸多尝试： 1. 作息规律 。通过有规律的作息（早睡早起）可以极大地增加有效工作时间，抵抗疲劳。个人非常不建议本科生熬夜，一是对其身体不好，二是不可持续，意义不大。 对个人时间进行科学的规划才是持久发展之道。 2. 务虚计划 。平时多做计划，多“务虚”。此处的“务虚”是科研过程中的一个重要环节，主要是为了后续开展重要工作进行知识上、思维上的准备，为后续 的“务实”打下坚实基础。比如阅读文献， “务虚”便是通过参加讲座、阅读书籍、搜索网上攻略，系统性的先掌握阅读文献的流程、技巧和注意事项，先学个八九成。然后开始 “ 务实”的文献阅读工作，尝试3-5篇后，不断调整工作方法，逐步提高效率。这是一个较为科学的做事流程。如果一昧蛮干，上来便找本研究领域内的经典外文名著阅读，估计一学期下来可能只是止步于一知半解。 3. 内心平和 。对科研的进展正确对待，能够清晰地看到自己的进步也能发现若干不足，从而保持内心世界的宁静，戒骄戒躁。心绪大幅度的波动，一方面很耗费精力，影响日常学习情绪，另一方面，对身心发展亦无益处。 4. 学会说“不” 。对于意义不大、或者非本人意愿之事，尽可能在商量、沟通的前提下，委婉的表达自己的想法，从而节省宝贵时间。 另一个时间管理的方法是“节流”，即将必须要做之事的效率提高，从而节约时间出来做科研工作，其可以尝试的做法如下： 1. 严格自律 。通过自律，可以在学习科研过程中，避免打扰，比如微信信息、游戏等等，从而提高工作效率。 2. 错开高峰 。通过调整作息时间，错开各类高峰，减少排队等时间。比如吃饭，可以早点去或者晚点去，这样每天能节省几十分钟时间，长期积累下来的时间还是非常可观的。 3. 注重秩序 。力争做到生活、学习均有显著的秩序，包括物品放置的位置、文件的分类存档等等，避免因为查找文件等等浪费宝贵时间。 4. 琐事处理 。基本的原则是琐事利用琐碎的时间处理，比如学习间隙，回复同学的一条信息、或者购买个物品等等。如果事情较多，则用专门 的“区块”处 理。 5. 懂得放弃 。如果通过以上扔无法确保科研时间，请务必懂得必须在某一项爱好和科研间进行合理的选择，放弃或者暂时的放弃都是非常必要的。 总之，希望通过系统的训练，本科生能够有效地落实用于科研工作的时间，为后续科研素质提升和技能学习打下雄厚的基础。相信经过上述系统性的训练，本科生的时间管理能力也会显著增加。

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本科生科研指南（1）：自我准备

热度 3 upflyzhang 2019-7-19 08:30

本科生科研指南（1）：自我准备 张宇宁 华北电力大学（北京） 对科研感兴趣的本科生应立即着手做一些相应的准备，包括科研工作的核心特征、所需重要能力以及科研经历对于本科生今后发展的重要意义等等。本文围绕上述议题简略论述如下。 首先， 科研的核心特征之一是创造新知识 。通过系统的科学研究，科学工作者可以发现尚未被人类所知道的一些客观规律，并对这些规律加以描述和归纳。例如，人们起初只认识到空气中含有氧气和氮气，后来通过进一步深入的科学研究发现了空气里面还存在极其微量的稀有气体。再比如，起初人们认为稀有气体并不能够参与化学反应，曾经一度称之为“惰性气体”，但后续的研究揭示在某些特殊条件下，稀有气体也可以参与相关化学反应并生成新的化合物。因此， 开展科研工作的重中之重是要有创新性的想法 ，而这与本科阶段学习有很大不同，也是诸位同学即将面临的一大挑战。 本科阶段，同学们大部分都是围绕已经编写好的经典教材及相关知识点进行系统学习，而这些教材里面的内容基本上都是经过精挑细选、反复验证、逻辑自洽的经典理论。通过将其系统学习和后续的练习及作业，诸位同学得以掌握扎实的基础知识。以上便是本科阶段学习的核心特征，即学习和掌握已有的知识。如果用烹饪打比方的话，同样的食材，本科阶段的学习目标是照着已经给定的烹饪菜谱做出一道美味的佳肴，而 科研则是自己通过不断尝试、调整配方及烹饪方法等等做出一道尚未有的、可口的新菜肴 。这个思维方式的不同，需要本科生在做科研的全过程中特别要加以注意，并及时转变思想。 科研创新按照学科发展的不同阶段也有很大的不同。比如，同样是黄瓜和鸡蛋两种食材，将其用科研工作打比方可以分为 四个创新层次 ： 第一层次：第一个敢于吃野地里黄瓜的人，创新性地发现了世界上一种新型的可食用的蔬菜； 第二层次：某人将野黄瓜进行了栽培，发明了一套在家中便可种植黄瓜的新技术，实现了一年四季的黄瓜供应； 第三层次：某人将黄瓜和鸡蛋炒在一起，发明了一道味道可口的黄瓜炒蛋的菜肴，广为流传； 第四层次：某人将上述黄瓜炒蛋菜肴做了进一步改进，进一步发现将黄瓜斜切为薄片、并将鸡蛋捣碎可以使味道更为可口。 通过上述例子，我们发现，食材都是一样的，关键是创新性思维，这个才是科研的灵魂。科研需要的重要技能是 围绕核心问题，对知识（已有的或者新获取的知识）进行重新组合和灵活运用，从而创造新的知识。 其次，值得强调的是， 在本科生从事科研的过程中，应将重点放在创新性思维的培养 ，而非新知识的学习和科研成果的产出等方面。“ 存地失人，人地皆失；存人失地，人地皆得 ” （注1）。这里的“地”可以喻指科研产出。如果过于关注结果，而忽略了创新性能力的培养，则后续发展逐渐乏力。反之，如果本科生在从事科研过程中体会到了科研的真谛与乐趣并愿意为之刻苦努力，将来则必成大器。本人在指导本科生开展科研工作的过程中，始终勉励和劝诫相关同学不要过于在意结果，而是着重于过程和积累。大部分同学坚持下来后，均发现果不其然，从而形成了很好的课题组内的学习风气。 如果部分同学因为各种原因进展不顺利，请务必不要过于气馁，坚持下来，便是海阔天空。 既然科研对创新性有一定要求，大部分本科生就会开始思考诸多问题，并权衡再三。在本科生从事科研以前，常见问题列举如下并附上若干建议，供参考： 1. 在开始科研工作之前需要做哪些准备？ 需要准备的知识并不多，也无严格的要求。但需要前述思维方式上的准备和及时转变，并能有针对性的围绕目标开展学习。例如，碰到有关流体中某个现象的问题，可以先多去看科普博客将基本原理弄通即可，而不是找一本流体力学的教材从头到尾花一年时间去学习。 2. 进行科研工作是否需要耗费大量的时间？ 需要花些时间，但也不至于大量。从本人这些年指导的学生来看，能够保持与导师进行一周一次有效的交流并花费一定时间进一步及时跟进足矣。当然，寒暑假等假期充分利用起来会更有效果。 3. 什么时候开始开展科研工作比较好？ 基于这些年指导学生的经验，个人建议 大二上 开始为宜，并多多积极参加相关科研活动。而相关调研工作可以随时开展，感兴趣的同学应尽早了解重要的科研相关信息等等。对部分学有余力的同学，大一下开始也未尝不可，建议在暑假期间开始准备。 最后，我们谈谈科研成果及其对本科生今后发展的重要意义。试想一下，假设经过一段时间的辛勤工作，某同学已经取得了一定的科研进展，发现了一点新的、有价值的客观规律。下一步，一般是将其撰写为标准的科研论文并投稿给相关学术期刊进行评判。类比我们前面提到的烹饪的例子，美食节目一般会找几个知名的美食家对各位同学的新菜品从色香味等多个方面进行综合评价。同理，学术期刊一般亦会邀请本领域的知名专家作为评委（即“同行评议”制度，专家被称之为“审稿人”）对各位同学的科研论文从创新性、系统性、严密性等多个维度进行综合评判，从而决定是否录用。试想一下，论文录用后， 相信绝大部分本科生拿着印有自己名字的论文均会感慨万千 ，胸中无限欣喜，对未来充满自信。这即是对该同学若干时间辛苦努力的一种认可，也是对人类知识宝库贡献的证明。如果上述同学后续参与顶级名校的研究生、博士生面试，面对众多高手，倘若该同学通过系统的科研训练后，提交给评委导师们一份创新性及写作均极佳的科研论文，并能对其中的奥妙之处融会贯通、对答如流， 相信可以极大地增加录取概率。 注释部分 注 1 ：此语出自 1947 年 03 月 18 日晚，在面对国民党进攻、中央准备放弃延安时，毛主席对西北野战兵团领导干部所讲，旨在鼓励各位指战员不要计较一城一地的得失，而是将眼光放远，保存革命力量，韬光养晦。

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普洛克路斯忒斯之床: 步态识别与创新思维

热度 3 heruspex 2019-3-2 07:57

一、普洛克路斯忒斯之床 在古希腊神话里，有个强盗，叫普洛克路斯忒斯 (Procrustes) 。他开了家黑店，经常拦截来往的客人，并按自己的标准来安排住宿。如果客人长得比较矮，他就会安排睡长的铁床，并强行把客人的身体拉长，以适应铁床的长度。如果个子比较高，就安排短的铁床，直接用利斧把伸出床外的四肢砍掉。直到希腊神话英雄忒修斯在寻父的途中，被他拦截后想依法泡制时，忒修斯奋起反抗，击败了普洛克路斯忒斯，反过来把强盗伸出床外的腿砍掉，才为民除了此害 ( 见图 1) 。 图 1 ：普洛克路斯忒斯之床 因为这一神话寓言假定了有个设定的内在标准，并要根据这一标准来匹配相应的模型，现代的统计学就借用了这个强盗的名字来命名统计形状分析，称为普洛克路斯忒斯分析 (Procrustes analysis) 。它可用于分析一组形状的分布。如果这组形状能通过平移、放缩和旋转变成相同或相近的某个形状时，就可以认为是属于同一形状 。类似地，拓扑学在研究目标拓扑结构的不变性时，事实上也能借用这一思路。 而这一形状分析与我们日常生活联系最紧密的，则是身份认证的步态识别。其大致思路是先把人的走路或步态轮廓提取，然后用普洛克路斯忒斯分析来与步态训练库中已知的候选者的步态轮廓对齐。对得最齐整的，则可以判定为同一人 。 但如果用对齐标准来思考创新研究，则我们的思维容易被限制在那张“铁床”上，不容易跳出来形成颠覆性思维。要形成创新或颠覆性的成果，这里我想分享下我的研究小组在步态识别的研究经历。希望通过这一分享，能探讨下在科研和教育中，形成创新思维可能需要解开的束缚。在此之前，我先简要的科普下步态识别以及它的意义和特点。 二、步态识别 在生物认证领域，人的各种外在和内在特征如图 2 所示的人脸、虹膜、指纹、掌纹、静脉、声纹、步态等可用来识别人的身份，它在社会安全、反恐和维稳、打卡系统等都有着重要的应用价值。而步态识别则是生物认证中未来最有前景的应用方向之一。原因是现有的人脸识别技术尽管已经全面走向应用级，但其在可识别距离上存在局限，最多 7 至 8 米，且易被遮挡、易受光照和摄像头关注焦点的影响，也存在被 3D 伪人脸模型攻击的风险。而虹膜识别容易受美瞳等隐形眼镜产品的影响，指纹和掌纹识别也存在依赖设备和距离受限的问题。 图 2 ：生物认证特征示例，从左到右：指纹、声纹、虹膜、人脸、掌纹、步态轮廓 相比而言，步态就具有得天独厚的优势，可远距离识别、不需特定设备、不需要测试者的配合，也不容易隐藏。心理学的研究也表明，步态具有唯一性，可用于身份认证，所以 2015 年《碟中碟 5 》中的犯罪分子就用了如图 3 所示的步态识别系统来做门禁。 图 3 《碟中碟 5 》的剧照（视频链接： https://v.qq.com/x/page/j0833a66jfw.html ） 另外，人的轮廓加上步态也是人类在进行身份识别时优先级最高的方式，即按距离远近，步态是在远距离时第一个能帮助人进行快速身份识别的生物认证特征。这与人在认知上存在“大范围优先”机理有关，也与我在《爱犯错的智能体》中提到的“由粗到细”认知模型及视力的发育机制有关 。它的好处之一是，在预防潜在的恐怖袭击或犯罪时，与其它生物认证特征相比，步态能提供最早的预警和最长的反应时间。 要验证人具有快速识别步态的能力也很容易。比如本周三，我上数字图像处理课的时候，就给台下的 40 位本科生演示过一段几个行人在一个视角约 30 秒的走路视频。再接着放多段不同地点不同角度的视频时，同学们都能很快从视频中发现这些行人并准确认证。然而，几乎没人能回忆出行人的长相。因为在这些视频中，待辨识的行人要么出现在离摄像头较远的位置，要么出现在视频的角落位置，可见的人脸尺寸偏小，缺乏能记忆的人脸细节。 然而，要让机器来实现步态识别，则不是那么容易了。因为现有的计算机视觉、机器学习算法尚不具备人类的快思维 和稀少样本下的学习能力。另外，外界因素如发型、穿着、背包、 阴影甚至地面的材质 ( 如水泥地或草地 ) 都对步态识别的性能有一定的影响。 三、步态识别与创新思维 要利用计算机进行步态识别，在还不能完全明了人类识别机理的前提下，则需要另辟蹊径。 Procrustes 分析是一种策略。经典的步态识别方法还有两大类，一类是把步态周期 ( 跨出脚到收回脚，算一个周期 ) 分解成连续的帧，然后逐帧比较，或构造类似时序模型的马尔可夫链，将时序性的步态特征学习出来。由于人的行走姿态在不同视角下外形相差甚远，这类用“铁床”做标本的方法很难适应步态的变化。而且由于模型建构复杂，这类方法大多需要多个步态周期，如图 4 右图所示。另一种做法就简单粗暴些，直接把视频拍成或坍缩成一张图，即取步态序列的平均，来形成一张步态模板图像。它的优势是速度快，因为每个人的步态只用一张图表示了，如图 4 中图所示。而且这种方式使用起来也较为灵活，需要的帧数较少，对步速、帧率等外界因素也不敏感。但是与步态相关的时间信息丢失了，所以精度也较难有所突破。 图 4 从左至右：步态轮廓图、常规步态模板 (Gait Energy Image ，称为步态能量图 ) 以及我们小组提出的 CGI (Chrono-Gait Image ，称为时间保持步态图 ) 很多步态识别方法都是分别从这两条线出发提出的。我们小组对此领域的研究可追溯至 2006 年。最初有过一些小的成果，但不显著。 2009 年的时候，我们小组希望能将这两条线合二为一，既有模板的速度优势又有序列的精度优势。比较幸运地是，我们发现可视化领域有一种可以在 2D 图像上展示 3 维视频效果的研究成果。而这一成果似乎与我们希望实现的目标一致。于是，我们将其移植到了步态识别领域，通过对时间信息着色的方式，提出了如图 4 右图的时间保持步态模板 (Chrono-Gait Image ，简称 CGI) 。这一成果提交到 2010 年的计算机视觉著名会议 ECCV 后，三个评审都认为没有见过，对创新性进行了肯定。后经过扩展，该成果于 2012 年全文发表在计算机视觉与模式识别顶级期刊 IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 上 。值得一提的是，该文章被全文发表时，一作王晨当时还是刚进大四的本科生。后来，该方法在 2012 年为第三方在步态公用数据集 OU-ISIR 进行了测试，被该文列为当时的六个 state-of-the-art 算法之一，并获得排名第三的成绩 。 不过，创新有的时候并非是有了闪光点，你就能奋起直追，一而再、再而三的在一个点上连续出成果。多数时候，灵感就像到了一个山的顶峰，然后过了这山就没那山了，尤其对于学校这种以流动性强、难以固定的研究生为主力组成的科研队伍时，情况更是如此。事实上，我们沿着这条思路走了很长一段时间，尝试了一些可能的改进，但并没有找到创新性特别强又能有优异性能的思路。 不知不觉就这么过了六年时间，直到去年，我研究小组的两位硕士研究生巢汉青和何逸炜又考虑了步态识别方法的另一个特点，即步态模板在平均序列的时候其实没有依赖步态的序列。这个特点赋予了它一定的灵活性，但他只有一张图，很难完整保留信息；而基于序列的则一般假定帧与帧之间具有时间的连续性，这使它能保留更多的时间信息，但却对帧的数量、帧之间的顺序、帧率等外界因素很敏感。 既然一方面不依赖序列能使模型变得灵活鲁棒，另一方面多张图能带来更丰富的信息，且在深度学习框架下，可以形成对步态更合理的学习表示，那么有没有可能在步态模板和步态序列之间找到一种折衷的选择，提出一种利用多图但又不依赖序列的多步态图方法呢。基于这一想法，我们小组再次碰到了幸运之神，发现在生物认证领域以外有一种刚提出不久的、研究点云计算的集合方法。 图 5 、步态集合模型网络图 图 6 、步态集合模型在使用有限样本下的性能，仅使用 7 帧识别率就能达到 82.5% 。 于是，我们和复旦大学类脑研究院院长冯建峰教授一起合作，将步态序列看做一帧帧步态轮廓图组成的集合，提出了步态集合 (GaitSet) 的方法 。这一改进大幅度提升了步态识别的性能。在步态识别公用数据集 CASIA-B 上 ， 此方法使用 74 个人进行训练，达到了 可进入实用级的指标性能 – 识别率 95% ，超过同样采用单个模型的当前最好性能 3 个百分点。同时，该方法允许输入任意多个视角的步态图像，且能在少量步态图像输入前提下也获得很高的识别性能。该项工作发表于人工智能顶级会议 AAAI2019 上，并于 2019 年 2 月 2 日进行了口头报告 。从某种意义来看，它为步态识别走向实用化打开了新的视角，它也将有助于研究智能体大范围优先和由粗到细的认知模型。 值得指出的是，有了灵感到转变成成果，这之间实际上有着巨大的技术鸿沟需要去跨越，并非想当然就能有的。如时间步态模板的想法，虽然 2009 年夏天我们就有了雏形，但在摸索如何提升步态识别的性能时，中间费了许多周折。比如时间信息到底是着色在整个模板上、还是步态的轮廓上，步态周期的检测到底是依赖于已知的成熟方法，还是自己提一套能更精确提取周期的办法，诸如此类。期间，也经历了很多次的失败。类似的经历，我们小组在研究步态集合方法时，也碰到了。有了想法，但实现的细节并非一开始就明了的，两位同学经历了近五个月的尝试和停滞，比如模型反复调整都不收敛。最后，在小组其他同学都认为该放弃的情况下，他们仍然坚持下来，最终找到了真正能行之有效的模型。 试想想，如果我们小组在研究步态问题时，在一开始就像普洛克路斯忒斯一样，把手头的问题都尽量往我们已经的知识上去靠，而不是多看看领域外的进展、多想想细节上的差异，用他山之石来攻玉，通过合作研究来优势互补，也许就很难有这两个还算不错的创新性成果了。 事实上，教育也是一样。现在的应试型教育从某种意义来看，或多或少都在做普洛克路斯忒斯之床，试图将绝大多数的学生都往同一标准上靠，并以此来评判学生的学习水平。 这种同质化的培养，好处是总体上比较稳定可靠，简单好操作。但同时，它也有可能把一些有创新潜力的学生的“能力”给抹杀掉，让其习惯于按标准定制的思维模式和努力向统一的标准对齐。其后果是学生会习惯了用分数评价自己的学习甚至科研能力，结果在考取研究生后，高分低能的屡见不鲜。因为他们很有可能不知道如何跳出固有的“铁床”，找到有创新性的灵感。 如果我们有条件在初高中甚至更早的时期发现那些有创新潜力的学生，则我们应该花更多的时间和耐心，帮他们定制化更适合他们发展的培养模式。 而灵感和顿悟的产生，则需要多给那些执着在某一方向钻研的科研人员更多的时间、宽容和理解。 参考文献： 1. https://en.wikipedia.org/wiki/Procrustes_analysis 2. Liang Wang, Huazhong Ning, Weiming Hu, Tieniu Tan. Gait recognition based on Procrustes shape analysis. In Proceedings of International Conference on Image Processing, 2002. 3. 张军平 . 爱犯错的智能体 . 清华大学出版社 . 2019. 4. Kahneman, Daniel, and Patrick Egan.Thinking, fast and slow. New York: Farrar, Straus and Giroux, 2011. 5. Wang Chen, Junping Zhang, Liang Wang, Jian Pu, Xiaoru Yuan. Human identification using temporal information preserving gait template.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,34(11): 2164-2176, 2012. 6. Haruyuki Iwama, Mayu Okumura, Yasushi Makihara, and Yasushi Yagi. The OU-ISIR Gait Database Comprising the Large Population Dataset and Performance Evaluation of Gait Recognition. IEEE Transactions on Information Forensics and Security,7(5):1511-1521, 2012. 7. Hanqing Chao, Yiwei He, Junping Zhang, Jianfeng Feng. GaitSet: Regarding Gait as a Set for Cross-View Gait Recognition. AAAI 2019. arXiv preprint arXiv:1811.06186. 源代码地址： https://github.com/AbnerHqC/GaitSet 8. Shiqi Yu, Daoliang Tan, Tieniu Tan . 2006. A framework for evaluating the effect of view angle, clothing and carrying condition on gait recognition. In Proceedings of International Conference on Pattern Recognition (ICPR), volume 4, 441–444. 张军平 2019 年 3 月 1 日 延伸阅读： 24. 爱犯错的智能体(二十，完结篇) -- 平衡：机器vs智能？ 23. 爱犯错的智能体(十九) – 群体智能与错觉 22. 爱犯错的智能体(十九) – 群体智能与错觉 21 . 爱犯错的智能体(十八)：情感与回忆错觉 20. 爱犯错的智能体(十七)：灵光一闪与认知错觉 19. 爱犯错的智能体 (十六)：庄周梦蝶与梦境学习 18. 爱犯错的智能体 --- 语言篇：可塑与多义 17. 爱犯错的智能体 – 体感篇：我思故我在？ 16. 爱犯错的智能体 --- 听觉篇(二)：视听错觉与无限音阶的拓扑 15. 爱犯错的智能体 -- 听觉篇(一)：听觉错觉与语音、歌唱的智能分析 14. 爱犯错的智能体 – 视觉篇(十一)：主观时间与运动错觉 13. 爱犯错的智能体 -- 视觉篇(十)：自举的视觉与心智 12. 爱犯错的智能体 -- 视觉篇(九): 抽象的颜色 11. 爱犯错的智能体--视觉篇(八)：由粗到细、大范围优先的视觉 10. 爱犯错的智能体 -- 视觉篇(七)：眼中的黎曼流形 9. 爱犯错的智能体--视觉篇(六)：外国的月亮比较圆? 8、 爱犯错的智能体 - 视觉篇(五)：火星人脸的阴影 7、 爱犯错的智能体 - 视觉篇(四)：看得见的斑点狗 6、 爱犯错的智能体 - 视觉篇 (三)：看不见的萨摩耶 5、 爱犯错的智能体 - 视觉篇 (二)：颠倒的视界 4、 爱犯错的智能体 - 视觉篇(一): 视觉倒像 3、 AI版“双手互搏”有多牛? 浅谈对抗性神经网络 2、 童话(同化)世界的人工智能 1、 深度学习，你就是那位116岁的长寿老奶奶！ 张军平，复旦大学计算机科学技术学院，教授、博士生导师，中国自动化学会混合智能专委会副主任。主要研究方向包括人工智能、机器学习、图像处理、生物认证及智能交通。至今发表论文近100篇，其中IEEE Transactions系列18篇，包括IEEE TPAMI, TNNLS, ToC, TITS, TAC等。学术谷歌引用3000余次，ESI高被引一篇，H指数28.

