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科学上有没有捷径?以电磁场理论为例

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科学上有没有捷径?以电磁场理论为例

      电磁场理论所支配的现象是我们天天要打交道的,照明、手机,只要用电,就在深层次上涉及电磁场理论。
       但是,描述电学现象我们实际上不用电场、磁场概念,而是用电流、电压概念。
       麦克斯韦电磁场方程组是空间的3维形式,加上时间维(泛称4维空时)。电工学专业的课程一般不会花大量的内容去用麦克斯韦电磁场方程来推导电流、电压概念(由电磁场推导),而是把它们直接的作为原始概念。然后以经验关系曲线,引出电压与电流的关系(直流电阻、电容、电感)。但是,为了作出“深刻”的理论说明,大谈平板电容,电感线圈的电压、电流关系,一般的教科书是不会用麦克斯韦电磁场方程组来推导的。
       实际上,这样的电学教科书走的是科学上的捷径。这样培养出来的学生是不会使用麦克斯韦电磁场方程组来解决基础性问题的。
       与此不同,电阻率、电容、电感概念在固体物理中,就需要用麦克斯韦电磁场方程组来求取,而这又由牵涉到微观的晶格结构、热力学等论题。一下子,问题就复杂了,成为基础科学理论问题。
       我们问的问题是:对于高精度超低噪音电路(含集成电路)的设计,设计者是使用那类理论呢?1)电流、电压作为基本量的电工学理论,阻抗作为物性参数;2)介质中的麦克斯韦电磁场方程组理论,电场、磁场作为基本量,介电常数、磁化率、电导率作为物性参数;3)以合适的场量,研究介电常数、磁化率、电导率对温度、电路(器件)几何等的依赖关系;4)某种更为一般的理论(深入到更深的物质运动层次)。
       电工学研究的重点是电路,从而选择电流、电压作为基础概念,这是一种捷径。
       电磁波探测(雷达)、无线通讯、无损探伤,一般是用到介质中的麦克斯韦电磁场方程组理论,这是只引入宏观物性参数的捷径。
       而电性材料制造,高精度高可靠性电路超低噪音电路设计,等,就必须选择某种合适的场量来研究变化的宏观物性参数。这是走物性参数的宏观变化的捷径。
       而材料物性的一般性研究就只能在现有理论上作更为一般性的研究。到了这个层次,就没有捷径可走了。
       因而,科学上有没有捷径呢?
       从哲学上来说没有,因为我们对深层次的物质与运动的一般关系还没有建立已经被实验证明的普遍性理论。
       但是,就具体层次的学科研究而言,舍去对深层次变化的考虑,在某个精度意义上,总是有捷径可走。
       而且,起点层次越潜表,捷径越显著。从而,专业化,尤其是高度的专业细化,在本质上就是走的捷径。
       按这样的原则来理解,学科越是具体化,其捷径性越明显。由此就可以理解高校为何把专业分得很细了。因为越细分,就越能弱化对基础理论的依赖性,从而能从更为潜表层的概念出发,在短时间内用最容易理解的方式完成专业学习。
       这种设计从培养一般专业技术人员的角度看是高效的。但是,从培养创新型专业人才和高水平专业人才的角度看则是灾难性的。
       然而,如果不具体的专业化,那么就大的学科类别化,以成熟的学科层次来培养。但是,耗时巨大,实质上没有可行性。可以理解为没有捷径可走。
       因此,就可以看出办一流大学的难点:1)课程基础科学化,但又要有适度的泛专业化;2)基础性课程量大,在较短学时内难于讲授完;3)在没有具体工程对象前,各门基础课程间的相互关系极为模糊;4)学生必须完成大量的自学。
       我国的一流大学建设,如211,985,基本上是基于投资驱动,近几十年的论文驱动,以及科研经费驱动,基本上没有触及办一流大学的本质难点。
       所以,从实际的运作现实而言,其各类办法所隐含的深层假设是:科学上有捷径可走。显然的,我们总是可以以某类专业的成就来证实捷径的存在,尤其是新学科。但是,对传统专业,尤其是要害性的、基础科学层次专业,我们又几乎拿不出捷径存在的实际证据。
       由此来理解就可以明确,我们是主观上否认科学上有捷径可走,但是在实际行动上总是隐含了科学上有捷径可走的理念。
       具体技术的理论基础(如电压、电流)层次,就是走科学上的捷径;而基础层面的学科理论基础,没有科学上的捷径。
       由此也可以理解我国高校培养的人才质量问题的根本原因。(肖建华)
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