大連理工大學力學學科發展規律探析

張小鋼， 姜 華

(大連理工大學，遼寧 大連 116024)

隨著時代的發展和科學技術的進步，特別是信息時代和大數據時代的來臨，有的學科日益壯大，有的學科逐漸衰退，有的學科一成不變。如何能在經濟和社會不斷發展的背景下，保持學科的生機和活力，是大學管理者和學者面臨的問題。大連理工大學的力學學科，始終保持著持續發展的動力，創立初期就展現出強勁的實力，并一直在中國力學學科發展的過程中扮演重要的角色，至今依然優勢明顯，成績一流。

力學是研究物質機械運動規律的科學，橫跨工程與科學，在航空、航天、能源、交通等國家重大工程技術的發展中，有著舉足輕重的作用。力學既有很強的基礎性，又有廣泛的應用性，其基礎地位與戰略的地位持續發展，在眾多領域逐漸顯現[1]。

力學有悠久的歷史，從古希臘的阿基米德到現代，從靜力學到動力學，再到經典力學等，始終處于不斷變化發展的過程中。在新中國成立之后，力學成為一個獨立的學科，并得到了長足的發展。1951年，錢偉長在中國科學院數學研究所建立了中國第一個力學研究室；1952年周培源在北京大學建立了中國第一個力學專業；1957年中國力學學會正式成立，中國力學的第一個專業期刊《力學學報》創刊；1958年在中國科學技術大學成立了第一個獨立的力學系[2]。

20世紀50年代，蘇聯第一顆人造衛星上天等一系列的科技發展，對中國力學人才的需求和培養提出了空前迫切的要求。當時，以錢學森為代表的一大批優秀力學家從海外歸來報效祖國[3-4]。大連理工大學(以下簡稱“大工”)工程力學系應運而生，1957年10月，教育部批準大連工學院成立力學系，第一任系主任由1955年當選為中國科學院技術科學部常務委員的錢令希擔任。歷經半個多世紀的發展，大工的工程力學系已經成為中國力學領域科學研究、人才培養和學術交流的重要基地，綜合實力和學術水平在我國力學領域處于一流水平，在國際學術界也有重要影響。

一、一流學科生成發展需要破解的主要矛盾

(一)學科發展的矛盾面之一：無限增長的學科知識

學科隨著時代而發展，學科知識譜系的發展在資源配置中起到重要的作用，尤其是知識積累的質變。以力學為例，力學是工程科學的基礎。力學學科有許多分支學科，國際上也并無統一的分類方法。在中國大學的力學或工程力學系中，通常依據研究對象設一般力學、固體力學和流體力學三個專業：一般力學研究的對象是質點系、剛體及離散系統，固體力學和流體力學分別研究有固體變形和流體流動的力學問題[5]。在解決工程技術問題及向其他學科滲透的過程中，力學大大豐富了學科內涵。

力學兼有基礎科學和技術科學的雙重屬性[6]。力學的雙重屬性是該學科三百多年來發展歷程的客觀描繪，得到國際科技界的廣泛認同。力學工作者需要具備嚴謹的數理基礎，時刻面對著復雜的實際問題，善于在簡明的自然規律與復雜的現實世界之間架設橋梁[7]。力學是工程科學的基礎，也是連接理科與工科的橋梁。工程力學既是理科，也是工科，與工程結合是工程力學最大的特點。近代計算機技術和近代實驗技術的應用，使得工程力學增強了解決工程問題的能力，根據力學原理開發的各項技術已應用于生產實際、工程實踐以及越來越多的高科技領域。如從1973年開始，大工力學系鐘萬勰等就著力研究計算機在結構力學中的應用，解決了上海電視塔、重慶長江大橋、沈陽體育館大型空間屋架等結構工程的實際問題，并取得了用數學中群論處理具有廣義對稱性的結構等理論成果，體現了力學學科知識發展的最新需要。

