從精深學(xué)習(xí)、到學(xué)術(shù)追夢、到創(chuàng)新教育
——記中國科學(xué)院新當(dāng)選院士、清華錢學(xué)森力學(xué)班首席教授鄭泉水
學(xué)生記者 張同順 攝影 楊敏
鄭泉水
2019年11月，清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系教授鄭泉水當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。
儒雅、健談、幽默、風(fēng)趣。
作為學(xué)者，他把科研推到巔峰；作為師者，他把育人做到極致。
成功者都有驚人的相似之處，又有與眾不同的特質(zhì)。鄭泉水的相同與不同從這里開始……
求學(xué)：精深學(xué)習(xí)，一學(xué)期突破一門課
大學(xué)時(shí)期的鄭泉水
鄭泉水出生在江西撫州金溪縣的一個(gè)小鎮(zhèn)，家傍江西第二大河——撫河，由于交通閉塞，物資缺乏，鄭泉水最大的夢想就是長大了能為家鄉(xiāng)修一座橋。
1977年恢復(fù)高考給鄭泉水燃起了希望。雖然缺少復(fù)習(xí)材料，化學(xué)、英語這些科目基本沒怎么學(xué)習(xí)過，數(shù)學(xué)也只復(fù)習(xí)了幾何，但憑著總成績，鄭泉水還是幸運(yùn)地被江西工學(xué)院（現(xiàn)南昌大學(xué)）錄取，攻讀土建專業(yè)。
入學(xué)不久，鄭泉水就得知自己入學(xué)成績很差，不少同學(xué)是從老三屆上來的，基礎(chǔ)非常扎實(shí)。一次機(jī)緣巧合下他閱讀到《愛因斯坦傳》，愛因斯坦首次大學(xué)入學(xué)考試失敗；大學(xué)期間把還沒有列入物理課程體系的Maxwell電磁場論搞得很透，理解甚至超過了老師；大學(xué)就發(fā)表論文等經(jīng)歷，極大地激發(fā)了鄭泉水，并影響了他數(shù)十年的選擇和堅(jiān)持。鄭泉水心想，所有科目一起追肯定不行，畢竟能力精力有限，一學(xué)期主攻一門課，一門一門地把基礎(chǔ)補(bǔ)上來，這種方法是最可行的吧？
就這樣，大一數(shù)學(xué)、大二物理、大三力學(xué)，鄭泉水按照一學(xué)期精深學(xué)習(xí)（大部分為自學(xué)高難度內(nèi)容）一門課的節(jié)奏，在目標(biāo)引導(dǎo)下長驅(qū)直入，通過自學(xué)提前考試或老師特許免除考試的方式，完成了大部分與數(shù)學(xué)、物理和力學(xué)相關(guān)的主干課程。
當(dāng)時(shí)未加多想，鄭泉水后來發(fā)覺，其實(shí)這就是精深學(xué)習(xí)的方法。鄭泉水表示，一段時(shí)間的精深學(xué)習(xí)下來，受愛因斯坦經(jīng)歷激勵(lì)，他把興趣點(diǎn)放在了以建立力學(xué)公理化體系為宗旨的“理性力學(xué)”上，大三便自學(xué)完成了研究生都認(rèn)為高難度的“張量分析”和北大郭仲衡先生的“非線性彈性理論”。1981年，讀大三的鄭泉水在《江西工學(xué)院學(xué)報(bào)》上發(fā)表了一篇研究論文，而當(dāng)時(shí)整個(gè)工學(xué)院發(fā)表過論文的老師寥寥可數(shù)。
科研：先做到極致、再開創(chuàng)一個(gè)方向
鄭泉水主持第二屆國際超滑學(xué)術(shù)會(huì)議（2019）
鄭泉水從1982年大學(xué)畢業(yè)留江西工學(xué)院任教，到1993年調(diào)入清華大學(xué)擔(dān)任教授至今，在科研道路上，已經(jīng)走過了近40年時(shí)間。這近40年，鄭泉水把它分成前后各20年兩個(gè)階段。“第一階段創(chuàng)建了一個(gè)理論體系，第二階段開辟了一個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。” 鄭泉水說。
大學(xué)畢業(yè)后，鄭泉水依舊選擇繼續(xù)在“張量理論”上深挖。他報(bào)考了北京大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)專業(yè)的研究生，但因政治不及格沒有考上。幸運(yùn)的是，北大的郭仲衡院士很欣賞他，破格錄取，讓他以在職碩士進(jìn)修的方式繼續(xù)深造。1989年，他直接申請了清華大學(xué)固體力學(xué)專業(yè)博士學(xué)位，師從黃克智院士。1990~1993年，他繼續(xù)前往英國、法國和德國做訪問研究。鄭泉水回憶，2000年前他創(chuàng)建了研究各向異性和非線性力學(xué)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，即現(xiàn)代張量表示理論的完整體系，得到了廣泛的應(yīng)用。他本人則利用對張量尤其是高階張量的獨(dú)特技能，解決了若干長期困惑學(xué)術(shù)界的難題，如140多年沒解決的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)Cauchy平均轉(zhuǎn)動(dòng)難題和困惑細(xì)觀力學(xué)40年的基石性難題----非橢球夾雜Eshelby問題等。2004 年，鄭泉水作為第一獲獎(jiǎng)人以《張量函數(shù)表示理論與材料本構(gòu)方程不變性研究》獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。
