融入錢學森技術科學思想的防災減災工程學課程教學探索

宋玉鵬，方 海

（南京工業(yè)大學，南京 211816）

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，人口分布更加聚積，基礎設施建設規(guī)模顯著增大，災害帶來的人員傷亡和財產(chǎn)損失也日漸上升，因此有效提升社會防災抗災能力是我國長期關注的重要課題。土木工程防災減災工程主要通過利用土木工程專業(yè)技術提高各類基礎設施的抗災能力，保障人民生命財產(chǎn)安全。因此，防災減災工程學是高等學校土木工程類學生的重要專業(yè)基礎課程。南京工業(yè)大學也為土木工程類研究生開設了防災減災工程學課程，取得了一定的教學實踐經(jīng)驗。然而，防災減災工程學課程涉及多個學科，知識面廣，例如涉及地震災害、風災災害、火災災害及地質(zhì)災害等不同類型的災害，也涉及混凝土結構、鋼結構等不同類型的民用、工業(yè)、交通等基礎設施結構[1]，學生在學習過程中普遍反映知識點多、學習難度大。因此，有必要探索更加有效的課程教學方法。

上述不同類型災害雖然看起來千差萬別，但在某些關鍵特征上具有共性科學基礎，而不同類型結構在災害作用下的分析也存在共性基礎科學問題。因此，突出防災減災工程中不同問題的共性科學基礎，并結合具體問題的不同特征進行課程教學，有助于學生學習和掌握課程的核心內(nèi)容。另一方面，由錢學森先生提出的技術科學思想[2-3]，就是倡導研究人員從工程中抽象出共性科學問題進行研究，并將研究成果應用于工程，為純科學研究和工程問題之間的鴻溝架起橋梁。在此基礎上，錢學森先生后來進一步提出了現(xiàn)代科學技術體系思想[4]，對指導我國現(xiàn)代科學技術事業(yè)的整體發(fā)展起到了關鍵作用。因此，可將錢學森技術科學思想融入課程教學，強調(diào)把握工程問題共性科學基礎的重要性，不僅有助于學生學習防災減災工程學課程內(nèi)容，而且能夠讓學生了解錢學森技術科學思想和現(xiàn)代科學技術體系觀，對研究生后期學習和開展研究工作均具有重要幫助。

一 錢學森技術科學思想

1947 年，錢學森回國探親期間，在浙江大學、上海交通大學和清華大學作了題為《工程與工程科學》[2]的報告，論述了工程科學的內(nèi)涵和研究內(nèi)容等（錢學森后來根據(jù)國內(nèi)習慣將工程科學改稱為技術科學），被認為是技術科學思想的正式提出。應當說，在1947 年之前，錢學森就已對技術科學有了深入思考。彼時，錢學森已是近代力學、航空和火箭技術的世界一流專家。基于多年的科研與教學實踐，他敏銳地洞察到當時以普朗克和馮·卡門為代表的應用力學學派的引領性工作既不屬于純科學研究，也不屬于純技術研究，而是科學理論與工程技術的綜合。錢學森回國之后，為了推進我國技術科學的發(fā)展，于1957 年在《科學通報》上發(fā)表了著名的《論技術科學》[3]一文，進一步全面論述技術科學的概念內(nèi)涵、研究的必要性、研究方法和發(fā)展方向等。可以說，技術科學思想對我國后來取得包括“兩彈一星”等一系列重大工程技術突破起到了關鍵作用[5]，并且對我國當今科技事業(yè)發(fā)展和人才培養(yǎng)依然起著重要指導作用[6-7]。

錢學森[3]認為，科學理論不能把自然界完全包括進去，總有些東西是不能從科學理論推演出來的。雖然自然科學是工程技術的基礎，但它又不能完全包括工程技術。如果要把自然科學的理論應用到工程技術上去（更合適的說法是科學理論和工程技術的綜合），不是一個簡單的推演工作，而是一個非常困難、需要有高度創(chuàng)造性的工作。而綜合自然科學和工程技術，產(chǎn)生有科學依據(jù)的工程理論需要一個新的知識部門，即技術科學。它從工程技術實踐提取具有一般性的研究對象進行研究，研究成果對那些工程技術問題有普遍的應用。所以技術科學是從實際中來，也向實際中去。

從上述可知，技術科學的研究對象是從工程中抽象出來的共性科學問題，研究過程同時涉及基礎科學和工程技術。關于基礎科學、技術科學和工程技術在科學技術整體知識體系中的地位，錢學森在后來提出的現(xiàn)代科學技術體系中有生動的論述。錢學森從對客觀世界研究角度的不同將現(xiàn)代科學技術知識體系劃分為11 個門類[4]，包括自然科學、社會科學、數(shù)學科學、系統(tǒng)科學、思維科學、人體科學、地理科學、軍事科學、行為科學、建筑科學和文藝。同時，將每個門類分為三個層次，即應用技術、技術科學和基礎科學。在上述科學體系之外的人類精神財富屬于前科學，即待進入科學技術體系的知識，包括不成文的實踐感受、實踐經(jīng)驗知識庫和哲學思維，如圖1 所示。人認識客觀世界的過程是：實踐—前科學—科學技術體系。