力學既研究模型的描述，也研究模型的預測。力學是一門基于模型進行定量研究的學科，與工程技術不同，力學研究更側重于發掘蘊含在工程之中的基本規律和定量的設計準則[8]。這種面向自然、源于工程、高于工程的研究路線是在力學學科中發展起來的，并于20世紀在各個工程技術領域中發揚光大。應用力學工作者，要在研究實際工程問題的同時，把研究的視野投向對工程技術和認識自然有重大影響力的規律，然后返回到實際工程中去[9]。力學現象的普遍性和力學研究方法的普適性，提供了力學與其他學科產生交叉的前提。交叉和邊緣領域的力學是力學學科的一個重要組成部分[10]。力學工作者也廣泛地融合到基礎學科、應用和工程技術中。力學學科的這一特點不斷地豐富著力學的研究內容和方法，并使力學學科保持著旺盛的生命力，大工力學系不僅重視傳統力學交叉學科領域，而且投入更大的精力發展與新興學科相關的力學問題[11-12]。

力學大師錢學森1997年曾說“今日力學就是用計算機去回答一切宏觀的實際科學技術問題”。計算機的出現和計算技術的發展加速了力學發展的進程，縮短了問題的研究周期[13]。在一般情況，只要力學工作者完成建模，給出相應的數理方程，計算機就能給出一個數值計算結果。計算機在對復雜問題求解時，給研究人員提供大量的信息，使人們形象地看到物質或系統的內部結構和演化過程。如今世界上已經出現了數值湍流、數值風洞、數值船池、數值地球等提法，以它們為基礎，還可以發現新的現象和規律，如弧子的確立，混沌的發現，都有數值計算的功勞[14]。計算機的數值模擬還架起了力學理論與工程應用的橋梁，使力學走下科學的殿堂，深入到工程技術的各個角落。在交叉學科新的領域不斷提出新模型、新計算方法和新測試技術，并在開發新軟件、新儀器上占據顯著優勢，尤其在計算力學學科發展方面，大工力學系對這一學科的誕生和發展做出了巨大貢獻。計算力學是服務工程的利器，與工程結合的計算力學，是未來新工科的方向之一。大工力學學科發展形成了較多的科研成果，如鐘萬勰院士帶領團隊，以計算力學、彈性力學為基礎研究出的工程計算體系，用一個程序可求解多種問題，應用到土木建筑、航天航空、海上采油、電子、造船、機械制造、內燃機、鐵路、錨桿等許多領域，取得了顯著的經濟效益和社會價值。

以大工力學為依托的工業裝備結構分析國家重點實驗室功能主要體現在計算力學與工程科學計算的理論和方法、結構優化設計的現代理論和計算方法、大規模計算工程軟件系統研究開發和應用、復雜環境下重大工程和工業裝備結構的試驗和分析評價等方面。該實驗室先后與一批重要工業企業進行科研合作，其合作領域包括航空航天結構、深海石油開發裝備、透平機械、重載與高速列車、超輕材料和結構以及巨型操作機的研發等，大工力學學科的發展推動了科研成果的轉化與其在新領域的應用。具有代表性的是與中國運載火箭技術研究院合作的科研項目，在國家長征五號運載火箭的設計中，成功為火箭減重600多公斤，單發節省成本達2 000多萬元。

(二)學科發展的矛盾面之二：大學有限提供學科發展的資源

力學學科的發展離不開時代的大背景，把握力學學科發展特點，重視力學與實際工程的結合，在基礎研究和應用研究上協調發力，力求實現兩者的良性互動。大學對學科發展的支持是學科發展的必要條件，支持大則師資、實驗室、政策都會有保障，支持少則學科“巧婦難為無米之炊”。總結大工對力學學科發展支持的成功之道，可以用學科隊伍建設、基礎設施保障、政策制度支持等方面來進行概述。