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辅导之9 ：学数学 找规律

laofan68 2018-9-29 13:37

在我辅导孙女数学的时候，有时会帮她找些窍门或总结一些规律，逐渐她有时自己也进行一些这方面的考虑。 他们的数学书上有一道最简单的等差级数题：从 1 加到 10 。 在她用 1+10=11 ， 2+9=11 ， ……。然后用11×5=55算出得数后，我又给她了讲物理学家和数学家高斯上小学时用类似方法计算从1加到100的故事，她听的很认真，而且她很快算出从1加到100的结果。过了几分钟，她竟然对我说：“我找到规律了，就是从1加到10，100，1000……的得数中都有两个5。1加到10，5后面没有0，得数是55；1加到100，每个5后面加1个0，即5050；1加到1000 ，每个5后面加2个0，是500500；1加到1亿，是每个5后加7个0；……。”! 我仔细看了一下，她说的“规律”还真是对的。 还有一次她的数学作业中有两道多位数乘以 11 的题。我对她说：“我们好像过去学过乘以 11 的简便算法，还记得吗”？她说忘了。我说我也忘怎么算了 ( 我确实是真忘了 ) 。她说那咱们自己找规律吧。几分钟后，她说找到了，我说我也找到了。找到的方法是一样的，都是多位数乘以 11 的积是：被乘数的个位数就是积的个位数；被乘数的个位数字和十位数字相加，是积的十位数字，够 10 的要进位；被乘数的十位数字和百位数字相加，是积的百位数字，同样够 10 的要进位；依此类推。 这学期 ( 五年级上学期 ) 开始学小数运算。她对我说：他们的数学老师说了，如果以前的整数运算学会了，学小数运算并不难。我说：对呀 ! 只是多一“点”，就完事了。她想了想说：对 ! 只要弄清小数点应该在什么地方，把它点上就行了，就是只差这一“点”。 前几天，她突然对我说，她找到了两位数乘以 101 的规律。我让她细说一下。她说一个两位数乘以 101 的得数，就是把这个两位数写两遍。原来是她有一道数学题是 56 乘以 101 ，得数是 5656 ，即 56 写两遍。她用别的两位数验算后，也是对的。于是就得到了一个两位数乘以 101 ，就是把做为被乘数的两位数写两遍的规律。尽管这个规律不重要，意义不是很大，但她这种经常想着找规律、找技巧、思考问题的学习方法我还是给予了鼓励。 她对数学中的一些填数字的题和其他计算题，都给我说过一些她找到的规律或窍门，比如一个数乘以 5 ，可以用除以 2 ，后面加个 0 就是得数等 我认为不管是研究健康和健康学，还是辅导小孩，都需要有创新思维。

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高校的科学研究是培养人才的非常重要的途径

热度 14 Huangyy 2016-5-21 12:26

这个问题本来不想说，好像相当一些人也知道，但是估计很多人的概念还模糊，要么，为何大学里那么多人说：大学的中心任务是两个：1.教学；2. 科研；而且说，高校的任务之一是科研，科研有助于教学质量的提升，而不是照本宣科地讲呢？好像科研只是有助于教学的质量的提高，只是起到不可或缺的促进的作用。 甚至你会听到有的人说：“某学校对科研太重视，对教学比较轻视”等说法。其实这里都存在很明显的错误。在大学里，尤其是本科院校，假如不搞科研，仅仅是把课堂上的讲课当教学，再加上那些实验课就认为是教学了，那这样的教学确实是很难培养出有较强实际操作能力、会把理论和实践更好结合的、有好的创新思维能力的人才的。当然，专科、职业技术学院的学校，加强多一些的实验室和实习的过程，可能可以达到其提高工程、管理技术方面的该层次学历的要求。但是也应该要求其搞科研。但是对于本科院校来说，由于实验课不算多，而且每个学生实验课的经费开支很少，因此，实验课很多是验证课堂讲的 理论 内容或者加深对课堂理论内容的理解和认识而已，没有很多或较多带着探索和研究式的实践学习过程。因此，本科院校，假如把上课就认为是教学，而科研就是搞研究则是很错误的认识。 高校的科学研究，由于带有科研的项目、研究的目标、内容和实施计划的探究过程，一般需要经费支持，那么教授、副教授和讲师等带领研究生和本科生成为团队，进入这些研究的过程中，他们可以在老师的指导下，结合实际研究的学科、方向，阅读更多的书籍和论文文献，可以到研究地采样、测定和收集各类数据、状况等资料和图片等，进而在老师的指导下，进一步地结合课堂及其他专著和论文文献的资料情况，对研究对象的各类数据和现状、历史变迁和规律等进行深入的分析和探究，为进一步地把某学科领域的事业推向前进做出贡献。这个过程其实是研究生和本科生最好的实践教学、磨练、提升的过程，他们是相当于战士们在连排长、团长、师长等的各级指挥下，在实际的战场或者实战演习的过程中得到提高和发展，而非在室内进行着模拟训练和一般的瞄准练习等。这样的教学是真正能够提高学生理论和实践操作能力和创新思维能力的过程。因此，不可误解为只是搞科研而已的。 当然，那些拿到科研项目少的教师，专心在课堂上讲课和带参观和认识性的实习也是值得赞赏的。但是那些科研开展较多或者很多的老师也是在进行着重要的培养人才的工作，即进行着重要的实践教学。而且，他们也在课堂上讲课呢。高校确实非常需要科研这种培养人才的方式了。 这些拿项目少的老师可以参加一些其他项目主持人的科研工作，或者自己设法筹些经费，节省着搞些科研。 美国、英国、澳大利亚、欧洲等各发达国家的好的大学，都把科学研究作为培养研究生和本科生的最为重要的途径。现在中国的科学院、中国社科院也是这样的形式培养研究生的，成立了中国科学院大学后招的本科生也是以此形式为主的。而且大学里由于经费紧张， 许多学校给予 每个本科生的毕业论文的经费 仅仅190元，或者200多元。假如没有科研经费，老师靠着200多元的经费怎么去培养学生做他（她)的毕业论文呢？可能连坐 一次 车的费用都不够，更不用说差旅补助和需要那个小组住在研究地几天的了；打印毕业论文都没有钱。学生吃苦，也没法开展什么实际的研究工作。当然，对于一些属于文科的、或者是设计类的，可能还能勉强的对付一下。那么尤其是搞设计的，可以到设计院搭个伙，求人家给点工程，做实际的设计等还可以的。但是对于大多数理工科，甚至文科的学生来说，参加科学研究团队的研究是多么的重要。对于研究生的培养更是如此，国际上多少著名科学家和科技专家都是在年轻时参加科研的过程中成长的。这里也很像科研所里一个团队有老教授、中年骨干和年轻的徒弟一样，传帮带，年轻的就是这样在科研中得到锻炼、提高和成才。 因此，大学里必须把科研放在非常重要的地位，把其本来的在教学中所具有的重大的作用讲清楚，给予其合理的、重要的地位。也只有这样，中国的高校才能在教学和科学研究的两方面获得更好的收获，对国家和世界的科学与技术、社会、文化、生态与经济等各项事业的发展做出更好的贡献。

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创业教育并非高等教育的“专属领地”

idmresearch 2016-2-29 16:07

我国创业教育已走过十几年的历程，但从教育层次上而言，创业教育始终框定在高等教育领域内。由中文期刊网检索可以发现，创业教育从教育层次上多限定为“高校创业教育”、“大学生创业教育”。从实践领域看，我国创业教育从高等教育开始可以理解，因为其本身是以创业带动就业的产物，即原初功利性目的是希望通过大学生创业解决大学生就业问题。但从学理层面看，创业教育并非高等教育的专属领地，而需要各级各类教育构建体系、形成合力。 首先，创业的根本要素是创新，创新性活动离不开创新思维。创新思维是引发出创新性设想的思维形式，而创新思维的养成需要“从娃娃抓起”。研究显示，创新思维的训练及开发活动必须从儿童青少年开始，儿童是创造力发展的关键期，是大脑开发的黄金期。1980年以来，美国在中小学开展了数百项实验研究。其中，托兰斯曾对142个培养儿童创新能力的教育计划进行了检测评价，证明有72%是成功的（转引自钱泳蓁，2012）。 再者，创业教育应该建立由各级各类教育组成的完善体系，也是由创业教育的自身的内在规定性所决定。一方面，创业教育是专门针对创业的教育。尽管从创业学的角度，研究者们把企业家的特质与能力看作是先天性的，但大多数的观点认为，创业能力具有发展的可能性，因而可以经由教育与培训获得。如果对创业能力进行细分和深化，我们更能清楚地认识上述观点。依据Gibb（2005）的研究，创业能力既包括自信心、创造力、毅力这些企业家特质，也包括解决问题的能力、在不确定环境下做决定的能力以及谈判与交流能力这些创业性技能，而承担风险与责任的能力更直接与创业行为相匹配。无独有偶，近来的研究更加强调社会责任在创业教育中的重要性。由上述对创业能力的分解可知，无论是企业家特质，还是创业的基本技能，乃至承担责任，所有这些创业能力并非要坐等到大学时代才得到培养与训练。另一方面，归根结底，创业教育也是一种教育，它具有教育的属性，符合教育的特点与规律。教育，从共识性角度讲，是一种培养人的社会活动。那么，从教育的角度出发，“创业教育其实可以说是教育培养人这一本质的进一步拓展和深化，就是在培养人的基本素质的基础上，增添了时代的新要求、新要素，即开拓性素质”（罗志敏，夏人青，2011）。将创业教育置于教育的视野下，我们可以发现，将创业教育活动拘泥于高校范围之内，空间是多么狭隘。 事实上，积累了丰富经验的发达国家创业教育始终关注的是创新性活动，并且创业教育覆盖了不同层次与类型的教育。例如，不同形式的创业教育已经成为欧洲各级各类教育的重要发展目标。就具体实践发展状况而言，创业教育虽然主要聚焦于高等教育领域内，但创业教育在小学教育与中学教育中同样很活跃，其形式包含了从最基础的企业参观到熟悉商旅生涯等等（欧洲委员会，2012）。欧盟将创业能力定义为八大关键能力之一，认为创业能力建立在创新理念经由首创精神转化为行动的基础之上。受该思想的影响，创业教育在欧洲不同国家和地区都非常活跃且多样，形成了多种创业教育形式，因而也引发了对基础教育领域内教师培训以及学习环境改善的相关研究（欧洲委员会，2012）。 在芬兰，教育与文化部（The Ministry of Education and Culture）以及 芬兰国家教育委员会 （The Finnish National Board of Education）联合推出了始于基础教育层面的实施创业教育指导方针，该方针旨在达成让芬兰的小学生从基础教育开始就熟悉创业方法的目标。该目标包括“发展公民参与所需能力，奠定创业方法的基础”（芬兰国家教育委员会，2004）。该指导方针并非空穴来风，它深深根植于这样的理念：创业不仅仅对就业有重要意义，而且对于实现个体的权利与自由也至关重要——尤其是对于欠发达人口稀少的地区而言；创业能力不仅包括直接创业的功能性能力，还包括所谓的“软技能”（soft skills），而软技能是适用于或涵盖所有人的；就学习者而言，学习的方法比学习的内容更重要（授之以渔），且相对于学习的内容而言，学习的方法更容易在不同教育层次之间调整与转换（ Mahlamäki Kultanen, 2005 ）。 （作者： 高桂娟，同济大学高等教育研究所副教授）

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谈一谈我对教育的幼稚看法----创新来自哪里

stedux 2015-3-26 11:02

首先要问教育和创新有什么关系。教育的目的是什么，是为了没人都有一纸本科文凭呢还是让学生掌握 必备的生存技能呢还是培养百花争鸣的思想呢？我认为当前教育的目的基本停留在了授予文凭和传授知识的层面。至于学生呢，一小部分掌握了很扎实的基础知识，而大多数是泛泛的掌握知识，其他的时间都是虚度了的。确切的说，就是在大学里有目标有理想的人真正的去学习了，而大多数的人是盲目的没有目标的在随波逐流。当毕业的时候，一点职业规划都没有，听哪个工作好，就一窝蜂的投简历去应聘。最后造成培养的学生很多，都不是单位想要的，单位招不到合适的人才。 其实这不是大学的罪过，而是基础教育的罪过。看看现在的幼儿园教育和中小学教育，那不是在培养学生的创造性思维，而是在扼杀创新思维。因为在基础教育阶段，老师不允许学生有其他的想法，都是唯一答案。学生按部就班听老实话就能考好，就能当好学生。好学生的每一天都被老师安排的满满当当的，学生不需要自己思考明天要干什么，最终失去了思考和规划的能力。只能被动的接受知识。真是可悲。在大学没有规划能力，失去了老师的照顾，结果很多好学生就成了扶不起的阿斗。同时，大学管理相对宽松，所以就一再堕落，最终一事无成。 我倒是认为当前的大学教育和中小学教育应该翻过来。中小学教育的时候完全放羊，在纪律允许范围内，没有升学指标和拼比，老师引导学生一种自学和规划计划的能力，然后放手让学生自己去走路。到了大学呢就应该淘汰制，学生们在中小学阶段接受到良好的规划教育和自学教育，上了大学更能规划人生，自己学习自己感兴趣的知识。如此出来的学生思维不受限制，也许能够发挥更多的创造力吧。 个人见识较少，站着说话不腰疼。我改变不了这个社会，但是大学的校长也许还是可以的。取消掉挂科率，题目难度提高，不要照顾学生，挂科多了就退学。如此，即便培养不出有创造力的学生，也能培养出基础知识扎实的学生。在以后的工作或者科研路上，扎实的基础知识才是产生创造力的温床。

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创新有术

superqtp 2014-12-22 17:41

长期以来，从国家到地方都在提创新，尤其在当前这个时代背景下，国家各行各业要从中国制造向中国创造跨越，可这一步谈何容易。回头看看老牌的资本主义国家，哪个不是经历了漫长的时期才换来了今天在科技界和工业界的耀眼成绩。德国的工业4.0正在引领老牌德国迈向智能制造强国，老美的制造业回归又将现代科技与传统制造业相融合，为其制造业重换新生。我们也已经意识到这个问题，并且国家也相应地动了起来，高校发起了协同创新计划、大型企业在大力推行创新工程师计划，通过向企业导入创新方法来实现自主创新，这些工作都是一个好的开始。 可是，我们当前的创新环境是个什么样子呢，有推广创新方法的科技工作者总结如下： （1）创新思维与创新精神培养缺位。目前应试式的教育体系、灌输式的教学方法抑制了学生的创新思维和创新精神。（2）科研活动创新思维不足。自主创新研究成果少。（3）尊重科学、崇尚科学的氛围不够。科学精神与科学氛围仍然不足，不按照科学规律办事的问题仍普遍存在。 对于以上三点，我只想就第一点谈点浅显的个人观点。 目前，应试教育体系和灌输式的教学方法一时很难改变，一时间大刀阔斧的教育改革也容易产生混乱。那么，如何在当前的教育背景下能够保持和激发广大在校学生的创新能力呢。其实，创新都是要以实实在在的工作为依托的。那么，创新落地就是做事的方法。我认为，目前在广大企业大力推行的创新方法有必要在高校普及，让大学生学会一套创新的做事方法，并且将其运用到今后的科研工作当中，或许可以迸发出不少新的星星点点，激发出燎原之势。 那么说到创新方法，不得不推一下广为流传的TRIZ方法，它是由前苏联的一位专利员阿奇舒勒先生提出的，并且该方法在公布于世界之前，为前苏联的科技发展做出了卓越的贡献。G. S. Altshuller （1926－1998 ） 是前苏联的一位天才发明家和创造创新学家，于1946年创立的TRIZ理论明确指出：一旦我们对大量的好的专利进行分析，提炼出问题的解决模式，我们就能够学习这些模式，从而创造性地解决问题。经典的40个创新发明原理如下所示。有兴趣的达人可以去问问度娘，希望对大家有用。 01 、分割原理 02 、抽出原理 03 、 局部特性原理 04 、 不对称原理 05 、合并原理 06 、多功能原理 07 、嵌套原理 08 、质量补偿原理 09 、预先反作用原理 10 、预先作用原理 11 、预置防范原理 12 、等势原理 13 、反向作用原理 14 、 曲面化原理 15 、动态化原理 16 、不足或过度作用原理 17 、多维化原理 18 、振动原理 19 、周期性作用原理 20 、有效持续作用原理 21 、快速作用原理 22 、变害为益原理 23 、反馈原理 24 、中介物原理 25 、自助原理 26 、复制原理 27 、一次性用品替代原理 28 、替换机械系统原理 29 、气压或液压结构替代原理 30 、柔性壳体或薄膜结构原理 31 、多孔材料原理 32 、变换颜色原理 33 、同质性原理 34 、自弃与修复原理 35 、改变参数原理 36 、相变原理 37 、热膨胀原理 38 、强氧化作用原理 39 、惰性（或真空）环境原理 40 、复合材料原理

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梦想长成大树

daerwen2020 2014-9-12 06:28

创新潜能开发实用教程 ---编著陈爱玲 本书基于创造学关于人的创造力开发的理论，融合并吸收了创造学、哲学、心理学、教育学、人才学、思维科学、TRIZ、等关于人的创新潜能开发的研究成果，着力于个体心理层面的创新意识唤醒、创新潜能发现、创新思维培养、创新方法学习，创新人格完善。全书内容包括认识创新与自身的创新潜能、创新思维与训练、创新方法、创新实践四个单元共18个学习课题。书中依照体验学习理论，为每个课题设计了多个操作性强的课内体验、课外训练与拓展项目，引导学习者在体验中感知自己的创新潜能，在训练中领悟属于自己的创新方法，在拓展中提升创新能力。本书适用于本科、高职、中职等学生创新素质教育课程，也可用于其他各类教育中对个体创新潜能的开发。 目录 第一单元 认识创新与人的创新潜能 　　课题1 感知创新及其相关概念3 　　学习目标3 　　学习内容3 　　一、感知创新3 　　二、创新及其相关概念的内涵5 　　基本训练14 　　拓展训练15 　　参阅资料17 　　课题2 唤醒沉睡的创新潜能20 　　学习目标20 　　学习内容20 　　一、人脑的创新潜能20 　　二、聪明的不同类型―人的多元智能22 　　三、创造力与创新能力23 　　四、创新型人才的特征25 　　基本训练26 　　拓展训练26 　　参阅资料30 　　课题3 认识妨碍创新的自我障碍33 　　学习目标33 　　学习内容33 　　一、缺乏自信33 　　二、害怕失败36 　　三、盲目从众37 　　四、迷信权威39 　　基本训练40 　　拓展训练40 　　参阅资料41 　　课题4 认识妨碍创新的思维障碍46 　　学习目标46 　　学习内容46 　　一、思维定势46 　　二、功能固着49 　　三、结构僵化51 　　基本训练53 　　拓展训练54 　　参阅资料54 　　第二单元 创新思维与训练 　　课题5 拓展思维的视角―发散思维与训练59 　　学习目标59 　　学习内容59 　　一、感知发散思维59 　　二、发散思维的创造功能63 　　三、发散思维的训练方法65 　　四、发散思维训练的原则68 　　五、发散思维的两个分支―侧向思维与逆向思维70 　　基本训练74 　　拓展训练76 　　参阅资料82 　　课题6 搭建思维立交桥―联想思维与训练84 　　学习目标84 　　学习内容84 　　一、感知联想84 　　二、联想思维的创造功能86 　　三、产生联想的三种途径87 　　四、联想思维训练92 　　基本训练94 　　拓展训练94 　　参阅资料96 　　课题7 给智慧插上翅膀―想象思维与训练98 　　学习目标98 　　学习内容98 　　一、感知想象思维98 　　二、想象思维的创造功能103 　　三、想象思维的训练方法105 　　基本训练105 　　拓展训练105 　　参阅资料109 　　课题8 恍然大悟―灵感思维与训练111 　　学习目标111 　　学习内容111 　　一、感知灵感111 　　二、灵感思维的特征112 　　三、怎样诱捕灵感113 　　基本训练115 　　拓展训练116 　　参阅资料117 　　第三单元 创新方法 　　课题9 集思广益―头脑风暴法123 　　学习目标123 　　学习内容123 　　一、感知头脑风暴（又称智力激励法）123 　　二、怎样运用头脑风暴125 　　三、体验头脑风暴126 　　四、头脑风暴法的其他形式简介126 　　基本训练128 　　拓展训练128 　　参阅资料129 　　课题10 发现创新点―列举法131 　　学习目标131 　　学习内容131 　　一、属性列举法131 　　二、缺点列举法134 　　三、希望点列举法137 　　四、列举法综合运用139 　　基本训练139 　　拓展训练139 　　参阅资料140 　　课题11 1+12―组合法143 　　学习目标143 　　学习内容143 　　一、感知组合法143 　　二、怎样运用组合法144 　　基本训练151 　　拓展训练153 　　参阅资料154 　　课题12 他山之石―移植法157 　　学习目标157 　　学习内容157 　　一、感知移植法157 　　二、怎样运用移植法158 　　基本训练160 　　拓展训练161 　　参阅资料161 　　课题13 触类旁通―类比法163 　　学习目标163 　　学习内容163 　　一、感知类比法163 　　二、怎样运用类比法164 　　三、运用类比值得注意的问题166 　　基本训练167 　　拓展训练167 　　参阅资料169 　　课题14 系统质疑―设问法171 　　学习目标171 　　学习内容171 　　一、奥斯本检核表法171 　　二、和田十二法177 　　三、5W2H法180 　　基本训练182 　　拓展训练183 　　参阅资料185 　　课题15 神奇的TRIZ186 　　学习目标186 　　学习内容186 　　一、TRIZ理论概述186 　　二、技术系统的8大进化法则188 　　三、TRIZ理论体系中的理想化思想189 　　四、TRIZ的四十个创新原理190 　　基本训练205 　　拓展训练205 　　第四单元 创新实践 　　课题16 广告创意实践209 　　学习目标209 　　学习内容209 　　一、什么是广告创意209 　　二、广告创意训练211 　　课题17 发明实践212 　　学习目标212 　　学习内容212 　　一、发明与专利212 　　二、寻找发明项目的训练217 　　三、实用新型专利说明书撰写训练221 　　基本训练224 　　拓展训练224 　　课题18 创业准备225 　　学习目标225 　　学习内容225 　　一、创业的知识准备225 　　二、创业的心理准备231 　　三、创业的资源准备232 　　四、创办新企业的一般过程238 　　基本训练238 　　拓展训练240 　　参阅资料241 　　参考文献245 　　致谢（后记）246 致谢（后记） 本书是河北省教育厅人文社科研究项目（SZ060333， SZ2010438)和河北省教育厅教育科学规划项目(JYGH2011046)及河北省职业教育教学重点研究项目（0213）的有关研究成果，是作者从1998到2013年15年间在河北化工医药职业技术学院进行创新素质教育的实践总结。衷心感谢河北省教育厅高教处、职教处、科技处对作者教学研究工作的大力支持，感谢河北化工医药职业技术学院领导的远见卓识，为作者能较早地从事大学生创新潜能开发的研究与教学实践提供平台，并给予长久的信任、支持、帮助与鼓励。 作者在2009师承中国科技大学刘仲林教授做访问学者时，确立创造学的教学目标，2010年于浙江大学拜陈劲教授为师做访问学者期间，研习大学生创造力开发，确立了本书的结构内容框架。浙江大学宁波理工学院李兴森教授细心审阅全稿，提出了很多有价值的建议。部分拓展训练项目的设计得到浙江大学朱凌教授、郑刚教授的指导。作者在教学研究中，还得到中国创造学会会长唐殿强教授、冷护基秘书长、罗玲玲常务理事、陈键常务理事等多位专家学者的指导与帮助，在此谨致诚挚的谢意！ 编著者陈爱玲

