大连理工大学力学学科发展规律探析

张小钢， 姜 华

(大连理工大学，辽宁 大连 116024)

随着时代的发展和科学技术的进步，特别是信息时代和大数据时代的来临，有的学科日益壮大，有的学科逐渐衰退，有的学科一成不变。如何能在经济和社会不断发展的背景下，保持学科的生机和活力，是大学管理者和学者面临的问题。大连理工大学的力学学科，始终保持着持续发展的动力，创立初期就展现出强劲的实力，并一直在中国力学学科发展的过程中扮演重要的角色，至今依然优势明显，成绩一流。

力学是研究物质机械运动规律的科学，横跨工程与科学，在航空、航天、能源、交通等国家重大工程技术的发展中，有着举足轻重的作用。力学既有很强的基础性，又有广泛的应用性，其基础地位与战略的地位持续发展，在众多领域逐渐显现[1]。

力学有悠久的历史，从古希腊的阿基米德到现代，从静力学到动力学，再到经典力学等，始终处于不断变化发展的过程中。在新中国成立之后，力学成为一个独立的学科，并得到了长足的发展。1951年，钱伟长在中国科学院数学研究所建立了中国第一个力学研究室；1952年周培源在北京大学建立了中国第一个力学专业；1957年中国力学学会正式成立，中国力学的第一个专业期刊《力学学报》创刊；1958年在中国科学技术大学成立了第一个独立的力学系[2]。

20世纪50年代，苏联第一颗人造卫星上天等一系列的科技发展，对中国力学人才的需求和培养提出了空前迫切的要求。当时，以钱学森为代表的一大批优秀力学家从海外归来报效祖国[3-4]。大连理工大学(以下简称“大工”)工程力学系应运而生，1957年10月，教育部批准大连工学院成立力学系，第一任系主任由1955年当选为中国科学院技术科学部常务委员的钱令希担任。历经半个多世纪的发展，大工的工程力学系已经成为中国力学领域科学研究、人才培养和学术交流的重要基地，综合实力和学术水平在我国力学领域处于一流水平，在国际学术界也有重要影响。

一、一流学科生成发展需要破解的主要矛盾

(一)学科发展的矛盾面之一：无限增长的学科知识

学科随着时代而发展，学科知识谱系的发展在资源配置中起到重要的作用，尤其是知识积累的质变。以力学为例，力学是工程科学的基础。力学学科有许多分支学科，国际上也并无统一的分类方法。在中国大学的力学或工程力学系中，通常依据研究对象设一般力学、固体力学和流体力学三个专业：一般力学研究的对象是质点系、刚体及离散系统，固体力学和流体力学分别研究有固体变形和流体流动的力学问题[5]。在解决工程技术问题及向其他学科渗透的过程中，力学大大丰富了学科内涵。

力学兼有基础科学和技术科学的双重属性[6]。力学的双重属性是该学科三百多年来发展历程的客观描绘，得到国际科技界的广泛认同。力学工作者需要具备严谨的数理基础，时刻面对着复杂的实际问题，善于在简明的自然规律与复杂的现实世界之间架设桥梁[7]。力学是工程科学的基础，也是连接理科与工科的桥梁。工程力学既是理科，也是工科，与工程结合是工程力学最大的特点。近代计算机技术和近代实验技术的应用，使得工程力学增强了解决工程问题的能力，根据力学原理开发的各项技术已应用于生产实际、工程实践以及越来越多的高科技领域。如从1973年开始，大工力学系钟万勰等就着力研究计算机在结构力学中的应用，解决了上海电视塔、重庆长江大桥、沈阳体育馆大型空间屋架等结构工程的实际问题，并取得了用数学中群论处理具有广义对称性的结构等理论成果，体现了力学学科知识发展的最新需要。

力学既研究模型的描述，也研究模型的预测。力学是一门基于模型进行定量研究的学科，与工程技术不同，力学研究更侧重于发掘蕴含在工程之中的基本规律和定量的设计准则[8]。这种面向自然、源于工程、高于工程的研究路线是在力学学科中发展起来的，并于20世纪在各个工程技术领域中发扬光大。应用力学工作者，要在研究实际工程问题的同时，把研究的视野投向对工程技术和认识自然有重大影响力的规律，然后返回到实际工程中去[9]。力学现象的普遍性和力学研究方法的普适性，提供了力学与其他学科产生交叉的前提。交叉和边缘领域的力学是力学学科的一个重要组成部分[10]。力学工作者也广泛地融合到基础学科、应用和工程技术中。力学学科的这一特点不断地丰富着力学的研究内容和方法，并使力学学科保持着旺盛的生命力，大工力学系不仅重视传统力学交叉学科领域，而且投入更大的精力发展与新兴学科相关的力学问题[11-12]。

