【治学大家谈】王记增教授:我的求学之路

日期: 2020-03-13 阅读: 来源: 关键词:

我小时候生活在河北省河间市的一个农村,那里广阔的平原、无尽的原野和众多的小伙伴们给我的童年带来了无尽的乐趣。从1989年到市里读高中,1992年来兰州上大学,再到2009年开始任教,30年来的学习、研究与教学经历,使我体会到应该是对事物规律强烈而执着的好奇心,让我自律勤勉地学习和工作,并对世界上一切的美好充满兴趣。

小的时候,记得家里人都爱看“闲书”。受他们影响,我的文学启蒙教育不是安徒生童话,而是金庸和梁羽生的武侠小说,里面壮烈的家国情怀和光怪陆离的武侠世界都深深吸引了我。后来,1985年电视台开始播放的《射雕英雄传》连续剧,更是让我看得如醉如痴。

那时候电视信号的接收需要室外天线,农村一般买不到。于是我用废电线里面的铝股线,仿照别人家的天线自己制作。虽然有一些效果,但由于尺寸不好掌握,感觉还不是很满意。后来,家里人给我买了一本名字大概叫做《天线的制作》的科普书。里面通俗地讲解了无线电信号的传播原理以及各种天线的制作方法。这本书不仅完美解决了全家看电视的问题,还让我惊诧除武侠之外,居然还有这么有意思的书。同时,里面关于波的通俗介绍,也解决了我当时的一些疑惑:说出去的话和手电照出去的光都去哪儿了?从那时起,我开始对科技图书产生兴趣。当时书的来源一是兄长们的中学课本与他们买的类似于《几何光学》等的课外书。另一个是我偶然发现的农村集市上的废书摊里面不乏一些值得收藏的好书。我当时买到的华罗庚著的硬皮繁体字版《数论导引》一直伴随到我读完研究生。

读书给我的乐趣是,获得的知识在为我解决了一些疑惑后,又为我带来了更多的疑惑。这些疑惑成了我进一步阅读的巨大驱动力。1989年在河间市一中就读的第一年,在学校组织的数学与物理竞赛上我都获得了第一名。河间虽然隶属于武术之乡的沧州,民风彪悍,但也出过类似于毛亨(《诗经》的整理与注释传播人)、张衡、纪晓岚、张郃、冯国璋等名人。汉代时河间称瀛洲,河间市的图书馆也因此得名“瀛洲书院”。高中的几年,书院为我解决了书的来源问题。我在学习之余经常会去那里借阅一些大学的教材如《代数学》和《电磁学》等。自习课的时候,老师们走到我课桌前总爱翻一下我借的这些书,然后问句能看懂吗?我不知道怎么回答,实际上是一知半解,大多数是看不太懂的。但里面的内容却可以让我从较高的高度看待高中知识。这虽然对考试分数的提高不一定有直接帮助,却让我对科学产生了浓厚的兴趣。

1992年考上兰州大学力学系后,高中的学习模式让我对大学课程有了似曾相识的亲近感。所以甫一接触《高等代数》和《解析几何》等课程,就感觉如鱼得水。这时,我也逐渐明白了,知识的推进不是像中学时的平面几何一样,需要你发展更多的什么技巧来更快地求解某一特定问题,而是给出更统一的、甚至是更“机械”式的普适求解模式与机理解释。这一点从古典平面几何与解析几何及代数学的关联上可以很清晰地体现出来。

大学期间,随着知识的累积,我对专业知识的认知更为清晰,并看到了更多未知或无法很好解答的问题。这种来自于我们掌握的知识和无法解决问题之间的差距,对我构成了很大吸引力,促使我在学习某一门课程的时候,总是寻找尽可能多的辅助教材与参考书,帮助我真正理解课本里的知识。这种对知识的深入理解往往会反过来让我对相关课程更加感兴趣,从而让学习不再是枯燥无味的事情。

当时力学系的课程非常繁重,不仅在数学上要学习和数学系几乎一样的课程,还要学习力学专业课。当时恰逢全国下海经商最热的时候,许多学生对力学这类理科专业滋生出厌学等负面情绪。我没有受到一点影响。由于一开始就对力学专业的课程感兴趣,所以我平时很爱学习。越爱学习,对专业知识掌握得越多,往往越能激发起对更深层次知识的好奇心与学习热情,从而形成所谓的“知识马太效应”。这种非功利式好奇心驱使下的学习往往才能让我们真正获得知识。太功利化的学习,尽管也能靠自律坚持,但无疑是一种苦行僧式的生活,大多数情况下无法坚持长久,所获得的知识也容易“考完即忘”。大学四年的学习,结合后来的研究与教学经历,让我认识到书本里的基础知识与科学创新不是割裂开的。现在常有本科生问我是否在学习之余可以做一点科学研究。尽管我知道是学校甚至是国家在鼓励学生们尽早参与创新创业。但对将来有志于从事科学研究的学生们,如果真的学有余力,我从内心里更建议你们能通过进一步深入学习,将专业课真正理解透彻。