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数学思维教育的实践及思考(2) --关于无课外作业的感觉教学

热度 1 wkwzydgjjx 2014-8-17 17:13

（二）关于形式思维的问题。 任何文化文明都是人的思维本能的形象形式化的体现，数学科学的文化文明的创新思维活动也不可能例外。目前为此，学习及教育中的一切思维活动，与包括知识在内的文化文明，血肉相连，无法分离。 数学是人类最高智慧的思维结晶，伟大的创新创造，不可能不在其文化文明的中显现出人类能够创新的思维本能。感觉、记忆、求同的数学思维教育需要从数学科学中去探究，从数学表达的形象形式中去发现。 数学的形式思维在数学思维活动中是怎样体现的？ 我们知道，中小学数学概念的描述几乎都是有文字有符号，有些是有文字有符号还有图形图像，也就是有形象有抽象。 如负数定义中的“像 -3 ， -2 ， -2.7% ”是相对的（符号性）形象，“正数前面加上负号‘ - ’的数”就是比较抽象的文字性描述了。 数学的思维活动中， 形 象的 抽 象的总是形影不离，也是血肉相连般的无法分开，形象、很 统一的体现着最基本的思维形式。看形象想其抽象，反过来看抽象想其形象，是数学形式思维的基本要素之一。简说就是看形抽。 如前负数引入教例中，学生们看到计算 5-8= 的形象，想到 8-5=3 及求 5 与 8 的差是多少、 5 比 8 少多少之抽象，也是属于看形抽的形式思维。 无论是感觉思维、记忆思维，还是（同生异长的）求同思维，体现为综合性思维能力时，都少不了看形抽的思维形式。 学生们看到计算 5-8= ，大脑中产生出 8-5=3 的信息，或是产生出被减数大于减数、被减数等于减数、 8 比 5 多 3 、求一个数比另一个数多多少或是少多少的问题用减法，等等信息。无论这些信息反应出的是怎样的思维能力，整体性的看这些联想（包括 8-5=3 的想到），已经反应出一条由未知到已知（微观）、已知到未知（宏观）的基本思路。 如我们都很熟悉的列方程解应用题，反应的从未知到已知的数学思想，宏观上仍然是从已知到未知的基本思路。 记忆思维在中小学数学的形式思维中所扮演的角色就是从已知到未知的最基本思路（未知到已知统一于已知到未知）。简说就是想已未。 同样的，无论是感觉思维、记忆思维，还是（同生异长的）求同思维，体现为综合性思维能力时，都少不了想已末的思维形式。 如教例中的师说，“ 8-5=3 与 5-8= 在形状或说是形象上相同点最多，就是因为这一点我们可以首先运用这一知识。”这是求同思维中的 据同选法 。 “运用 8-5=3 这一知识，就必须无条件的服从这一知识， 5-8= 中就必须存在 8-5=3 这一知识，也就是说 8-5=3 必须完整的进入到 5-8= 中。能够共存于一体的不同事物，就是因为他们之间有相同点，这个相同点可以在相互代替中产生创新创造。数学也是这样，反应出了这一创新创造的自然。”这是求异思维中的 依法变形 。 这一说，反应的是思维创新中的一个同生异长的求同规律，反应的是数学形式思维中的求同或是求异的最基本的思维方法。最简单的说就是选异同。 这一说，百度搜索不到，中外已经出版的书中也没有，我不说学生们可能永远都不会知道，又必须让学生们在潜移默化的教育中养成思维习惯，所以只能由我去说了。 同样的，无论是感觉思维、记忆思维，还是（同生异长的）求同思维，体现为综合性思维能力时，都少不了求异同的思维形式。 归纳中小学数学的形式思维，简单的说就是看形抽，想已末，求异同。 《负数、零和正数》的教学中，我提出：“如果我们想把所学的负数、 0 和正数都表示在一条直线上，你认为怎样设计比较好？请同学们动手动笔试一试。” 一般来说，这样的创新性操作其思维活动需要有一定的分析过程。即使是很感觉的，也是需要有一定的综合性思维能力，看形抽，想已末，求异同的形式思维，几乎都需要运用。 需要指出的是，不少的老师在负数引入的教学中，用数轴去证明负数的意义，这样的操作违背了近代数学体系，违背了近代数学形式思维的最基本思路，不是近代数学的形式逻辑。 用生产生活实例引入负数意义，实例选择适当，学生很容易接受，引入过程可以非常简单，快捷。但没有反应出近代数学的最先进的形抽统一之思维形式，缺失形式思维教育的整体，顾前不顾后，只是这样的行知性的宏观操作，缺失数学教育的最本质，教育的整体效率一定会非常低。 习惯也是一种意识性感觉性思维，是思维意识的相对固化，是最有力量的意识性感觉。负数及数轴，都有其本身的最显本质的形抽统一的基本思维形式。负数的及数轴的形式化了的定义，只是需要形成思维感觉便可。尽管数轴等数形结合的数学，也是形抽很统一的思维形式，但其反应是数形结合的思想，其主体属于形式思维中的基本思路，需要在教学中形成思维习惯。 前面所说，我把数学中相应于感觉、记忆、求同思维结构的形象形式，归纳为看形抽、想已末和求异同的形式思维。 利用这样的形式思维，可以让我们的思维教育不再只是碎片化，更显创新本质 . 有时就可以把创新的目标作为手段进行操作了，让目标和手段能够达到比较理想的相辅相成，让教较为理想的转化为育 , 很有效率地实施无课外作业的感觉教学。 后文中我会列举一些教学实例，说明。

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创新的诀窍

热度 6 wangjinliang10 2014-6-6 13:16

是否具有创新能力是“一流人才与三流人才之间的分水岭”。近来读到王悦等著《科学思想与创新素质》一书，深受启发，摘录其中精要并对如何创新的问题再做进一步总结与思考 。 创新思维是指提供新颖的、独创的、具有社会意义产物的思维活动，如科学发现、新产品发明、文学创作等。创新思维是对“定势思维”的挑战，能将人引入“无中生有、无奇不有、无所不能”的三无世界。 创新诀窍： (1) 求异 创新需打破常规、独辟蹊径； (2) 联想 将看上去互不相干的事物联系起来，常谓之由此及彼、举一反三、触类旁通； (3) 发散 思维要有开放性，可以海阔天空、想入非非； (4) 逆向 要敢于离经叛道、否定传统、挑战权威； (5) 独创 要避免复制性思维，独具卓识，争取开拓、延展、突变； (6) 变通 要排除障碍，可借鸡生蛋、围魏救赵、分解组合、替换转移； (7) 形象 利用典型由个别到一般，可由联想和想象启发灵感和直觉构思新假说、新设想； (8) 综合 归纳总结各个侧面、部分和属性形成统一认识； (9) 超前 依据有限数据对事物的发展趋势进行推测，产生对未来的预报和判断。 创新途径： (1) 敢于奇思异想 离奇联想、打破常规或一反常态是创新之源； (2) 坚持猜疑批判 不满足于已有解释，不迷信、不盲从权威。恩格斯曾说“怀疑与批判的头脑是科学家的主要仪器”； (3) 冲破惯性束缚 思想僵化和呆板的人不可能创新。思维定势源于人们头脑中“想当然”的认同； (4) 善于丰富联想 爱因斯坦说“想象力比知识更重要”，要大胆设想，小心求证； (5) 捕捉知觉灵感 没有任何一个创造性行为离开直觉。山穷水复疑无路，柳暗花明又一村； 其实，要做创新性研究要么抓住一个新问题要么抓住一个新方法，这二者必居其一，否则便是平庸的。特别地，若想通过数据分析手段进行科学探索的话，我们的 新书介绍的 新方法将是一个不错的选择。 预告： 书稿《 极点对称模态分解方法 — 数据分析与科学探索的新途径 》已纳入出版计划，不久将会与读者见面，敬请关注。 http://blog.sciencenet.cn/blog-686810-800911.html 简介： 博文“ 数据分析方法新突破： ESMD 方法 ” http://blog.sciencenet.cn/blog-686810-691899.html

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中国传统教育思想扼杀了中国学生的创新思维

热度 1 shehuiguanli 2013-11-27 10:11

通过研究“系统科学思维教学法”，发现中国传统教育思想错误观点太多，在此不一一列举。 中国传统教育思想有一个观点，就是学生“不得使用教材中目前未学习的知识解决问题”。 如小学生不得使用中学知识解决问题，中学生不得使用大学知识解决问题等。 有一个案例，上海作家叶开的女儿乔乔今年上小学三年级，一次遇到一道题目，问谁是三国时期最足智多谋的人。乔乔欣喜而自信地写下：“孔明和庞统”。答案得到古典文学博士妈妈的认可。结果，语文老师说错了，标准答案是“诸葛亮”。 答案表明，换一个名字也不行，即使人们都知道“孔明”就是“诸葛亮”，如果写两个更不行，因为“最足智多谋”的人一定只有一个（这也是错误的），即使人们认为“庞统”和“诸葛亮”差不多“聪明”也不行，“只有老师说的是对的”。 正是由于这一思想，在实际工作中，我们总是习惯引用“名人的话”，或者采用“名人的观点”，因为名人说的和做的都是对的，而不是“自己的观点”，因为按照这一“逻辑”，首先“自己不应该有观点”，其次，“有自己的观点一定也是错误的”。 按照这一“逻辑”，任何“创新”都是错误的，因为“老师”从来没有教过这些“创新的知识”，这一思想影响中国人的一生， 扼杀了中国人的创新思维，以致很多人不敢探索，也不愿探索新的观点和方法 。 我国有很多企业，当采用一个新的“工艺”时，总是先问：有人已经使用了吗？ 在教学上也是如此，具有多个重大突破的“天下第一 系统科学思维教学法 ”，是教育的革命，教学方法孰优孰劣一目了然，可是每一个教师都会问我，有其它学校使用吗？ 如果说教师因为水平较低，无法判断教学方法的好坏，那么我们的“教育专家”又是什么观点呢？ 我将该方法拿到中央教科院，我们的教育专家不是从理论上探索方法的好坏，而是要求采用“实践的方法”来判断，这是极其错误的方法（为什么？），因为很多“实践”是在极其“特殊”的条件下完成的，不具有任何推广价值。 比如，山东杜郎口中学，一个十分错误的教学方法，居然在全国掀起学习“杜郎口中学教学方法”的热潮。该校采用的方法就是“做假”，“炒作”，面对这样一个十分错误的教学方法，竟然全国没有一个专家和教育部门“出面干预”。 所有这些都表明， 中国传统教育思想讲究任何事情都需要“循规蹈矩”，不得越雷池半步。甚至我国教育工作者把教育的本质都“忘记”了。 在此我们复习一遍：教育的本质是教会学生“解决问题”。只要能将问题解决好就达到目的。 因此，呼吁，我国教育工作者应尽快调整一些不适应的教学思想，在全国一片改革声中，适应改革浪潮，更新不适应的教学观念。

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[转载]前中科院院长路甬祥：科研单位要充分尊重个体创新思维

热度 1 吴信 2013-11-19 18:06

路甬祥：科研单位要充分尊重个体创新思维 ​ “对比国内科研现状，无论是科研环境，还是科研人员个体，这都是一个巨大的反差！”在中国科学院大学近日举办的中国科学与人文论坛上，中国科学院前院长、中国科学院院士路甬祥从沃森和克里克发现DNA双螺旋分子结构的故事谈到其对国内科学研究的启示时如是感慨。 今年是DNA双螺旋结构发现即《核酸的分子结构——脱氧核糖核酸的结构》论文发表60周年，这项发现与相对论、量子论、地球板块理论、宇宙大爆炸理论一同被公认为20世纪最伟大的科学成就。其发现者沃森和克里克的科研经历充满了传奇：他们并非生物化学或生物物理领域的资深专家，而他们开始从事DNA分子结构研究也仅一年半的时间。然而，时隔9年，他们因这项发现便获得诺贝尔生理学或医学奖，而他们也被生命科学界誉为20世纪最有影响的科学家。 值得国内科技界借鉴的是沃森和克里克对认定目标的锲而不舍精神，以及他们所在研究单位对创新思维的充分尊重。 路甬祥说，那年沃森23岁，是肯德鲁教授的博士后；克里克35岁，是佩鲁茨的博士研究生。但两人都不相信蛋白质是遗传载体，而相信DNA是遗传物质，认为解读DNA的分子结构是关键，并有强烈的兴趣。可喜的是，卡文迪什实验室和他们的导师尊重并支持了他们的选择，为他们开展研究、获得成功提供了前提条件。 另一方面，沃森和克里克不怕经费短缺，不怕资历浅薄，满怀自信和激情，锲而不舍、紧密合作、勇于探索、不怕失败、求真唯实。 然而，路甬祥说，当下有些单位存在讲究论资排辈、迷信“权威”的陋习，有些导师习惯于指定研究生的研究方向乃至研究选题，不尊重、不支持青年人的兴趣，不重视青年人的创新思维和自主选题；相应地，国内也有一部分青年人缺乏自信，乐享其成，盲目服从导师安排，不敢于、不勤于、不善于独立思考和创新思维，碰到困难和挫折便畏缩不前、绕道而行、见异思迁。 “这就是反差！”路甬祥说。他还因此呼吁，“我们应下决心转变教育观念，并切实采取改革举措，从注重知识灌输转变为更加注重学生的创新能力培育，着力培养学生的学习能力、创新思维能力、创新仪器和方法的能力、实验观察和分析综合的能力、开展交流合作的能力。” 此外，沃森和克里克带给后辈的另一点重要启示在于，“学科交叉融合，交流合作是孕育前沿突破的沃土和环境。”路甬祥说，上世纪20年代至30年代，量子力学的发展迅速，生命物质的分子结构和遗传的分子机制研究也进入了关键时期,一大批化学家、物理学家参与生命科学研究，不仅带来了新的科学思想，对生命科学实验技术的发展也产生了巨大影响和推动——分子生物学正是物理、化学、仪器学、计算科学与生物学交叉融合的产物。 然而，值得注意的是，无论是在我国的大学还是科研院所内，学科间分隔、人才和知识结构单一、信息不能共享、交流合作困难等现象仍未得到根本改变，制约了创新潜力的发挥。路甬祥为此呼吁：“我们应从体制机制、考核评价依据和方法上切实进行改革。”

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[转载]喜看创新思维的课堂之花

wyc 2013-10-15 08:46

同学们的创新打擂 已有 79 次阅读 2013-10-14 22:11 | 个人分类: 教学思考 | 系统分类: 教学心得 | 关键词:创新 各个组的同学妙思连连，妙语连珠，思如泉涌，争先恐后；更高更大层面的头脑风暴。 作为老师，还是感到一丝欣慰；课程结束，创新继续；愿同学们走的更好更优秀。 本文引用地址： http://blog.sciencenet.cn/blog-39039-732955.html 上一篇： 《创新》课堂团体赛

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《创新思维与实践》课外交流

汪思源 2013-9-26 08:37

本学期面向全校开设《创新思维与实践》选修课，（18学时，9次课，1~9周）。转眼已接近尾段。 因我的学生们来自不同专业，为便于师生的课外互动，我课前特意开设了邮箱（ innovation_wang@163.com )，但邮箱只适合接收同学们的作业和想法，不易于课外再作广播式的发布和下载工作，因此想到借用科学网的宝地与大家（同学们）进一步的交流。当然也欢迎其他博友给出意见和建议。 考试依然是同学们最关心的问题，创新的考试虽无标准答案，但还是有评价尺度的，大家首先还是应明确目标与要求，可以先参照一下附件1（初级、中级、高级的不同要求）。 十一长假即临，可不要只是“傻玩”哈，还有作业哦！可参照附件2，选择你的视角（你的专业、生活所悟、灵感所至、资料所得......)期待你的呈现，掀起假后的创意（头脑）风暴！ 玩中出灵感，玩中出创意，玩中出...... 附件： 国家创新教育测试大纲.doc 奥巴马邻居房子的故事.doc

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[转载]海大校园到处盛开创新思维之花

wyc 2013-9-15 07:10

教务处组织开展全校范围内教务问卷调查 发布时间：2013-09-12 11:18:15 发布人：白阳 审核人：程东 全校广大师生： 　　为进一步做好本科教学服务工作，完善教务管理方式方法，教务处特在全校范围内开展教务问卷调查，以征集、了解广大师生在教与学方面的更多需求。 　　本次问卷分为学生问卷与教师问卷，请直接登录 http://202.118.83.201/jwcwjdc/ 或者通过教务处网站 http://jwc.dlmu.edu.cn/ 链接登录，填写并提交。移动终端可通过链接校园楼宇内“DLMUnet”无线网络信号，登录访问。 　　望广大师生以促进优质教学服务、完善高效教务管理、提高人才培养质量为出发点，积极参与问卷调查，为教务处工作的更好开展提出宝贵意见。

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[转载]听创新思维课 ，如拂春风，心旷神怡

wyc 2013-9-6 14:59

奥巴马邻居房子的故事 美国总统奥巴马上任后不久，就离开芝加哥老家，偕妻子米歇尔和两个女儿入住白宫。面对多家媒体的采访，奥巴马深情地表示，他非常喜欢位于芝加哥海德公园的老房子，等任期满了之后，他还会带着家人回去居住的。 这个消息可让比尔高兴坏了，因为他是奥巴马的老邻居。 几年前，比尔曾和人打赌，他信誓旦旦说自己到2010年，一定会成为百万富翁，眼看期限只剩1年了，他的目标还远未实现。现在，机会终于来了。他的房子因奥巴马而身价百倍。能和全世界最著名的人物之一——美国总统奥巴马做邻居，这是多么难得的事情呀!因此，他满怀希望地将自己的房子交给中介公司出售。为了推销自己的房子， 比尔 还特意建一个网站，全方位介绍他的住宅：这幢豪宅拥有17个房间，近600平米，非常实用舒适。更重要的是，奥巴马曾多次来此做客，还在他家的壁炉前拍过一个竞选广告。 这是一栋已经被载入史册的房子!比尔相信，有了这些卖点，他的房子一定能卖出300万美元以上的高价。 果然这个网站很快就有几十万人点击浏览，但让比尔大跌眼镜的是，关注房子的人虽多， 却无一人愿购买 。到底是什么原因让买家们望房却步呢?为弄明白究竟是怎么回事，比尔仔细地查看了网站上的留言。原来，大家担心买了他的房子之后，就会 生活在严密的监控之下 。 是呀，奥巴马和他的妻女虽都去了白宫，但这里依然有多名特工在保护奥巴马的其他家人，附近的公共场合也都被密集的摄像头所覆盖。只要出了家门，隐私权就很难得到保护。更要命的是，等奥巴马届满回来之后，各路记者肯定会蜂拥而至。那时，邻居们的生活必将受到更严重的干扰。到那时，每天出入这里，恐怕都将受到保安和特工像对待犯人那样的检查和盘问。这样的居住环境， 跟在监狱又有什么区别呢?就连朋友们，估计也会因为怕麻烦而不敢上门! 就这样，过了1年多，房子依然没卖出去。比尔非常心焦，他此前向家人承诺过，房子卖出后就全家一起去度假，但一直到现在还不能兑现诺言。他和朋友打的赌也眼看就要输了，正在这时，一个叫 丹尼尔 的年轻人找到他。丹尼尔告诉比尔想买房的原因，他和奥巴马一样，都有 黑人血统。奥巴马是他的偶像 ，不过，他还从未和奥巴马握过手。如果他买下这里，就有机会见到总统了。 房子终于有买主了，比尔激动得差点掉泪。虽然丹尼尔非常愿意买比尔的房子，但问题是，他支付不起太多的钱。比尔好不容易遇到一个买主，当然不愿轻易放过，他作出很大的让步，最后，两人签下如下协议： 丹尼尔首付30万美元，然后每月再付30万，5个月内共付清140万美元 。房子则在首付款付清后，归丹尼尔所有。比尔很高兴，虽然房子的最终售价远远低于当初他期望的300万，但20多年前，他买下此房时， 只花了几万美元，因此还是赚了 。何况，上了年纪的他早想落叶归根，搬回乡下的农庄了。拿到首付款后，比尔给丹尼尔留下了自己的账号，然后带着家人出去旅游了。出发那天，他得知丹尼尔将房子抵押给银行，贷了一笔款。 等半个多月后回来，比尔发现丹尼尔竟将 这栋豪宅改造成了幼儿园 。原来，丹尼尔本来就是一家幼儿园的园长，因此，在这里办个幼儿园不是难事。当房子的用途从居住改为幼儿园之后，那些过于严密的监控就显得很有必要。这个毗邻奥巴马老宅的幼儿园，成了 全美最安全的幼儿园 。 不少富豪都愿意把孩子送到这里来。为了给幼儿园做推广，丹尼尔还联系到了不少名人来给园里的孩子们上课。这些名人中有不少是 黑人明星 ，他们为奥巴马感到骄傲，也为能给奥巴马隔壁的幼儿园讲课而激动，再加上这里是记者们时刻关注的地方，来这里与孩子们交流，自然能增加曝光率，因此，名人们都很乐意接受丹尼尔的邀请。 第一个月，丹尼尔用收到的 首期学费轻松地支付了比尔30万 。幼儿园开张两个月后，奥巴马抽空回老家转了一圈，顺便看望了一下他的新邻居们，这一下，丹尼尔幼儿园更加有名。越来越多的名人主动表示愿意无偿来与孩子们交流。更有很多家长打电话，想让自己的孩子来此受教育，为此多付几倍的学费他们也乐意。 很多 广告商 也开始争先恐后地联系丹尼尔，他们想在幼儿园的外墙上做广告，这里的曝光率实在太高了，不做广告太可惜了。为此，丹尼尔打算进行一次拍卖广告墙的活动。想来参加竞标的品牌很多，但像烟、零食、酒这样的广告，无论出多少钱，丹尼尔都不允许他们参加竞标。 5 个月后，比尔就收齐了140万美元的房款，终于在2010年年末如愿以偿地成了百万富翁。不过，比尔明白，这场交易中，最大的赢家并不是自己，而是奥巴马的新邻居——幼儿园园长丹尼尔。 读后感：真是 高度决定了深度与远度 ! 我们每天都能有机会触摸到丹尼尔那种商业机会，可惜，我们缺少敏锐的眼光与果敢，放任那些商机擦身而过，事后追悔莫及，不要羡慕别人财富比我们多，他们有我们无法超越的商业头脑！ 我们不是卖产品，是股份，是价值，是事业，是未来 ，智慧的你，具备了敏锐的眼光与深度了吗？

