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张维教授百年诞辰纪念文集 [:1705978107]
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2.3.3 学科建设实行基础研究和面向工程两手抓
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张维在担负着繁重的行政领导工作和社会工作的同时，始终以一个力学家对于近代科学与工程技术的敏锐性，和对于国家、民族，以及对学校、所从事专业的高度责任心，注视着世界科学技术发展的前沿，具有广阔且精深的学术视野。据第二届力学班毕业、后在清华大学图书馆长期工作的万锦堃研究员回忆，张维是清华大学图书馆的常客，每当收到德、英、美等国出版社给他寄来的关于力学的图书目录，张维都会在第一时间交给万锦堃，他希望万锦堃能充分发挥其专业知识的优势、尽可能运用学校有限的经费获得更多优质的学术科研资源。在他出国访问时，也要抽空去国外著名大学的图书馆查阅最新的文献资料，直至张维80多岁时，还有在美国普林斯顿大学的中国访问学者，在该大学的图书馆看到这位白发苍苍的老教授，面前放着一盒盒图书和文献卡片，认真地看着、记录着科技文献资料。在张维留下的遗物中，我们发现了两大纸箱的英、德、俄文文献卡片，这是他多年阅读文献资料积累下来的。在他担任清华大学和力学系几十年的工作中，他总是根据世界科技发展前沿和我国国民经济和国防事业的需要，为固体力学教研组的老师们提出一个又一个力学研究的着力点。20世纪五六十年代，他结合我国的航空、航天和舰船工业中的关键问题，提倡学习板壳理论；70年代，他关注计算科学与力学的结合；80年代初期，根据海洋工程和核工业发展的需要，他又关注流体与结构动力学的耦合问题；80年代中后期，他又对时任工程力学系主任的余寿文提出，工程力学要注意和计算机、微电子工业的发展相结合，在国人尚未深入关注微力-电耦合力学的时候，就鼓励固体力学教研组从事微电子材料、智能材料与微电子封装基础力学理论的研究。从那时起，力学系破坏力学理论研究室便开始了微材料-智能材料力学性能和微封装多层膜力学的研究。90年代中期，国内外高技术的发展及我国国防现代化的需求，对航天航空工程提出了新的任务。他多次向学校建议清华大学的工程学科建设，不仅要在“地上”，更应拓广到空间、海洋。〔29〕
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在张维等老一辈学术带头人的带领下，固体力学教研组的教师们形成了良好的学风。要发挥力学作为技术科学的优势，在各种工程领域中攻坚克难，就必须打下扎实的理论基础，在这方面，黄克智、杜庆华发挥了重要作用。20世纪60年代，黄克智给固体力学的青年教师们讲授“薄壳理论”课程，听讲者甚至还包含了现今“蛟龙号”的总设计师，当时他是中国船舶科学研究中心的一位年轻工程师，在清华固体力学教研组进修。20世纪70年代，“文革”刚刚结束，为了使大家把“文革”耽误的时间抢回来，能够较为迅速地看懂新的科技文献，黄克智又给固体力学教研组的中青年教师和研究生开出了“张量分析”和“非线性连续介质力学”课，听这些课程的还有兄弟院校的力学教师和清华力学系其他专业的教师。从1978年起，破坏力学理论研究室便开始进行每周一次的学术讨论班，这个讨论班后来扩展到整个固体力学研究所，一直延续至今，在整个教研组形成了很浓的学术氛围。与此同时，杜庆华则在固体力学教研组几次讲授了有限元法与边界元法。
