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材料科学与工程专业的本科课程设置

刚到不惑之年的我,虽然总感觉很多事情的“修改”都不像这件事表面看起来那样利益绝缘。总之很多问题你都不知道为什么,反正就动了一部分人的奶酪。但是我又说不出每件事情,到底是通过什么灰色产业链机制来联系哪部分人的利益的。只能说,一些事情长期不适应现状,或者长期不理想,却从未有过改变,估计都会因为这种原因,所以更少人去提出,甚至亲自去主导这种改变。“材料学专业学啥”,就可能是这类事情。所以本文仍旧只能从表面看到的信息来分析。

从工程的角度看

材料科学作为一个大学专业,或者科学研究的学科,是二十世纪形成。现在说的材料科学所涉及到的各类材料本身的工业,有很多在二十世纪之前就成熟了。金属材料中钢铁和几种合金、无机非金属中的玻璃、陶瓷以及现代意义的混凝土、高分子材料中的纤维素、皮革、天然橡胶、就算加上比较新的赛璐珞,都在十九世纪之前变成很成熟的工业。这些工业人才的培养机制,也相应地早已存在。有些还属于一个学科,比如冶金专业和金相学。

上述这些工业领域的知识基础被归为一个材料学,是二十世纪下半叶的事,主要是冷战催生的。当然,二十世纪上半叶的基础科学革命,为这些知识统一成一个学科奠定了基础,想统一也可以统一了。冷战那会儿主要是由于美俄进行大科学计划的竞争,对大国科学研究的组织和高等教育产生了深远影响。各方面影响都很大。其中关于人材培养方面就提出了交叉学科,以及“工程”本身的普遍性。无论啥都被加以“工程”二字,因为当时认为“工程”本身讲究一套普遍原则。工程是一套通用的思想。搞大工程,无论用到什么科学知识,都需要被“工程化”,才能融入进来。我们国家搞两弹一星,领军人物也是强调“系统工程”。

科学原理和它的“工程学”往往是两回事。例如化学,加上工程二字之后,关心的是三传一反。

于是,经过总结,无论啥学科的“工程”都需要的一些普遍知识,就成了“工科教育”的基础课。数学上,微积分是组织得最认真的数学了。其他比如线性代数,其实是仅为了熟练矩阵运算(从而使用计算机辅助计算)简版线性代数。有的专业学复变函数,也只是仅为了介绍Fourier变换而开的简版复变函数。有时这些数学会以“工科数学”、“工程数学”的课名来组织(包括教材书的题目)。数学课程上的特点只是工科教育特点的其中一部分。其他物理学、化学的课程,到了工科专业也都是各类简化版。它们的简化,往往都会带有类似“仅为XXX知识点而开一门课”的特点。所以工科专业出来的学生,很容易把一些学科总结为“其实只要搞懂XXX就行了”。

在背后支撑着这些流传到现在的现象的,就是上述的,“工程在一次普遍原则”的思想。只不过,现在渐渐没有人去正面阐述:到底什么是工程的普遍原则。以及以上这些简化版的低年级数学,是如何在工程的普遍原则中统一运用的。各门学科的“工程”专业,都没有汇总式地开一门“工程学”的课。学完这些课,只有从此走向工业界的研发的领导岗位(是指比较原创的、从零到一的研发),而且悟性好的学生,才能事后理解到,之前学的各类杂七杂八的简版数学的用处。

“领导从零到一的研发”、“悟性好”,一个人能够理解并支持工科教学上述课程设计的两个必备条件。缺少一个,这个人都会不理解,甚至厌恶工科教学。可是,具备上述两个条件的人理应是少数。为什么工科专业会是这个样子?因为它当初在冷战时期,就是为了培养这两个条件的人面设计的。冷战时代,突然要搞各种大科学工程,才发现不同学科的人需要共同完成一件很复杂又很具体的任务,发现特别缺少知识结构具有学科交叉性(啥都知道点儿),同时了解大系统的规律不乱指挥(一些工程学普遍原理)的领导人才。成败还往往就看这些少数人的水平,而不是原有的基础学科原理钻研得怎样。从当时中美对钱学森的态度就知道了。所以这种工科教育的设计当然是不适合后冷战时期的和平发展年代民众需求的。领军人物并不需要大量产生了,也并不是大众都能享受到的教育。大众更有机会在工业界中从事常规技术工人岗位。工业界大量需要的并非真正意义上的大学生。就算是“只为懂矩阵运算而上的简版线性代数”、“只为懂Fourier变换而上的简版复变函数”,在工作岗位上也仍然过于多余。大学生对于工业界的特殊意义更在于其他素质。这类综合素质在实际操作层面就体现在大学排名。因此“工科or非工科”逐渐在讨论之外,大家就盯着学校排名了。就算“工科劝退”,若是你能上清华北大工科,你也绝不会去末流985的风口专业。普通人真正有机会面临专业上的选择的情况其实很少。多数人的分数被用于让学校排名最大化,不惜牺生专业选择;无论在专业选择上有什么观点,都是次要讨论。