“選擇一個(gè)感興趣的方向把它做到極致，站在高處，你就會(huì)有不同的視野。”鄭泉水表示，對“張量”的研究他已經(jīng)達(dá)到國際頂端，當(dāng)你站在頂端時(shí)不僅能接觸到這個(gè)領(lǐng)域最優(yōu)質(zhì)的資源，還能獲得勇氣和自信，給你的繼續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。
如果說鄭泉水的前20年是圍繞著“張量”，那么后20年，他的方向就轉(zhuǎn)到了結(jié)構(gòu)超滑。
當(dāng)他還沉迷在對“張量”頂峰的修修補(bǔ)補(bǔ)時(shí)，他的師友、英國皇家學(xué)會(huì)會(huì)員A.J.M Spencer的一席話喚醒了他：“泉水，‘張量’已經(jīng)被你做封閉了，你為什么還做？”從1998年起，鄭泉水開始思考下一個(gè)研究方向的問題。這個(gè)轉(zhuǎn)折具有巨大的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，是從理論研究到實(shí)驗(yàn)研究，是從解決已知難題、創(chuàng)建系統(tǒng)性理論，到進(jìn)入未知“不可能”，開辟和定義技術(shù)新領(lǐng)域。
2000年鄭泉水闖入了當(dāng)時(shí)還不存在的納米力學(xué)；兩年后，鄭泉水終于逐漸找到并聚焦到了他真正的長期研究激情：結(jié)構(gòu)超滑（即固體接觸“零”摩擦、零磨損）技術(shù)。這是一個(gè)具有巨大應(yīng)用潛力的技術(shù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約1/4的一次性能源因摩擦而損耗，約80%的器件失效由磨損而引起，摩擦磨損可能導(dǎo)致無法發(fā)明創(chuàng)造出很多微納器；結(jié)構(gòu)超滑為革命性地幫助解決這些問題提供了可能。
在鄭泉水之前，人們認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)微米尺度及以上尺度的結(jié)構(gòu)超滑。2008年，鄭泉水團(tuán)隊(duì)在世界上首次實(shí)驗(yàn)觀察到了微米尺度結(jié)構(gòu)超滑；2012-2013年，鄭泉水團(tuán)隊(duì)證實(shí)了微米至厘米結(jié)構(gòu)超滑的存在，從而完全顛覆了人們的有關(guān)認(rèn)識(shí)。2017年，鄭泉水作為第一獲獎(jiǎng)人以《范德華層狀介質(zhì)的滑移行為和力學(xué)模型》獲得國家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。2018年，鄭泉水等教授在《自然》(Nature)上發(fā)表了題為“跨尺度的結(jié)構(gòu)超滑和超低摩擦”的展望綜述，再一次表明了其在結(jié)構(gòu)超滑的引領(lǐng)地位。2019年，深圳市和清華大學(xué)設(shè)立了全世界第一個(gè)結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)研究所，致力于催生基于結(jié)構(gòu)超滑技術(shù)的革命性產(chǎn)品，尤其是應(yīng)用極其廣泛的超滑微開關(guān)、微發(fā)電機(jī)、微機(jī)電系統(tǒng)、微傳感器、下一代存儲(chǔ)器等等。
育人：“錢班”十年，把學(xué)研方法傳下去
鄭泉水夫婦等與“錢班”同學(xué)野營（2017）
師者，所以傳道受業(yè)解惑也。整個(gè)1980年代，鄭泉水受到了楊德品（南昌大學(xué)）和黃克智（清華大學(xué)）等多位老師極大的鼓勵(lì)和幫助，從此許下了重視人才培養(yǎng)的一生心念。進(jìn)入新世紀(jì)后，作為清華老師，最讓鄭泉水魂?duì)繅衾@的是育人，尤其是他耕耘了十年的“錢學(xué)森力學(xué)班”。
鄭泉水表示，因?yàn)閻垡蛩固梗麑W(xué)習(xí)和了解到猶太人的教育，發(fā)現(xiàn)自己的學(xué)習(xí)和科研方法與猶太人的教育十分相似——幫助小孩發(fā)現(xiàn)他最喜歡的東西，然后給他最好的資源，找最好的老師。
1993年調(diào)入清華任教后，鄭泉水發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，清華的學(xué)生極聰明，卻不夠主動(dòng)，缺少研究的激情。
