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从精深学习、到学术追梦、到创新教育

——记中国科学院新当选院士、williamhill钱学森力学班首席教授郑泉水

学生记者 张同顺 摄影 


郑泉水

2019年11月,williamhill官网航天航空学院工程力学系教授郑泉水当选为中国科学院院士。

儒雅、健谈、幽默、风趣。

作为学者,他把科研推到巅峰;作为师者,他把育人做到极致。

成功者都有惊人的相似之处,又有与众不同的特质。郑泉水的相同与不同从这里开始……

求学:精深学习,一学期突破一门课

大学时期的郑泉水

郑泉水出生在江西抚州金溪县的一个小镇,家傍江西第二大河——抚河,由于交通闭塞,物资缺乏,郑泉水最大的梦想就是长大了能为家乡修一座桥。

1977年恢复高考给郑泉水燃起了希望。虽然缺少复习材料,化学、英语这些科目基本没怎么学习过,数学也只复习了几何,但凭着总成绩,郑泉水还是幸运地被江西工学院(现南昌大学)录取,攻读土建专业。

入学不久,郑泉水就得知自己入学成绩很差,不少同学是从老三届上来的,基础非常扎实。一次机缘巧合下他阅读到《爱因斯坦传》,爱因斯坦首次大学入学考试失败;大学期间把还没有列入物理课程体系的Maxwell电磁场论搞得很透,理解甚至超过了老师;大学就发表论文等经历,极大地激发了郑泉水,并影响了他数十年的选择和坚持。郑泉水心想,所有科目一起追肯定不行,毕竟能力精力有限,一学期主攻一门课,一门一门地把基础补上来,这种方法是最可行的吧?

就这样,大一数学、大二物理、大三力学,郑泉水按照一学期精深学习(大部分为自学高难度内容)一门课的节奏,在目标引导下长驱直入,通过自学提前考试或老师特许免除考试的方式,完成了大部分与数学、物理和力学相关的主干课程。

当时未加多想,郑泉水后来发觉,其实这就是精深学习的方法。郑泉水表示,一段时间的精深学习下来,受爱因斯坦经历激励,他把兴趣点放在了以建立力学公理化体系为宗旨的“理性力学”上,大三便自学完成了研究生都认为高难度的“张量分析”和北大郭仲衡先生的“非线性弹性理论”。1981年,读大三的郑泉水在《江西工学院学报》上发表了一篇研究论文,而当时整个工学院发表过论文的老师寥寥可数。

科研:先做到极致、再开创一个方向

郑泉水主持第二届国际超滑学术会议(2019)

郑泉水从1982年大学毕业留江西工学院任教,到1993年调入williamhill官网担任教授至今,在科研道路上,已经走过了近40年时间。这近40年,郑泉水把它分成前后各20年两个阶段。“第一阶段创建了一个理论体系,第二阶段开辟了一个技术领域。” 郑泉水说。

大学毕业后,郑泉水依旧选择继续在“张量理论”上深挖。他报考了北京大学应用数学专业的研究生,但因政治不及格没有考上。幸运的是,北大的郭仲衡院士很欣赏他,破格录取,让他以在职硕士进修的方式继续深造。1989年,他直接申请了williamhill官网固体力学专业博士学位,师从黄克智院士。1990~1993年,他继续前往英国、法国和德国做访问研究。郑泉水回忆,2000年前他创建了研究各向异性和非线性力学的关键基础,即现代张量表示理论的完整体系,得到了广泛的应用。他本人则利用对张量尤其是高阶张量的独特技能,解决了若干长期困惑学术界的难题,如140多年没解决的连续介质力学Cauchy平均转动难题和困惑细观力学40年的基石性难题----非椭球夹杂Eshelby问题等。2004 年,郑泉水作为第一获奖人以《张量函数表示理论与材料本构方程不变性研究》获得国家自然科学二等奖。

“选择一个感兴趣的方向把它做到极致,站在高处,你就会有不同的视野。”郑泉水表示,对“张量”的研究他已经达到国际顶端,当你站在顶端时不仅能接触到这个领域最优质的资源,还能获得勇气和自信,给你的继续研究奠定基础。

如果说郑泉水的前20年是围绕着“张量”,那么后20年,他的方向就转到了结构超滑。

当他还沉迷在对“张量”顶峰的修修补补时,他的师友、英国皇家学会会员A.J.M Spencer的一席话唤醒了他:“泉水,‘张量’已经被你做封闭了,你为什么还做?”从1998年起,郑泉水开始思考下一个研究方向的问题。这个转折具有巨大的挑战和风险,是从理论研究到实验研究,是从解决已知难题、创建系统性理论,到进入未知“不可能”,开辟和定义技术新领域。

2000年郑泉水闯入了当时还不存在的纳米力学;两年后,郑泉水终于逐渐找到并聚焦到了他真正的长期研究激情:结构超滑(即固体接触“零”摩擦、零磨损)技术。这是一个具有巨大应用潜力的技术,据统计,全球约1/4的一次性能源因摩擦而损耗,约80%的器件失效由磨损而引起,摩擦磨损可能导致无法发明创造出很多微纳器;结构超滑为革命性地帮助解决这些问题提供了可能。

