交叉学科研究不能,应用物理学
分类:数理科学

百发金牌火箭见证中国航天“逆袭”之旅

交叉学科研究不能“形式大于内容”在交叉学科研究中,面向现实需求、强调问题意识已然成为研究共识。然而,在实际中,也出现了讲求方法创新甚于解决问题的“苗头”。

综合介绍

应用物理学,顾名思义,就是以应用为目的的物理学专业。以物理学的基本规律、实验方法及最新成就为基础,来研究物理学应用。应用物理学是当今高新技术发展的基础,是多种技术学科的支柱。其目的是便于将理论物理研究的成果尽快转化为现实的生产力,并反过来推动理论物理的进步。

应用物理学虽然是以古老的物理学作为基础建立的,但它属于比较年轻的专业,特别是近些年的发展十分迅速。华裔诺贝尔物理奖得主杨振宁教授认为,当前和以后的几十年内物理学的重心在于应用物理学。应用物理学和理论物理学一个很大的不同点,就是两者的研究方法不同。理论物理学更多地依赖于数学和物理,主要是通过思考和推导来获得进步。而应用物理学涉及到的是一些非常具体的问题,一般都是采取实验的方法来进行研究。和理论物理学一样,应用物理学的范围涉及到物理的方方面面。这样的行业也是物理学理论转化为应用要求最急切的,比如能够将物理电磁学方面的理论,转化在电子和计算机方面的话,将会为这些行业的发展提供非常强大的动力支持。

能够将理论转化为实际应用的专业人才逐渐走俏。但就其专业特点来说,应用物理学需要使用到的研究方法主要是实验,所以对于学生的实验能力要求比较高,这不仅是对动手能力的要求,同时也要求有一种严谨的科学研究态度。对于物理学有浓厚兴趣,有一贯严谨的学习态度,具有较强地动手和实验能力的学生,可以在本专业的学习中取得很好的成绩。对于热爱物理学,但又不适合或是不愿意做纯理论研究的学生,对于喜欢自己的工作和科研成果可以实实在在地被应用的学生,本专业是一个非常理想的选择。不过考生在报考时应该注意,本专业虽然是应用类的专业,但在本科学习期间,由于专业涵盖范围广,理论学习仍占很重要的部分,同样要有大量比较艰深的理论课程,报考者应该有充分的信心,能够圆满地完成理论课程的学习,为进一步学习和研究打下坚实的基础。另外,作为应用型专业,在一些院校的招生中,对于色盲和色弱的学生有所限制。

国内高等院校纷纷开设自己的应用物理学专业。这为广大的学生提供了很好的机会。但一些院校的应用物理学系,有其名而无其实,对应用方面的重视远远不够。如果是一心想向应用方向发展的考生,最好还是仔细选择一个有较丰富经验的学校。本专业有较强的社会适应性,毕业生既具有从事基础科学研究的基础知识,也具有在应用物理技术、电子信息技术等领域从事高科技开发的实际业务能力,适合在工业、交通、邮电、金融;商业等行业从事科技开发、生产和管理工作。本专业学生所特有的专业素养,使他们具有持久的专业发展后劲和较强的开拓能力,因而深受社会各界的欢迎。

发展状况

各高校对应用物理学系的提法有所区别,应用物理,工程物理,或者核技术专业等,都是包含在应用物理专业当中的。

随着19世纪末,20世纪初物理学的进步,以及核技术的崛起,应用物理专业逐渐作为一个单独的学科从物理专业中细分出来,应用物理专业更强调物理学在国民工业当中的应用,物理专业则侧重于理论的研究。我国有的高校的物理系则是既包含物理学专业,也包含了应用物理专业。

我国大部分高校都设有应用物理专业,并且也有比较长久的历史。1926年,清华大学物理系成立。许多着名物理学家如叶企孙、吴有训、任之恭、周培源等教授都曾在物理系任教。清华物理系培养出了不少着名科学家,如王淦昌、钱伟长、周光召等是其中的优秀代表。诺贝尔物理学奖获得者:李政道、杨振宁博士都曾在清华物理系学习过。解放以来,应用物理专业作为物理系的一个专业方向,在各大高校逐渐设立,几乎所有的高等学府都建立了物理学系,其中据不完全统计,设有应用物理专业的院校共有170余所。

解放以后,我国曾进行了大规模院系调整,很多原工科院校的物理系合并调整,有的工科院校干脆就不再设物理学专业,只留下部分物理教学人员。另一方面,根据国务院的指示,为培养理工结合的新型人才,开创和发展我国的原子能科学技术,在部分学校成立了工程物理系。