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用创新思维来开好创新课程

热度 1 wyc 2013-8-30 11:52

自从海大全面开设《创新与创业》的课程以来， 大家都很关注。 这是很自然的！因为这是一种新的探索。 大家希望 这场培养创新型人才的探索，能够深入持久地进行下去，真正起到“化人们灵魂”的作用。 要影响一个人的一辈子（,包括一个单位里的所有的“人”）， 要影响他的一生， 要影响其一举一动， 可见此举意义之深远。 决不是靠摆几个花架子所能湊效的。 一位历史伟人曾经指出： 精通的目的全在于应用。 如果你不打算利用它来解决一些实际问题，那么 您的单位，你作为老师，作为选修人，就是在胡弄，在自欺欺人，就有违初衷。 一个单位的这种教改探索的成绩如何？ 首先是校长的脸上有光，人们会觉得这位校长很有头脑、领导有方， 说他是一位富有创造性的好领导，是老师中的好老师！ 如果这一思维科学的建设能在教授、博导们的教材和学术思想上产生激励（像我曾经认识的钱令希院士的治校那样），大家更会向他投来敬仰之心！这是本博文之第一要义。 第二点是要使创造思维首先在一批比较卓越的教师的脑子里生根、开花、结果， 造成一种氛围，一花引来百花开，一马当先万马奔腾，进而造成有创者事竟成之格局。以创造为荣，以无作为为耻的推动力。 其次，才是对听课的学生而言，要不悞人子弟，要教学有法，不能胡弄学生，以其昏昏使人昭昭。没有教不好的学生，只有不会教的老师。此言之不谬也！ 假如我是一位授课者， 我可以让听课者与我合作，彼此互动。 我们可否作以下一些作业，如： 我们为什么要学《创造学》？ 不学不行吗？ 念些创造学的教条有啥用？、、、、 我建议：我的课堂上大家来提问题， 看谁提得多， 提得怪怪的， 提得充满智慧。 让思维冲破昔日的牢笼去感受思想解放的畅快，去真正感受创造的欢乐！ 同时，这种提问的的方式和气氛也很重要， 要造成一种讲演式或辩论式的生动活泼的形式， 让提问人能感受到表演口才之成就感， 感到如诸葛孔明“舌战群儒”之心上之美， 使自己又深感“学然后知不足”之饥渴感， 达到启而不发跃如也！ 试想，在老师的启发下，师生共同来拟就一个提纲。然,后，以自选和分配结合，分配给每个学生来编写。 写完后，进,行灵活多样的互相交流、补充， 然后按统一格式定稿，装订成册 这不就是一本很好的“论文集”或“专著”了吗！ 这会使每一个参与者都感到有一种很大的成就感。如果校长或名人再给题个字，写几句话勉励勉励一下，高瞻远瞩一下，岂不更佳！ 大连海事大学已经出版过2本《如何做一位卓越的大学教师》的论文集 并且培育出了如贾凤姿教授等一批优秀的典型人物 就是学习研发创造思维与创新教育的好榜样。 从第12届全运会的开幕式上我校学生的表演方队，亦展现了一种海大人的精神风貌！ 海大的校园文化永远生机勃勃。（未完待续）

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随想录-自身创新思维的产生和培养

热度 1 YanluLV 2013-7-9 09:47

最近在做研究构想的时候发现，提出自己的想法和看法真的好难，但这些需要锻炼，当看到新的现象和事物时一定提出自己的看法和观点，不能首先考虑别人是如何处理的，这样的想法会在很大程度上限制自己的思维发展，在提出自己的想法和着眼点之后再带着自己的想法去寻找问题的答案，调查前人在这一问题上的着手点和看法，在比较各种方法和结果之后得出自己的结论或者改变自己的方法论，这样才能做到不盲从，更有效率去做研究。 在 QQ 技术群里聊天的过程中，我经常在群里遇到一个人“傲慢的上校”提出一个问题，给出了一张图片，要求将里面得病发灰的麦粒统计出来，然后大家讨论，但是始终没人给出一个比较好的模型，当然我也一样。之后有个人将采用颜色模型进行区分，这样才算有了一个了结。 仔细想想，这个问题解决办法非常简单，就是采用最简单的，最朴素的想法，将所面临的问题描述出来，针对这一个抽象出来的概括性的描述来寻找答案，这样的过程才是一个争取的思考过程，但是自己经常陷入一个思维的怪圈：我把所有的技术资料看一遍，然后根据所遇到的问题去对号入座，这样就能解决我遇到的问题了，但是问题千万种，看到的解决办法千万种，在有生之年能不能把所有的问题解决办法全部看到，学懂尚且是个问题，更别谈将学到的这些问题解决方法运用到问题解决上了。这个思维怪圈是做工程的思维，不是做研究的思维，做研究是没有这么多的时间去看以往的老办法，重复之前的做法的，这样你就毕不了业了。自己所能做的就是根据自己所想的，所见的提出自己的看法，尽管这个看法和想法是肯定有人想过了，做过了，也许可行，也许不可行。但是有了自己的线索再去寻找前人的足迹会不会比自己一开始就想着别人怎么做的，怎么想的，自己照着再重复一遍要好的很多，对不对？？？我特别欣赏煎蛋网的口号：地球上没有新鲜事。的确，地球上没有新鲜事，我们在提出了自己的观点之后，才能从这么多陈芝麻烂谷子里找到自己所需要的东西，这样才是一个做研究的正确的思维过程。

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向生物尤其是真核生物学习高效工作模式：创新思维之我见

zcgweb 2013-3-16 01:30

DNA复制是生物生命活动的一个重要过程。生物化学教科书中讲过，原核生物的DNA复制基本是线性的、单线程的工作模式，而真核生物的DNA复制是多复制叉、多线程并行的工作模式，效率更高，否则很难想象30亿碱基长度的人的DNA如何能够在短期内快速完成复制，而大肠杆菌E. coli的DNA仅有四百万碱基对，可以通过单线程的工作模式完成DNA复制过程。 在科研过程中，尤其是具有创造性科研活动和创新性科学思维的工作过程中，何不采用这种类似于真核生物DNA复制模式呢，即可以采用类似于下跳棋、或者下象棋的方式，来一些非线性的、跳跃式的思维模式呢？初中时阅读过一本书《产品构思畅想曲》，讲的是可以从不同维度思考问题，结合产品的形状、结构特征、用途、材质等进行多维度甚至全维度考虑，将不同的内容或主题词(关键词)在脑海中颠来倒去地不断‘发酵’，就有可能形成新思路，而不是因循守旧的传统的、线性的思维模式。以我们实验室为例，目前涉及到的学科包括：认知神经科学、神经生物学、生物化学与分子生物学、生物信息学、生物电磁学等，同时进行的研究工作还包括合成生物学新技术探索、系列新药研发(例如新发现的治疗溃疡性结肠炎的生物技术药物已经申报国际PCT专利；新近还发现几乎无副作用的减肥功能食品；原理上可行的但不同于以往的新型抗菌肽有可能解决肠道致病菌的感染问题；糖尿病患者可以食用但并不升高血糖的新型糖类制品等)，以及规划中的虚拟现实技术和人体通信工程技术等。这样的好处是大脑可被不同的信息源填充，可以在任意时间从容地思考并随意从一个学科切换或‘飞翔’到另一个学科，在思维‘漂移’的过程中产生‘飘逸’的思路，当然其前提是要求同时了解多个学科，而不仅仅是皮毛，所以恒有一个勤学的心态很重要。但是，也有其缺点，即思路太多或者不能再某一个点上长期追求深度突破。不过萝卜酸菜各有所爱，就看列位的喜爱了。对我而言，更喜欢前者，可以enjoy在不同思路、不同学科之间跳跃切换的感觉，可以更加促进novel idea的生成了。 当然，一旦有系列novel idea形成的话，接下来就是组织年轻的科技工作者和研究生们将其付诸实践了。因此，科研组织和管理会成为执行层面的重要步骤。有了novel idea，再加上一个强有力的执行团队，那么这个实验室就可以与时俱进，甚至逐步引领科学思维新模式！ CZ @ 2013.03.16 01:27:19

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啥叫好孩子？

热度 1 wyc 2012-8-2 17:51

汪育才 2012-8-2 17:47 标新立异不是一个贬词。 以往社会不开放， 思想守旧， 到处是“后視思维”占统治地位， 天地君亲师， 一切都要循规蹈矩。 那样才叫好学生、好孩子、好某某、、、、 現在， 世界潮流在变， 改革开放， 建设创新型国家， 培养创造型人才。 哈哈！ 创新就是时尚， 没有创新思维， 是没有出息， 没有前途的。 随着社会的发展进步， 这将成为大家的共识。 有标新立异的观念， 受到关注， 获得尊重， 大有作为。 看来是这样！

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海龟博士牛一般是导师牛，土鳖博士牛多数是自己牛！

热度 43 wangjianguo2 2012-7-31 11:35

青年千人中很多水平怎么样，有人说很水 http://blog.sciencenet.cn/blog-621673-597277.html ，不过我觉得需要用时间来检验，而不是直接回来就给高出土鳖博士数十倍的工资待遇，最高的职位职称。因为在中国的体制下，除了极个别的情况下，像是北京化工大学教授陆骏被开除外，获得的待遇和职称只能升高不会降低。 一般来讲，对于即使没有通过造假获得青年千人者，也多数只能说明是海外的导师牛。在海外的牛导师带领的牛组中，导师自己可能就是国际顶级期刊的编委，或者人脉极广。在这种组里的最差的博士生，不用独立做科研，按着老板的意思办，不需要创新基础、创新思维，就直接获得了最牛的科研成果了，也能在毕业前发表数篇“自家办”的顶级期刊论文。而这些成果，思想属于导师，也可能达到甚至远超过青年千人的要求。不过离开这个环境后，还能不能通过不造假发表好文章，让人怀疑。 特别是生物、化学口的青年千人，回国后如果不能像饶毅、施一公这样的大牛，能忽悠到国家上亿拨款搭建自己的实验室，就很难重现“往日”良好的资源环境，仪器设备，牛导新思想，其学术生涯就像过山车一样，开始走下坡路了，真实的实力也开始慢慢显露出来了。比如，厦门大学医学院教授傅瑾的学术最顶峰也是在国外发表过nature,国内只能发个10以下的论文了。不过令人气愤的是，他们获得了高待遇，高职称，却严重阻碍了定岗定编的土鳖博士的发展。

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[转载]増強创新观念 发展创新思维

wyc 2012-7-8 16:16

胡锦涛：中国2020年要成为创新型国家 2012-07-07 19:58:00　来源: 新华网 　 有 36723 人参与 .ntshare-wrap {display:inline-block;float:right;} .ntshare-wrap a {display:inline-block;cursor:pointer;height:22px;width:20px;vertical-align:text-bottom;margin-left:3px;background:url(http://img6.cache.netease.com/img09/icon/share-icon.png) no-repeat;} .ntshare-wrap .ntshare-sina {background-position:0 -40px;} .ntshare-wrap .ntshare-renren {background-position:0 -80px;} .ntshare-wrap .ntshare-qzone {background-position:0 0;} 0 ( 0 ) 7月6日至7日，全国科技创新大会在北京举行。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛在会议上发表重要讲话。 新华社记者 丁林 摄 新华网北京7月7日电 全国科技创新大会7月6日至7日在北京举行。 中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛，中共中央政治局常委、全国人大常委会委员长吴邦国，中共中央政治局常委、国务院总理温家宝，中共中央政治局常委、全国政协主席贾庆林，中共中央政治局常委李长春，中共中央政治局常委、国家副主席、中央军委副主席习近平，中共中央政治局常委、国务院副总理李克强，中共中央政治局常委、中央纪委书记贺国强，中共中央政治局常委、中央政法委书记周永康出席会议。 胡锦涛在会议上发表重要讲话强调，大力实施科教兴国战略和人才强国战略，坚持自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来的指导方针，全面落实国家中长期科学和技术发展规划纲要，以提高自主创新能力为核心，以促进科技与经济社会发展紧密结合为重点，进一步深化科技体制改革，着力解决制约科技创新的突出问题，充分发挥科技在转变经济发展方式和调整经济结构中的支撑引领作用，加快建设国家创新体系，为全面建成小康社会进而建设世界科技强国奠定坚实基础。 温家宝在会议上讲话。李克强主持第一次全体会议。 胡锦涛强调，科技是人类智慧的伟大结晶，创新是文明进步的不竭动力。当今世界，科技创新更加广泛地影响着经济社会发展和人民 生活 ，科技发展水平更加深刻地反映出一个国家的综合国力和核心竞争力。我们要推进改革开放和社会主义现代化，实现全面建成小康社会目标，不断提高人民生活水平，实现中华民族伟大复兴，必须从国家发展全局的高度，集中力量推进科技创新。 胡锦涛指出，我国已经构建了比较完整的学科体系，拥有丰富的科技人力资源，科技发展具有良好基础，完全有条件发挥自身特色和优势，跟上世界新的科技革命和产业变革步伐。同时，我们也要清醒地看到，面对新形势新要求，我国自主创新能力还不够强，科技体制机制与经济社会发展和国际竞争的要求还不相适应。我们必须增强机遇意识、忧患意识、责任意识，牢牢把握新的科技革命和产业变革的机遇、世界科技创新格局调整的机遇、经济发展水平不断提高和市场不断扩大的机遇，坚定立足自主创新，深化科技体制改革，为加快建设创新型国家提供体制机制保障，争取在不太长的时间内确保国家创新能力得到大幅提升。 胡锦涛指出，到2020年，我们要达到的目标是：基本建成适应社会主义市场经济体制、符合科技发展规律的中国特色国家创新体系，原始创新能力明显提高，集成创新、引进消化吸收再创新能力大幅增强，关键领域科学研究实现原创性重大突破，战略性高技术领域技术研发实现跨越式发展，若干领域创新成果进入世界前列；创新环境更加优化，创新效益大幅提高，创新人才竞相涌现，全民科学素质普遍提高，科技支撑引领经济社会发展能力大幅提升，进入创新型国家行列。 胡锦涛强调，从现在起，到实现进入创新型国家行列的目标，只有不到10年的时间，形势非常紧迫，任务十分艰巨。当务之急，就是要进一步解放思想、深化改革，破除一切束缚创新的思想观念桎梏和体制机制障碍，最大限度解放和发展科技第一生产力。 胡锦涛就深化科技体制改革、加快创新型国家建设提出6点意见。 第一 ，进一步推动发展更多依靠创新驱动，坚持把科技摆在优先发展的战略位置，把科技创新作为经济发展的内生动力，激发全社会创造活力，推动科技实力、经济实力、综合国力实现新的重大跨越。 第二 ，进一步提高自主创新能力，大力培育和发展战略性新兴产业，运用高新技术加快改造提升传统产业，加快农业科技创新，发展关系民生和社会管理创新的科学技术，推进基础前沿研究。 第三 ，进一步深化科技体制改革，着力强化企业技术创新主体地位，提高科研院所和高等学校服务经济社会发展能力，推动创新体系协调发展，强化科技资源开放共享，深化科技管理体制改革。 第四 ，进一步完善人才发展机制， 坚持尊重劳动、尊重知识、尊重人才、尊重创造的重大方针，统筹各类人才发展，建设一支规模宏大、结构合理、素质优良的创新人才队伍。 第五 ，进一步优化创新环境，完善和落实促进科技成果转化应用的政策措施，促进科技和金融结合，加强知识产权创造、运用、保护、管理，在全社会进一步形成讲科学、爱科学、学科学、用科学的浓厚氛围和良好风尚。 第六 ，进一步扩大科技开放合作，提高我国科技发展国际化水平，在更高起点上推进自主创新。 胡锦涛强调，建设创新型国家是全党全社会的共同任务。各级党委和政府务必提高认识、增强紧迫感，加强领导、狠抓落实。要加大科技投入，发挥政府在科技发展中的引导作用，加快形成多元化、多层次、多渠道的科技投入体系，实现2020年全社会研发经费占国内生产总值2．5％以上的目标。各级党政领导尤其是主要领导要学习科技知识，坚持用科技知识指导发展，在重大决策中听取专家意见，做好科学论证。要关心和爱护广大科技人员，及时研究和解决他们遇到的各种实际困难。广大科技工作者要始终把祖国和人民放在心中，努力作出无愧于时代、无愧于人民的创新成果。 温家宝指出，深化科技体制改革的中心任务，是解决科技与经济结合问题，推动企业成为技术创新主体，增强企业创新能力。这是一项事关国家长远发展的基础性、全局性、战略性重大任务。企业强则国家强。我国是制造业大国，已经具备很强的制造能力，但仍然不是制造业强国，总体上还处于国际分工和产业链的中低端，根本原因就是企业创新能力不强。如果能在“中国制造”前面再加上“中国设计”、“中国创造”，我国的经济和产业格局就会发生根本性变化。企业的创新能力，很大程度上决定我国经济的发展前景。 温家宝对增强企业创新能力提出了具体要求。一要支持企业建设高水平研发中心。真正的企业研发中心，是企业创新能力的源泉、企业竞争力的核心，应当具备足够能力把握创新机会，选择创新方向和技术路线，组织技术研发、产品创新、利用和转化科技成果。“十二五”时期，国家重点建设的工程技术研究中心和实验室，要优先在具备条件的行业骨干企业布局。二要以企业为主导深化产学研结合。企业直接参与市场竞争，对新技术、新产品最敏感。产学研结合，要坚持“产”为主导，即企业为主导。国家重大科技项目，凡是产业目标明确的，要由有条件的企业牵头组织实施。三要建立科技资源开放共享机制。国家投资建设的科研设施要向企业开放，作为技术研发的公共平台。国家支持的科研活动所获得的信息资料，要最大限度地向社会公开。四要创造公平开放的市场环境，使各类企业公平获得创新资源。科技型中小企业最具创新活力，要为他们发展创造更有利的条件。大力支持企业开展国际科技交流合作。加强知识产权保护，建设规范的知识产权市场。 温家宝强调，要在政策上最大限度地支持企业创新，要抓好现有政策的贯彻落实，并进一步完善，重点解决政策之间的协调性问题，增强政策的针对性和实效性。要建立健全财政性科技投入稳定增长机制，完善财政资助、贴息和税收减免政策，鼓励和支持企业增加研发投入。引导金融机构综合运用买方信贷、卖方信贷、融资租赁等方式，加大对科技型中小企业的信贷支持。充分发挥资本市场支持科技型中小企业创新创业的重要作用。完善产业技术政策，支持企业采用新技术、新工艺。适应科技与产业融合发展的趋势，改进高新技术企业认定办法。改革科研机构、高等院校人事管理制度，建立开放、竞争、流动的用人机制。鼓励科技人员在企业与科研院所、高等院校之间双向兼职和流动，支持他们创新创业，特别是创办科技型中小企业。健全技术要素参与分配的机制，健全与岗位责任、工作业绩、实际贡献紧密联系的激励机制，使科技人员的创造性劳动获得与其价值相称的收入，得到社会的认可和尊重。 中共中央政治局委员、国务委员刘延东在总结讲话中指出，要认真学习贯彻胡锦涛总书记和温家宝总理重要讲话精神，全面落实关于深化科技体制改革、加快国家创新体系建设的意见，把思想和行动统一到中央决策部署上来。要科学把握科技改革发展中的重要关系，处理好科技创新与服务发展的关系，努力实现创新驱动发展，让科技更好地服务国家、造福社会、惠及民生；处理好政府支持与市场引导的关系，促进科技资源的优化配置和高效利用；处理好企业主体与协同创新的关系，推动产学研用紧密结合；处理好基础研究与应用开发的关系，取得更多原创性科学成果和技术突破，增强科技持续发展能力；处理好稳定支持与竞争择优的关系，建立健全符合科技规律的投入机制，让国家宝贵科技资源产生最大效益；处理好立足国内与扩大开放的关系，提高我国科技创新的国际化水平；处理好科学研究与科学教育普及的关系，提高全民科学素质，夯实创新型国家建设的社会基础；处理好硬件建设与软件提升的关系，更加注重创新体制机制、完善制度环境，充分调动全社会特别是科技人员的创新热情和创造活力。各地区各部门要加强对贯彻落实工作的组织领导，进一步明确责任，抓紧制定配套政策和具体措施，把会议精神和科技体制改革任务落到实处。 出席会议的领导同志还有：回良玉、刘云山、李源潮、汪洋、张高丽、张德江、俞正声、郭伯雄、何勇、令计划、路甬祥、马凯、万钢。 国家科技教育领导小组成员，各省、自治区、直辖市和计划单列市、新疆生产建设兵团党政负责同志，中央和国家机关有关单位、有关人民团体负责同志，解放军各总部和武警部队负责同志，各民主党派中央和全国工商联有关负责人，部分行业协会、高等学校、科研单位、企业和国家高新区代表和部分科技专家等出席会议。 全国科技创新大会第一次全体会议以电视电话会议形式召开，主会场设在人民大会堂小礼堂，各省、自治区、直辖市和计划单列市、新疆生产建设兵团以及各市（地、州、盟）设分会场。 (本文来源：新华网 ) 责任编辑：NN056

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[转载]杨振宁：做学问要善于讨论勤于创新

sjh6896 2012-6-30 09:38

杨振宁：做学问要善于讨论勤于创新 在农大东区曾宪梓报告厅与师生分享他的学习与研究经历，鼓励师生做学问要善于和别人讨论、敢于表达观点、勤于创新思维。 已是90岁高龄的杨振宁在讲座中口齿清晰、思路敏捷。他以“我的学习和研究经历”为报告主题，回顾了他青少年时期在西南联大的学习和生活经历，以及在美国芝加哥大学、IAS研究所、普林斯顿大学等地从事科学研究的过程，并辅以珍贵的历史照片和资料，总结了自己开展学习和科学研究的宝贵经验。 杨振宁认为，相信直觉，也许会有所收获。“当直觉与书本知识冲突，是最好的学习机会，抓住它，你就可能走入新的境界”，他说，自己没有念过高中物理学，在北平崇德中学念书时，在学校图书馆第一次接触到二十世纪的物理学，看Jeans的《神秘的宇宙》让他对物理产生了浓厚的兴趣。有一次在教科书中读到，圆周运动加速的方向是向心的，而不是沿着切线方向的。“为何书中写着圆旋转力量会向着圆心？我的直觉说那是不对的！于是我反复思考，最终在直觉和书本的冲突中收获了学习的方法。”这给了他很大的启发：每个人在每个时刻都有一些直觉，这些直觉多半是正确的，可是也有一些需要修正，需要加入一些新的观念，变成新的较正确的直觉。 “和同学的讨论是极好的深入学习的机会”，杨振宁说，要善于表达、勇于表达，即使是错误观点。在西南联大时，他与黄昆(半导体物理学家)和张守廉同住一室，他们除了常侃电影明星、政治事件、历史观点，更多的则是无休止地辩论物理问题。学校没有开水，他们就经常到茶馆叫上一杯茶，讨论一下午物理。有一次对关于量子力学中“测量”的准确意义的争论，他们各自都有观点，一直争论到晚上回到寝室，关了电灯，上了床以后，辩论仍然没有停止。最后三人都从床上爬起来，点亮了蜡烛，翻看海森堡(Heisenberg)的《量子理论的物理原理》来调解他们的辩论。“与黄昆和张守廉的辩论，以及我自己做教授以后的多年经验，都告诉我：和同学讨论是极好的真正学习的机会。” 杨振宁的研究经历也并非是一帆风顺的。在选题和做实验的过程中也遇到过很多让他沮丧、失望的事情。“研究生找题目感到沮丧是极普遍的现象”，他说，1946年上半年，他成为著名物理学家特勒的研究生，当时特勒给了他一个题目让他写成一篇文章。于是，他花了一星期来做此工作，可是写来写去始终觉得不能完全掌握方法，直到写不下去了，特勒又给了他另外一个题目去做，最终结果都不理想。1946年秋天，费米介绍他去做核试验物理学家艾里逊(Allison)教授的研究生，虽然他基本理论物理已达到了当时最前沿的标准，可是动手能力却成了他的弱项，一度没有起色。1947年，他曾用“Disillusioned”(希望破灭)来描述当时的心情。因为尽管自己非常努力，可是没有做实验的天分，而理论方面呢，几个自己找的题目都没有成果。直到他自己找的第四个题目得出了几个漂亮的定理，他的研究又重新出现了转机。 杨振宁还勉励同学们，年轻人应该花时间思考实践中的简单明了的小问题，而不是高深的基础理论问题；要学会渗透式学习；应该多注重新现象、新方法，少注重书本上的知识；最好在领域开始时进入，千万不要进入僧多粥少的领域。同时，还要不断培养自己的创新思维和意识，善于与别人合作，团队精神对创新非常有帮助。 整场报告历时2个小时。报告结束后，杨振宁还与同学们进行了互动交流。