圖1 應用技術、技術科學和基礎科學的邏輯關系示意圖

二 防災減災工程學課程特點與教學現(xiàn)狀分析

（一）課程特點分析

防災減災工程涵蓋多種自然災害和人為災害的發(fā)生演變過程、作用效應以及預防應對措施等內(nèi)容，具有以下幾方面特點。

1）多學科交叉。防災減災工程主要關注人類生產(chǎn)生活環(huán)境及設施在地震災害、風災災害、火災災害、地質(zhì)災害和洪澇災害等災害條件下的安全問題，因此涉地震工程、氣象學、火災科學、巖土工程、水利工程和結構工程等學科專業(yè)，具有典型的多學科交叉特點。

2）內(nèi)容知識點多。對于每一類災害，防災減災工程學基本遵循從災害發(fā)生的機理條件，到災害的作用機制和分析方法，再到工程結構的抗災設計與災害控制這一思路進行研究。由于不同類型災害的上述方面均具有自身特點，并且涉及不同類型的基礎設施結構，因此該門課程的內(nèi)容知識點較多。

3）理論與應用并重。在防災減災工程學中，不僅需要對災害的發(fā)生演變過程及其對結構的作用效應給出科學合理的理論解釋，而且需要提出科學有效的防災減災措施，具有理論與應用并重的特點。例如，對于地震災害，既需要對地震波傳播機理及建筑結構地震反應給出理論解答，又需要給出建筑抗震的具體措施。

4）新知識不斷涌現(xiàn)。科學技術發(fā)展日新月異，不斷擴充和完善防災減災工程學的理論技術體系，為該門課程源源不斷地注入新的知識內(nèi)容。例如，隨著可靠度理論的日益發(fā)展，逐漸形成了基于全概率的結構抗災可靠度設計理念；隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術的迅速發(fā)展，災害監(jiān)測和預警問題也有了更加科學有效的解決途徑。

可以看出，防災減災工程學主要基于工程災害實踐經(jīng)驗，提取災害發(fā)生演化過程及其作用效應的關鍵問題加以研究。研究過程涉及自然科學、數(shù)學科學等基礎理論，研究成果應用于提出工程結構防災減災有效措施，是典型的從實際中來，又到實際中去的一門科學，因此屬于技術科學的研究范疇。

（二）教學現(xiàn)狀分析

為了較為完整地介紹土木工程防災減災工程學的基本內(nèi)容，同時結合南京工業(yè)大學土木工程學科的研究特色，課程設置了工程結構抗震、工程結構抗風、風浪聯(lián)合作用、結構振動控制、工程結構抗火、結構抗沖擊、結構健康監(jiān)測和BIM 防災應用等專題內(nèi)容，涵蓋了主要的工程災害類型和防災減災關鍵技術措施。為了能讓學生深入學習課程主要內(nèi)容并掌握前沿研究動態(tài)，安排了多名不同研究方向的專業(yè)教師共同講授該門課程。例如，安排研究方向為結構抗震和結構振動控制的教師分別講授相應的專題內(nèi)容。由于這種方式能夠充分發(fā)揮教師研究專長在教學中的作用，對擴大研究生的學術視野、促進研究生后期學習和研究工作的開展均具有重要幫助，因此很多高校都采用這種做法[8-9]。

然而，這也容易引起一些問題。首先，由不同教師分別講授不同專題內(nèi)容，容易造成學生孤立地看待不同專題知識，不利于學生從整體上把握防災減災工程學的發(fā)展脈絡和研究方法。其次，該門課程雖然涉及的災害類型和結構類型較多，但是在某些關鍵方面具有共性科學基礎，如果不在課堂上加以總結分析，大部分學生很難有這方面的思考認識，不利于學生從更高層面把握課程核心內(nèi)容，也失去了在課堂上培養(yǎng)研究生從實際工程提取關鍵科學問題的機會。因此，有必要對這門課程探索更加有效的教學方式，避免上述問題的發(fā)生，實現(xiàn)研究生課程教學的“知識傳授”和“價值引領”雙重目標[10]，其中價值引領包括思想教育和科學精神及研究能力的培養(yǎng)等多個方面。