第一，建設學科隊伍是學科發展的重點。具有學科專業水平的高素養人才是學科發展的前提，學科隊伍建設是學科可持續發展的根本保證。在學科發展過程中，既要有國際視野和世界水平的領軍人才，也要有學科規劃重點發展方向的高端人才和學術帶頭人，還要有具有學科發展潛力的優秀青年人才，做到學科建設方向不偏，學科建設重點突出，學科建設梯隊有人。同時注重學科團隊發展，從“一個高水平帶頭人”到形成“一個高水平團隊”的“集團效應”，打造與世界一流大學相適應的高層次人才隊伍。大工工程力學系由錢令希院士與唐立民教授聯合創建，第一任系主任由錢令希院士擔任。在建系初期，就有四位留學歐美回國的“老”教師：錢令希、姜際升、方孝淑、唐立民，余者為年輕講師和一大批青年助教。之后通過本校力學系留任，吸納清華力學班學員、留蘇歸國學生等途徑，著力加強師資力量。20世紀70年代初，又通過各種方法將當時的青年學者程耿東、林家浩、隋允康、劉迎曦調回學校，充實師資隊伍。90年代，新合并的工程力學系師資力量雄厚，擁有教授38名、副教授40名，擁有錢令希、鐘萬勰、程耿東3名中國科學院院士和唐立民等學術帶頭人，以及有突出貢獻的中青年專家、特聘教授顧元憲等。隨著改革開放的發展，國際人才交流成為趨勢。1994年大工力學系聘任比利時列日大學材料及固體力學系主任、最年輕的終身教授S.Cescotto來大工工作，成為大工科技專家。工程力學系在引進、遴選和培養學術骨干時，注重整體考慮隊伍的知識層次、年齡結構以及研究方向，培養中堅力量。“計算力學與工程科學計算”科研團隊成為學校歷史上首個獲得國家創新研究群體科學基金資助的團隊，有多人被聘為長江學者，入選教育部新世紀優秀人才計劃，被國際同行公認為計算力學與工程科學計算領域的一支代表性研究隊伍。

第二，保障實驗設施是學科發展的硬件。科研設備是學科建設的依托，所有的科學研究都要依托實驗室、資料室、試驗場地等條件完成，要集中有限資金，加強試驗平臺和與學科相關的、高水平的實驗室建設，實現資源共享。同時，還要抓好國家級工程中心和省部級重點實驗室建設。大工力學系實驗設備不斷發展，從無到有，從簡陋到豐富，從購買到自主研發，逐漸走到國內領先。從校第一臺電子模擬計算機的安裝調試到超聲波成像儀、高性能計算機機群的購置運維，眾多的實驗設備是科學研究的重要支撐。依托力學系建立的國家級重點實驗室——工業裝備結構分析實驗室，則在申請獲批后，為力學學科的發展做出了重大貢獻。實驗室面向國家發展戰略需求及學科發展前沿，針對運載裝備先進設計與分析技術中的關鍵科學問題，在計算力學與工程科學計算的理論和方法，結構優化設計的現代理論和計算方法，大規模計算工程軟件系統研究開發和應用，復雜環境下重大工程和工業裝備結構的設計、試驗、分析與評價等方面，開展了創新性學科交叉與應用基礎研究。

第三，良好的政策制度是學科發展的軟件。一流學科建設要有一流的政策制度環境，政策制度認同是一流學科建設得以實施的基礎。政策制度支持能夠體現學校、院系對于力學學科發展的重視程度。大工力學系在不同發展階段，為了更好地加強力學系的學科發展，先后制定了《工程力學系發展戰略規劃》、《力學學科建設與管理辦法》、《力學學科對外建設規劃》、《學科帶頭人遴選與考核管理辦法》、《引進人才暫行規定》、《力學學科專項資金管理辦法》、《力學學科建設項目立項實施辦法》、《交叉學科建設項目管理辦法(試行)》、《優勢學科建設工程項目獎勵辦法》、《優化學術環境指導意見》等政策制度文件，在人事制度、財務制度、教師聘任制度等各方面為學科建設松綁，為學科發展助力。通過合理地調配實現規劃所需要的人、財、物、信息等各項條件，大工力學系在學科評估、學科建設績效評價、教師隊伍培養、學生培養質量等方面取得突破和推進，為力學學科不斷適應新的外界環境，不斷改革創新，不斷持續發展，創造了良好的學科環境。