力学大师钱学森1997年曾说“今日力学就是用计算机去回答一切宏观的实际科学技术问题”。计算机的出现和计算技术的发展加速了力学发展的进程，缩短了问题的研究周期[13]。在一般情况，只要力学工作者完成建模，给出相应的数理方程，计算机就能给出一个数值计算结果。计算机在对复杂问题求解时，给研究人员提供大量的信息，使人们形象地看到物质或系统的内部结构和演化过程。如今世界上已经出现了数值湍流、数值风洞、数值船池、数值地球等提法，以它们为基础，还可以发现新的现象和规律，如弧子的确立，混沌的发现，都有数值计算的功劳[14]。计算机的数值模拟还架起了力学理论与工程应用的桥梁，使力学走下科学的殿堂，深入到工程技术的各个角落。在交叉学科新的领域不断提出新模型、新计算方法和新测试技术，并在开发新软件、新仪器上占据显著优势，尤其在计算力学学科发展方面，大工力学系对这一学科的诞生和发展做出了巨大贡献。计算力学是服务工程的利器，与工程结合的计算力学，是未来新工科的方向之一。大工力学学科发展形成了较多的科研成果，如钟万勰院士带领团队，以计算力学、弹性力学为基础研究出的工程计算体系，用一个程序可求解多种问题，应用到土木建筑、航天航空、海上采油、电子、造船、机械制造、内燃机、铁路、锚杆等许多领域，取得了显著的经济效益和社会价值。

以大工力学为依托的工业装备结构分析国家重点实验室功能主要体现在计算力学与工程科学计算的理论和方法、结构优化设计的现代理论和计算方法、大规模计算工程软件系统研究开发和应用、复杂环境下重大工程和工业装备结构的试验和分析评价等方面。该实验室先后与一批重要工业企业进行科研合作，其合作领域包括航空航天结构、深海石油开发装备、透平机械、重载与高速列车、超轻材料和结构以及巨型操作机的研发等，大工力学学科的发展推动了科研成果的转化与其在新领域的应用。具有代表性的是与中国运载火箭技术研究院合作的科研项目，在国家长征五号运载火箭的设计中，成功为火箭减重600多公斤，单发节省成本达2 000多万元。

(二)学科发展的矛盾面之二：大学有限提供学科发展的资源

力学学科的发展离不开时代的大背景，把握力学学科发展特点，重视力学与实际工程的结合，在基础研究和应用研究上协调发力，力求实现两者的良性互动。大学对学科发展的支持是学科发展的必要条件，支持大则师资、实验室、政策都会有保障，支持少则学科“巧妇难为无米之炊”。总结大工对力学学科发展支持的成功之道，可以用学科队伍建设、基础设施保障、政策制度支持等方面来进行概述。

第一，建设学科队伍是学科发展的重点。具有学科专业水平的高素养人才是学科发展的前提，学科队伍建设是学科可持续发展的根本保证。在学科发展过程中，既要有国际视野和世界水平的领军人才，也要有学科规划重点发展方向的高端人才和学术带头人，还要有具有学科发展潜力的优秀青年人才，做到学科建设方向不偏，学科建设重点突出，学科建设梯队有人。同时注重学科团队发展，从“一个高水平带头人”到形成“一个高水平团队”的“集团效应”，打造与世界一流大学相适应的高层次人才队伍。大工工程力学系由钱令希院士与唐立民教授联合创建，第一任系主任由钱令希院士担任。在建系初期，就有四位留学欧美回国的“老”教师：钱令希、姜际升、方孝淑、唐立民，余者为年轻讲师和一大批青年助教。之后通过本校力学系留任，吸纳清华力学班学员、留苏归国学生等途径，着力加强师资力量。20世纪70年代初，又通过各种方法将当时的青年学者程耿东、林家浩、隋允康、刘迎曦调回学校，充实师资队伍。90年代，新合并的工程力学系师资力量雄厚，拥有教授38名、副教授40名，拥有钱令希、钟万勰、程耿东3名中国科学院院士和唐立民等学术带头人，以及有突出贡献的中青年专家、特聘教授顾元宪等。随着改革开放的发展，国际人才交流成为趋势。1994年大工力学系聘任比利时列日大学材料及固体力学系主任、最年轻的终身教授S.Cescotto来大工工作，成为大工科技专家。工程力学系在引进、遴选和培养学术骨干时，注重整体考虑队伍的知识层次、年龄结构以及研究方向，培养中坚力量。“计算力学与工程科学计算”科研团队成为学校历史上首个获得国家创新研究群体科学基金资助的团队，有多人被聘为长江学者，入选教育部新世纪优秀人才计划，被国际同行公认为计算力学与工程科学计算领域的一支代表性研究队伍。