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为了使清华固体力学的研究工作与我国国民经济与国防工业的主战场紧密结合，从中选择促进技术进步的重大关键力学课题进行研究，张维和杜庆华、黄克智等带领一些刚出校门的青年教师，从20世纪60年代初的困难时期开始，就亲自到各工业部门调研。20世纪60年代，他们到上海的舰船工业部门，联系到有关潜艇结构加肋圆柱壳的稳定性问题、潜艇端部与圆柱壳连结的斜锥壳强度与稳定性问题、发射孔附近应力集中分析与实验测试等科研项目；到东北的航空工业部门，联系到机头锥的强度与稳定性问题、水平尾翼的颤振问题、蜂窝夹芯结构的当量力学参数测定问题、气动加热下蒙皮加桁结构的热结构力学问题等重要项目。20世纪70年代初，石油化学工业开始在我国兴起，迫切需要制定出我国自己的压力容器规范，早在1974年，黄克智就在极端困难的工作条件下与该部门建立了密切联系。为了解决圆柱壳大开孔接管设计方法这一难题，需要寻找一批国外早期发表的理论文献和实验资料，张维利用出国访问的机会，从国外大学图书馆查找复制，亲自为黄克智等人背回来了一批好几十篇宝贵的文献。“文革”刚一结束，结合我国能源工程的自主设计问题，张维就请核工业部的有关专家来力学系，给教师们介绍核电站设计中提出了哪些关键力学问题；张维又和杜庆华一起，成立了清华大学海洋工程领导小组。清华大学固体力学的三位前辈们为青年教师、研究生和高年级学生联系工程实际进行力学研究创造了良好的条件。
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在上述工作的基础上，20世纪八九十年代，固体力学学科点中生长出破坏理论、计算固体力学、结构弹塑性分析、机械振动与流固耦合、实验固体力学五个学术研究方向。在我国“七五”国家科学技术发展规划中，清华大学固体力学学科点主持了国家自然科学基金在数理科学和材料与工程科学这两个学部内与固体力学有关的全部两项重大项目，均被验收为优秀重大项目。
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该学科点还在固体力学服务于国民经济主战场方面取得了重要成果。在我国第七、第八个五年计划期间，清华大学固体力学学科点结合核能、航天、海洋工程、石油化工、新技术研究、微电子元件与封装、汽车等技术领域所出现的关键固体力学问题，组织了攻关和应用技术研究。由于张维早期对我国核工业部门的关注，并且从20世纪80年代中期起就几次连续参加每两年一次的国际反应堆结构力学会议（SMiRT），该学科点从1987年起，抓住中国核电工业和核安全科学的创业契机，争取到了与国家七五重大科技攻关项目《核技术安全》中与固体力学有关的全部8项专题；从核结构分析软件、完整性评定到管道振动、抗地震设计等方面进行了联合攻关，为我国核安全技术填补多项空白；反应堆结构核安全审批软件等项目获得国家计委、国家科委、财政部联合颁发的国家七五科技攻关重大成果奖。机械振动和流固耦合研究方向系统地对我国渤海、南海西部进行了有关海洋平台设计、振动模态分析、评估规程等核心环节的大规模应用软件开发；按清华大学开发的计算软件设计的海洋平台在我国率先取得美国船级社（ABS）的认可证书。黄克智等首创的管壳式换热器管板设计方法领先法、美等先进工业国家的同类设计方法5年以上，是我国当时颁布的钢制压力容器国家标准中唯一比国际同类规范有重大突破的部分，已在我国12个工业部门几千个企事业单位中应用。截至1991年底，清华大学固体力学学科点获得了国家自然科学奖1项，国家发明奖2项，国家教委科技进步奖9项，其他部委技术进步奖6项。
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2.3.4 教书育人
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张维认为，高等学校最重要的任务是培养高水平的人才，由于他的倡导以及黄克智、杜庆华等的努力推行，在他生前，固体力学教研组一贯以重视教学、重视培养学生闻名于清华大学。1993年8月，在第二届国家普通高校优秀教学成果奖评选中，“固体力学学科建设和高水平研究生培养”（工程力学系黄克智、张维、杜庆华等）获得了国家教委教育成果特等奖。