二、一流學科發展壯大的核心是培養一流人才

(一)一流學科的發展是從要素構成到系統合成的過程

了解學科發展的規律，必須先了解特殊性的矛盾，也要了解普遍性的矛盾。大工力學學科發展的普遍性在于學科發展的各個要素，如師資力量、經費配置、學科平臺、硬件措施、制度供給等都在持續改進，但這些普遍性的資源未必是大工力學成為一流學科的關鍵。力學學科發展壯大的關鍵是“按照學科發展階段的需要，引進與組織結構相匹配的資源，將引入要素充分融合進已有要素結構中，以此來增強組織的核心競爭力，形成引入資源與組織發展的良性互動”，這種互動是讓資源和組織結構相契合，相平衡，相統一的過程。在這種組合下，學科產出關系到資源和組織合成的效益，學科產出越大越多，則組合強；學科產出小且少，則組合弱。多年來，大工力學學科的產出持續不斷，并不斷地產生比較大的成果。

學科發展壯大是一個學科生態系統內各要素有機結合，不斷推動學科的發展，但不能忽視了核心要素，即“人才”的重要性。國內外學科評價和排名排行過程中，系統涵蓋了多種要素，但大的趨勢始終是加大對“學科培養人才”的認同比重，如“畢業生的成就”“教師的人均科研產出量”等。不同的領域對“人才”的定義是不一樣的，學科發展中的“人才”，就是指對學科發展起到一定作用的人。大學的學科通過專業和課程的載體，不斷培養出優秀畢業生，其產生的作用直接決定了學科的發展趨勢。

(二)一流學科產出的核心是培養一流的人才

學科產出一般是指學術成果、人才培養、社會貢獻和行業聲譽等，這些產出的核心是人才培養。學科依托專業和課程培養學生，將學生培養成本領域的佼佼者，他們不僅能走入社會工作，在眾多領域為社會做貢獻，也能回到學校任教，反哺學科，做科學研究。學科培養出杰出的人才，證明他們做出了更多的社會貢獻，在學科和行業里的聲譽斐然。而這些杰出的人才在本學科領域發展，其學術成果也會比其他人更多更強。總之，在一個學科的發展過程中，人才培養占據核心地位。圍繞核心所做的學科發展努力，將會持續地對學科壯大產生作用，大工力學就是很好的例證，不僅能培養出進入航天、船舶、車輛、土木水利等行業的優秀人才，而且能培養出回校任教的專家和學者。

力學專業教育在培養創新型工程師中具有重大使命，大工力學學科發展承載著學校基礎學科拔尖創新人才培養的責任和使命。大工力學在本科專業學習階段，始終注重對學生能力的培養，尤其是創造力和全球勝任力。培養的學生要有扎實的基礎知識儲備，特別強調基本功。因此在學生本科階段不僅重基礎，重實踐，培養科研能力、自主學習能力，還強調知識是怎么來的，學會用知識解決問題，突出發現問題、解決問題的能力。要求本科生多學習，多實踐，不要只記死板公式，要學會軟件操作，通過建模理解力學基本原理，逐漸培養創造力。要求研究生達到較強的編程能力，課題研究要有內容，要有較高水平的成果才能畢業。大工力學在培養學生做學問要認真，要做老老實實科學家的同時，也強調學生要時刻關注學術問題，注重開闊學生國際化視野，積極為學生營造國際化的學術環境。邀請國外知名教授給學生開展講座、講授課程，選派優秀學生參加國際力學會議，積極承辦國際力學學術研討會，不遺余力地把優秀學生推薦到國際性學術平臺上進行鍛煉，也會安排學生到國外大學學習深造，讓學生始終能接觸到力學學科最前沿的信息，樹立國際意識，加強自身參與國際競爭與合作的能力，逐步提升自己的全球勝任力。