从科学的角度看

材料科学可以是一门科学(know-why),由于二十世纪基础科学的发展,特别是后半叶更是如此。从现在来看,二十世纪的发展,使得材料学就是凝聚态物理化学。为什么加个“化学”呢因为制备出凝聚态物理学家关心的物质也成了凝聚态物理学家不得回避的问题,除非他们完全不需要实验研究。这部分他们其实很依靠化学家,但他们又不承认,或者良性地说,自己实际承担了制备任务。很多物理学的学生,不喜欢凝聚态物理的理由,往往来自于“需要制备”。因为需要制备,他们陷入了大量实际上不是物理的问题当中。以往说法,就说凝聚态物理其实是很dirty的。现在的说法,就是说把个凝聚态物理做成了材料学(因为要“炒菜”)。事实上反映了凝聚态物理学家回避不了化学又不想正面面对化学的隐性矛盾。现在的分野就是,凝聚态物理学把物理问题霸着自己做,把化学问题摘开叫材料学接盘,事实上材料学只剩炒菜。从科学的角度看,问题就是这么简单,本节讲完了。

所以,“材料科学与工程”,从工程的角度看,你国家现在没有那么多对“领导从零到一的研发”的人才需求;从科学的角度看,材料学科学研究材料的权利被凝聚态物理霸占掉了(从人才培养开始),使得现在叫材料学,但只能做化学。材料物理是谁在做呢?一脸嫌弃地进入凝聚态物理的物理系学生们;考材料学的没机会做。这是这个专业之所以“劝退”的根本原因所在。其中工科方面的原因是所有工科专业共享的,也是“工科劝退”的根本原因。

问得极端些,多招点儿物理系的,只让物理系的人做所有科学不行吗?不行的原因是,人群中能学到这个效果的人是少数,这是人类的自然限制。但为了社会稳定又要求扩招……在后资本主义时代的世界,很多国家的矛盾其实都是“如何大量生产牛马,同时让它们感受到尊重”的问题。谁都没有也不希望大量真正意义的“领军人才”的出现,否则社会就稳定不了了。

关于上课

身边的亲朋好友听说我在大学工作,往往会问“那你要上课吗?”更多情况是直接跳过,去问“你在大学教什么课?”“你现在课多不多?”“你在大学是教什么的?”听到我说“我没有什么课……”之后,有些人会直接回应:“哦,明白!你是搞行政的吧。”于是我就很不好意思再次否定对方,尤其是他明明正努力显得很清楚状况。我只好回答:“算是吧。”因为我天天不是财务做单报帐就是打电话给供货商、教务处、设备科,不深究的话也算是天天做行政。

那难道在大学做老师真不用上课的吗?很惭愧,入职之后我只担任了一个1学分16学时的选修课。我很认真对待,每年都总结经验,在下一年作改善。这一学分的课,在PPT外有讲义,有作业,期末有试卷。我上课板书,每节课我的Surface Pro上的粉灰到下周再上课前都没掉干净。我原本并没有很在意上课要不要板书,我甚至上课上到第三年,跟别人聊起天来,才意识到,原来在“板书老师”和“不板书老师”之间,我不知不觉成为了前者。我是那种上课闲不住,不断在投影幕和黑板间走来走去,一节课写掉几支粉笔的老师。我反思过这种心理:为什么我非要把我嘴巴讲的东西写在黑板上才罢休呢?PPT上不是已经写了吗?我认为这是假想我不是写在黑板上,是写在学生脑子里。越想学生记住的事情,我就会越用力拿粉笔往黑板上狠怼,写完还手动加粗下划线打圈加星星敲黑板,以为我真的正在往学生大脑皮层里写。写在黑板上的东西,还不舍得擦,总感觉好像擦掉的是学生脑子里的部分。在我的想像中,我就是往学生脑子中写这些,到考试的时候学生再把这些写在试卷上,他们不挂课,我完成任务,这样大家都好。结果回头看学生作业,发现学生脑子仍然是空白的,下节课就写得更用力……这似乎是无能教师的毛病。

但这毕竟只是个非常小的课。我甚至无法评这些课时顺利评教师系列的高级职称,多花一年转成专职科研系列才勉强上的副高。所以在别人问我“你在大学上什么课?”我都回答“没上什么课。”

昨天我在厕所蹲坑的时候接到了副院长电话。他问我是否能准备上两门很重要的课。一门是我们专业核心课,另一门是我的研究领域。因为是几年后的事情,还没最终确定,所以我现在不便明确是什么课。平时我总是抱怨研究生基础薄弱,质疑他们当初上这些专业核心课的时候都干嘛去了,或者抱怨跟我的研究领域相关的本科课程太少或者甚至没有。现在如果叫我上这些课,我好像就不能随便抱怨这两件事了,但我还是很高兴的。

关于 active learning 的回应

我在上一篇文章表达了对Nature上一篇关于active learning的文章一些质疑。今天我又看到Nature上发表了读者来信,里面表达主要的观点一段话:

Unless critical thinking is allied with a strong fundamental knowledge base, there is a risk that students will develop a ‘Swiss cheese’ understanding of science — with a good grasp of their chosen subject areas but major gaps in others. This can produce niche researchers who lack a proper understanding of their wider field.