在这种背景之下,很多高校恢复了物理系或者应用物理系。一大批理工结合的人才从应用物理专业涌现出来,

国际上最着名的学府如美国麻省理工学院、美国宾夕法尼亚大学、英国剑桥大学、日本的东京大学等都设有应用物理专业(AppliedPhysics),主要研究的课题包括核技术、宇航技术、固体物理、凝聚态物理、声、光、电学的基础开发和应用等。

就业方向

应用物理学专业的毕业生主要在物理学或相关的科学技术领域中从事科研、教学、技术开发和相关的管理工作。科研工作包括物理前沿问题的研究和应用,技术开发工作包括新特性物理应用材料如半导体等,应用仪器的研制如医学仪器、生物仪器、科研仪器等。应用物理专业的就业范围涵盖了整个物理和工程领域,融物理理论和实践于一体,并与多门学科相互渗透。

应用物理学专业的学生如具有扎实的物理理论的功底和应用方面的经验,能够在很多工程技术领域成为专家。我国每年培养本科应用物理专业人才约12000人。和该专业存在交叉的专业包括物理专业,工程物理专业,半导体和材料专业等。人才需求方面,我国对应用物理专业的人才需求仍旧是供不应求。

应用物理学专业的人才也存在一些问题,该专业的人才虽然就业面比较广,但是往往竞争力不够强,例如虽然他们可能也对半导体材料有一些研究,但是研究的深度比起半导体专业的人才又有一些差距。因此,往往在竞争最好公司的研发部门中,处于下风。也正因如此,人们认为学习应用物理,找到的工作环境一般不会太好,不过这在一定程度上有些夸大其实。有很多IT产业的公司如IBM、朗讯等,对应用物理行业的人才仍旧独有垂青。改革开放以来,我国东部沿海地区的经济中的某些行业,正在逐渐从劳动密集型向技术密集型和资金密集型发展,他们对基础技术的需求越来越大,这些技术虽然大部分从国外进口,但是掌握这些技术,操作这些技术载体的仪器,仍旧需要大量的应用物理专业的人才。将促进应用物理专业的研究继续向纵深方向发展。

往往需要大量的政府的政策性投入,难以实现产业化,这对于打算毕业后从事应用物理研究的人员来说,是应该做好思想准备的。很多应用物理行业研究出的前沿技术很快便得到了应用,例如中微子通信,像应用物理这样基础性专业的人才,由于其可塑性强,基础知识扎实,反而越来越能得到各个行业的重视。

作为一门基础学科的应用科学,,其中包括信息科学、材料科学、生命科学、能源与环境科学等。单晶硅技术的研究,为我国硬件产业的赶超提供了很好的支持。物理学研究材料的手段,如材料的电磁性能,光性能等,成为材料研究的基础。这些使得应用物理专业的人才在从事具体的科研工作时得心应手。以前,大部分应用物理专业的人才主要集中于以上所述高新技术开发部门,而作为物理的基础教育领域,则少有人问津,我国实际上急需一批应用物理专业的人才从事我国基础物理教育事业。那些有报负的应用物理专业学生,也应该敢于投身于基础教育领域,充分发挥自身的特长。

很多学科脱胎于物理技术的应用,计算机模拟物理实验,节省了大量的人力物力,这将为应用物理在新世纪迅速发展插翅添翼。因此,应用物理专业的人才应该发挥自身的优势,并且有意识地培养自己多学科的学术素质,这将为自己的事业铺上一条康庄大道。应用物理专业的学生应该注意发挥自身理工结合的特点。在个人动手能力方面进行培养,通过大量的物理学实验,增强自己基础理论的理解。另一方面,学生应该注重学习计算机知识,能够熟练的将计算机应用于工作当中,这样,才能更加发挥应用物理专业人才的优势,在各个领域内生根。

毕业后从事需要坚实的物理理论基础和动手能力的工作,扎实的理论知识以及应用能力,是很多企业任何时候都需要的人才:

技术工程师——企业的工程技术工程师;

教师——从事应用物理相关教育的教师;

发明家——应用物理专业是最富产发明家的地方。

刚刚过去的这个周末,随着中国西南边陲大凉山一声巨响,中国长征三号甲系列运载火箭正式突破100次发射次数,刷新中国单一系列火箭的发射纪录。1个多月前,这枚“金牌火箭”才完成了中国航天史第300次发射,而今,它又成为国内外关注的焦点。

学科交叉的目的是更好地、更有效地解决问题,而非猎奇。实际上,从不同学科视角研究同样的问题,势必会有新的发现或结论。一方面,我们应当充分肯定其对于学科深化的积极作用;另一方面,也需警惕可能由此导致的“问题意识”模糊。究竟哪些因素使得学科融合交叉中出现“形式大于内容”的偏颇?研究者应当遵循哪些准则以确保不偏离“问题指向”的研究初衷?