大学四年级我以年级第一保送读研,导师是刚留学回国的周又和教授和郑晓静教授。当时,周老师将小波分析这一数学新理论介绍给了我,并为我解释了想将其应用于力学及工程问题定量求解的想法,以及这一想法实现起来的诸多困难。直到后来,经过多年的学习与研究积累,我才逐渐地意识到,在当时小波分析主要被用于信号分析与图像处理领域的情形下,周老师当时拟将其用于工程计算的想法多么超前,并为我预留了多么广阔的研究空间。

记得当时我非常喜欢这个题目。首先,我很喜欢数学。其次,小波分析是一个非常新的数学理论,与我以前了解到的数学思想有很大不同,它兼具了深邃的数学内涵与广泛的应用潜力。毕竟从18世纪傅利叶理论提出后,经过近200年的发展才产生了这一对其有根本性变革的数学新思想。这一题目极大地激发了我的科学好奇心,让我大学期间的数学训练有了很好的实战空间。由于学好这一理论又需要进一步地掌握实变函数论与泛函理论,以及信号分析等新知识,因此又给了我非常明确的学习方向。我的大学第四年是在异常繁忙的学习中度过的。当时我每一周都会给老师提交一份书面的学习与研究报告。在大学毕业的时候逐渐初步解决了周老师提到的在将紧支撑正交小波应用于微分方程求解时,由于小波基函数没有表达式且其导数强烈振荡,而使得数值微分与数值积分不适用的问题。

在刚读研究生的1997年,周老师就带我参加了在上海召开的力学领域较为重要的现代数学与力学会议。老师的鼓励无疑对我的学习研究形成巨大的驱动力。于是从1996年到2001年,我逐渐提出了纯粹基于代数的紧支撑正交小波统一生成方法,使其具有更好的特性与精度,在此基础上给出了小波尺度函数分解系数计算的广义高斯积分法,并将其运用于梁板结构力学行为及振动控制研究中,取得了显著进展。近年来这些工作已被多个国家的学者和我国国防科技大学学者等,在他们各自的数值方法、结构动力学或大型航天天线结构的振动控制研究中大篇幅采用,并给出了这一方法相较于传统方法具有计算量小、精度高的定量结论。

五年的研究生学习是充实而快乐的。比较难忘的几点是,在读研究生最开始的时候,系里只有一台公用计算机,很多时候不得不等到晚上十一二点钟,等几个高年级的学长用完之后再用。甚至后来虽然科研条件改善了,但直到博士毕业都是大家在共用几台计算机。除计算机外,图书馆在我的学习生涯中占据了重要的地位。那时候在网上查资料几乎是不可能的。学习资料与学术文献的获取都需要去图书馆。于是兰州大学图书馆、近物所的中科院图书馆、甘肃省图书馆、北京国家图书馆和上海图书馆都给我留下了难忘的回忆。由于我家在河北,每次放假回家都路过北京。很多时候,在放假前夕,老师都会让小组里的师兄弟们将需要的文献告诉我。我会在北京住上几天,到国家图书馆帮大家还有我自己查资料。那时候,查资料需要先在目录卡里查期刊的存放地,然后自己再去找期刊。在北京国家图书馆则是馆员们帮着找好后再用传送装置传送过来,最后在期刊里找到想要的文章后再让人复印。印象尤其深刻的是有一次郑老师去美国访问,回来之后她送给了我厚厚的一摞复印好的小波文献。那一摞文献一直伴随到我博士毕业,后来由于要出国才送给学弟们。这些来之不易的学习资料,让我们倍加珍惜,每一篇文献都是一遍遍阅读,认认真真地推导。