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建系初期系主任张维为清华力学专业学生答疑（摄于工程力学系老系馆——旧电机馆）
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“教书育人”的第一个环节是教好书，教师对于学生的影响首先反映在有没有好的老师上课、老师能不能在课堂上反映出好的学风。张维一贯主张教授要上基础课。建系初期，清华工程力学数学系的基础课是由学校基础课教研组为工程物理、工程力学等新专业统一开出的，但专业课则要由力学系自己开，很多课程在清华是第一遍开出。如前述张维为首届固体力学专业学生开出了“气动弹性力学”课，用的是R. L. Bisplinghoff等人的经典名著《Aeroelasticity》，它涉及流体力学和弹性力学，有一定难度。上图为文革前张维为力学系学生答疑。“文革”刚一结束，百废待兴，年近古稀、身为副校长的张维主动提出亲自为工程力学系1977级学生讲授“材料力学”课，图示张维在上大课。给1977级学生上课期间，张维了解到许多同学不知道力学专业是干什么的，为了让学生了解工程力学专业的培养目标、力学与各类工程之间的关系、树立力学是技术科学的观念，他应力学系1977级学生和1976年入学的“工农兵学员”之邀，与他们座谈，事先他亲笔在稿纸上写了十几页的提纲。与此同时，由于“文革”后刚招收的研究生理论基础参差不齐，黄克智亲自为“文革”后第一届研究生和青年教师讲授“数理方程”课。张维、黄克智等通过言传身教，在固体力学教研组的中青年教师中形成了重视教学的好风气，同时也带出了一支教学上过硬的固体力学师资队伍。在长期积累的基础上，在20世纪八十年代至九十年代初，清华固体力学专业编写出了一批高质量的教材，其中《板壳理论》获国家级优秀教材奖，《塑性力学简明教程》获国家教委优秀教材二等奖，《弹塑性断裂力学》和《弹性与塑性力学例题与习题》获清华大学出版社优秀教材一等奖。
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张维为1977级工程力学专业学生上材料力学课（1980年摄于清华第二教室楼）
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清华固体力学专业的突出贡献是培养高水平的博士生（在1949—1981年期间，我国没有建立学位制度，在此期间，是培养高质量的研究生）。作为1980年12月成立的国务院学位委员会最早的委员之一和力学学科组组长，张维参与了我国学位条例的制定工作。1982年6月起，张维又接替何东昌（此时何被调任教育部长）担任了清华大学第一届学位委员会主任。1985年，张维、杜庆华、黄克智三人在《学位与研究生教育》杂志上发表了“关于博士生培养工作的一些体会和问题”[2.38]一文。文章开宗明义说明“学位条例”规定对博士学位的三个要求：
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（1）在本门学科上掌握坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识；
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（2）具有独立从事科学研究工作的能力；
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（3）在科学或专门技术上作出创造性的成果。