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CUIT管理论坛:创新思维与潜能开发---超验学高级研修学习

zlhua 2012-6-15 21:45

声明：以下内容为现场速记整理，难免遗漏和谬误，需查正！ 智慧之路 — 寻找文明文化的源代码之一 创新思维与潜能开发 主讲：圆来（蒲文老师） 圆来超验 主持人发言 今天的主讲老师是成都晚报的顾问、四川省汶川地震振兴研究员，超验学的创始人 从事了二十多年的智能开发研究，研究得很深入，曾开设成都第二所书院：慧恩学院 主讲教师 引言 作为一家民间性质的学院，主要面对硕博后，一起探讨研究“专业知识之外该如何提升能力跟社会接轨”。研究的核心目标为“寻找文明文化的源代码”。我很小的时候就有些超验体验，像应激反应什么的，后来我就开始思考和研究超验现象，先跟大家一起分享一下超验学的主要思想。 一． 超验学的核心目标 超越自我，超越人生，超越生命。期望：“承接传统文化的心髓，刷新现代头脑的思维，探索创造还原的历程，打通东西文明的气脉”。该学问的受众主要锁定在头脑还没有完全被固化的人群里，固化思维的人群可能学习时会有一定的障碍。 （呈现哈博望远镜拍摄的宇宙全貌） 提问：你能看到地球、银河系和太阳系吗？ 从图上我们看不到地球，看不到银河系，太阳系，除非精细化到一定程度。所以，有些问题对于我们成长至关重要，比如：“我是谁，宇宙是谁，空间是什么， 生命来到这个地球是干什么？” 我认为，我们是来体验的，体验各种文化文明现象，他们是人类各种体验方式的结果。我们的物理、化学、生物、经济、文化、政治都是体验的结果。那我们面对物质和精神现象时，该如何去把握世界，把握源代码，用源代码去剖析我们所感知到的现象？ 人的追求无外乎有两个，财务的自由和精神的自由，使我们更智慧地去寻求幸福和快乐。的确，现实世界中，很多人在思考，到底该如何实现从财务自由到精神自由，从快乐到幸福，从知识到智慧的转化。那到底该怎么操作？怎么把握？体验什么？如何体验？这些都是不能回避的问题。 你问过自己，到今天为止，过去我所拥有的知识，经验，教训的总合，是否让我获得了幸福？智慧呢？如果没有，那你想不想获得？为了获得它们，你打算做哪些努力呢？ 二 极限破障基本问题 我在上中学时，物理学下课向老师提问，电子围绕原子旋转是否跟地球围绕太阳旋转是一样的，那太阳上面有没有生命呢？我遇到了一个好老师，他没有觉得我提出的问题荒谬可笑，而是鼓励我，继续想下去 … 正是这位老师的鼓励让我走上了继续探索的道理。 提问：你知道普通的烟盒有几个面？ 其实，提问者最初是想告诉对方，外面有六个面，里面有六个面，一共有十二个面。那有没有其他的答案呢？有，比如有两个面，里面和外面。 当然，如果你学了拓扑学，你就会明白，到底为什么存在“面”的思想呢？因为边和极限的存在。如果我们当把棱角放大到一定程度，你会惊奇地发现正面和反面的边界会奇异地消失 …. 它其实就是一个面，是一个球星体。（有配图来自优米网）。所以，很多时候，世界可能并不像我们看到的那么多面，我们需要想办法把世界的本原找出来！ 提问：什么是超体验？ 其实，我们小时候有很多记忆体验，比如，第一次吃水果，陌生的花朵，会带给我们很多新鲜灿烂的感觉，这些感觉是原本存在的么？在我看来，每个人的第一次体验都是超验体，第二次，第三次就可能就不存在这种超体验了，因为被记忆成功复制了，变成常验了，而正是这些常验，阻止并抹杀了我们继续探寻世界本原的好奇心。 三 悖论 庄子在《齐物论》曾言：大辩不言，言辩不及。我们的语言能不能解决本原的问题？语言的语义呢？比如花，它本来是植物的一部分，而现实它却成为一种语晕现象，隐含“美好、青春”的含义。语晕造成的另外现象是什么呢？超语义！也就是用语言就没有办法表达的语义，潜能开发的主要任务就是探寻超语义 源代码 --- 物理与精神世界的砖石瓦块，钢筋水泥 一 什么是源代码？ 物理世界与精神世界的本质是什么？解决了这个问题就可以跟任何时代的文明接轨。源代码的本意，与计算机有关，它是一种机器和人都能识别的符号体系，包含一级源代码，二级源代码等，在源代码的基础上，可以组合成很多模块、操作平台、应用软件、插件、病毒（比如木马）。如果我们把计算机的模型放大到世界的其它领域里，比如“黑客帝国”所呈现出来的那样。其实，你会发现世界可以变得很简单，就是由 0 和 1 两个符号排列组合而成。那文化最基本的 0 和 1 是什么呢？ 提问：西方的计算机它最原始的思想是怎么来的？ 周易（八卦）！在周易里有明确的表述，阴 -- 、阳 - 两个符号，揭示了宇宙的源代码，揭露了世界的本质。其实，外国人的计算机还是跟中国人学来的！所以，很多人会认为，有两门学问可以通天，那就是周易，唯时学（音同）。 提问：周易理论的源代码是什么？阴和阳！二级源代码呢？八卦！（可上网查）三级源代码是 64 卦（已经是一些程序在运作了），这三级源代码组成万事万物。语言的源代码？音，形，意？主谓宾定状补？音译，形译？此外，英语的源代码？汉语的源代码？物理世界的源代码呢？左手右手定律，正旋为阳，逆旋为阴 …. 其实物理世界就是氢原子累积而成，并在时空中呈现不同量级。源代码不仅仅是一种现象，而且是感觉可以直接感知的，源代码可以和世界万事万物接轨！ 二．源代码是如何起作用的？ 学什么都有体系，现象，功用三个方面。比如，矿泉水也有体象用三个方面。就体（本源是什么），立相（如何呈现），起用（有什么作用），它们是所有科学领域的指导思想。而源代码就是立相和起用的根基。 比如游戏软件的开发，电脑和人脑相比，有什么联系呢？电脑是可以安装的，人的大脑和心脏相当于计算机的 CPU ，硬盘相当于大脑皮层，海马体相当于内存，主板相当于五脏六腑，总线系统相当神经系统。电脑是对人脑的高度模仿，显卡和声卡相当于人的感受器，而人还多了三个，就是触觉！味觉！嗅觉！机器如何来模仿？电脑研究在感受技术提升方面还大有可为！ 经过研究发现，人的大脑在状态很好的时候也发生了阴阳太极图，古人是如何发明太极图呢？我们如何获知宇宙的真相？为什么仙女星系，不同时间段星系的图片都呈现出平面太级和立体太级图。我们有必要理一下各个领域的源代码。 三．传统文化的源代码 阴代表接受收，阳代表放、舍；而阴阳统一在一个氢原子上，也就是一来（阴）一去（阳） 1． 道教文化，道生一，一生二，二生三，三生万物 2． 佛教文化，核心是心理学， 唯识 学最高，一百种不同的心理状态排列组合而来，佛教强调修炼，提高自己的境界 … 恩格斯和马克思在年老的时候都对佛教产生了浓郁的兴趣 …. 辩证法原理都来自佛教，根尘识，地火水风空，万象为相用程序 3． 儒家文化：人际：天地君亲师为相用程序；道德：仁义礼智信，相用规律：君君臣臣 …. 4． 基督文化：圣父，圣子，圣灵，三位一体；自由，平等，博爱，十诫；我们现在为什么都处于西方文化状态呢？因为在改造物的方面，西方远远擅长！ 四．心理精神结构的源代码 1 ．肉体的性别和精神的性别； 2 性、 3 性和 N 性 2 ．精神体的基本运动形式和规律：阴阳；梦与醒；无记和相用 例 1 ：女强人 男女性别的比例，搭配比例和位置不同； 例 2 ：变性人：硬件不能适应软件，必须要变！是硬件适合软件，还是软件适合硬件？ 很多人际关系出问题，就是对自己是男是女琢磨不定，肉体上是一男一女，但精神上是两男，两女，或者互为相反；所以就出问题。那什么是无记？事情过后，仍然善恶不辨。。。比如踩死一只蚂蚁？有意还是无意？无意则无记！ 五．自然科学的源代码 1 ．基础点线面体；建筑；各学科 2 ．欧阳守成（首承）：涡旋运动，正旋反旋现象的发展，创造了自己的非规则理论，来指导现实，成功预测了 XX 年的地震，以及足球比赛的成绩。（涡旋为源代码，曲率空间，非规则为相用 …. ）这个理论把很多量子力学等很多物理理论向前推进 …. 六．哲学，社会学的源代码 阴阳；矛盾为相用；阳：发射，想象，思维 … ；阴？ 主要是唯心和唯物的对立统一 七．社会学 纯阳（生）到纯阴（死） 八．行业源代码 比如说我们关心的经济财务问题。 98 年我们学院全国率先引进财商教育 …. 财商的原代码是什么？资产，负债，现金流！送钱，掏钱，个人企业获得生存能力的保障，一定要正向的。你的被动收入大于主动支出，你就获得了财务自由 …. 可以自由自在的生活了 …. 我们打工主要是寻求被动收入，而创业，经营企业就是主动收入，一开始需要辛勤工作劳动，看似很累，但只要能保持被动支出小于主动收入，企业就有生命力，当然，做到一定程度的时候，可以交给 CEO 了，就会有越来越多的主动收入回来。 再者感情，你跟你的朋友在一起，如果感觉得很累，是资产，还是负债？相互促进，成长？还是衰退，落后？如果感觉不好，那就要赶快分开！在坐的学生都学信息的，其实信息主要的也是把握一种来和去 … 五大意识形态的操作平台 --- 如何构建物理与精神世界的建筑？ 大脑是分三层的，原始，爬行，灵长类的区域，高版本会自动兼容低版本。操作平台就是具体的建筑 …. 一 文明无外乎就是五大意识 二．人类精神体结构现象剖析：精神体的操作平台 --- 五大意识形态 什么是精神体？大脑的硬件上安装的软件。 1 ．科学比如科学家，大脑里装的就是符号系统，然后在其基础上进行思考（阳性），可证实，可证伪。 2 ．哲学，比如，哲学家；阳性、理性大于感性，思辩，逻辑 3 ．文艺精神体：文艺工作者，阴性，感性大于理性，阴性很具感染力 4 ．宗教：神父：阴阳复合，阳大于阴，重内轻外，感性与理性交织 （三教合一图） 三．社会精神体的操作平台 阴阳复合，阴大于阳，感性与理性混乱，消长，单一。。。。 人本质比较贪，想索取，贪是人类发展的动力源。中国，社会主义一党；美国，两党；其它社会呢？所有的社会体制的取舍都是有规律的！ 四．精神体的操作平台规律 看见，听见，嗅到，尝到，触及到，想到，就已经安装了 …. 比如：你骂你夸人的过程也是一个安装恶与善的过程。现行高校采用各学科知识安装大脑，其实可能是污染，固化大脑的过程。小孩就是被大人潜移默化了。很成年后，生活在一个环境，很容易被其它周围的人潜安装。当然还存在主动安装与被动安装的现象。面对现实世界，人的自我表现防卫方式包括“转移，压抑，投射，反向，退化，否认，歪曲，幻想，隔离，抵触”等，这些都是从小被安装的，大脑的操作平台不是单一的，是一个复合的安装。有几套安装程序，你就会有几个面，你就会适应几种不同环境。大学生一开始就应树立全面安装的思想，以专业学习为核心！ （思考：洗脑的过程是否就等于格式化的过程呢？） 五．五行规律 科学精神和文艺精神的结合有助于天才和伟人的诞生。 建议：根据自己的潜能进行复合安装 六．精神平台安装的进化规律 囟门关闭的时候，我们就进入后天，开始安装人类语言，叫爸爸妈妈了！那语言是如何安装进小孩的大脑的？全世界所有对父母的发音为什么是相似的？ 语言就是源代码的安装！声调，节奏。面对大自然，自然情绪流露时的安装。正面是主动的，负面的是被动的。 14 岁青春期开始时，是一个强烈固化区，是一个获得巨大创造力的时期。内分泌是一个强大的驱动器。促进血压循环，刺激内脏。为什么同样的一种物质会引起不同的现象或结果呢？比如，肾上腺，对人的促进和伤害作用。 七．健康变化规律 八．生命的两套密码 肉体密码：基因；〈生命的奥秘〉 ACTJ （音同） 不同的排列组合,碱基对... 精神体密码：阿赖耶识：〈灵性的实相〉唯识学。心灵一共有 8 个层面。当代心理学的精神分析学派是如何探索精神的奥秘？荣格到西藏学习佛教后，古代语言做了现代语言的改造，变成了现代心理学。 精神体原型 --- 识神。 互动：现场精神体操作平台自我倾向性打分（目的，找到自己的短板） 九．超验体验：形而上下的链接与转换枢纽 为什么有些人，稍微一定睛，马上能入定，打开身体内部的开关？ 源代码思维 --- 洞穿物理与精神世界的桥梁 一 你成为什么样的人，都有 双纹双曲线（音同） 构成 二 东方文化理念基石 道：道生一，一生二，二生三，三生万物；体精气神虚道；无级，太级，两仪，四象，五行，八卦；万法归一（宗）；创造，还原两个方向；全息理论：一花一世界；一叶一如来（你说的每句话都能体现表达你的情感、类型，怎么取样？怎么控制？）；法界缘起（业感，阿赖耶，如来藏） 三．源代码思维普通应用原理 本心为体，幸福智慧为宗，万事万物为相（用）；财色名食睡相用（相）乾：全阳 坤：全阴；坎：？离：？阴阳比例和位置不同，呈现出不同的形象。 普通应用主要包括三级： 1. 阴阳对位 二边；对立；矛盾 2. 四象对位 阳中阳；阴中阴；阴中阳；阳中阴 3. 五大意识形态 操作系统平台（子系统）及级别： 1 ．原型操作系统平台 2 ．五大意识形态操作系统平台 3 ．复合五大意识形态操作系统平台 4 ．五大意识形态子系统符合操作系统平台 例：操盘手懂得阴阳，心态就会平和！不就是一来一去么？来了去，去了来，自然而然。不必过于在意，你也不能控制！ 四．反观现象 你说的话对方有什么反应？ 自我反省 ---- 生存 自他反省 ---- 发展 自我自他的反馈反省 --- 修行 无我反省 --- 悟道 案例：离四句，绝百非〈横冲直闯〉返观内照章节。如何多赢？就体，立相，起用！ 起用时的创造技法 --- 维度量因素法 一．创造的原理 方法论：体相用与三位一体 -------- 就体，立相，起用！ 修炼与还原过程 --- 就体 1 ．三维立体图（方法论，自然社会科学，社会） 2 ．度 （ 1 ）社会：军事，经济，政治 （ 2 ）自然科学：物理，化学 （ 3 ）方法论：唯心，唯物 3 ．量 比如，政治的基本概念 可以把任何问题放到这个坐标中。形成一个核心的交汇点。他代表了你的核心知识体系。 举例：编辑 经常遇到的问题：涉及到媒体文化企业多个方面，不需要超验就可以创造技法。。。。呈现出上百种功用 游戏：区别针有什么用？ 13 种！能不能超过 13 种 实验：当场发明创造。 实验结果：每堂课都有一两个可以获得发明创造专利，为什么？如何用超验力量进行发明创造？ 举例：爱因斯坦的梦， 二． 原型维度量因素法 学生提问： 1 ．对水的超体验的经历（超体验） 2 ．梦的经历（超体验） 3 ．超验学研究目的和终极目标状态（说出来可能不能对位，不对位可能就千差万别了） 4 ．财务自由和精神自由（知识自由 - 财务自由 - 精神自由） 5 ．暗物质和暗能量（谁证明谁，谁发明谁？有机缘可以去看看） 主持人总结： 讲得很好，什么是源代码？中心意思就是认识事物或解决问题要抓本质和核心。比如电商，抓好网购和网销。如果按照老师讲的理论，那么网购是进，代表阴；适合女生来做；网销是出，代表阳；适合男生来做。同理，信管的进就是数据库，出就是数据挖掘。所以，进为阴，适合女生做；出为阳，适合男生做。 主讲人联系方式： 18980964537 邹 老师 博客：圆来茶话博客b 呵呵,感谢武老师的指正....

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[转载]为我们老家安徽鼓掌 为创新思维的大发展大繁荣而欢呼

wyc 2012-6-4 15:07

合肥市委书记吴存荣：大学是城市的灵魂 ■本报记者 蒋家平 “大学是城市的灵魂，城市的发展离不开大学的支撑。合肥的‘大城之梦’和中国科大的‘名校理想’携手并行是时代的选择，是我们共同的愿望。”近日，中共安徽省委常委、合肥市委书记吴存荣在接受《中国科学报》记者采访时表示，合肥市将与中国科大结成更紧密的互动合作关系，共创“大城名校”的美好未来。 合肥已进入科学发展快车道 “‘十一五’以来，合肥已经进入科学发展的快车道，备受全社会和外界关注。我们都能亲身感受到这座城市的成长与进步。”吴存荣说。 近年来，从国家首个科技创新试点市到合芜蚌自主创新试验区，再到国家创新型城市建设，合肥已初步走出一条有自身特色的创新之路。在全国26个省会城市中，合肥市主要经济指标的年均增速位居首位，地区生产总值已由第18位升至第15位，规模以上工业增加值由第17位升至第11位，地方财政收入由第18位升至第9位。与此同时，随着产业结构调整，合肥市规模以上工业总产值实现突破5千亿元的大跨越，创新推动战略成效显著，高新技术产业蓬勃发展，战略性新兴产业呈爆发式增长。 吴存荣表示，合肥市将在加快建设现代化滨湖大城市的基础上，全力打造长三角地区继沪宁杭之后的现代化新兴中心城市，朝着在全国有较大影响力的区域性特大城市方向迈进。 “增强创新能力，是合肥加快发展方式转变和结构调整的根本所在。”吴存荣说。 大学是城市人文精神“引领者” “从欧洲中世纪现代大学起源算起，城市与大学结缘、相伴、共荣已有近千年的历史。城市孕育了大学，大学滋养了城市；大学是城市的灵魂，城市的发展离不开大学的支撑。”吴存荣认为，城市综合竞争力很大程度上取决于大学的实力，城市的转型发展也需要大学创新的推动，大学也早已成为高新技术产业的核心和支柱。 “不仅如此，城市精神的塑造也需要大学文化的启迪。”吴存荣说，大学是一座城市人文精神的“引领者”。斯坦福大学“自由之风永吹”的校训，奠定了硅谷文化的精髓，构筑了硅谷“鼓励冒险、宽容失败、开放包容”的城市精神。在合肥，每一所高校也都在以自己的独特文化影响着这座城市的文化和精神。 “合肥最靓的资源是科教资源，最大的优势是科教优势。合肥要走好创新发展之路，迫切需要把丰富的科教资源转化为现实生产力，迫切需要创业创新型知名大学的有力支撑。”吴存荣说。 共谱“大城名校”新篇章 记者了解到，近年来，中国科大与合肥市合作更为紧密、成效更加显著、机制不断完善。仅“十一五”期间就有1300多项科技成果得到转化，其中20%以上在合肥实现产业化，控股参股公司20多家，涌现出科大讯飞、科大立安、科大智能等创业创新典型。学校还先后建成了语音及语言信息处理、合肥公共安全技术、语音信息技术、光伏光热、现代显示等研发和成果转化平台。 “今后一个时期，是新技术大规模孕育突破、新产业大规模催生培植、新人才大规模培育扩充的‘黄金期’，对合肥市和中国科大而言，充满着有利契机与合作空间。”吴存荣介绍说，中国科大在语音信息、火灾安全、量子信息等领域形成了学科与产业的双优势，每年申请200多件专利，85%以上是发明专利。很多科研成果不仅技术领先，而且具备产业化条件，市场前景广阔。合肥的产业重点与科大的优势学科具有很高的重叠性，这些领域的创新成果和产业化项目将会是合肥引进发展的重点对象。因此，首先要推动科大学科优势与合肥产业重点的更深入合作。 “推动科大与合肥市在产学研合作载体平台上更加有效共建也很关键。”吴存荣表示，在打造世界级先进技术研发、转化和人才培养基地、促进新兴产业崛起方面，市校双方将多加强深层次的研究谋划，把共建的创业创新载体平台打造成市校合作的标志性成果。目前，市校双方共建的中国科大先进技术研究院已被列入安徽省“861”行动计划中。 吴存荣认为，应大力推动科大校园文化与合肥城市精神的更深度融合，让创业创新型大学文化激发广大师生的创业热情和活力，并逐步扩散及影响全合肥、全社会。

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“文革”的“三股文”

热度 6 周可真 2012-5-27 17:08

最近回老家，和一位老同学忆及往事，讲到“文革”年月上学时所写的“三股文”： 第一股：敲锣鼓——文章起首部分写“目前国内革命形势无限好，不是小好，是大好，而且越来越好”之类歌功颂德的内容； 第二股：打屁股——中间部分按“斗私批修”的要求，自我找出“革命觉悟不高，头脑里还有私心杂念”之类的缺点并进行“深刻”的“自我批判”。 第三股：拍胸脯——结尾部分向党和毛主席“表忠心”和“表决心”。 当然，除了这些内容，每篇文章必须先写一条“最高指示”——诸如“马克思主义的道理千头万绪，归根结蒂就是一句话：造反有理”、“下定决心，不怕牺牲，排除万难，去争取胜利”之类的毛主席语录。 “文革”时“革命教育”中的“三股文”和明清时科举教育中的“八股文”有异曲同工之妙：禁绝学子独立的思想，把国民创新思维的能力扼杀在少年阶段，使他们永远失去独立的思想和创新的能力。 现今的“应试教育”与古代的科举教育和“文革”的“革命教育”相比，大概只是一百步与五十步的差异。 当人们在体制内无法有独立思想和创新思维时，其独立思想和创新思维就只能存在于体制之外了，而体制之外的独立思想和创新思维——“异端思想”和“异端思维”所表现出来的“异端言论”和“异端行为”在体制内是无法容身的，也就只能在体制之外的“阴暗角落”里盲目发展了。