五年的时间是充实而短暂的,读研期间周老师和郑老师曾推荐我到美国加州大学访学,当时恰值美国轰炸中国驻南斯拉夫大使馆而引起的中美关系紧张时期,这使当时公派留学签证受到影响,我因此被拒签而没去成。在博士毕业的前夕,郑老师推荐我尝试申请了一个韩国国立全北大学的奖学金项目,于是毕业后我去了韩国。在韩国期间,我尝试把基于小波理论的数学方法拓展到了积分方程的求解。同时,通过与同在韩国留学的一些访问学者交流,第一次知道了当时在国际上名气很大的几个顶尖华人力学学者的名字,其中之一就是当时在美国斯坦福大学任教的高华健教授。抱着试试看的态度,我给他写了封邮件,表示想去他的团队学习。实际上我的研究背景与他的研究方向有很大不同,当时写信也确实存在着名校名人情节,有一点盲目性。之后,隔了很长时间没有收到回信,我感觉应该是对方不感兴趣,当时想这也很正常。然而,几周后我收到了一封来自位于德国的马克斯-普朗克金属研究所的邮件,告诉我需要电话面试。这时我才知道高华健院士加入了马普所。当时面试我的是一个德国科学家,他后来成为了我的朋友、研究合作者,我们两个还曾共用一间办公室。他有两点非常好的科学品质一直影响着我,一是文献中自己没有推导过的任何公式他从不引用,二是他有时会问我一些程序计算上的小问题,然后他会在论文的致谢中感谢我的帮助。

这样,由于申请到了马普学会的奖学金,我在韩国学习了几个月后于2002年初来到了位于德国斯图加特市的马克斯——普朗克学会下属的金属研究所。当时了解到马普学会共出过50余位诺贝尔奖获得者,而马普金属所则是我见过的所有研究机构里最适合做研究的。研究所的每位教授各自负责一个部门,所里的事物由教授们一起决定,并由一个轮值的教授担任所长处理行政手续。每年政府会拨给教授们数量不菲的研究经费,而不需要自己去申请。学生毕业没有发表论文的限制。教授们更不用去追求发表论文的篇数。每年会有一个由知名国际学者组成的学术委员会对每个部门的研究做一个评估。从研究环境看,你想要什么文献或图书,只需简单发送一封电子邮件,相关人员就会利用所里的文件传送系统,将你需要的东西送到你手里。图书馆就在研究所楼里,科学家们也可以自己方便地选择想要的文献。另外,研究所一直都会有全世界不同领域优秀学者的精彩学术报告。而研究所的外面则是一个很大的树林,在所里的很多科学家都说,他们最得意的工作灵感都是在树林里散步时得到的。最特别的是,研究所所在的斯图加特市还和爱因斯坦的家乡乌尔姆市紧挨着。

在马普所的那段时间,我找到了科学研究的另一扇大门。我以前的研究以探索工程问题的定量分析方法为主,有些偏应用数学,对材料的力学与物理性质及相关机理知道得不多。当时,通过交流以及阅读文献,了解到高老师的研究以材料性质与行为的内在机理为主。例如在材料塑性微观机理中占有重要地位的MSG理论,就是高老师与其合作者提出的。甚至当时有些国际力学界的老先生还开玩笑,“华健,MSG是个好理论,但太多了对身体不好。”原来MSG在英文中是味精的意思。记得高老师向我提到的第一个问题是能否使固体材料对于声音像玻璃对光一样透明。在马普所最开始的一段时间,我一方面和德国同事合作研究压电材料夹杂的动力学问题,一面思考高老师留给我的课题。后来,我通过利用软层合压电材料实现了声的可控传播——可通过电场控制声音完全通过或完全通不过。尽管似乎在一定程度上解决了这一问题,但总感觉理论不是很干净完美,因为结果有很多限制。

在研究上高老师给了我充分的自由,在他的鼓励下,我产生了尝试更有挑战性研究的一些想法。一个契机是当时所里一直有全世界顶尖的科学家过来访问讲座,带来了许多新颖的科学思想。另一方面,高老师和团队的其他成员那时候刚刚完成DNA自发进入碳纳米管的实验。他想让我把这一物理机制弄清楚,给出这一现象的物理模型。于是我开始了这一课题的研究。先是花了很长时间系统学习了统计物理、高分子物理理论与随机过程理论等,并进一步梳理了有关高分子物理模型与定量仿真方面的文献。经过一段时间的学习与思考,在解决高老师所提出的问题之余,我最终建立了一个可描述复杂微环境下高分子统计热力学行为的广义杆珠(GBR)仿真新模型,为今后进一步深入研究涉及高分子统计力学性质的众多科学问题提供了重要的定量分析手段。截至目前,该仿真模型已被国际上多个团队广泛采用,用于了不同问题的定量分析。

和高老师一起共事的那些年是非常愉快的,从他那里也学到了许多珍贵的研究经验、研究理念与严谨的治学态度。后来高老师获得美国工程院院士、美国科学院院士、美国人文与科学院院士、德国科学院院士和中国科学院外籍院士等众多荣誉,也是实至名归。高老师有着非常活跃的思维和渊博的知识,我们喜欢和他一起讨论问题。通常看似没有头绪的难题,经过和他讨论,往往能很快厘清其本质,形成下一步的研究计划。高老师常说他喜欢简单的理论模型,不仅是因为大道至简,也是因为这样的模型可以清晰地从基本理论严格论证,体现了他治学的严谨性。