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解放以后，从1959年起，清华大学为了培养比六年制本科学生（大致相当于现在的硕士生水平）更高层次的研究型人才，固体力学专业张维、杜庆华、黄克智就开始招收研究生。为了使学生打好扎实的理论基础、培养学生独立从事研究工作的能力，从六年制本科学生最后一年的毕业论文开始，张维等老师就要求学生独立阅读外文文献。到了研究生阶段，据清华固体力学专业第一届毕业生、张维在1962年招收的研究生秦权回忆：“我在读研时期没让我去听专业课，为进一步掌握力学知识，张先生开了一个包括英、俄文的经典力学名著的书单，要我自己读，一年以后考试。但张先生每隔一定时间给我答疑，地点是工字厅后厅的东厅，何东昌副校长也在那里办公。此前我们都是靠上课来学习新知识的，突然变成自己硬啃大部头的原版书，很不适应，有时钻到一个很难看懂的方程里出不来，但张先生总是耐心给我解释，现在想来真是浪费了他不少时间。这种培养方式训练了我的自学能力，我感到，听课相当于从老师消化后的材料中汲取知识，固然省力，但这种方法培养不出健全的研究者。大到一个国家未来形势的变化，小到一个人未来一生的经历都是难以预料的。我在毕业后可以说是大改行，土木工程领域所有必须的新知识，包括开展桥梁工程研究所需的知识，我都是靠自学掌握的，这个自学能力也使我后来长期受益。”张维特别强调查找和阅读文献的重要性，认为这是一个科技人员必须好好掌握的基本功。据他20世纪80年代的博士生吴怡回忆：“张先生认为读文献不但要读最新的文献，知道当前的学科前沿在哪里，还要读以前的文献，了解学科进展的过程，它是从哪里开始，怎么走过来的。张先生把这套方法称作‘顺藤摸瓜’。每次向张先生汇报工作，讨论具体问题之后，张先生总会交给我一个文献清单，或者几个他认为在这个领域里的重要人物，让我‘顺藤摸瓜’，去找到对于我的研究工作有帮助的文章。”为了考核博士生是否“掌握坚实宽广的基础理论和系统深入的专门知识”，规定博士生的综合考试包括两门具有一定广度的课程，例如“非线性连续介质力学”、“有限元理论”、“断裂力学”等。命题后给2～3天的准备时间，再交答卷并口试。（清华固体力学专业对“文革”前的研究生就已经实行了这种考试方法）
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另一方面，根据力学是技术科学的特点，清华固体力学专业要求博士学位论文的选题可以是对国民经济直接具有重要价值的，也可以是对力学学科发展具有重要意义、同时也有应用背景的课题。但无论是哪一种，都要求博士生作出创造性的成果。论文的内容可以包含理论、计算与实验三方面的内容，也可以包含其中两方面的内容。张维非常重视实验工作，为使研究生的理论研究成果得到实验验证，他可以说是竭尽全力，亲自下车间与工人师傅讨论。以潜艇端部与圆柱壳连结的斜锥壳强度与稳定性问题为背景，张维在1959年招收的研究生叶清环以“均匀外压下斜锥壳体的强度与稳定性”作为论文题目，在得到薄壳理论的一次近似解后，张维要求进行模型实验验证。当时没有数控机床，要用普通车床加工出斜锥壳，实在是个难题；他亲自下到车间，找技术非常精湛的王亥辰师傅，同他多次商讨，王师傅设计了一套夹具，通过改造车床，终于把斜锥壳车出来了，而且厚薄均匀，符合试验要求。〔30〕从此王师傅成了张维的好朋友，经常为张维出主意，加工试件，张维还多次鼓励王师傅把精车斜锥壳的经验总结出来。张维在指导“文革”后招收的第一位研究生夏子辉时，从硕士论文到博士论文，不仅推导与计算了数值解或理论解，还都进行了实验研究。夏子辉作为在职博士生，其博士论文题目是“圆环壳在任意载荷下的薄壳理论解”，为了更好地了解该问题在工业生产中的背景，张维亲自带夏子辉去参观拜访了上海一家专门生产波纹管的工厂。这家工厂的办公室设在六层楼。当时年已七旬的张维，爬上这六层楼时，已气喘吁吁。进了办公室后，张维向工厂的技术主管介绍了课题组的科研成果及在生产波纹管实践中可能的应用，得到了厂方的认同和兴趣。在张维鼓励下，夏子辉回到他“文革”期间工作过的宝鸡秦川机械厂和工人师傅们一起制作了高精度的圆环壳实验模型，又在他当时的工作单位上海船舶研究所，在实验技术人员的协助下，应用当时先进的激光测试技术，通过更复杂的对整圆环壳的激光实验测试验证了理论解的正确性。这些研究成果在国际杂志发表后，当时加拿大及欧洲一些大学的教授给出了很好的评价并向夏子辉索取有关的资料〔31〕。20世纪80年代后期，为博士生王安稳、朱益民的波纹壳试验，张维带着研究生和科研助手去南京晨光机械厂、上海异型钢管厂了解课题背景和寻找试验模型。他不顾自己已年逾古稀，不避酷暑深入无锡702所实验室坚持做了一周实验，直至完成试验〔32〕。