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喜欢与发愤

wyc 2012-5-14 06:40

有的人喜欢嫉妒他人的创造业迹， 但并不反思自己 对创新思维的寡欲， 不喜欢读此类的书， 更不喜欢身体力行， 仅是发愤而巳。

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[转载]当你忘记你所学的一切的时候，剩下的就是教育

hslqdkxw 2012-4-25 16:23

http://www.17k.com/chapter/269621/6220872.html 培养思考能力比传道解惑更重要 　　 　　 21世纪，‘传道解惑’式的教育已经过时了，更重要的是培养独立思考的能力。 　　 　 　行成于思毁于随。知识经济实质上是智力经济，是一种以知识的生产和人的智力的充分发挥为支撑的、全面创新的新的经济形态。经商不再仅仅是一个体力劳动， 而成为一个有智慧、有技巧、有思考、符合一些客观规律的逻辑过程。在知识经济时代，人的智力、知识、信息和思考能力、判断能力等无形资本的投入对经商成败 起着决定性的作用。 　　在一次给大学的讲演中，有人说：“ 当你忘记你所学的一切的时候，剩下的就是教育。 大学四年最重要的是学习的能力和思考的能力。” 　 　竞争日趋激烈的市场中，要么优秀，要么退出。这就要求我们腿勤、嘴勤，更重要的脑袋要勤。只有勤思考，才能及时调整理收集到的各方面的资料信息，做到有 条不紊地掌握前进的方向。只有勤思考，才能进行战略管理和创新思维，在经营活动中能够另辟蹊径，避免和别人挤在一条船上分一杯残汤剩羹。 　 　李开复的思考能力和常思考的习惯其实在大学时代就已经养成了。李开复以哥伦比亚大学计算机专业第一名的成绩毕业以后，顺利进入匹兹堡的卡内基·梅隆大学 就读计算机专业的博士。在读博士之前，他的系主任Haberman就告诉他，读博士的目的，就是要做出世界上一流的博士论文，至少在本领域是世界顶尖的。 这句话让李开复十分震撼。 　　然而，下面一句话，让他受益更深，Haberman说：“ 做出一流的博士论文，也不是读博士的最终目的。而是你在读博士的过程中，获得一种思考的方法，而这种方法将使你在任何一个领域，都获得顶尖的成功！ ”计算机系系主任Haberman跟李开复传递了一个观 念——思考比传道更重要，观点比解惑更重要。 　　而李开复的努力证实了这种说法。李开复关于统计学方法做出的语音识别博士论文至今还是语音识别产品的理论基础。而李开复也在博士生涯中，学会了解决问题，拥有了战胜困难的勇气。 　 　一天思考周到，胜过百天徒劳。一次深思熟虑，胜过百次草率行动；一个善于思考的人，才是力大无边的人。有位记者曾问李开复的老板比尔·盖茨：“你成为当 今全美首富，个人资产高达550亿美元，成功的主要经验是什么？”比尔·盖茨十分明确地回答说：“ 一是勤奋工作，二是刻苦思考。 ” 　　李开复常给员工讲一个故事： 　　有一个公司的老总，创业初期，生意好得不得了，客户要添货的电话此起彼伏。于是他一门心思扩大再生产，他也因此特别忙，真可谓“两眼一睁，忙到熄灯”。 　　有一次，一位在美国工作的老同学来拜访他，只见他办公室的电话铃响不断，请示工作的人一个接一个。老同学很奇怪，问道：“你每天都这么忙吗？”他说：“是啊！真没办法。” 　　在要告别的时候，老同学说：“你这么忙，这样下去，公司很危险！”他一听，微微一笑：“怎么可能呢？”老同学说：“因为每一种产品都有它的生命周期，你整天忙得晕头转向，无暇思考，这样企业下一步将会面临什么情况，企业如何应对与发展，你却没时间思考，这样很危险。” 　　听了这些话，他觉得很有道理，于是把一些具体事务交给了下属去办，自己空出一些时间来思考，思考新产品开发，思考企业下一步的发展……果然，没出两年，企业原来畅销的产品走下坡路了。幸好他听了老同学的话，早有准备，开发了第二代产品，从而使企业渡过了难关。 　　现在，这位经理不怎么管事，他的主要任务就是“思考”企业的未来。李开复还经常在企业理念宣导会上给下属讲这个案例，目的是要求每一个员工都要学会思考，每天要对当天的工作进行总结，对明天的工作进行计划。同时，要常常想下一步的发展。 　　虽然万物可商，真要做到最好却要商眼锐利，每天脑子转八圈。 　 　　在财富时代，一定要善于思考。美国通用电器公司前总裁杰克·韦尔奇说过：“有想法就是英雄”。不懂得积极思考，就注定走向平庸。善于变通，使用创新思维进行经营，常能让事业获得更多成功的可能。 　　一个人生存的环境可能突然从正常状态变得不可预期、不可想像、不可理解，“苍蝇”随时会撞上无法理喻的“玻璃墙”。思路是惟一的出路，不断淘汰自己，否则竞争将淘汰我们。 特别声明：本文转载仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本人及本网站观点或证实其内容的真实性；转载自其他媒体的信息均在文章开头或结尾注明了出处，如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任，本人不承担相应的后果。作者如果不希望被转载等事宜，请及时与我联系。

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基金申请新议-14：八问八答 抛砖引玉

热度 20 sqdai 2012-2-27 10:25

前些日子科学网编辑部就基金申请专题提出了八个问题。问题提得很好，涉及当前基金申请者普遍关心的事项。鉴于近两年来的博文中，我或多或少地谈及过这些问题，这里想提纲挈领地予以回答，作为一家之言，抛砖引玉，与博友们切磋。 问题 1. 申请书出现较多的问题是什么？ 回答：经常遇到的问题是： 1） 创新思维缺失 （研究方向陈旧，研究思路老套）； 2） 立项依据不足 （研究动态不明，问题归纳不当）； 3） 研究基础薄弱 （预研功夫甚差，事先铺垫不足）； 4） 研究目标失当（目标过大过小，量化指标缺乏）； 5） 研究方案空泛（方案设计含糊，技术路线不清）； 6） 标书形式不佳（逻辑思路混乱，陈述啰嗦重复）。 其中，前三种缺陷是致命性的。 问题 2. 优秀的申请书具备有哪些因素？ 回答：最主要的是： 1） 创新精神突出 ； 2） 立项依据充分 ； 3） 研究基础雄厚 ； 4） 研究目标恰当； 5） 研究方案翔实； 6） 研究团队强大； 7） 标书言简意赅。 其中前三个是重中之重。 问题 3. 评审中，哪些问题您认为并不影响总体判断？ 回答：不大关注一些枝节性问题，例如，经费预算（只要不是太离谱）；年度计划；人员计划分工；非主要合作者的情况。 问题 4. 专家在评审中，更关注项目未来的发展，还是申请人过去的基础？ 回答：两者并重。对于研究项目系列（如面上项目）更注重前者；对于人才项目系列（如青年基金项目、“杰青”项目等）更注重后者。 问题 5. 你在开始申请时，是否经受过挫败？ 回答：在我以往 13 次申请中失败过两次。一次申请在本人出国期间，对助手草拟的申请书没有进行细致的推敲修改；另一次申请中，未及时发现主要合作者有“超项”现象。 问题 6. 申请书撰写中，构思、查阅资料、撰写、修改等各个环节理想的程序和进度应该是怎样的？ 回答：我的主要想法是： 1） 作为优秀的科学工作者，应该把基金申请工作作为常年性的工作来抓，应该未雨绸缪，平时做好充分准备； 2） 调研必须充分，构思必须缜密，撰写必须认真，修改必须反复进行。这四项所占的时间比例以 4 ： 2 ： 1 ： 3 为宜。 3） 参考性的进度安排：每年 4 ～ 10 月，调研和构思； 11 月～ 12 月，撰写初稿； 12 月～次年 3 月修改定稿。 问题 7. 对 2012 年资助格局及资助政策的调整有什么看法？（ 2012 年对资助格局及资助政策进行部分调整： 1. 设立 “ 优秀青年科学基金项目 ” ； 2. 在面上项目中设立 “ 青年科学基金 - 面上项目连续资助项目 ” ； 3. 增加地区科学基金项目资助区域； 4. 对博士后申请项目的依托单位承诺制度。） 回答：这些调整为青年科学工作者提供了更多的机遇： “优青”项目为已有良好科研基础的年青人提供了申请“杰青”项目之前的预演机会，不过今年申请“优青”项目的道路会比较拥挤； “青年 - 面上连续资助项目”为青年基金项目执行优秀者提供了“直通车”，不过敢于尝试者可能较少，中标率会比较高； 地区基金的资助率可能会进一步提升； 博士后申请者的机遇会增加。 问题 8. 对基金申请安排有什么建议？ 回答：目前我的主要建议是：简化基金申请表格。目前的基金申请书的表格设计过于繁琐，给基金申请者带来不少困惑，应借鉴国外基金机构的做法，把表格简约化，使得初涉项目申请者能很快入门，抓住主要线索，填好申请书。 写于 2012 年 2 月 27 日晨

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匪夷所思 = 创新思维？

热度 1 zhangpengbo 2012-2-6 14:19

昨天偶然间在青年文摘上看到一篇名为“匪夷”的短文，俺看后感觉与当下提倡的“创新”有相近之处。在此与大家分享一下。短文的大意是： 我们要敢去想，勇于做梦，即匪夷所思 ( 俺给了个英文名字 unthinkable idea) 。 Such as ，当年，发明原子弹的人一定先被认为是匪夷所思。最后作者给出结论：若匪夷能创作（创新），若匪夷是快乐的，我直认自己是匪夷。个人认为作者是想说创新是在心情愉快的情况下进行的。 何谓“匪夷所思”，我特意去百度百科详查了一下。解释：匪：同“非”，不是；夷：同“彝”，法度，常规，引申为寻常的，一般的，平常的。指言谈行动离奇古怪，不是一般人根据常理所能想象的。该词出自《周易·涣》：“涣有丘，匪夷所思。”它的近义词有：不可思议，想入非非，异想天开，胡思乱想等，个人认为在过去，这个词为褒义词，现在好像变了，用来说那个不切实际的人。 现在，大家回想一下，自古发明创造，哪个不是出自一些非常规的想法。从钻木取火到火柴（打火机）；从蒸汽机到飞机火箭；从飞鸽传书到 e-mail （电话）；从珠算到计算器计算机。纵观人类文明的发展长河，每走一步都离不开那些“匪夷所思”的人。 俺想说的是，要想科技进步的更快，要想在科学领域有所作为成就，就应多些匪夷所思（ unthinkable idea ）的人，这样才会涌现更多创新的成果，才能走向科学的前沿。 最后希望在新的一年里， 科研领域工作的专家老师和研究生们，没事多“匪夷所思”一会，没准就想法新的 idea ，做出新的创新工作 。 以上为俺个人的一点想法，望各位专家评论！！！

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高校机关文化沙龙------我们明年工作的新想法

lindentian 2011-12-27 19:57

近日头脑风暴，为明年的工作创新思维，领导最后拍板，明年开始创新开展----高校机关文化沙龙。 期待明年的开门红！

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[转载]国家自然科学基金十二五规划(部分)

热度 1 kinglandom 2011-11-21 18:38

　　重视积蓄后备人才。基础科学人才培养基金资助工作要坚持促进基础研究与教育有机结合，依托国家理科基础研究和教学人才培养基地，加强对本科生的科研训练，提高实践能力，激发科学兴趣和创新意识，为科学研究提供高素质的人才储备。 　　大力培育青年人才。青年科学基金资助工作要着力稳定青年科技队伍，充分发挥青年人创新思维活跃的优势，激励创新探索。要结合国家战略需求，体现学科发展特点，坚持整体开发，注重潜质，不拘一格，科学评价，择优资助，促进我国基础研究人才结构和布局更趋合理。稳定资助强度，扩大资助规模，为基础研究队伍建设提供源源不断的后继力量。 　　着力造就拔尖人才。国家杰出青年科学基金资助工作要坚持高端引领，构筑资助拔尖人才高地。要充分发挥基金推动学科发展的带动作用和延揽海外人才的示范作用，激励基金获得者潜心探索能够引领科技、经济和社会发展的科学前沿问题，造就科技自主创新的领军人物。 　　努力构建创新团队。创新研究群体科学基金资助工作要进一步加强战略筹划，调动各方面积极性共同推进资助管理机制完善与发展。要加强科学目标引导，发挥团队协作攻坚优势，着力培养和建设一批具有国际影响力、冲击世界科技前沿的杰出科学家和创新团队，力争使我国某些具有相对优势的学科领域进入世界前列。 　　注重搭建合作桥梁。外国青年学者研究基金资助工作要坚持延揽外国优秀青年学者来华开展和参与基础研究工作，推动中外青年学者建立面向未来的合作伙伴关系。海外及港澳学者合作研究基金充分发挥境外科技资源优势，吸引境外人才，支持合作开展高水平研究，带动学科发展和队伍建设。 （十一）国际（地区）合作与交流发展任务。持续推动实质性国际（地区）合作研究。 根据学科发展战略和优先发展领域部署，鼓励我国科学家与国外同行在前沿科学领域开展实质性合作研究，组织和参与多边形式的科学研究计划。 不断拓展组织间联合资助的合作研究 。根据合作协议或合作备忘录，继续共同组织和资助双 / 多边合作研究项目，逐步规范和完善联合资助、联合评审、联合结题等合作研究项目的管理模式。 努力营造良好的国际（地区）合作与交流环境 。继续支持我国科学家结合学科建设和发展战略，筹划和召开具有重要影响的双边和多边学术会议，鼓励根据学科特点开展形式多样的国际合作与交流活动。扩大国际（地区）合作交流项目的资助规模，着力提高国际（地区）合作交流的质量，在双 / 多边协议框架内，以暑期讲习班、双边研讨会和短期互访等多种方式支持承担科学基金项目的科学家特别是青年科学家参与和组织国际（地区）合作与交流活动。 完善外国青年学者研究基金资助机制 。扩大资助规模，逐步形成中国国家自然科学基金国际研究奖学金制度。同时探索设立中国国家自然科学基金高级访问学者基金，以吸引国际资深科学家来华工作讲学。 鼓励和推动我国科学家建立以我为主的国际（地区）合作研究网络 。围绕科学基金学科发展和优先资助领域，在若干前沿领域、基础学科领域以及我国相对薄弱的研究领域，鼓励和资助我国科学家和研究群体与国外合作伙伴建立长期稳定的合作关系，形成以我为主的国际（地区）合作研究网络。 　　 信息科学： 信息科学是研究信息产生、获取、存储、传输、处理、显示、利用及其相互关系的科学，主要包括电子学与信息系统、计算机科学与技术、自动化科学与技术、半导体科学与信息器件、光学与光电子学等分支学科。未来五年，鼓励紧密结合物理、材料等相关学科的基础研究成果，开展高效、节能、环保、安全与可靠的新型电子器件、光与微纳器件研究，发展信息获取与信息处理器件等薄弱学科的基础与集成研究，重点支持智能感知、下一代通信、新型计算模型与系统、复杂系统控制、协调与优化等领域的基础理论和关键技术研究，系统支持下一代网络及各种物联网络的应用基础研究，积极推动信息科学与物理、化学、数学、材料、工程、认知、生物、医学、地球及社会科学等领域的交叉研究。 　　 （十七）吸引多元投入。 促进国家创新体系各单元的协同发展，进一步加强与国家相关科技管理部门、社会团体、地方科技管理部门和企业的战略协作，完善联合资助机制，充分发挥科学基金的辐射效应，积极引导社会资源投入基础研究，调动多方面积极性，促进科技资源共享，推动产学研用结合，增强科学基金引导科技资源配置的能力。 1. 数理科学部。 　　（ 1 ）代数、几何与分析的交叉与融合 　　主要研究方向：代数簇的算术性质和几何性质；代数结构的表示与同调理论；微分流形的局部不变量与整体不变量；流形上的整体分析；低维流形的几何与拓扑；函数与函数簇的解析性质；函数空间与算子的分析理论；无穷维代数的表示、算子代数与非交换几何。 　　 （ 2 ）非线性、随机性模型和离散结构的数学理论与方法 　　主要研究方向：微分方程的适定性与解的结构；动力系统的复杂行为；随机过程与随机系统的分析；大规模随机网络的结构及其上的过程；复杂数据的统计方法和理论；复杂决策问题的最优解或近似最优解；无限维系统和随机系统控制的数学基础；离散结构的组合分析；符号计算、符号推理与数学机械化。 　　 （ 3 ）数学和数据建模、分析与计算 　　主要研究方向：新型材料的数学模型与数学理论；信息处理与信息控制；编码理论与信息安全；环境与能源科学中的数学建模与分析；生物信息与生命系统；传染病的发病机理与预防控制；工业与医学中的统计方法；数据挖掘与计算统计；经济预测与金融安全中的数学方法。 　　 （ 4 ）高维 / 无限维非线性系统动力学与控制 　　主要研究方向：高维系统全局分叉和混沌；非线性系统的时滞效应及控制；复杂网络和神经系统的非线性动力学与控制；先进飞行器及重大装备的动力学与控制。 　　 （ 5 ）复杂环境下材料与结构的力学响应与破坏机理 　　主要研究方向：变形体强度理论与破坏机理；多场耦合理论与智能材料及结构力学；材料及结构的多尺度力学；超常环境下结构响应与爆炸冲击力学；重大工程结构的完整性和耐久性。 　　 （ 6 ）非定常复杂流动机理与控制 　　主要研究方向：流动稳定性与可压缩湍流；非定常流动中的流固耦合及其控制；高超声速流动与飞行器推进机理；高速水动力学与空泡理论和实验研究；环境演化与突变中的复杂介质流动。 　　 （ 7 ）宇宙和星系的结构、起源与演化 　　主要研究方向：暗物质与暗能量的本质；宇宙早期的物理过程；星系和宇宙大尺度结构的形成和演化；活动星系核的结构与辐射的理论研究；大质量黑洞的形成和演化以及与星系的共同演化；天体剧烈活动。 　　 （ 8 ）银河系的结构、演化及恒星的形成、晚期演化与太阳活动 　　主要研究方向：银河系的结构、性质、形成与演化；星际介质和恒星形成、演化和活动；系外行星系统的搜寻及其形成与演化；太阳大气的磁场、结构和动力学，太阳耀斑、日冕物质抛射及其日地物理效应。 　　 （ 9 ）新型光场的调控及其与物质相互作用 　　主要研究方向：阿秒激光产生、测量及应用；超短激光脉冲整形、载波相位调控和量子态演化精确测量和控制；超强、超短脉冲激光及其与物质的相互作用；超快非线性光学新现象与新物理；红外、 THz 和 X 射线激光及其他相干短波长光产生及其应用；高灵敏、高精密激光光谱新原理、新方法；光子晶格中光传输和相互作用。 　　 （ 10 ）受限及关联量子系统的新现象和新效应 　　主要研究方向：受限、介观系统的量子现象和宏观量子效应；强关联和低维凝聚态系统基本物理问题及新理论方法；拓扑量子相变与拓扑元激发，超冷原子、分子体系的量子性质及其应用基础；微纳量子器件与单原子、单分子器件的关键物理问题；高性能复合材料或器件物性的表征与优化；磁性材料及结构中的物理问题。 　　 （ 11 ）随机非均匀介质中声传播的表征、控制与作用的物理问题 　　主要研究方向：复杂介质中声的传播、检测、作用及其声场建模；海洋声场的时空特性与探测；噪声的产生与控制以及低频声波的吸收和隔离；新型发射与接收声换能器及其阵列；时间反转技术、负折射现象以及亚波长高分辨率成像关系。 　　 （ 12 ）深层次物质的结构、性质与相互作用 　　主要研究方向：标准模型检验与超出标准模型的新物理；宇宙学及宇宙演化中高能物理与核物理过程；超重新核素和新元素合成；原子核结构性质以及相对论重离子碰撞物理。 　　 （ 13 ）等离子体物理及其数值模拟 　　主要研究方向：惯性约束聚变的超强激光与等离子体作用过程以及高能量密度物理；磁约束高温等离子体产生、加热、输运及不稳定性等动力学过程；低温等离子体源、边界物理、波与粒子相互作用等基础问题与应用；空间等离子体磁重联过程。 　　 （ 14 ）物理学实验仪器与实验方法、新技术及其应用 　　主要研究方向：新型加速器关键物理问题；核技术和同步辐射先进实验技术方法及其应用；量子结构材料的新制备技术与新方法；高时间、空间、能量分辨探测与分析方法与技术；高精密物理量测量、控制方法与关键技术，极端条件下的表征与分析技术。 　　 （ 15 ）量子信息与未来信息器件的物理基础 　　主要研究方向：量子信息形态转换及测量的物理问题；量子纠缠和多组分关联的物理实现和度量；基于具体物理系统的量子信息处理和固体量子计算；单光子产生、探测及量子相干器件物理；量子模拟的理论、方案与实验。 　 （ 15 ）海洋工程基础理论与前沿技术 　　 主要研究方向：深海浮式结构物系统环境载荷与动力响应；深海装备安全设计和测试的前沿技术；船舶航行性能与多学科优化设计；水下探测与通信；先进轮机系统的性能优化理论与方法；新概念海洋装备与设施的开发方法与设计理论；结构安全性综合分析方法与风险分析。 　 （ 5 ）高分辨率探测成像 　　 主要研究方向：多维高分辨探测成像；微弱信号检测与认知探测成像；探测成像信号处理，数据解译与目标重建。 　　 （ 7 ）传感网络与仿生感知基础 　　 主要研究方向：大规模光纤传感网络理论与实现技术；恶劣环境下传感技术和时分波分复用组网技术；智能敏感材料及高性能微纳传感器；仿生感知机理与实现方法；异构传感网络拓扑与网络协议；传感网络数据与能量管理；多源传感信息融合；传感器网络可靠性、安全性。 　　 （ 8 ）未来无线通信理论与技术 　　 主要研究方向：网络信道的建模与重构；网络信息论；有限频谱资源与低能耗的高效宽带移动传输与协同；多域多网协同无线网络理论与网络自优化技术；移动网络组织与智能管理；移动通信中频谱、天线、空间、计算和网络等的认知及应用。 　 （ 9 ）低功耗艾级超级计算、新型计算系统 　　 主要研究方向：艾级超级计算机的新型体系结构与基础软件；艾级超级计算机的功耗分析与最优降耗方法研究；面向数据密集型的数据处理与信息提取新型计算模型与系统；云计算环境的核心基础设施与支撑技术 ; 生物计算等新型计算模型与系统。 （ 12 ）网络数据挖掘与理解 　　 主要研究方向：网络数据挖掘与机器学习；复杂信息环境的语义感知与计算；数据表达、特征提取与分 / 聚类；自然语言理解及知识服务；视听觉信息的认知计算与人机交互。 　 （ 14 ）多机器人协同与仿生机器人 　　 主要研究方向：多任务多机器人协同规划与控制；高性能仿生机器人；不确定环境下机器人实时感知；机器人自主控制；微小机器人、水下机器人及应用。 　　 （ 15 ）先进控制理论与技术 　　 主要研究方向：基于数据的非线性系统建模、分析、控制与优化；多任务融合的、多异构系统的集成、优化与控制；复杂控制系统的共性问题、控制策略与实现技术；多运动体协同制导与控制；不确定环境下的高性能导航理论与关键技术。 　　 （ 16 ）复杂系统与复杂网络理论 　　 主要研究方向：复杂系统与复杂网络的演化规律与行为调控；信息物理融合系统及物联网的理论与技术；复杂系统建模、计算与综合集成；复杂任务实时决策、规划与调度；复杂供应链系统理论及应用。 　　 7. 量子计算与量子通信。 量子信息技术是后摩尔时代各国战略竞争焦点之一。量子信息学是量子物理与信息学科交叉融合的新兴学科，量子信息技术可望为信息科学技术发展提供变革性手段和能力。量子密码在物理上提供了不可窃听的安全性，而量子计算可为指数级增长的传统不可解难题提供计算可能性。目前量子密码技术正向实用化方向发展，而量子计算机的研究仍然处于基础研究阶段。在少数量子比特物理系统中已可成功演示量子计算的工作原理、量子门操作、量子编码和量子算法等。当前量子计算的物理实现遇到两个关键性的困难，一是如何研制大规模量子比特的物理系统，即物理可扩展性问题；二是容错计算的难题，即如何使量子门操作的出错率低于容错阈值，使得门操作的差错可以有效纠正，确保量子计算的可靠性。

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从超光速中微子实验发现谈科研创新思维

热度 1 qsqhopeiggcas 2011-9-28 01:08

欧洲核子研究中心的科学家日前称发现了超光速中微子：同样的时间内，在长达 732 公里 的隧道里，中微子比光多跑了 18 米 。 此次试验项目负责人安东尼奥 · 艾莉蒂塔托博士今晨说： 1.5 万次相同试验的结果证明，试验是没有误差的。　 安东尼奥表示，他的团队 160 名成员，在过去三年中付出了大量艰辛的劳动。他们对可能影响结果的各个环节进行了反复检查，最终才公布结果。 这样的发现是激动人心的，即使以后的重复实验可能证明该发现是错误的，但在未证明其发现是错误之前，通过某些科学家的言论说明因循守旧、惰性思维的观点是大有市场的，即使大盘科学家也不能免俗，请看： 有专家称，试验中 732 公里 中会有误差出现。萨里大学物理学教授阿哈里里表示，超光速是可能的，但更可能是数据出错。 专家表示，即使证实了中微子超光速，它也只是对相对论的延续，不能证明相对论 “ 满盘皆错 ” 。 英国著名物理学家霍金表示，想动摇爱因斯坦 “ 没有任何物体快过光速 ” 的相对论，还为时尚早。 在该科学发现未证实之前，且不论是否会否定爱因斯坦的相对论，保守科学家的做法是：因循守旧，一棒子打死；中间科学家的做法是：可能性不大，静观其变；明智科学家的做法是：有可能，通过进一步的重复实验证明。 对新的科学发现，应持有乐观其成的态度，毕竟重大创新成果是站在巨人肩膀上，通过否定或部分否定别人的理论实现跨越式发展的。 对创新性思维和发现应多加鼓励，而不是冷嘲热讽。即使以后的实验证明爱因斯坦的相对论具有很大的局限性或其部分理论是错误的，我们应拍手称快，这说明物理科学有重大突破性进展了，再次重建物理学大厦的“春天”来到了。 参考 欧洲科学家 :1.5 万次试验排除中微子超光速误差 http://www.hinews.cn/news/system/2011/09/26/013404539.shtml 专家称我国无法重复超光速中微子实验 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/9/253087.shtm