站在山谷中的发射场,满头白发的中国工程院院士、中国航天科技集团一院长征三号甲系列火箭首任总设计师兼总指挥龙乐豪感慨万千,他用“长征娇子创新担大任”来评价该系列火箭,后者包括长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙3种火箭,是我国目前高轨道上发射次数最多、成功率最高的火箭系列。如此斐然的成绩来之不易,甚至在长征三号乙火箭首飞时还曾遭遇“星箭俱毁”的重大失利,以及无数次与失败擦肩而过的“危机”。

交叉研究不是“器”的拼组而是“道”的通贯

在中国航天60多年的发展历程中,自力更生、艰苦奋斗是一条贯穿始终的精神主线。回首20世纪50年代,已经当家做主的中国人面对的巨大挑战是如何将一个技术水平落后、工业基础薄弱的国家建设成现代化强国。在当时错综复杂的国际政治格局中,中国在投入和平建设的同时,不得不面对一系列关系到国家命运和民族生存的问题,在这样的背景下,中国的航天事业在起步阶段就肩负着强国的梦想和希望。“金牌火箭”从“1”到“100”的逆袭之旅,就是一个最佳例证。

中国科学技术大学科技哲学教研部教授刘仲林告诉记者,20世纪80年代,我国曾掀起新兴交叉学科热,各种新兴学科导论、概论、手册、辞典层出不穷。其中大部分新兴交叉学科得到国内外广泛承认,但也有少数照猫画虎、粗制滥造的所谓“新学科”混杂其间。后者往往利用概念或范畴交叉演绎推理而形成,从名称和形式上看很新,但缺乏科学性和真实性。

2016年4月24日,在首个“中国航天日”到来之际,习近平总书记作出重要指示:探索浩瀚宇宙,发展航天事业,建设航天强国,是我们不懈追求的航天梦。经过几代航天人的接续奋斗,我国航天事业创造了以“两弹一星”、载人航天、月球探测为代表的辉煌成就,走出了一条自力更生、自主创新的发展道路,积淀了深厚博大的航天精神。

为何会出现这种偏颇?刘仲林分析说,不同的学科,特别是研究内容相去甚远的学科,要进行交叉研究,必须实现从单学科方法观到跨学科方法观的转换。不能将单学科的研究方法和评判标准,一成不变地引到交叉研究中来。交叉研究不是“器”的拼组,即各个学科领域的概念或范畴在表层进行机械组装,而是立足于清晰的方法意识和深度的概念理解之上的“道”的通贯。否则,交叉研究就会偏离正确的“轨道”。

新型号首飞失利总师一夜白头

山东大学文学与新闻传播学院副教授倪万则从“交叉学科研究的具体形态生成”这一视角,分析了“形式大于内容”的原因。

如今,已经习惯发射成功消息的人们,很难想象在一个火箭型号最初孕育那些年的艰辛与不易。作为长征三号甲系列的第二型火箭即长征三号乙,一诞生就历经磨难。

“就交叉学科而言,一般比较多的描述是‘方法交叉—理论借鉴—问题拉动—文化交融’。换言之,交叉学科研究以‘问题指向’为核心,包含不同学科理论的融合和研究方法的交叉,是不同学科文化背景、研究思路,甚至是研究习惯之间的沟通。由此可见,交叉学科研究是存在不同‘交叉’形态的,既可以是理论层面的,也可以是方法层面的。”

那是1996年2月15日,作为当时我国运载能力最大、同时也是研制难度最大、影响力意义最深的的火箭,长征三号乙运载火箭的首次发射吸引了全球的关注。

倪万说:“不过,在我看来,交叉学科研究更应该突出理论的融合。其研究的最终落脚点应该是对某一个学科理论或应用上的贡献。因为方法是大家都要用的,并非专属于某一学科。就拿统计方法来说,不是说在研究过程中运用了统计方法,就意味着对统计学有所贡献。所以,如果将不同学科方法交互使用便视为交叉学科研究,必然会出现形式大于内容的偏颇。”

龙乐豪就是这枚火箭的总设计师兼总指挥。他还记得,当时历经艰辛努力,好不容易赢得一个国际通讯卫星组织的发射合同,“对这次发射很有信心,媒体还进行了全球直播……”