第二，保障实验设施是学科发展的硬件。科研设备是学科建设的依托，所有的科学研究都要依托实验室、资料室、试验场地等条件完成，要集中有限资金，加强试验平台和与学科相关的、高水平的实验室建设，实现资源共享。同时，还要抓好国家级工程中心和省部级重点实验室建设。大工力学系实验设备不断发展，从无到有，从简陋到丰富，从购买到自主研发，逐渐走到国内领先。从校第一台电子模拟计算机的安装调试到超声波成像仪、高性能计算机机群的购置运维，众多的实验设备是科学研究的重要支撑。依托力学系建立的国家级重点实验室——工业装备结构分析实验室，则在申请获批后，为力学学科的发展做出了重大贡献。实验室面向国家发展战略需求及学科发展前沿，针对运载装备先进设计与分析技术中的关键科学问题，在计算力学与工程科学计算的理论和方法，结构优化设计的现代理论和计算方法，大规模计算工程软件系统研究开发和应用，复杂环境下重大工程和工业装备结构的设计、试验、分析与评价等方面，开展了创新性学科交叉与应用基础研究。

第三，良好的政策制度是学科发展的软件。一流学科建设要有一流的政策制度环境，政策制度认同是一流学科建设得以实施的基础。政策制度支持能够体现学校、院系对于力学学科发展的重视程度。大工力学系在不同发展阶段，为了更好地加强力学系的学科发展，先后制定了《工程力学系发展战略规划》、《力学学科建设与管理办法》、《力学学科对外建设规划》、《学科带头人遴选与考核管理办法》、《引进人才暂行规定》、《力学学科专项资金管理办法》、《力学学科建设项目立项实施办法》、《交叉学科建设项目管理办法(试行)》、《优势学科建设工程项目奖励办法》、《优化学术环境指导意见》等政策制度文件，在人事制度、财务制度、教师聘任制度等各方面为学科建设松绑，为学科发展助力。通过合理地调配实现规划所需要的人、财、物、信息等各项条件，大工力学系在学科评估、学科建设绩效评价、教师队伍培养、学生培养质量等方面取得突破和推进，为力学学科不断适应新的外界环境，不断改革创新，不断持续发展，创造了良好的学科环境。

二、一流学科发展壮大的核心是培养一流人才

(一)一流学科的发展是从要素构成到系统合成的过程

了解学科发展的规律，必须先了解特殊性的矛盾，也要了解普遍性的矛盾。大工力学学科发展的普遍性在于学科发展的各个要素，如师资力量、经费配置、学科平台、硬件措施、制度供给等都在持续改进，但这些普遍性的资源未必是大工力学成为一流学科的关键。力学学科发展壮大的关键是“按照学科发展阶段的需要，引进与组织结构相匹配的资源，将引入要素充分融合进已有要素结构中，以此来增强组织的核心竞争力，形成引入资源与组织发展的良性互动”，这种互动是让资源和组织结构相契合，相平衡，相统一的过程。在这种组合下，学科产出关系到资源和组织合成的效益，学科产出越大越多，则组合强；学科产出小且少，则组合弱。多年来，大工力学学科的产出持续不断，并不断地产生比较大的成果。

学科发展壮大是一个学科生态系统内各要素有机结合，不断推动学科的发展，但不能忽视了核心要素，即“人才”的重要性。国内外学科评价和排名排行过程中，系统涵盖了多种要素，但大的趋势始终是加大对“学科培养人才”的认同比重，如“毕业生的成就”“教师的人均科研产出量”等。不同的领域对“人才”的定义是不一样的，学科发展中的“人才”，就是指对学科发展起到一定作用的人。大学的学科通过专业和课程的载体，不断培养出优秀毕业生，其产生的作用直接决定了学科的发展趋势。

(二)一流学科产出的核心是培养一流的人才

学科产出一般是指学术成果、人才培养、社会贡献和行业声誉等，这些产出的核心是人才培养。学科依托专业和课程培养学生，将学生培养成本领域的佼佼者，他们不仅能走入社会工作，在众多领域为社会做贡献，也能回到学校任教，反哺学科，做科学研究。学科培养出杰出的人才，证明他们做出了更多的社会贡献，在学科和行业里的声誉斐然。而这些杰出的人才在本学科领域发展，其学术成果也会比其他人更多更强。总之，在一个学科的发展过程中，人才培养占据核心地位。围绕核心所做的学科发展努力，将会持续地对学科壮大产生作用，大工力学就是很好的例证，不仅能培养出进入航天、船舶、车辆、土木水利等行业的优秀人才，而且能培养出回校任教的专家和学者。