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[转载]知识产权：创新者以智慧划分的经济版图

zhj71626 2011-9-27 21:44

知识产权：创新者以智慧划分的经济版图 ——著名创新专家郎加明谈创新思维是第一软实力 □本报记者 张明伟 “创造知识产权就是创造战略资源，保护知识产权就是保护战略利益，运用知识产权就是运用战略力量”，这是郎加明教授在与记者交谈时的一段话。郎加明是全球创新趋势高峰论坛、首都科学讲堂、首都创新论坛的主讲人之一。最近，《科学时报》记者就“知识产权”、“创新思维”等问题，对郎加明进行了独家专访。 制创新权：源于红色旅游 《科学时报》：在首都创新论坛上，您讲的“制创新权”令许多人印象至深。请问“制创新权”这一概念来源何处？ 郎加明：人生之路无非“闯”与“创”二字，我的“闯”与“创”军号是在1966年10月吹响的。那时，中国最早的红色旅游——红卫兵大串连已进入高潮，从小酷爱学习15岁的我，带领一批中学生到平型关大捷遗址参观：1937年9月25日的晋北大雨初晴，穿着单军装埋伏了一夜又冷又饿的八路军战士，与装备精良的日军反复争夺战场制高点——老爷庙，硬是把敌人打下去，使之陷入1000多人被歼的灭顶之灾。从此，我对制高点的感悟刻骨铭心：战场尽管是最残酷的时空，却又是最公正的法庭——在这里，一切“假、虚、空”的东西，都会被无情地淘汰掉。同时，博学并不等于智慧，智慧并不等于创新。只有不畏艰险攻占某一领域的制高点，才能成为以点制面、一骑绝尘的杰出人才。所以“制创新权”这一概念，虽然是我1989年11月才提出的，但追根溯源是1966年10月萌芽的。这是观念的胜利、思维的成功。 《科学时报》：什么是制创新权？ 郎加明：发现式创新揭示的是“前所未知”，发明式创新制造的是“前所未有”。世界上最大的创新是创新思维方法的创新。制创新权是指某些可指导发现、发明亦即创新唯一或第一的思维方法体系的知识产权。如熊彼特的技术经济创新体系、奥斯本的头脑风暴法、阿奇舒勒的TRIZ法、德·波诺的水平思考法、托尼·巴赞的思维导图法和郎加明的金三极创新思维法，均因系原创、首创、独创而带有这样的特性。 显而易见，制创新权是人类“创新思维——创意——创新——知识产权——产品（服务）”之链的“根、本、源”，具有领先、主导、霸位的巨大能量。研究创新思维方法就是夺取制创新权。从这一定义上说，世界上雄踞创新之巅即拥有制创新权者，虽然只是极少数“关注天空”的原创者、首创者、独创者，但这样的创新者是对社会贡献最大的人类精英。圣西门所说的“假若法国突然在物理、化学、数学、文学、军事和民用工程方面损失专家50名，法国会马上变成一具没有灵魂的僵尸；假若法国只是不幸地死去国王的兄弟和那些王公大臣、神父、财主，却不会给国家带来政治上的不幸。”，揭示的便是这个道理。 《科学时报》：制创新权主要体现在哪些地方？ 郎加明：创新者是穿越时空把不可知变为可知（发现式创新）、不可能变为可能（发明式创新）的人。创新的类型有很多：像战法创新、管理创新、学科创新、设计创新、产品创新、服务创新、工艺创新、材料创新、菜品创新、金融创新、邮票创新、密码创新、画法创新、商业模式创新、表演艺术创新……不过，据我多年研究，最能体现制创新权的，主要集中在概念创新、领域创新、科技创新和形象创新四个方面。 概念创新：概念是理论的核心。如马汉的制海权、杜黑的制空权、尼葛洛庞帝的数字化生存、旺楚克的幸福指数、郎加明的同芯多极圈和价值股份制、李彦宏的竞价排名推广、施振荣的微笑曲线…… 领域创新：如哈勃的星系分类、沈隽的银缕梅、高锟的光纤、伯纳斯·李和文登·瑟夫的互联网、费兰·阿德里亚的分子厨艺、张建春的军用汉麻材料、冯小刚的贺岁片、H5设计工作室的《商标电影》…… 科技创新：如潘季驯的束水冲沙法、门捷列夫的元素周期表、卡拉什尼科夫的AK-47步枪、索尼公司的“特丽珑”显像管、马克·安德森的浏览器、王永民的五笔字型、马丁·库珀的便携式电话、沈火林的甜瓜品种…… 形象创新：如敦煌的飞天、周敦颐的太极图、吴承恩的孙悟空、迪士尼的米老鼠、埃尔热的丁丁、手冢治虫的铁臂阿童木、莫尔和格鲁伯的《平安夜》、布鲁塞尔的小尿童、悉尼歌剧院、爱尔兰的踢踏舞《大河之舞》…… 《科学时报》：凯恩斯说过：“经济学家以及政治哲学家之思想，其力量之大往往出乎常人意料。事实上统治世界者，就只是这些思想而已。”您是如何看待制创新权在社会实践中的重大作用的？ 郎加明：创新者镌刻人生靠的是“三见一情”：识见、主见、创见和激情。天才是自创法则的人，创新的真正名字叫“不同”。谁控制了人的思想，谁就控制了人的行为。一个强国的主要标志有二：一是拥有一大批重大思想成果；二是拥有一大批重大科技成就。方法乃创新之源。掌握了制创新权，就掌握了创新的杀手锏——即产生重大思想成果、重大科技成就的法宝。对此，我们从奥斯本1953年发表头脑风暴法后美国的国力增强、阿奇舒勒1961年发表TRIZ法后前苏联的科技快速发展等事例中，可以看得格外清楚。创新是现代人的图腾。制创新权更深刻的涵义是，人一定要做创新的先驱，而不做思维的囚徒。 实力五边形突显方法无价 《科学时报》：我们今天讨论创新，是希望为国家的发展、民生的改善找到一个新的突破口。近年来，“国强民富”与“民富国强”一直是一个争论焦点。您是怎样认识这个问题的？ 郎加明：制造和使用工具（含装备），是人类与动物的标志性区别；创造和运用方法（含谋略），是创新者与普通人的标志性区别。衡量一个国家及地区的历史阶段、强弱程度和发展潜力，我提出了一个理论，叫做“实力五边形”。 第一是资源，即人们所占有的资源优劣。如地理位置、海拔高度、领土、领海、领空、海岸线、出海口、航线、海峡、岛屿、山川、森林、草原、沙漠、江河、瀑布、湿地、石油、煤炭、化石、玉石、金银、铜铁、稀土、高岭土、盐湖、矿泉、地热、日照时间、风能、温度、湿度、生物种质资源、自然遗产资源、文化遗产资源…… 第二是精神，即人们所具有的精神状态。像道德、理想、信念、意识、情感、责任感、使命感、价值观、人生观、正义感、进取心、凝聚力、意志、观念、士气、胆量、勇敢、毅力、心态、情商，以至富于精神色彩的宗教、文化、艺术、戏剧、歌曲、舞蹈、雕塑、徽标…… 第三是方法，即人们所拥有的方法水平。如谋略、计策、案例、定理、法则、模式、机制、知识、经验、技能、本领、诀窍、套路、程序、工艺、历法、训法、算法、教范、模型、结构、方程、阵法、配方，以至资料、档案、数据库、典籍、地图、海图、气象云图、技术图纸、法律、制度、标准、规划…… 第四是工具，即人们所制有的工具能力。像装备、机械、设备、设施、运具、模具、道具、梯具、兵器、礼器、乐器、容器、法器、量具、刃具、磨具、教具、计时器、指南针、仪器、仪表、望远镜、显微镜、电子计算机、模拟机，以至属于工具外延的生产线、风洞、重水反应堆、高能加速器、卫星、互联网、GPS…… 第五是物品，即人们所享有的物品程度。如粮食、棉布、肉、蛋、奶、海鲜、果蔬、调料、糖、药品、烟酒、化妆品、艺术品、漆器、刺绣、家具、玩具、游艺设备、餐具、花草、皮毛、丝绸、箱包、珠宝、图书、音像制品，以至酸、碱、盐、塑料、纸张、玻璃、金属、木材、水泥、电视机、冰箱、空调…… 综上而知：“以道驭器”。在实力五边形的五大指标中，软资源和硬资源最重要，但软资源比硬资源更重要；软方法和硬工具最重要，但软方法比硬工具更重要；软实力和硬实力最重要，但软实力比硬实力更重要。 《科学时报》：您能说得再具体一点儿吗？ 郎加明：在一个国家及地区，以至一个军队、企业、学校、医院、科研院所中，人们所占有的资源多寡主要是天然的或历史形成的，所享有的物品程度可以是自己加工或进口的。不过，人们所具有的精神状态、所拥有的方法水平、所制有的工具能力这三个关键指标，如果不是进取的、独立的、自有的，那么，可以判断这个国家及地区必是某些强势国家或强势国家集团的“殖民地”或“半殖民地”，这个军队、企业、学校、医院、科研院所等必是某些强势团体或强势团体联盟的“附庸体”或“半附庸体”。因为道理很简单：物品、工具是由创新者和其他劳动者的精神、方法，对资源发掘、加工而固化、优化来的。 毋庸置疑，在由资源、精神、方法、工具、物品组成的实力五边形中，每一条边越长其实力面积便越大。方法无价，创新无限。实力五边形的真理性有史可鉴：宋末、明末、清末的中国，虽因资源、物品这两条边很长貌似“国强”，但精神、方法和工具这三条边太短实则“国弱”，即综合国力落后而随之“民贫”；反之，现代的日本、以色列、梵蒂冈等，虽因资源、物品这两条边太短貌似“国弱”，但精神、方法和工具这三条边很长实则“国强”，即综合国力先进而随之“民富”。新中国的千秋伟业，是用“先计划经济，后市场经济”亦即“先做强，后做大”的英明方略，把实力五边形的每一条边都快速画长了，使中华民族的“利剑”和“剑法”与时俱进。 知识产权：隐形的战争 《科学时报》：依您看一个国家及地区以至一个企事业单位若要基业常青，主要靠什么？ 郎加明：创新思维是无形的竞争，知识产权是隐形的战争。创新思维是一个大社会的公器，知识产权是一个小世界的私器。一个国家及地区以至一个企事业的基业常青，应靠以创新思维研发和保护知识产权。为说明这个问题，我们不妨回顾一下欧美、日本等先进国家或曰发达国家的“文明两段史”。 第一阶段是“掠金史”：在人类体力称雄的时代，先进国家以发明机械设备（工具）并“军舰在先，贸易在后”的手段，到落后国家公开“掠金”，而落后国家则当血汗奴隶区为先进国家打工，即先进国家在全球主要以工具（含装备）制胜。 第二阶段是“淘金史”：在人类脑力称雄的时代，发达国家以创造知识产权（方法）并“贸易在先，军舰在后”的手段，到发展中国家隐蔽“淘金”，而发展中国家则当专业人才库为发达国家打工，即发达国家在全球主要以方法（含谋略）制胜。 一个国家生存和发展有三大空间：一是领土、领海、领空；二是极地、公海、太空；三是知识产权的隐形疆域。推而广之，一个企业生存和发展也有三大空间：一是生产及服务；二是贸易活动；三是知识产权的无形要塞。还应当指出，人才有创新型人才、专业型人才和创新与专业结合型人才之分；知识分子中的绝大多数人并无知识产权。知识产权是人类发现和发明的第三空间。鉴此，我要说三句话：知识产权是创新者的智慧结晶；知识产权是创新者以创新思维划分的经济版图；知识产权是创新者的佩剑——即进攻的“矛”、防御的“盾”和荣誉的“勋章”。一般而言，“三名主义”与“三权鼎立”是并存的：即著名人物主要是靠著作权支持的；著名品牌主要是靠商标权支持的；著名产品主要是靠专利权支持的。自然，知识产权还包括商号名称、植物新品种权、地理标志权、商业秘密等，但主要是著作权、商标权和专利权。 《科学时报》：您认为我国企事业和个人在知识产权创造、保护和运用上现状如何？ 郎加明：尽管党中央、国务院早在2006年1月就提出建设创新型国家的宏伟目标，但时至今日依然有三种现象格外刺目：宁愿花8000元请客拉关系，也不肯用1800元注册商标；宁愿花3小时闲聊或逛街，也不肯用30分钟写文章形成版权；宁愿花10亿元去炒房地产，也不肯用100万元研发专利。2010年3月15日发生在北京土地市场上的3家央企成为新“地王”事件，就是那些不愿艰辛创造、保护和运用知识产权，而只想一夜暴富、一赌致富的典型。必须指出：跨国公司垄断的大多是无形资产，中资企业占据的大多是有形资产。若用“创新之光”透视一下：我国不少所谓的“500强”大企业，不过是“有肉缺骨，有骨缺钙”，即没有多少知识产权的“500大”；一些所谓的著名单位，不过是早已被别人注空了知识产权的“纸老虎”。 当然，我国也有相当数量的企事业对知识产权是非常重视的：截至2010年4月5日，华为有专利27766件，中兴有专利17559件，《读者》有商标139件，圆明园有商标746件，颐和园有商标48件，南航有商标240件，铭万网有专利、版权和商标共55件……特别是当年中科院计算机所用联想式汉卡、北京大学用汉字激光排版系统的知识产权投入创办企业，今天已发展为品牌化、产业化的跨国公司的实践，更是令人振奋的成功例证。 《科学时报》：您对这些现象和事实有何看法？ 郎加明：知识产权是创新思维作为天使或魔鬼时的化身。有知识产权者昌，无知识产权者亡。创造知识产权就是创造战略资源，保护知识产权就是保护战略利益，运用知识产权就是运用战略力量。做生意就是做创意。迪士尼在华已注册2797件商标，绝不是想给中国政府交“官费”，它在“创意、科技、产权、交易”四个维度已展开的知识产权行动，实在值得国人良久玩味。 另外，广东东莞所生产的芭比娃娃1美元出口，卖到美国大约10美元，9美元是制造之外的产品设计、原料采购、仓储运输、定单处理、批发经营、终端零售等6个环节创造的事例，以及美国的可口乐乐和微软、英国的立顿茶、法国的路易威登和欧莱雅、瑞士的雀巢咖啡、瑞典的宜家、芬兰的诺基亚、丹麦的乐高积木……其品牌价值动辄以千万亿计所折射出的，难道不也是“知识产权是软实力的极光”的规律吗？ 唯一即第一与第一不唯一 《科学时报》：今年4月26日，将迎来“世界知识产权日”创设10周年。对此，您有何感想？ 郎加明：近三年的“世界知识产权日”主题为：2008年“尊重知识产权和赞美创新”；2009年“绿色创新”；2010年“创新将全世界联系在一起”。可见，创新思维与知识产权是母子关系；没有创新思维和知识产权，就没有核心竞争力。反过来说，现在的“知识产权赤字”即未来的“国民经济赤字”。中国作为全球最大的DVD生产国，每年却要花10多亿元人民币买专利许可，亦即因缺乏知识产权“中国在世界上买什么东西什么贵，卖什么东西什么便宜”的现象，再也不能继续下去了。 《科学时报》：您觉得怎样才能迅速改变我国知识产权状况？ 郎加明：一个国家必须要建设和保卫知识产权的隐形疆域，一个企业必须要构筑和保护知识产权的无形要塞。中国人在古代，是重整体、轻局部；在近代，是重技术、轻科学；在现代，是重制造、轻服务；在当代，是重现实利益、轻知识产权。总的看，是“三少三多”：即首创的少，从创的多；原创的少，衍创的多；独创的少、改创的多。说穿了，还是比较缺乏平地而起即颠覆性创新的智慧和胆魄。我认为，“三权”（专利权、商标权、著作权）是最大的战略资源，“三创”（首创、原创、独创）是最佳的发展方式。“三创”加“三权”，强国又富民。因此，中国应以“三创”精神大力营造“三权”生态，以形成“世界脑谷”、“世界办公室”，而不是高耗材、高耗能、高排放的“世界工厂”。 《科学时报》：请举出一些以“三创”精神营造“三权”生态的实例。 郎加明：新加坡著名学者莫少昆说过“格局决定结局。”的确，在国际产业分工中，经济结构和发展方式决定较量结果和博弈输赢。首先，让我们看一看世界智库的情况：2009年，美国有1777家，英国有283家，德国有186家，印度有121家，日本有105家，中国大陆仅74家；其次，1851年伦敦就举办了第一届世博会，蒸汽机、电话机、计算机、航天器等，几乎都经历过世博会的“洗礼”，连度假村、百货商店、主题公园、银行柜员机等，也得益于其启迪，而上海2010年才举办世博会；再次，当走进靠“一条小峡谷办旅游业、一群大银行办金融业”的发达小国卢森堡时，人们恐怕都会留下熟悉的陌生——“哇！原来不用机器轰鸣也能成为创新型国家”的印象…… “没有竞争是最好的竞争”，人一旦发现和发明了某一新类别，就创造了没有竞争对手的唯一和第一。但亦请切记：唯一即第一、第一不唯一，首创者、原创者、独创者永远是唯一的，后来的第一即使不是跟跑者而是领跑者，也总有一天会被淘汰掉。对于这个道理，已善于运用“看得见的手”和“看不见的手”两手抓的现代中国人，是终于明白了：一方面，奋力建设铁路、高速公路、机场、港口、水利枢纽、核电站、输电线路等基础设施，另一方面，大力研发和制造集成电路、高端元器件、机器人、半导体、航空设备、精密仪器、工程机械、生物技术等。更重要的是，在“中国制造—中国智造—中国创造”的价值链上，努力创新划时代的事物，像世界首部植物染色体图谱、首个光量子电话网、首座3.6万吨黑色金属垂直挤压机、首个实验型先进超导托卡马克、首辆“抢险变形金刚”、首支甲流疫苗、首款手写电子书、首台超大屏幕全高清三维立体激光电视…… 《科学时报》：还有什么措施可以增加我国在国际市场天平上的砝码呢？ 郎加明：制造业的灵魂是专利权，服务业的核心是商标权，创意业的精髓是著作权。知识产权是“天才之火添加利益之油”的制度。有产权的知识，才是财富和力量。发现不等于拥有，发明不等于占有。因此，注册知识产权就是争分夺秒的市场制高点争夺战。作为一种流程，其要害有三：创新主体的研发要快，知识产权代理公司的申办要快，政府机关的审批要快。在这方面，北京金三极知识产权代理公司的独特经验，值得同行借鉴：即三快（制文快，报文快，传文快）、三保（对申报信息有效保护，对相关信息严格保密，对档案资料长期保管）、三全（全程服务，全程参谋，全程仅一次收费）和四帮（帮助客户认识价值，帮助客户发掘需求，帮助客户清晰目标，帮助客户战略规划），从而在商标申请、版权登记、专利代理和商标设计等领域，特别是在著名商标、驰名商标申办的顾问式服务中，受到了业界专家、高端客户的广泛好评。 创新的思路=方向×方法 《科学时报》：人类思维是“地球上最美丽的花朵”，您认为创新的关键在哪里？ 郎加明：创新就是想前人之未想、做前人之未做的事情。当见多了“有知识没文化，有专业没思路”的人才之后，任何不带偏见的人，恐怕都会有“创新的关键是创新的思路”的共识。爱迪生说“天才，百分之一是灵感，百分之九十九是汗水，但那百分之一的灵感是最重要的。”我历来认为，在创新中一个人的灵感、直觉和悟性是最重要的。 《科学时报》：创新的思路是否有最简单的表达方式？ 郎加明：什么是创新的思路？我列出一个公式，可供有志于创新者参考： 创新的思路=方向×方法 一切创新皆始于思维创新。人们在各行各业的竞争，从形式上看是力量积累和力量运用的对抗，但实质上是思维方式和思维能力的较量。因此，“创新的思路=方向×方法”中的“方向”，指的是走出创新迷宫的目标、战略、路径（所谓“科研好搞，课题难选”说的就是这个意思），这就如同开掘隧道一样，第一个人先钻出一个透着微光的小洞，后来者再逐渐将其扩大、加固、优化。公式中的“方法”，指的是破解创新黑箱的谋略、战术、武器。方向决定出路，方法决定成败。选择方向和创意方法，都需要眼光独到和判断准确。下面，我举两个例子佐证之。 第一个是中科院光电研究院研发激光显示技术的故事。2000年的一天，许祖彦院士与曹健林在谈话中突然灵光一闪，何不利用现有的仪器作一次激光光源成像的试验呢？于是，大家把房间的灯都关掉。黑暗中，许祖彦试映的图像竟隐约出现在屏幕上，证明这条技术思路是可行的。随后，由光电研究院投资并组织中科院物理所、理化所、长春光机所等协同攻关，终于成功研发出一系列激光显示原理样机，使我国激光显示技术走在世界前列。 第二个是两个不同学历者研发分拣空盒装置的故事。某化工公司引进一条香皂生产线，不过发现常有盒子未装香皂便流入包装箱。为解决该缺陷，公司请一名博士挂帅组成十几人小组攻关，采用机械、微电子、自动化、X射线探测等技术，花了几十万元钱，最后一有空盒就会被机械手拣走。后来，这套装置坏了，情急之下车间主任命令一名工人：“搞定这事，奖励你300元”。岂料工人只简单改造了一台电风扇放在流水线旁，便可把空着的香皂盒吹进回收槽。 《科学时报》：那么，创新方法与点子有什么区别呢？ 郎加明：方法为创新之魂。一般而言，创新方法是个独特的体系，点子仅是“眉头一皱，计上心来”。关于创新方法的研究和应用，我们不妨先看《水浒传》中的一则掌故：“九纹龙”史进“自幼爱刺枪使棒”，其父史太公花了不少钱，请众多师傅教过他武艺，能“把一条棒使得风车儿似的转”。东京80万禁军教头王进因“恶了”高俅，逃奔史家庄，史进高低要与王教头比个输赢，结果，交手只一个回合，他的棒便被打在一边，人也被打翻在地。王教头对史太公说：“令郎学的是花棒，只好看，上阵无用。”何也？王进是原创者。所以，自主创新，须方法先行；方法先行，得自主创新。我们不仅要学习和推广美国奥斯本的头脑风暴法、前苏联阿奇舒勒的TRIZ法等，而且应下苦功夫原创具有知识产权的创新理论及创新方法。中国人万不可只热衷于“山寨化传播”舶来品，老将自己的车厢挂在别人的火车头后面。 《科学时报》：建立创新体系有无捷径？ 郎加明：巴甫洛夫说，科学是随着研究方法所获得的成就而前进的。创新需要思路，同时，创新是个体系。关于创新的体系创新，其实有三个办法： 体系=要素+要素； 体系=要素+结构； 体系=结构+要素。 无疑，在“体系创新三公式”中，“体系=结构+要素”是最有意义和价值的。因为这一开放的、动态的公式，具有发现现实需求、发掘潜在需求、发明梦幻需求的功效，更能体现“思路统帅知识（技能）”的创新意蕴。 创新思维为新的时代升旗 《科学时报》：拿破仑曾说：“纵观历史，人类所使用的武器无非是思想和刀枪，而从事实来看，刀枪往往被思想所战胜。”您对这句话有什么看法？ 郎加明：历史是创新者缔造的，历史是胜利者写成的。暗夜中执炬的创新者，才是最可爱、最可敬的人。从世界各国的历史来看，近代中国曾有“实业救国”、“君宪救国”、“道德救国”、“科学救国”、“教育救国”等高论。1934年，张伯苓还提出过医治国人“愚、弱、贫、散、私”的良方是“体育救国”。现代美国也有“工业立国”和“金融立国”,日本有“贸易立国”、“科技立国”、“金融立国”、“信息立国”、“文化立国”和“知识产权立国”，韩国有“科技立国”、“教育立国”和“文化立国”，新加坡有“人才立国”，以色列有“教育与科技立国”等战略。检索共同的关键词，显然是“科技立国”、“教育立国”居多，但趋势是“文化立国”、“知识产权立国”。 不过，我认为，创新为新的时代升旗。既然人类已经走过了渔猎经济时代、农耕经济时代、工业经济时代，到达知识经济时代和即将进入创新经济时代，那么，最适应中国在知识经济时代和创新经济时代的战略，似宜是“创新立国，创新强国”。因为文化的深层是智慧、知识产权的高端是创新思维。国之重器，惟创新思维；国之瑰宝，惟知识产权。 《科学时报》：这些年，许多人对我国的素质教育颇有微词，请谈谈您的意见。 郎加明：素质教育不等于只让青少年学外语、弹钢琴、拉提琴和唱卡拉OK，并变成记忆机器、应试工具、解题高手，关键是要进行创新思维和知识产权的教育。清朝耗资约1350吨白银购入西方铁甲舰组建的北洋水师在甲午之战中灰飞烟灭的教训，绝不是由于当时中国缺少能歌善舞、吟诗作画的人才。战胜法国并俘虏法国皇帝的德国元帅毛奇曾说，“普鲁士的胜利早就在小学教师的讲台决定了”。此言不虚。历来阻碍许多中国人创新的东西，主要是“两不意识”：一是只认为体力劳动是劳动，而不认为脑力劳动也是劳动；二是只认为书本知识是文化，而不认为创新思维也是文化。遗传基因是父母给的，文化基因是环境给的，创新基因是社会给的。高优的教育催化人的想象力和创新力，低劣的教育泯灭人的想象力和创新力。先进的教育生产“创新富翁”，落后的教育生产“创新负翁”。 《科学时报》：您对中国创新还有何寄语？ 郎加明：创新思维是第一软实力。2000年11月1日委内瑞拉《宇宙报》的一篇文章说：“今后，人们将不再以拥有土地和钱财的多少论财富，而主要以知识的多少、智力的高低和创新能力的大小论贫富。”的确，昨天的成功靠血汗，今天的成功靠知识，明天的成功靠创新。无形方法创造有形价值。灿烂的创新思维之花，必然结出丰硕的知识产权之果。创新盛典自有创新盛宴。中国是世界上人口最多、科技人员最多和企业最多（仅中小企业就有4000万）的国家。只要沿着创新之路阔步前进，未来人们对“中国”的解释，一定是“中国——世界创新的中央之国”。 《科学时报》 (2010-4-13 A3 访谈)

