我在清華水利系讀了三年半,1957年初被抽調到工程力學研究班學習,又讀了兩年。在這五年半時間內,聽過許多位老師講授的課程。所有這些,給我打下了較堅實的理論基礎,也讓我對工程科學的研究對象和方法有了較清晰的了解,在以後的工作中受益匪淺。
在我看來,大學老師的講課有兩種不同的風格。一種風格是嚴格按照教學大綱,老師備課充分,在課堂上完全不看講稿就能用嚴謹的語言出口成章。學生只要做好筆記,課後複習時不用多看教科書,也能很好地掌握課程內容。
另一種風格是在教學大綱的框架內,老師憑藉自己寬廣的知識面自由發揮,講得生動活潑,趣味橫生,但學生課後複習要花很多時間翻閱教材才能掌握課程的基本內容。
很難說哪一種講課方式更好,因為這要看課程性質和授課對象。對於低年級的基礎理論課,看來應該採用第一種方式,而給高年級(特別是研究生)講課,可能以第二種方式更好。
大學一年級,程紫明老師給我們講「數學分析」,李芳澤老師給我們講「理論力學」。他們都屬於第一種風格,條理清晰,重點突出,語言嚴謹,幾乎沒有主題以外的話。對於特別重要的內容,例如,數學分析中關於極限的概念,理論力學中「二力杆」(即兩端鉸接的受力杆)的概念,他們都會恰到好處地重複和強調,讓學生加深印象。記得有一位同學說,聽了這兩位老師講的課如果還不懂,那就只能怪自己了。
大一上學期有一門「畫法幾何」課,是沈力虎老師講授的。沈老師講課非常風趣,經常引得學生哄堂大笑。關於如何徒手畫好一個圓,沈老師介紹了一個經驗,他說,如果你是用右手寫字的人,圓的左上方要逆時針畫,右下方要順時針畫。這個經驗我一直遵循到現在,確實有效。
從大一到大三,我們學了一系列基礎課和專業基礎課,除上面提到的之外,還有夏學江老師講授的「普通物理」,黃克智老師講授的「材料力學」,李丕濟老師講授的「水力學」,陳仲頤老師講授的「土力學」和黃萬裡老師講授的「水文學」等等。
這幾位老師講的課都給我留下了深刻的印象,我對材料力學和水力學特別有興趣,課外還在老師指導下參加了「學生科研小組」的活動,限於篇幅,這裡就不一一記敘了。
我只想談談聽黃萬裡教授講課的感受。黃萬裡教授有深厚的數學、力學功底和極為豐富的治水工程經驗。他講課除了把基本內容交待清楚外,還給我們傳授了大量書本上沒有的知識。譬如,有一次他在講到統計理論的時候說:有統計數據表明,X時刻武漢長江的流量與Y時刻長春的風速和Z時刻杭州的雨量有一定關係(大意如此,不是原話)。當時我覺得這近乎神話!直到上世紀90年代我對「混沌現象」有興趣,看過一些文獻後,才知道這並不一定是不可能的。我想,混沌學中的「蝴蝶效應」(即對初始條件的敏感性)和「相空間大尺度結構的相干性」也許有一天就能解釋這一類的統計結果。混沌學的系統研究公認是從上世紀70年代之初開始的,而黃萬裡教授給我們講課是在1956年的上半年。
1957年初,我在清華水利系尚未畢業就調去工程力學研究班學習。力學研究班的講課老師有很多是國內外著名的教授。
他們的講課風格大都是我前面說過的第二種,沒有太固定的教材和講稿,在課堂上圍繞一個主題可以講得海闊天空。印象最深刻的是錢偉長教授的「應用數學」和郭永懷教授的「流體力學概論」。
錢先生在課堂上像是在與學生談心,旁徵博引,講得娓娓動聽。例如,講到量綱的概念時,錢先生說:「一個寫對的方程,其每一項的量綱都要相同;這個道理雖然很簡單,但過去有些工程中用到的經驗公式卻不是這樣的,這種公式毫無意義。」又如,講到量級的概念,錢先生這樣說:理論上導出一個方程,其中各項的量值往往會相差幾千倍、幾萬倍……如果忽略那些小量級的量,一個無法求解的方程往往會變得容易求解。力學中許多有名的近似解就是這樣得到的。關於後一個話題,錢先生曾一再舉例說明,但我對它的深刻理解卻是在後來的工作中才逐漸悟出的。
郭永懷教授的課選用了Ludwig Prandtl的「Essentials of Fluid Mechanics」作為主要參考書。Prandtl是近代流體力學的奠基人,他的最大特點是注重從對物理現象的觀察出發,而不是從抽象的數學概念出發來研究流動問題。我想,郭先生選用這本教材的用意是要我們學會這種研究方法。在這門課中郭先生只講物理概念,很少在黑板上寫數學公式,更不要說做數學推導了。對於講授流體力學這樣的數學物理性質很強的課程,這似乎難以想像,但郭先生確實是這樣做的。例如,關於 Kelvin-Helmholtz 不穩定性,他以一面旗子在風中飄動為例:當旗子有微小的波動時,凹面的壓力增大而凸面的壓力減小,於是波動越來越大,最後終於導致了不穩定狀態。幾句話就讓初入門的學生了解而且記住了Kelvin-Helmholtz不穩定性的機理,如果當時從數學方程出發來分析這個問題,恐怕講一兩個小時我們也不一定能理解。
力學班畢業後,我自己也當了教師,先後給本科生和研究生講授過「流體力學」、「邊界層理論」、「粘性流動」和「湍流的數值模擬」等幾門課程。我首先效法的是第一種講課風格,得到過學生的好評。多年之後,我開始學習第二種講課風格,但效果始終不很理想,主要原因是我的知識面不夠寬廣。
(作者系清華大學1958屆學生)
《科學時報》 (2011-05-10 A2 要聞)