理论推广有限度 方法移植有选择

然而,一场巨大的挫折轰然而至。

有学者提出,学科间的交叉不是毫无根据的随意组合。对此,大连理工大学公共管理与法学学院教授王续琨认为,在一个学科领域生成的理论,的确有向其他学科领域推广的可能性。然而,不同的理论却存在着抽象层次上的差异。譬如,哲学层次的理论可以在所有的学科领域中找到用武之地;而一门自然科学学科或社会科学学科的理论,则有或大或小的适用范围。

火箭点火起飞后约两秒,火箭飞行姿态出现异常,火箭低头并偏离发射方向,向右倾斜。

“比方说,全面质量管理理论归属于工商管理学之下的质量管理学。虽说这一理论的某些思想、理念,在人力资源管理或人事管理中是可以借鉴的。如对人的管理要坚持全面、全员、全过程管理的原则。但是,若将其推广到政治学、法学领域,则显得有些牵强。因此,任何具体学科的理论,都不能无限外推。”王续琨举例道。

根据当时的记录,在火箭飞行约22秒后,火箭头部坠地,撞到离发射架不到两公里的山坡上,随即发生剧烈爆炸,星箭俱毁。

“除了理论推广有限度之外,研究方法也有层次之分。哲学方法可以移用到各个学科领域,而具体学科的研究方法,同样也有一定适用范围。譬如,数学是一个历史悠久的横向科学部类,其抽象程度高于自然科学、社会科学等科学部类。诸如数学模型、数理统计、微积分、代数等数学方法,尽管能够在许多学科中获得卓有成效的运用,形成科学数学化的潮流,但这并不表明数学方法是万能的。”王续琨强调说:“如果将数学方法移植到政治学的反腐败研究中,建立所谓的反腐数学模型,便颇有哗众取宠之嫌。因为反腐败不是一个数学问题,关键是科学地设计公权力的约束监督制度并严格执行和恪守这个制度。所以说,量化方法和质化方法各有用途。要恰到好处地用到该用的地方。这就是方法移植有选择。”

“为什么?为什么?为什么?”

倪万提出,研究者在进行交叉学科研究时,首先需根据研究对象合理判断要跨什么学科、引入什么理论、用什么方法。当然,就我国目前研究现状和学科发展进程而言,这种判断主要依靠研究者的经验,没有固定模式。不过,还是应遵从一些基本原则:跨尽可能少的学科,用尽可能少的理论和方法,解决集中的问题。

龙乐豪连问三个“为什么”。作为中国第一代航天人,龙乐豪提出的我国第一枚洲际导弹末速调节方案至今仍在沿用,该方案提高了导弹命中的精度和火箭入轨的精度。但对那一刻的他来说,迎来人生的一个“低谷”。

交叉学科发展分不同阶段

那一年他58岁,有人说他一夜之间白了头。

尽管学者们普遍认为交叉学科研究过程中要尽量避免“形式主义”,并对此提出了诸多建议,但是,他们也表示,研究者不能为此所“束缚”,而要予以理性审视。

如今回忆起来,龙乐豪称那一夜“很是煎熬”,“一夜间急白了头,多少有点文学的夸张,说那个时候就加快了头发向雪白的转变,这倒是真的”。

在倪万看来,交叉学科研究有一个发展阶段。他以自己的研究经历为例进行阐述。2010年,在一个传播学领域会议上,他提交了一篇论文《云计算的媒体应用及核心价值》。这篇文章在会上有些许争议。倪万说,实事求是地说,这是一篇比较浅显的、不设证伪的描述性的概念研究论文。论文既没有提出问题,更没有研究假设,也无科学严谨的逻辑论证,但重在提醒新闻传播领域的研究者,云计算要来了,它和新闻传播领域息息相关。

龙乐豪回忆,当时整个团队情绪跌落到了低谷。然而,这群航天人并没有一蹶不振,而是顶住压力,第一时间投入到故障检测中。

王续琨认为,推进学科交汇融合或开展交叉学科研究,除了之前谈到的理论推广、方法移植之外,还有学科创建这一形式。就这一层面而言,就是要积极探寻两门或多门学科的交汇区、结合部,进而找到相关学科的共同论题。因此,不应该预先设置很多条框,关键是要在大胆假设的基础上进行小心求证。

他和团队成员点着蜡烛、开着应急灯,连夜寻找答案。这一找,就是30多个日日夜夜。最终查明,是一个金铝焊接点的“虚接”,导致控制整个火箭的惯性平台失效,火箭按照错误的姿态信号进行姿态纠正,最终坠毁。

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