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[转载]基金评审意见

热度 2 xc11111111 2011-9-21 08:14

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扼杀国人创新的两个因素

热度 11 seawan 2011-7-17 16:01

扼杀国人创新的两个因素 根据本人的观察，发现至少有两个因素会极大的扼杀国人——特别是国之青年的创新思维和创新动力： 1. 封建等级制度的流毒。 中国的等级制度，使得“平等讨论”很难进行。 如果你没有一定的官职，则无法组织讨论：没有人会参会，更没有人会关注你的“创意”。 如果你有能力组织讨论，则你的官职会压抑与会人员的讨论，因为大家要顾全你的脸面，不会积极活跃的发言，更不会提出尖锐的反面意见。 这样的气氛下，“头脑风暴”式的创意讨论难以进行。 2.生活压力和邪恶的价值观念 生活的压力使得年轻人更倾向于“做一个工作的奴隶”，而不是思考什么才是有价值有创意的工作方向。 因为大家都明白，创新是有风险的，而“打工”是没有风险的。 当大家都为房贷、首付、车子、名牌等等操心的时候，就没有人敢于创意了。 之所以说这里面有“邪恶”的价值观念，是因为现在很多人认为的“有面子”、“生活应该如何如何”等等的事情 （例如：“应该”买汽车，“应该”举办一个大的婚礼， “应该”找什么样的恋人， “应该” 在几岁结婚，“应该”在几岁生孩子，“应该”上什么样的幼儿园，“应该”到什么样的单位工作，“应该”上什么学校，“应该”有什么样的分数，“应该”让孩子学什么东西，“应该”一心一意竞争分数， 应该采取什么样的生活态度和生活方式风格 等等） ，不是一个健康正直的人生价值观念，而是某些商业机构“普及洗脑”的结果。在一个具有多样性价值观念体系的社会中，这些是不会成为万众一心的行为取向的原则的。而一个价值观念如此单一到变态程度的社会，是一个畸形的社会。在这样一个社会中， “活在他人的眼光里”成为大家的理想 ，而创新则变成奢谈。

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什么是创新的思维？

热度 5 wangdh 2011-1-15 00:52

什么是创新的思维？ （王德华） （ 2010 年 12 月）在昆明参加《第四届整合动物学国际会议》，主题是全球气候变化的生物学效应。在这次会议上，以色列海法大学的 A Haim 教授作了一个很有趣的报告：夜间光照作为一种全球变化影响的因素。他的专业是动物生理生态学（环境生理学），与我是同行。他从鼠类等啮齿动物对光照的反应，讲到哺乳动物大脑接受光信号的器官 - 松果体，及松果体分泌的激素褪黑激素（就是电视上经常做广告的脑白金含有的一种成分），一直讲到夜间光照对现代人类生活的影响，尤其关注了夜间光照与人类女性的乳腺癌的关系等等，报告的跳跃性很大，学科范围很宽，知识面很广。他介绍的一些研究结果很有趣，如夜间光照对于小鼠的摄食节律产生了影响，导致动物的体重增加。由于城市化的进程，现代生活节奏的变化，城市夜生活的发展，人类的生活节律发生了很大的变化。城市夜晚的光照已经成为一种新的很严重的光污染。他的调查数据显示，城市女性乳腺癌的发病率与城市夜晚光照强度是密切相关的。他们的研究结果给了我们很多启示，如未来城市的胖子是不是越来越多？需要倒班的一些工种，从事这些工作的人们的体重是不是会增加？城市女性是不是会受到城市夜生活或夜间光污染的侵害（乳腺癌发病率增加）？我们如何应对城市生活节律的变化？生理上、病理上这些变化，还会引起哪些连锁反应？等等，你会有很多的联想和疑问，这些当然就是进一步研究的基础和兴趣所在。相信，会有学者在从事这些研究，也会有些不同的研究结果发表出来。 对于 Haim 教授的这个报告，听众反应不同。有的听众说这老先生真能忽悠，报告都扯到哪里去了；有的说这老先生的报告很有趣，思维真活跃，很受启发，特别欣赏他的思维方式和对问题的敏锐。由于是朋友和同行，我当然很欣赏 Haim 的思维，他是犹太人。犹太人的聪明和智慧是没说的。我想这就是创新思维，将自己的研究扩展到与人类医学价值密切的领域，用自己领域的知识，阐述和回答一些人们关心或没有注意到的问题，必然会带来新的思考，新的认识。大众关心和感兴趣的问题，或者大众漠视但很重要的问题，如果有好的结果，自然会发到好的刊物上，如他们关于夜间光照改变小鼠摄食节律的结果就发表在 PNAS 上。他们针对这个夜间光照问题的相关研究，已经不少工作发表。我去年在以色列访问他的时候，他跟我聊过他的一些工作和想法，如他利用地下活动的鼹鼠（一种视力很弱的瞎老鼠）在进行机理性的生理学研究，考虑到那些（天生和后天）盲人妇女的身体健康（如乳腺癌与光照的关系）；与细胞学教授合作进行关照与癌细胞的关系研究等等，似乎有很多的科学设想（注：这些 Idea 是可以公开的，若有学者愿意去探索，也是值得鼓励的，不属于思维剽窃。最近济南大学的科研人员撤稿，主要涉及原实验室的 Idea 剽窃。我曾经针对有些青年学者出于赌气将自己未中标的基金申请书的内容公布在网上的事情，写过文章，建议要慎重。这是题外话。） 我感受到的另一个启发就是，事情认准了，就要认真去践行它，认真去思考和研究它，经过一定时间的积累，一定会有结果的。 Haim 以前的研究，有部分内容是关注光照对动物能量代谢的影响，近几年又开拓了一个新的兴趣点。这就是科学研究的魅力吧。兴趣驱动的，问题驱动的研究，就是这样的。科学工作者，痴迷于自己的研究领域，思考着将自己的研究与社会大众生活结合起来，创新的思维就会不断。社会在发展，环境在变化，人们的各个方面（思想意识、生活方式、行为表现等）都在变化和发展中，不同的时代背景，会有不同的社会问题和人类健康问题、生活问题，这就是科学家创新的源泉。我们的学生经常迷茫的就是，我们天天研究老鼠，这些研究结果除了发表几篇文章，阐明一些没有几个人关注的自然规律外，有什么实际用途啊？我自己也曾经困惑过，做纯基础研究，应用基础研究，应用研究，哪个更值得？答案似乎很复杂，爱好、兴趣、机遇、大环境、个人背景、专业，等等，都在不同程度上限制和决定着一个人的选择。所以，存有兴趣是很重要的，会发现机会和抓住机会是很关键的，敏锐的学术嗅觉是重要的，学术积累更是决定性的。 （王德华 2010 年 12 月 13 日写， 2011 年 1 月 15 日完善）

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想象力比知识更重要

njzhaoxm 2010-4-10 12:17

爱因斯坦说过：想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切并推动着进步，想象才是知识进化的源泉。 目前，研究型大学都在提倡启发式教学，激发学生的创新思维，到底怎嘛做，好像只是口头上喊喊，教师的教学模式没大的变化，教学需要投入时间和精力，可目前国家和各学校的评估机制不利于教学，短期看不出结果，似乎各高校在比科研经费总数，学校也重视科研项目，只搞教学的老师恐怕职称都解决不了，长此以往，教育水平和人才培养可想而知。各级教育主管领导应该比我等明白N多倍，对策在哪里呢?等等看吧。 目前的教学工作是良心活，但愿教育工作者都有良心！！

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关于创新思维和创新人才

liweiyin2009 2010-2-4 11:28

关于创新思维和创新人才 在写这篇文章之前，我先要向所有看我的博文的朋友们致谢，谢谢你们还不嫌弃，特别是关于教育问题，我几乎都没有信心往下写了，总觉得自己是自不量力，又不在教育部门工作，而且还是在科学网上发表，也许没有人感兴趣，没有想到有那么多人阅览，说明大家对我国的教育问题都十分关心。我想说的一句话，就是教改似乎从一开始就走拧了路，所以老百姓和专家都在着急，包括钱学森不得不带着遗憾离开了我们。今天我又从网上看到了温总理的发言，说明他对我国的大师级人物求贤若渴，心中牢记着钱学森提出过的我国大学要有创新人才的谈话。温总理的理解是，建世界一流的大学，出世界一流的人才。温总理是个好总理，未国，为民操心。但是我有点遗憾，因为钱学森就没有提大师这两个字，他希望我们学习加州理工学院科学创新精神，可并没有说一句我们要有一流的大学和一流的人才。于是我决定写下去，想和温总理探讨：我觉得，创新思维和创新人才不是个出大师的问题，更不只是在大学里培养出来的，创新思维的培养要从孩子时候就赋予，不是到了大学给了思维自由就会出创新人才。一流的人才是在众多的人具有创新思维的基础上才能形成的。钱学森从没有自认自己为大师，季羡林更是亲口否认。就说航天和原子弹，没有全体参与人员的努力，没有其中所有大学毕业生和研究生们的创新，完成自己负责工作中的一个个难题，航天事业和国家核武器库，包括我们的核潜艇，能上天和驶向大洋，能让世界震惊吗？我毫不谦虚地说，我们的艺修69/74，我们做的模拟艇的废水处理车间设计------等等多么渺小的人和事，都需要创新思维和创新人才。就像法国的埃菲尔铁塔，如果不是建立在坚实的地下结构上，它能挺立百年至今不倒吗？我们底层的创新人才越多，像钱学森这样的大师，就如高塔会立得更高，更牢。 想想我们以前的年代，家长很少干预孩子，孩子在自由中自然长大，想象伴随着幻想在他们稚嫩的心中自然生成。我那不满十岁，随她公亡的父亲一起离世的大女儿，在5岁的时候，有一次随我在我们大院里走动，那是个冬天，道旁垂柳的枝条上挂满了冰霜，她望了许久，突然对我说：妈妈，你看，树上挂满了粉条。大人视若无睹，可是孩子会有那样地联想。当然这不说明问题，因为我那可怜的孩子都还没有成人就离开了世界。那我们就说说别人： 在上世纪30~40年代，我们国家的文化艺术界是思想十分活跃的年代，那个时代出来的人正好是五四运动左右的青少年，少年时期的思想活跃，给他们后来的创作打下了各自的风格和特色。其实，钱学森，钱三强，钱钟书，还有王淦昌，巴金，梁思成，林徽因，-----都是那个时代前后的人物，也有那个时代的教育家们给了他们机会，没有胡适，只有小学文化的沈从文不会被聘为大学教授。没有当时清华的自由气氛，我父亲，一个数学和物理成绩都几乎为零分的状态，却因为他出色的写作能力和突出的社会活动（从在师大附中就得到了自由发挥的机会）而被录取，他，后来成了以自己的特色写作文学评论和完成《福楼拜评传》这本杰出作品的文学家。没有从小就有的自己思维和发挥自己思想的环境和条件会有他们的成就吗？ 我在前面的文章里就说过，今天我们这个社会，因为功利，对基础教育不研究，不落实，而是一头先抓高考，只注重于办大大学，上百年的大学原有的特色消失了，原有的教育家没有了，只有由上级任命的部、局级干部，受命按上级的意图 管 好大学。考上大学，特别是知名大学就成了家长和就学中学的光荣，升学率成了学校政绩的考核和校长、老师奖金的来源。于是，孩子从小学，甚至从幼儿园开始，就在为未来的高考奋斗，作为第二手，在为孩子出国做准备。孩子从小就奔走在各种班之间，被英语、奥数塞满了头脑，甚至本来是快乐的音乐和美术也变长了负担，孩子没有了自我随意表达、嬉戏玩耍和胡闹的时间和机会。（孩子厌了学，还容易被网瘾，被毒瘾）。今天，孩子还有自由想象的时间吗？说要减负，可是，请那些制定减负的官员们去学生的家里去看看，一个初一的孩子每天就得忙到夜里12点。实际上，过早被塞满的脑子极不利于孩子今后的创新思维，他们学会的只是按要求去办，循规蹈矩，脑子变得僵化。我们常说，淘气的孩子更聪明，可是淘气的孩子早早被淘汰了，哪来的创新人才？关于这个问题，我希望研究人脑的医生们能给出看法。一个从小脑子被箍死的人，写出的文章会程式化，做设计就知道抄规范。到了大学再来使脑子活跃起来是很难的（我没说绝对不可能）。 有朋友说，这是家长的问题，可是，什么时代家长不为孩子有个好前程努力？特别是在中国，不是西方。只是从改革开始，孩子的前程似乎就是一条路，高考进大学。别说家长，老师不也在为高考升学率而奋斗吗？我的外孙在初中时不喜欢数学，我对老师说，他对数学不感兴趣，有什么办法启发他的兴趣？那位优秀老师回答：现在社会是讲竞争，谈什么兴趣？我没的可说的。我们的媒体拼命在宣传名人、名星、大师------，我们的宣传导向似乎扬言什么都想在国际上争第一，什么都要争一流，中国人的谦虚谨慎早就扔进了垃圾桶，名和利，政绩和升官诱惑着官吏们，同样，诱导着家长们。农村里的人想进城脱贫，只有让孩子进大学。在城里做个普通人就觉得被别人瞧不起。其实具备创新思维，成为创新人才，还要与世俗决裂，不受诱惑，钱学森就是这样的人。不为名利所困，才能在学业上潜心，事业上专心。余隆平就为出高产的粮食操心，陈景润一天就埋在计算里，他们都是一类人。成天梦想着诺贝尔奖金的人是出不来人才的。巴金没有获得诺贝尔文学奖，他却活在我们几代人的心里，沈从文的《边城》让全世界感受到了湘西古朴的民风，爱上了可爱单纯的小翠。奥巴马获得了和平奖，又怎么样？让我们踏踏实实地按我们的实际作好我们国家的事，少向人民，特别是孩子灌输功利思想，什么评三好生，班干部评选等等，成效会好得多。我们的社会，小学、中学、大学都要负起责任来。 培养创新人才和创新思维，需要自由的气氛，在大学这个本应该思想最活跃、最富有创造力的地方，如今的教育在管理上一刀切，严重阻碍了学生创造力的培养。这是专家的话。我想说的是，不只是大学，更重要的是从小开始。当然，大学有他特殊的作用。给耶鲁大学捐款的张磊，就是为了感谢耶鲁大学给了他文明教育，从而改变了他的一生。钱学森难道不感谢加州理工学院？只是美国把他抓进了监狱，使他恨透了美国这个国家机器。大学对培养创新人才是有的巨大作用的，因为基础教育后的职业教育是培训技术熟练操作的本领，大学就不同。我本人十分体会受过良好大学教育后的智力和普通职业学校培养出来的人的智力的不同点。我相信科学网上的网友们一定都很有体会，我不必班们弄斧。我只是希望我们的领导，不要老为大师级人物发愁，多把精力放在如何改变当今的基础教育和社会风气的现状上。创新人才多了，自有尖子出来。

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没有独立的人格，就没有创新的思维——再议SCI情结

蒋高明 2009-12-20 11:44

蒋高明 这二三十年来，中国科技界发生的最大事件莫过于引进SCI了，这几乎是伴随着我们经济改革开放一起引进的。SCI经过中国人的发挥，其功能达到了极致，几乎成了统治科学家人生的重要工具，有权使用这个工具的是各级管理者。 我国是一个相对守旧又相对包容的国度。我们在古代有非常多值得自豪的的发明，但近代，我们能够拿出国门的东西少了。即便是造原子弹，其原理也不是我们发现的。我们不愿意创新，更愿意模仿，这倒应了鲁迅的那句话，拿来主义。鲁迅先生当年是支持拿来主义的。殊不知，今天的拿来主义已经成为影响中国科学家原始创新的巨大阻力。 诺大一个中国，我们自身的发明创新明显后劲不足。政治上我们引来了共产主义，思想上引来了佛教，经济上我们引来了市场理论、股票和超前消费，科学上我们引来的SCI。但这些拿来的东西，几乎到了中国，都变了味。经济上我们很快上去了，但很快我们发现，环境污染了，人的道德良心丧失了。引进了SCI，本意是评价科学家的水平，不料我们SCI数量上去了，但有影响的成果少了，科学家的自信丧失了。 100年前，我们呼唤要引进德先生和赛先生，100年后，我们引进的SCI，赶走了赛先生；德先生和我们依然若即若离，如雾里看花。 因为有了SCI限制，绩效、工资、职称、学位、经费、大奖、住房、招生、甚至院士都与此挂钩，于是，科学研究唯SCI论。在这样的评估体系下，一切为SCI开绿灯。短短不到20年，我们发现，好的文章都到了国外SCI刊物，我们的期刊质量却在下降；中国人的SCI拥挤在国外期刊门口，人家提高了门槛，对于我们的文章明显歧视，出现了国际科技界的Made in China现象。而一旦中国人发表的文章有价值的，知识产权却归了人家，连复印都是违法的。科学研究的经费包括科学家的工资、住房却是花了中国人民纳税钱的，这等于全体中国科学家为资本主义服务，不拿人家的薪水，还要忍声吞气。如果我们需要某个原本属于自己的成果，还得花钱买回来，正如我们现在花钱引进人才。过去二三十年，我们人才外流并没有阻止，现在又增加了科研成果外流。引进一个人才国家要花千万资金，而评价标准确实人才手里的SCI。人才也罢，SCI也罢，为什么到了人家的地盘能出东西，在自己的国土上不产东西呢？我们没有很好的制度。 有人说，多发SCI不是也带动了国内刊物的进步吗？因为竞争造成了的进化。果然如此吗？国内刊物从印刷质量、形式、包装等是进步了，但是质量呢？过去国内核心期刊(以前连核心期刊这个名词也没有，只有学报和科普刊物之分)的文章质量是很高的，中国科学家和外国科学家都引用，科学家本人认为质量不好的文章不会轻易拿去发表的。现在呢，国内期刊几乎成了研究生练笔的场所。我不是说研究生的水平就一定差，但科学是逐步积累的，一些刚入道还没有入门的学生文章质量整体水平是不高的。我现在改学生的文章，别说英文了，中文都不通，许多基本的东西都是不太懂的。 SCI评估体系下，就是要你不能有新的思想，你只要发表了一定分数的文章就合格了，管你的文章是干什么的，有没有实用价值或理论创新。一个怪现象就是，现在每个研究所都有成千上万的SCI了，但要找出1-2篇能够代表研究所水平的，却很难。人生只为一件大事来，一个科学家这辈子做了什么，总有一个代表作吧？但太多的SCI里，却实难觅。 有了SCI，管理人员就有了用简单的办法来管理科学家的工具，这比警察手里的枪还管用。科学家要工资，要生存，就得屈从目前的体制，不能有思想，尤其不能得罪当权者和同行，否则就没有经费。有了SCI，就有研究经费，有了经费就有生存的本钱，再去制造SCI；只要制造了新的SCI，就会有新经费，还管他有无创新，创新了别人也不管。于是形成了恶性循环，即我们SCI多了，但属于自己的东西少了，因为我们大部分研究是跟着人家屁股后面跑的跟风研究。 这么算下来，到我们退休时，我们只有一大堆自己都不愿意多看一眼的SCI，因为他实在不是我们想要的孩子，就像不是自己的亲生儿女一样。 实际上，管理人员应当是为科学家服务的一类群体，无论是大学校长还是研究所所长，其定位不能是一线打仗的科学家，而应当是一个指挥家，是后勤部长，是战略家，要能够看到科研的大方向，不需要在具体的课题上花费精力，和真正的科学家争资源。毛泽东不会打枪，但他会带兵。但现在的形势正相反，研究所高校的前五六把手掌握大量的研究经费，带领一大批叫不上来名字的学生；试验是学生做的，发SCI时，领导挂上通讯作者的名字，皆大欢喜。而那些真正能够打硬仗的科学家得不到经费，也没有学生，有好的想法也实现不了。 SCI科研体制下，科学家的人格被扭曲，为了生存，为了在官儿们瓜分后的可怜科研资源中抠点经费，只有去屈从领导，贿赂上级，做三陪(陪酒、赔笑、陪聊)。整天感觉到生存压力，哪里还有什么心思做研究呢？没有独立的思想，何谈创新？科学家没有一个轻松的环境，没有一个好奇(玩)的心态, 没有一股敢说不的勇气，没有一个执迷不悟的钻劲，怎么指望他有新发现？整天跟着科学家屁股后面要SCI，要高分的SCI，他要么去把大文章拆小了去凑数量，要么篡改数据去发他自己都不相信的高分SCI。 要解放科学家，就要改变这没完没料了的评估、排名、评奖、分级、院士遴选。不要陶醉在进入了亚洲多少强，或者进入了世界前几名这样的虚名，自己的水平心中是要有数的。我们能够进入历史吗？即使有一天我们侥幸得了诺贝尔奖，我们也自信不起来，因为骨子里我们就没有把自己当人看。 在中国之当前，科学家是称职的，不称职的是管理者。 （2009年12月20日于九思斋）

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