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在清华固体力学专业三位前辈的努力下，到1985年时，该专业已经有五位博士生通过了博士学位论文答辩，他们的课程考试和学位论文都取得了优秀的成绩。对于论文的质量，有位中科院学部委员认为：“计算方法和结果很有实用意义，使人对理论信服”。一位世界著名的力学权威、哈佛大学教授获悉该专业一个博士论文的内容后，认为是“令人鼓舞的”。
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张维（左1）与王安稳等在702所观察实验后的模型
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在前述1985年张维、杜庆华、黄克智三人的文章[2.38]中，还提出：“我们认为导师不管研究生愿意不愿意，把题目限制得很死的做法是不可取的”；他们指出：“受到历史和本人经历的局限，我们所不懂和不会的东西多得很；如果只允许博士生在自己的框框里转，那是培养不出具有开创性的高水平的新一代的。”张维在指导1984年入学的博士生张若京时，就是这么做的。张若京的博士论文题目是“旋转薄壳自由振动中的转点问题及其奇异摄动解”，这项研究成果解决了一个薄壳振动问题中的难题，后来获得了国家教委科技进步一等奖。张若京在回忆论文题目的由来时写道：“记得入学后第一次与导师见面，是在工字厅张先生的办公室里。很快，话题就转到论文题目上了。张先生说，‘研究生往往希望导师给一个题目，越具体越好，最好还能给一两篇主要参考文献。但我想，我们还是先只明确一个大体的研究领域。在这个领域里，由研究生自己去寻找兴趣点。然后再和导师共同研究，确定具体的题目’。接着他说，‘你的硕士论文是振动方面，我主要搞壳体结构。能不能我们结合一下，做一点壳体振动的问题？’”〔33〕张若京写道：“自己选题当然有风险。这就是可能多花时间、甚至走弯路。不过，就在山穷水复的痛苦时刻，突然，我在某期的《Applied Mechanics Review》上发现了一则俄文新书介绍。书的英译名是《Free Vibration of Thin Shells》，作者有三位，其中一位是大名鼎鼎的苏联力学家Goldenvizer（哥尔琴文采尔）。尤其让我兴奋的是，在这则新书介绍中，作者真诚地表示，关于薄壳振动的转点奇异解，作者其实还没有最终得到。但还是把已经做过的工作和已经取得的结果写出来，供感兴趣的读者参考。天啊，这等于是公布了一道题，而且是一道难题。灵感告诉我，我的论文有题目了！”但张若京找遍了国内各大图书馆和中国图书进出口公司，被告知国内没有进口这本书。张维利用去美国出差的机会到美国国会图书馆去找，最后终于和该书的一位作者联系上了，不久就收到了一本有三位作者签名的原版俄文书。经过认真阅读原著和相应的参考文献，张若京才发现这是一个苏联和美国学者历经四十年研究还没有解决的难题，问题的关键在于旋转壳的固有频率谱中存在一段转点，经过该频率段转点时，所对应的主振型的微分方程类型就改变了。所以问题的难点就归结为，如何写出主振型的“全域一致有效的”表达式。由于圆环壳的薄壳理论解研究中也同样存在偏微分方程的转点奇异性问题，二者的解决具有相似的难度，张维很重视这个问题，几乎每两周的晚上都要和张若京讨论一次。张维和张若京谈话时，往往拿一摞纸和一支笔。谈到紧要处，就写写画画，所以张若京每次谈话完都会收获到几张这样的手稿。在张维的指导下，他们终于得到了旋转壳振动的全部“全域一致有效解”，包括对称振动的6个解和非对称振动的8个解，它成为张若京博士论文的主要部分。