大工力學設立了“錢令希力學創新實驗班”，不斷改革力學課程體系。2011年，依托大連理工大學強勢的理工科基礎和國內外具有影響力的力學學科及其優質的教育教學資源，借鑒清華大學和西安交通大學的錢學森力學班等創新人才培養經驗，確立了“加強基礎、拓寬專業、因材施教、質量一流”的培養理念，創立了“錢令希力學創新實驗班”。該班實施導師制，負責學生學業、科研的個性化指導，設立個性化培養方案和高水平國際化培養體系，增加跨學科課程設置，拓寬學生跨學科發展的視野，設立專題研究課題，積極引導學生盡早發現感興趣的科研領域，引導學生積極參加導師科研項目和各類學術研究交流。該班為力學方向培養了一批拔尖創新型人才，也為大工力學學科發展造就了一批可塑性強、不可替代的優秀畢業生。

大工力學兼容并包，從外校引進自我培養出多位優秀教師，代代傳承，教師隊伍呈現出老中青和諧努力的局面。錢令希、唐立民、鐘萬勰、程耿東、李錫夔、陳浩然、顧元憲等老一輩的教師隊伍發揮了極大的作用，不僅尊重學術，學識豐富，而且師德高尚，重視師風學風，全面關心年輕教師的成長和發展。中年教師隊伍進一步發揮作用，青年教師隊伍成長較快，梯隊合理，和諧共生。力學系教師積極發揮傳幫帶作用，相互交流溝通、團結奮進。解決工程問題不能簡單按照一個力學學科來劃分，要結合力學多學科、多方向共同解決，注重學科交叉綜合。大工力學系設立錢令希力學獎勵基金，獎勵在計算力學研究領域做出突出成績的國內學者，也起到選拔人才，鼓勵促進發展的作用。在六十多年的發展過程中，大工力學系形成自身獨特的力學文化，崇尚學術，尊重人才，擁有民主和諧的科研氛圍和學術風氣，在服務工程中敢為人先，能為人先，勇于擔當，薪火相傳。

三、學科帶頭人在一流學科發展中的關鍵作用

學科之所以成為學科，是因為學科知識系統完備并不斷拓展新的知識，學科的初衷是不斷地拓展學科知識領域。學科的使命則是作為大學的組成單元，支撐大學承擔起人才培養、科學研究和服務社會的任務，其關鍵點是破解學科發展的主要矛盾，培養具有較高學科素養的一流人才。要抓住以上兩個關鍵點的，必然需要高瞻遠矚、深謀遠慮的大師。在大工力學系，作為開創者和學科領袖的錢令希先生就是這樣一位大師。在大工力學系開創之前，大連工學院院長屈伯川教授“三顧茅廬”請錢令希先生到大工任教。而后，錢令希先生以敏銳的眼光認識到國家對工程力學的迫切需要，在1957年申請成立了大工力學系。在接下來的五十多年的時間中，錢令希先生成為了大工力學學科的破局人、決策者和引路人。

破局人：以扎實學識為國家工程服務，使力學學科穩步前進。為國家工程服務，是大工力學系從創建之初到現在一直堅持的路線。錢令希先生以身作則，努力解決國家重大工程、土木、結構裝備等工程實際問題，如建國初期佛子嶺水庫大壩的建設、核潛艇設計、海洋工程等，突破國外技術封鎖，解決關鍵問題，滿足了國家的任務需求。