三 防災減災工程學課程教學探索與實踐

（一）調(diào)整課程內(nèi)容

隨著經(jīng)濟社會和科學技術的發(fā)展進步，國家對創(chuàng)新型科技人才的需求愈加強烈，因此對研究生科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)至關重要，而課程教學是其中的關鍵環(huán)節(jié)。為了在課程教學中達到“知識傳授”和“價值引領”的雙重目標，基于防災減災工程學的課程特點和教學現(xiàn)狀，同時參考錢學森技術科學思想的主要內(nèi)涵，調(diào)整了該門課程的部分內(nèi)容。首先，在緒論中從實際工程災害案例引出對錢學森技術科學思想和現(xiàn)代科學技術體系的介紹，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。其次，在每章內(nèi)容中融入技術科學思想，從技術科學思想的視角審視防災減災工程的研究脈絡和研究方法，提高學生的認知層次。再次，增加對不同章節(jié)內(nèi)容的聯(lián)系對比，突出防災減災工程學中的共性科學問題，培養(yǎng)學生從工程問題中提取科學問題的能力。最后，調(diào)整課程考核方式，增加專題學習報告和分組匯報環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。課程內(nèi)容調(diào)整的主要情況見表1。

（二）課程教學示例

1 課程示例1：以著名的塔科馬海峽大橋風毀事故為話題，引出防災減災工程和錢學森技術科學思想

第一章緒論。以一段1940 年剛建成通車四個月的美國塔科馬海峽大橋被微風摧毀的視頻開始，讓學生直觀認識到災害的巨大破壞性。然后向學生講授該橋破壞后土木工程師的困惑，即為什么如此小的風力能將剛建成不久的大橋摧毀？以及當時航空領域的專家也參與調(diào)查大橋破壞的原因，進行了模型試驗和理論分析，給出了普遍認可的解釋，即橋梁破壞是由顫振所致。隨后，向學生講授吸取事故教訓后新大橋的設計改進措施，例如開設通風孔等，并且新大橋從1950 年通車后，一直處于安全運行狀態(tài)。然后，向學生總結該案例，自然地引出防災減災工程學的基本概念，點明這門科學的主要研究內(nèi)容和研究思路，即從工程災害的發(fā)生機理，到工程結構的災害反應，再到防災減災的具體措施，幫助學生建立學習這門課程內(nèi)容的基本邏輯。然后，講授錢學森于1947 年在《工程與工程科學》這一報告中關于塔科馬海峽大橋風毀事故原因調(diào)查的精彩論述，自然地引出對錢學森技術科學思想和現(xiàn)代科學技術體系的介紹，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和問題意識，引導學生在接下來的課程學習中從技術科學的視角審視各章節(jié)的內(nèi)容。

2 課程示例2：以影響較大的深圳賽格大廈搖晃事件為話題，探討工程災害原因調(diào)查中蘊含的科學研究方法和技術科學思想

第三章工程結構抗風。在課程中介紹引起廣泛關注的2021 年“5·18 深圳賽格大廈搖晃”事件，著重介紹專家組對大廈搖晃原因的調(diào)查過程。由于可能引起大廈搖晃的因素較多，因此調(diào)查組由多個領域的專家構成，調(diào)查過程充分體現(xiàn)了“大膽假設，小心求證”的科學研究方法。例如，先后排除了施工振動、軌道交通振動、地裂縫與沉降等可能因素，而在考察大廈桅桿風致渦激共振這一因素時，不僅進行了嚴密的理論分析，而且進行了現(xiàn)場激振試驗，最終確認是該因素引起大廈搖晃，并確立了相應的處置方案——拆除大廈桅桿。在講授過程中，還讓學生思考為什么大廈在使用二十余年后才出現(xiàn)渦激共振，然后講授了專家組的調(diào)查過程和結論，即大廈長期使用后，主體結構鋼管混凝土脫粘劣損，阻尼比大幅降低，使大廈成為振動敏感結構。然后，結合鋼-混組合結構在橋梁工程中廣泛應用的現(xiàn)狀，引導學生思考未來在橋梁工程中也可能出現(xiàn)類似問題，進而強調(diào)關注工程中共性基礎科學問題的重要性及防災減災工程研究體現(xiàn)的技術科學特征。

3 課程示例3：從隨機過程的角度介紹脈動風場、波浪場和地震動模擬的一致性，探討把握共性科學基礎對學習和研究的幫助

第四章風浪聯(lián)合作用。向學生展示脈動風速時程、海浪波面高度時程和地震動加速度時程的觀測數(shù)據(jù)，總結上述環(huán)境激勵的共同特征——隨機性，進而引入隨機過程的基本概念。從隨機過程的頻域描述出發(fā)，向學生講授常用的脈動風速譜、海浪譜和地震動加速度譜。基于隨機過程模擬的譜表現(xiàn)方法，向學生講授脈動風速時程、海浪波面高度時程和地震動加速度時程模擬的統(tǒng)一方法。通過對比三種環(huán)境激勵功率譜的不同，向學生講授結構在上述三種環(huán)境激勵作用下動力響應的不同特征。因此，在該部分課程中引入隨機過程的概念，不僅不會增加學生學習的難度和負擔，反而通過突出不同災害過程描述的共同數(shù)學基礎，讓學生能從統(tǒng)一的角度認識風速時程、海浪時程和地震波的特征，體現(xiàn)了技術科學研究的主要特點，有助于學生將該門課程內(nèi)容融會貫通，加深對知識的理解。不僅如此，通過引入隨機過程的概念，還能引導學生在認識問題時將觀念從確定性向隨機性轉變，對于提高研究生的認知水平和科學素養(yǎng)具有重要幫助。

