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、清华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,清华大学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年调入清华大学担任教授至今,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,他直接申请了清华大学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,深圳市和清华大学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(清华大学)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,作为清华老师,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年调入清华任教后,郑泉水发现一个问题,清华的学生极聪明,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,在学校的层面建立一种独特的教育模式。恰巧清华正在酝酿以培养拔尖创新人才为目的的“清华学堂人才培养计划”,“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”的生源全部来自清华,但未来的“爱因斯坦”“乔布斯”“任正非”们在现在的高考体系下,很难进到清华。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,争取清华大学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  清华新闻网

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