五十年代出版的錢令希先生的著作《靜定結構學》與《超靜定結構學》為中國當時急需的土木工程師培養發揮了極其重要的作用。1954年和1958年，他先后以武漢長江大橋和南京長江大橋工程顧問的身份，參加了這兩座橋梁的規劃、設計和科學研究工作。1959年，他在中國長江三峽水利樞紐規劃會議上提出了“建新型大頭壩型——梯形高壩”的建議。后來，中國興建的烏溪江水力發電站就采用了這個壩型。1974年，錢令希先生還承擔了中國第一個現代化原油輸出港——大連油港主體工程的設計任務，主持了海上百米大跨拋物線空腹桁架全焊接棧橋的設計和建造工作，獲得全國科學大會獎和優秀設計獎。在力學領域，在力學服務工程領域，錢令希先生以一己之力帶領大工力學師生，推動了力學學科的破繭成蝶，成為全國知名的優勢學科。

決策者：以系統能力整合學科發展的軟硬資源，使力學學科活力四射。錢令希先生作為大工力學的創建者之一，不僅認識到學科知識生產的重要性，也認識到人才培養對學科發展的重要性。他始終在協調學科知識生產和外部資源供給之間的矛盾，推動著大工力學學科的最優配置。

在學科知識生產方面，他帶領一批優秀的科學研究者持續的高質量的產出使力學學科多維度發展。1950年，錢令希教授在《中國科學》發表論文《余能原理》，在學術界產生了深遠的影響。1962年，錢令希教授和鐘萬勰在《力學學報》和《中國科學》上發表了論文《關于固體極限分析一般變分原理》，為塑性力學中變分原理的發展開創了一條新路。1963年，在全國塑性理論和極限分析學術討論會上，二人再次合作的論文《關于殼體極限分析一般變分原理》，在力學界引起了極大反響。1980年，程耿東的博士論文《實心彈性板的最優設計》的部分內容，于當年在美國衣阿華大學舉行的“分布參數最優設計”國際學術交流會上宣讀，獲得與會專家學者的好評。之后他又與合作者在固體力學著名期刊《International Journal of Solids and Structures》連續發表了三篇論文，系統地闡述了如何通過引入微結構封閉設計空間，從而保證分布參數優化問題列式的正則性。這一工作是近代結構布局優化理論的先導性工作之一，直接引發了持續三十余年的拓撲優化研究熱潮。鐘萬勰教授在加拿大召開的“第15屆理論與應用力學”大會上，做了題為《關于結構力學中的群論和廣義對稱性》的學術報告，在國際力學界產生了深遠影響。同時，錢令希教授和程耿東教授領導的結構優化方法和應用研究，唐立民教授提出的多變量擬協調元方法，鐘萬勰教授關于參變量變分原理、基于哈密爾頓原理的力學求解辛體系、精細積分法的研究等，均受到國內外學者的廣泛關注。

錢令希先生通過多種方式，完善大工力學的學科組織架構，制定適合學科發展的規章制度，加強大工力學的實驗平臺和設施建設。建系初期是涵蓋數學專業及物理專業的數理力學系，20世紀60年代成立固體力學教研室、固體力學基礎教研室、流體力學教研室和力學實驗室，再到工程力學研究所和工程力學系，組織機構的變化促進了學科的發展。在錢令希先生的推動下，大工力學系陸續制定了多種制度來保障學科建設的各個方面，同時也建立了國內一流的國家重點實驗室和實驗設備。

引路人：以敏銳眼光指引學科研究的最新方向，使力學學科始終勇立潮頭。錢令希先生對學科知識發展的方向非常敏銳，他和大工力學人共同對力學學科發展的方向進行了深入地探究，20世紀70年代致力于在中國創建“計算力學”學科，倡導研究最優化設計理論與方法。20世紀80年代中期，錢令希院士與國際著名學者共同倡議成立了國際計算力學協會，中國在國際計算力學界始終保持著重要的地位和話語權。1986年，在美國休斯頓召開的國際計算力學協會成立大會上，鐘萬勰院士被推選為中國唯一的常務執行理事，并先后擔任四屆常務執行理事。程耿東院士先后擔任國際多學科及結構優化學會執行委員和主席。目前，大工的計算力學始終是國內力學學科的中堅力量。