對科研沒有興趣，肯定出不了好成果。為了改變這種情況，2002年，從未想過從事管理工作的鄭泉水主動(dòng)請纓當(dāng)了固體力學(xué)研究所所長，想通過研究所的教學(xué)科研實(shí)踐，探索出一條激發(fā)學(xué)生科研興趣和創(chuàng)新學(xué)習(xí)的路子。
2009年，在研究所教學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，他找教授們商討，向校領(lǐng)導(dǎo)建議進(jìn)行一次改革，在學(xué)校的層面建立一種獨(dú)特的教育模式。恰巧清華正在醞釀以培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才為目的的“清華學(xué)堂人才培養(yǎng)計(jì)劃”，“錢學(xué)森力學(xué)班”（簡稱“錢班”）就在這樣的背景下誕生了。
作為“錢班”首席教授，鄭泉水擔(dān)負(fù)著制定“錢班”培養(yǎng)方案、組織協(xié)調(diào)項(xiàng)目實(shí)施的重任。鄭泉水希望，“錢班”的學(xué)生能用大一、大二兩年的時(shí)間，矯正原有的應(yīng)試思維，學(xué)精學(xué)深學(xué)專基礎(chǔ)課；大三開始能用問題帶入的方式展開通過研究學(xué)習(xí)；大四能在全球性平臺(tái)上得到交流和鍛煉。
經(jīng)過6年的實(shí)踐，“錢班”實(shí)現(xiàn)了對課時(shí)的大刀闊斧的改革。“我們的課程設(shè)置是6個(gè)學(xué)期18門核心課程，也就是一個(gè)學(xué)期三門核心課。但是，我一直鼓勵(lì)學(xué)生每學(xué)期精學(xué)一門。”鄭泉水認(rèn)為，學(xué)好一門課不僅要把書從厚學(xué)薄，要學(xué)成幾頁紙，甚至學(xué)成一張圖。
當(dāng)然，找到好導(dǎo)師也非常重要。鄭泉水認(rèn)為，一個(gè)不好的老師，會(huì)扼殺一個(gè)學(xué)生的創(chuàng)造力。所以，“錢班”的導(dǎo)師在全球精挑細(xì)選，邀請那些有教育理想、能夠呵護(hù)學(xué)生創(chuàng)新思維、真正想幫學(xué)生找到自己興趣和學(xué)習(xí)科研方法的大師。
2019年已是“錢班”十年。讓鄭泉水很欣慰的是，在“錢班”上百位來自全校、全球的志同道合老師共同努力下，“錢班”培養(yǎng)了一批在力學(xué)和工程前沿交叉領(lǐng)域極富創(chuàng)造力、極富創(chuàng)新潛力的學(xué)術(shù)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養(yǎng)模式，在國內(nèi)外獲得了高度聲譽(yù)，于2018 年獲得國家級(jí)教學(xué)成果一等獎(jiǎng)。
“我對2013級(jí)學(xué)生胡脊梁印象深刻，他專攻于細(xì)胞力學(xué)，為了完成一篇論文，他一年時(shí)間學(xué)了20門研究生的課程。這個(gè)學(xué)生在‘錢班’成績一般，但是他用論文一樣可以證明自己，最后，MIT、斯坦福，加州理工都給他發(fā)來了Offer。” 鄭泉水說，這是他潛心“錢班”培養(yǎng)最受啟發(fā)的案例之一。
未來：做最懂創(chuàng)新人才培養(yǎng)的科學(xué)家
鄭泉水與學(xué)生們在一起（2019）
“錢班”的教育實(shí)驗(yàn)對鄭泉水來說只是開始，幾年前，“錢班+”的概念在他腦海里醞釀而生。
鄭泉水非常推崇盧瑟福教授所領(lǐng)導(dǎo)的英國劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室。成立于1871年的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，是迄今全球培養(yǎng)出諾貝爾獎(jiǎng)獲得者最多（30多位）的實(shí)驗(yàn)室。
鄭泉水的想法是，“錢班”的生源全部來自清華，但未來的“愛因斯坦”“喬布斯”“任正非”們在現(xiàn)在的高考體系下，很難進(jìn)到清華。他的設(shè)想是，未來建立一個(gè)開放創(chuàng)新學(xué)院，真正聚“天下英才”而育之。現(xiàn)在，他已經(jīng)開始和一些教授探討這個(gè)想法，爭取清華大學(xué)和深圳市一起做這個(gè)事情，構(gòu)建一個(gè)依托多個(gè)大學(xué)組成的網(wǎng)絡(luò)，吸引這么一批極富創(chuàng)新潛質(zhì)的學(xué)生，由各高校和開放創(chuàng)新學(xué)院共同培養(yǎng)，打造中國的“卡文迪什實(shí)驗(yàn)室”。
在獲得院士的榮譽(yù)不久，另一榮譽(yù)“寶鋼優(yōu)秀教師特等獎(jiǎng)”隨后而至。作為學(xué)者和師者，這些榮譽(yù)，不僅代表了鄭泉水潛心科研和教學(xué)的從前，也代表了他科研和教學(xué)的新起點(diǎn)。
編輯：曲田