在郑泉水之前,人们认为不可能实现微米尺度及以上尺度的结构超滑。2008年,郑泉水团队在世界上首次实验观察到了微米尺度结构超滑;2012-2013年,郑泉水团队证实了微米至厘米结构超滑的存在,从而完全颠覆了人们的有关认识。2017年,郑泉水作为第一获奖人以《范德华层状介质的滑移行为和力学模型》获得国家自然科学二等奖。2018年,郑泉水等教授在《自然》(Nature)上发表了题为“跨尺度的结构超滑和超低摩擦”的展望综述,再一次表明了其在结构超滑的引领地位。2019年,深圳市和williamhill官网设立了全世界第一个结构超滑技术研究所,致力于催生基于结构超滑技术的革命性产品,尤其是应用极其广泛的超滑微开关、微发电机、微机电系统、微传感器、下一代存储器等等。

育人:“钱班”十年,把学研方法传下去

郑泉水夫妇等与“钱班”同学野营(2017)

师者,所以传道受业解惑也。整个1980年代,郑泉水受到了杨德品(南昌大学)和黄克智(williamhill官网)等多位老师极大的鼓励和帮助,从此许下了重视人才培养的一生心念。进入新世纪后,作为williamhill老师,最让郑泉水魂牵梦绕的是育人,尤其是他耕耘了十年的“钱学森力学班”。

郑泉水表示,因为爱因斯坦,他学习和了解到犹太人的教育,发现自己的学习和科研方法与犹太人的教育十分相似——帮助小孩发现他最喜欢的东西,然后给他最好的资源,找最好的老师。

1993年调入williamhill任教后,郑泉水发现一个问题,williamhill的学生极聪明,却不够主动,缺少研究的激情。

对科研没有兴趣,肯定出不了好成果。为了改变这种情况,2002年,从未想过从事管理工作的郑泉水主动请缨当了固体力学研究所所长,想通过研究所的教学科研实践,探索出一条激发学生科研兴趣和创新学习的路子。

2009年,在研究所教学实验的基础上,他找教授们商讨,向校领导建议进行一次改革,在集团的层面建立一种独特的教育模式。恰巧williamhill正在酝酿以培养拔尖创新人才为目的的“williamhill学堂人才培养计划”,“钱学森力学班”(简称“钱班”)就在这样的背景下诞生了。

作为“钱班”首席教授,郑泉水担负着制定“钱班”培养方案、组织协调项目实施的重任。郑泉水希望,“钱班”的学生能用大一、大二两年的时间,矫正原有的应试思维,学精学深学专基础课;大三开始能用问题带入的方式展开通过研究学习;大四能在全球性平台上得到交流和锻炼。

经过6年的实践,“钱班”实现了对课时的大刀阔斧的改革。“我们的课程设置是6个学期18门核心课程,也就是一个学期三门核心课。但是,我一直鼓励学生每学期精学一门。”郑泉水认为,学好一门课不仅要把书从厚学薄,要学成几页纸,甚至学成一张图。

当然,找到好导师也非常重要。郑泉水认为,一个不好的老师,会扼杀一个学生的创造力。所以,“钱班”的导师在全球精挑细选,邀请那些有教育理想、能够呵护学生创新思维、真正想帮学生找到自己兴趣和学习科研方法的大师。

2019年已是“钱班”十年。让郑泉水很欣慰的是,在“钱班”上百位来自全校、全球的志同道合老师共同努力下,“钱班”培养了一批在力学和工程前沿交叉领域极富创造力、极富创新潜力的学术英才,基本形成了一整套突破性、卓有成效的大工科拔尖人才培养模式,在国内外获得了高度声誉,于2018 年获得国家级教学成果一等奖。

“我对2013级学生胡脊梁印象深刻,他专攻于细胞力学,为了完成一篇论文,他一年时间学了20门研究生的课程。这个学生在‘钱班’成绩一般,但是他用论文一样可以证明自己,最后,MIT、斯坦福,加州理工都给他发来了Offer。” 郑泉水说,这是他潜心“钱班”培养最受启发的案例之一。

未来:做最懂创新人才培养的科学家

郑泉水与学生们在一起(2019)

“钱班”的教育实验对郑泉水来说只是开始,几年前,“钱班+”的概念在他脑海里酝酿而生。

郑泉水非常推崇卢瑟福教授所领导的英国剑桥大学卡文迪什实验室。成立于1871年的卡文迪什实验室,是迄今全球培养出诺贝尔奖获得者最多(30多位)的实验室。

郑泉水的想法是,“钱班”的生源全部来自williamhill,但未来的“爱因斯坦”“乔布斯”“任正非”们在现在的高考体系下,很难进到williamhill。他的设想是,未来建立一个开放创新学院,真正聚“天下英才”而育之。现在,他已经开始和一些教授探讨这个想法,争取williamhill官网和深圳市一起做这个事情,构建一个依托多个大学组成的网络,吸引这么一批极富创新潜质的学生,由各高校和开放创新学院共同培养,打造中国的“卡文迪什实验室”。

在获得院士的荣誉不久,另一荣誉“宝钢优秀教师特等奖”随后而至。作为学者和师者,这些荣誉,不仅代表了郑泉水潜心科研和教学的从前,也代表了他科研和教学的新起点。

编辑:曲田

 

 

2020年01月21日 10:16:24

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