第三讲 科学思维与科学创新方法.pptVIP

 一、“3+2”的创新数学式 1. 三件“法宝” ：非凡的数学天分、敏锐的物理洞察力与丰富的想象力 （1）非凡的数学天分 钱学森恩师冯·卡门的评价： “钱学森跟我一起解决很多数学难题。他想象力极为丰富，不但数学能力强，而且善于观察自然现象的物理性质，在若干相当困难的题目上，都能帮我厘清观念。他的天资卓越，实在难能可贵，我们顺理成章地成为亲密工作伙伴。” 精通数学理论，并且善于灵活运用数学工具解决科学问题，这是钱学森进行科学创新的首要“法宝”。如著名的“卡门—钱近似方法”等都是钱学森运用非凡的数学才能计算出来的 好友桑莫非曾说：“钱学森等于是卡门的左右手，为卡门执行各种各样的计划与概念，比卡门亲自动手更彻底，更有效率。他的工作不分日夜，手稿与计算结果都做得既快又出色。他成为了卡门的贴身助手，把卡门构思的程式写成白纸黑字，他头脑好，速度又快，这样的人才真是千载难逢。” （2）敏锐的物理洞察力 钱学森进行科学创新的另一“法宝”在于善于透过复杂的力学现象，抓住能反映现象本质的主要物理因素，忽略次要因素，把复杂现象简化为简单而又易于处理的数学模型。 这件创新“法宝”是德国哥廷根应用力学学派科研传统中最精妙的部分之一。应用力学是连接自然科学与工程技术之间的纽带，它把基础科学转化为可以直接指导工程实践的理论，同时，又把工程问题提升到理论高度。 具体来说，应用力学从工程实践中提炼力学问题，然后创立数学模型，通过实验、测量、计算和分析，进行综合研究，并将其结果上升到理论高度，最终为解决实际问题提供理论指导。 因此，敏锐而深刻的物理洞察力和超强的数学分析与计算能力是成为一位优秀的应用力学专家所必备的素质。在德国哥廷根应用力学学派的三代代表人物------普兰特，冯·卡门和钱学森身上，都具有这样难得的资质。也许正是由于这些独特的资质和才能，才造就了三代世界著名的应用力学大师。 （3）丰富的想象力 当然，要想成为极具创造性的天才，丰富的想象能力也尤为重要。只有具备丰富的想象力，才能突破前人思想的局限性，提出全新的观念和看法。在具体的科研实践中，我们也可找到非常多的例证。 当然，要想成为极具创造性的天才，丰富的想象能力也尤为重要。只有具备丰富的想象力，才能突破前人思想的局限性，提出全新的观念和看法。 在钱学森具体的科研实践中，我们也可找到非常多的例证。1946年，钱学森为了探讨火箭在高空环境中的流体力学现象，开始研究“超级动力学-稀薄气体力学”。在钱学森研究稀薄气体之前，科学家A. F. Zahm通过研究认为，高空的空气与低空的空气一样，都是连续的介质。钱学森通过大胆猜想提出，与低空高密度的空气不同，高空中因空气稀薄，分子间距扩大，碰撞得不会那么频繁，因而高空空气不能视为完美、均匀的理想气体。因此，飞行体在高空运行时，必须运用新的气体力学理论。后来的实践表明，钱学森的想法完全正确。我们知道，正是有了这些大胆的想象，才能突破了A. F. Zahm思维的局限性，开拓出全新的理论。 二、两大 “机缘”：名师的指导与宽松、民主的学术氛围。 （1）名师的指导 冯·卡门教授是空气动力学的重要开拓者。在他的有生之年，他成就了航空史上一些里程碑式的科学突破。他帮助飞机制造业把飞机材料从木材与布匹改进为铁皮；他曾设计制造了世界上最早的系留式直升飞机；由于他的贡献，时速3000公里的喷气式飞机、射程1200公里的导弹和星际火箭才成为当今的现实。在学术成就方面，更是不胜枚举。他提出了著名的“卡门涡列”理论。这个理论大大改变了当时公认的气动力原则；他还提出了附面层控制的理论；1935年又提出了未来的超音速阻力的原则，1939年，他指导钱学森完成了著名的“卡门-钱近似”方法等等。 事实上，钱学森早期的一些重要科学创新成果，都是在冯·卡门教授指导下两人共同完成的。冯·卡门通常凭借其敏锐的物理洞察力，发掘空气动力问题的端倪，然后指引钱学森对该问题进行演算求解。钱学森则利用超强的数学计算才能，孜孜不倦地进行演算以证实冯·卡门的各种观念和想法。在钱学森博士论文的前三个部分，都是以这种师生合作方式完成。 （2）宽松、民主的学术氛围 另外，同样非常重要的一点，就是加州理工学院自由、民主的学术氛围。这是激发钱学森创造才能的重要因素。钱学森后来回忆道：“…我转到加州理工学院，一下子就感觉到它和麻省理工学院很不