力学专业教育在培养创新型工程师中具有重大使命，大工力学学科发展承载着学校基础学科拔尖创新人才培养的责任和使命。大工力学在本科专业学习阶段，始终注重对学生能力的培养，尤其是创造力和全球胜任力。培养的学生要有扎实的基础知识储备，特别强调基本功。因此在学生本科阶段不仅重基础，重实践，培养科研能力、自主学习能力，还强调知识是怎么来的，学会用知识解决问题，突出发现问题、解决问题的能力。要求本科生多学习，多实践，不要只记死板公式，要学会软件操作，通过建模理解力学基本原理，逐渐培养创造力。要求研究生达到较强的编程能力，课题研究要有内容，要有较高水平的成果才能毕业。大工力学在培养学生做学问要认真，要做老老实实科学家的同时，也强调学生要时刻关注学术问题，注重开阔学生国际化视野，积极为学生营造国际化的学术环境。邀请国外知名教授给学生开展讲座、讲授课程，选派优秀学生参加国际力学会议，积极承办国际力学学术研讨会，不遗余力地把优秀学生推荐到国际性学术平台上进行锻炼，也会安排学生到国外大学学习深造，让学生始终能接触到力学学科最前沿的信息，树立国际意识，加强自身参与国际竞争与合作的能力，逐步提升自己的全球胜任力。

大工力学设立了“钱令希力学创新实验班”，不断改革力学课程体系。2011年，依托大连理工大学强势的理工科基础和国内外具有影响力的力学学科及其优质的教育教学资源，借鉴清华大学和西安交通大学的钱学森力学班等创新人才培养经验，确立了“加强基础、拓宽专业、因材施教、质量一流”的培养理念，创立了“钱令希力学创新实验班”。该班实施导师制，负责学生学业、科研的个性化指导，设立个性化培养方案和高水平国际化培养体系，增加跨学科课程设置，拓宽学生跨学科发展的视野，设立专题研究课题，积极引导学生尽早发现感兴趣的科研领域，引导学生积极参加导师科研项目和各类学术研究交流。该班为力学方向培养了一批拔尖创新型人才，也为大工力学学科发展造就了一批可塑性强、不可替代的优秀毕业生。

大工力学兼容并包，从外校引进自我培养出多位优秀教师，代代传承，教师队伍呈现出老中青和谐努力的局面。钱令希、唐立民、钟万勰、程耿东、李锡夔、陈浩然、顾元宪等老一辈的教师队伍发挥了极大的作用，不仅尊重学术，学识丰富，而且师德高尚，重视师风学风，全面关心年轻教师的成长和发展。中年教师队伍进一步发挥作用，青年教师队伍成长较快，梯队合理，和谐共生。力学系教师积极发挥传帮带作用，相互交流沟通、团结奋进。解决工程问题不能简单按照一个力学学科来划分，要结合力学多学科、多方向共同解决，注重学科交叉综合。大工力学系设立钱令希力学奖励基金，奖励在计算力学研究领域做出突出成绩的国内学者，也起到选拔人才，鼓励促进发展的作用。在六十多年的发展过程中，大工力学系形成自身独特的力学文化，崇尚学术，尊重人才，拥有民主和谐的科研氛围和学术风气，在服务工程中敢为人先，能为人先，勇于担当，薪火相传。

三、学科带头人在一流学科发展中的关键作用

学科之所以成为学科，是因为学科知识系统完备并不断拓展新的知识，学科的初衷是不断地拓展学科知识领域。学科的使命则是作为大学的组成单元，支撑大学承担起人才培养、科学研究和服务社会的任务，其关键点是破解学科发展的主要矛盾，培养具有较高学科素养的一流人才。要抓住以上两个关键点的，必然需要高瞻远瞩、深谋远虑的大师。在大工力学系，作为开创者和学科领袖的钱令希先生就是这样一位大师。在大工力学系开创之前，大连工学院院长屈伯川教授“三顾茅庐”请钱令希先生到大工任教。而后，钱令希先生以敏锐的眼光认识到国家对工程力学的迫切需要，在1957年申请成立了大工力学系。在接下来的五十多年的时间中，钱令希先生成为了大工力学学科的破局人、决策者和引路人。