2006年高华健教授加入了美国布朗大学工学部,我于2006年6月份也去了那里,继续开展我在马普所的研究。在此期间,我给出了复杂微环境下高分子受力作用时其统计热力学行为的一些定量理论公式。后来该定量结果被美国宾夕法尼亚大学的团队专门开展实验进行了验证。同时我与合作者针对细胞与外基质通过受体-配体分子键形成的粘附问题,建立了随机-弹性耦合建模与定量仿真方法。这一研究体现出的统计物理与连续介质耦合影响的研究思想后来被国际国内的多个团队跟随研究,并被德国学者在具有很大影响力的《Reviews of Modern Physics》上以一小节的篇幅进行了评述。

在美国节假日的休闲主要是开车带着家里人到处旅游。我们居住的地方罗德岛州位于美国东海岸,在波士顿与纽约之间。但距波士顿更近,开车仅需一个小时。当时有两大愿望,一是开车去美国的黄石国家公园,二是开车去最南端的佛罗里达。在2009年的时候,我们终于实现了第二个愿望,一家人驱车两千多公里去了奥兰多。但刚到那里不久,得知我校的甘晖书记要去波士顿,代表学校同时也受郑老师的委托说要见见我。我当时很激动,已经毕业8年,很想念母校的老师们。于是没玩几天我们马上往回返。在波士顿,我们全家见到了甘书记一行,也认识了在波士顿附近的一些兰大校友。尽管当时高老师想让我到新加坡工作,但我还是觉得回国更能在国家蒸蒸日上的宏伟事业中实现自身的价值。

2009年7月份,我终于从美国回到了阔别8年的母校。刚回来的那段日子很有些忙乱。但在学院领导与师长们的帮助下一切还算顺利。那段时间我也一直在思考以后的研究如何开展。经与周老师交流,他觉得我博士论文中有关高精度小波分解系数的计算公式(早期雏形于1997年在全国现代数学与力学会议上报告并于1998年发表在《兰州大学学报》)可用于对任意非线性复合函数的显示近似逼近,并在有限空间内是封闭的,该突出特性是其它方法没有的。于是,我们基于此经过多年的努力,逐步建立了针对各类强非线性力学问题的统一、高效与精确求解手段,在计算理论原始创新上做出了具有实质性进展的成功尝试。目前这些方法已得到国际学者的广泛采用和应用。

与此同时,我也一直在深入推进有关微尺度生物材料系统,如细胞、病毒和生物大分子统计热力学性质与行为的理论、仿真与实验研究。对这类问题的研究由于涉及连续介质力学响应与热涨落随机性的耦合,因而具有极大的难度,但确是从分子与细胞尺度理解生命现象、发展先进微纳米技术以及构建软物质本构关系的重要基础。幸运的是,经过多年的探索与坚持,我们针对这类复杂系统成功发展出了具有非线性——连续介质力学——热涨落随机性耦合特征的定量理论模型与计算理论,实现了定量理论预测与典型实际应用问题的关联分析,为工程与技术发展提供了重要指导。

最后,回首这几年的研究经历,有几点是我最想推荐给青年学者与研究生们的:当我们遇到一个问题时,一定要追求分析透彻其本质机理。这时你可能需要进一步学习一些相关的理论或方法,而这些理论学习会加深你对问题的理解,使你发现更深层次的科学问题,从而形成良性循环,直到几年后最终成为这一领域的专家,站到相关领域的真正前沿,或引领该领域的研究。另外,学习与研究一定不是一件枯燥无趣的事情,但也确实需要一些自律。这时我们不是要花大力气克服各种欲望,而是要尽可能地远离诱惑。我们知道一旦打开网页浏览新闻就会持续上一两个小时,所以最好的做法是不去打开。要做到对欲望的自律,就要在认真思考的基础上能够主动放弃那些过分和不切实际的,甚至不合理的各种欲望。即使有短期的偏离,也能及时醒悟过来,回到正途。只有做到了专注与正念,我们的学习与工作效率才会提高。这时因为你的专注,你的成果会比同样能力但是精力分散的人大很多。而随着知识的积累,你对研究与学习的兴趣也会被大大提高,从而形成更良性的自我驱动力。

(作者简介:王记增,兰州大学土木工程学院与力学学院教授,萃英学者特聘教授,甘肃省飞天学者特聘教授。)

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编辑:许文艳
责任编辑:许文艳

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