4 課程示例4：從結構在火災全過程作用下的分析探討結構在破壞性災害作用下的非線性力學行為

第六章工程結構抗火。對于大部分學生，在本科階段主要接觸結構抗震和抗風內(nèi)容，而對結構抗火知識了解較少。因此，將首先講授結構抗火設計的三個關鍵步驟：構件溫度場分析、溫度作用下材料參數(shù)的折減、構件承載力分析。通過與常規(guī)結構設計方法對比，啟發(fā)學生發(fā)現(xiàn)上述過程的核心問題是材料力學特性隨溫度變化的關系。然后，向學生展示混凝土和鋼材力學參數(shù)隨溫度變化的非線性關系，引導學生思考結構在火災全過程作用下將具有非線性力學行為，并結合相關實驗記錄，讓學生有更加直觀的認識。隨后，引申到常用的工程材料在破壞前均具有非線性特點，這里將舉出混凝土材料受壓全過程曲線呈現(xiàn)的強度退化和剛度軟化的特點，由此導致結構在破壞前表現(xiàn)出非線性力學行為。然后，向學生總結，材料自身的非線性將導致結構無論受到何種破壞性災害作用通常都呈現(xiàn)非線性特征，因此在進行結構的災害破壞分析時，應當合理考慮材料的非線性。因此，在這部分內(nèi)容中點明結構破壞的非線性力學行為，不僅體現(xiàn)了結構在破壞性災害作用下的共性科學問題，有助于學生把握結構抗災分析的關鍵，而且還引導學生在認識問題時將觀念從線性向非線性轉變，對于學生后期的學習和研究大有裨益。

（三）多元化考核方式

傳統(tǒng)的考核方式主要采用課后作業(yè)和期末考試相結合，并且期末考試成績權重較大，導致部分學生不注重課程學習過程，僅在期末考試前突擊學習，難以達到課程教學目標。防災減災工程學作為一門綜合性學科，要求學生不僅掌握理論知識，還需要具備創(chuàng)新思維和解決工程問題的能力，因此需要建立一種多元化考核方式，更加準確地評價學生的課程學習情況。為此，在課程考核中，增加了隨堂作業(yè)考核、課后專題報告、分組PPT匯報三個環(huán)節(jié)，課程整體考核方式見表2。其中，隨堂作業(yè)不僅能檢驗學生對課堂內(nèi)容的理解掌握情況，起到對教學效果的反饋作用，而且還可以檢查學生的出勤情況。課后專題報告要求學生在學習完專題內(nèi)容后，搜集與該專題內(nèi)容相關的實際工程災害案例，通過查閱文獻和整理資料，分析災害發(fā)生機理、工程結構的災害反應及防災減災措施等，并撰寫專題報告。這個過程可以提升學生分析問題和解決問題的能力，強化防災減災工程的研究思路和解決工程實際問題的邏輯。分組PPT 匯報設置在全部課程學習結束之后，匯報內(nèi)容與課后專題報告類似，由各小組自主選擇匯報主題，并且要求學生從工程案例中提取關鍵基礎科學問題。這一過程主要培養(yǎng)學生的團隊合作和語言表達能力，也強化學生對技術科學思想的認識。

表2 課程考核成績比例 %

四 結束語

防災減災工程學是一門理論性和實踐性強的多學科交叉課程，涉及的知識內(nèi)容多，學生普遍反映學習難度大。探索融入錢學森技術科學思想的防災減災工程學課程教學方式，突出不同工程問題的共性科學基礎，不僅契合防災減災工程研究的特點，而且有利于學生從更高的角度把握課程的核心內(nèi)容，達到融會貫通的學習效果，還有助于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和研究能力。在課程教學過程中，結合實際工程災害案例的調(diào)查分析，提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力。探索多元化考核方式，不僅能促使學生全過程積極參與課程學習，而且能培養(yǎng)學生的自主學習和創(chuàng)新能力，還能較為全面地評價學生的學習情況。所探索的課程教學方式能有效實現(xiàn)研究生課程教學的“知識傳授”和“價值引領”雙重目標，對于助力創(chuàng)新型科技人才培養(yǎng)具有重要價值。