破局人：以扎实学识为国家工程服务，使力学学科稳步前进。为国家工程服务，是大工力学系从创建之初到现在一直坚持的路线。钱令希先生以身作则，努力解决国家重大工程、土木、结构装备等工程实际问题，如建国初期佛子岭水库大坝的建设、核潜艇设计、海洋工程等，突破国外技术封锁，解决关键问题，满足了国家的任务需求。

五十年代出版的钱令希先生的著作《静定结构学》与《超静定结构学》为中国当时急需的土木工程师培养发挥了极其重要的作用。1954年和1958年，他先后以武汉长江大桥和南京长江大桥工程顾问的身份，参加了这两座桥梁的规划、设计和科学研究工作。1959年，他在中国长江三峡水利枢纽规划会议上提出了“建新型大头坝型——梯形高坝”的建议。后来，中国兴建的乌溪江水力发电站就采用了这个坝型。1974年，钱令希先生还承担了中国第一个现代化原油输出港——大连油港主体工程的设计任务，主持了海上百米大跨抛物线空腹桁架全焊接栈桥的设计和建造工作，获得全国科学大会奖和优秀设计奖。在力学领域，在力学服务工程领域，钱令希先生以一己之力带领大工力学师生，推动了力学学科的破茧成蝶，成为全国知名的优势学科。

决策者：以系统能力整合学科发展的软硬资源，使力学学科活力四射。钱令希先生作为大工力学的创建者之一，不仅认识到学科知识生产的重要性，也认识到人才培养对学科发展的重要性。他始终在协调学科知识生产和外部资源供给之间的矛盾，推动着大工力学学科的最优配置。

在学科知识生产方面，他带领一批优秀的科学研究者持续的高质量的产出使力学学科多维度发展。1950年，钱令希教授在《中国科学》发表论文《余能原理》，在学术界产生了深远的影响。1962年，钱令希教授和钟万勰在《力学学报》和《中国科学》上发表了论文《关于固体极限分析一般变分原理》，为塑性力学中变分原理的发展开创了一条新路。1963年，在全国塑性理论和极限分析学术讨论会上，二人再次合作的论文《关于壳体极限分析一般变分原理》，在力学界引起了极大反响。1980年，程耿东的博士论文《实心弹性板的最优设计》的部分内容，于当年在美国衣阿华大学举行的“分布参数最优设计”国际学术交流会上宣读，获得与会专家学者的好评。之后他又与合作者在固体力学著名期刊《International Journal of Solids and Structures》连续发表了三篇论文，系统地阐述了如何通过引入微结构封闭设计空间，从而保证分布参数优化问题列式的正则性。这一工作是近代结构布局优化理论的先导性工作之一，直接引发了持续三十余年的拓扑优化研究热潮。钟万勰教授在加拿大召开的“第15届理论与应用力学”大会上，做了题为《关于结构力学中的群论和广义对称性》的学术报告，在国际力学界产生了深远影响。同时，钱令希教授和程耿东教授领导的结构优化方法和应用研究，唐立民教授提出的多变量拟协调元方法，钟万勰教授关于参变量变分原理、基于哈密尔顿原理的力学求解辛体系、精细积分法的研究等，均受到国内外学者的广泛关注。

钱令希先生通过多种方式，完善大工力学的学科组织架构，制定适合学科发展的规章制度，加强大工力学的实验平台和设施建设。建系初期是涵盖数学专业及物理专业的数理力学系，20世纪60年代成立固体力学教研室、固体力学基础教研室、流体力学教研室和力学实验室，再到工程力学研究所和工程力学系，组织机构的变化促进了学科的发展。在钱令希先生的推动下，大工力学系陆续制定了多种制度来保障学科建设的各个方面，同时也建立了国内一流的国家重点实验室和实验设备。

引路人：以敏锐眼光指引学科研究的最新方向，使力学学科始终勇立潮头。钱令希先生对学科知识发展的方向非常敏锐，他和大工力学人共同对力学学科发展的方向进行了深入地探究，20世纪70年代致力于在中国创建“计算力学”学科，倡导研究最优化设计理论与方法。20世纪80年代中期，钱令希院士与国际著名学者共同倡议成立了国际计算力学协会，中国在国际计算力学界始终保持着重要的地位和话语权。1986年，在美国休斯顿召开的国际计算力学协会成立大会上，钟万勰院士被推选为中国唯一的常务执行理事，并先后担任四届常务执行理事。程耿东院士先后担任国际多学科及结构优化学会执行委员和主席。目前，大工的计算力学始终是国内力学学科的中坚力量。