与流体力学有关的现象范文
时间：2023-12-20 17:56:31
导语：如何才能写好一篇与流体力学有关的现象，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
从中国科技馆获悉，中国科学院力学研究所研究员、博士生导师、中国科学院院士、力学研究所学术委员会主任李家春日前在中国科技馆开办主题为“身边的流动”的讲座，通过唐代诗人李白和张继的名诗《早发白帝城》和《枫桥夜泊》解释古人观察到的流动现象。探寻日本“3・11”海啸与福岛核泄漏、2011年极端气象灾害和美国航天飞机退役等事件当中的流体力学的原理。
我们身边存在着很多流体现象，也许看不见、摸不着，然而它们就像空气和水，是一种重要的存在，影响着我们的生活。气象灾害、日本海啸、美国航天飞机的退役等均与流体力学有着密切的关系。由此可见，身边的流体现象无处不在。日前，中国科学院力学研究所研究员，博士生导师，中国科学院院士李家春来到了中国科学技术馆与广大市民面对面，为我们详细讲解“身边的流动”。
李家春说，2011年，人们遭遇了众多极端事件：日本海底地震导致海啸和福岛电站核泄漏；澳大利亚飓风、我国干旱与洪水灾害等异常气候问题，而它们的预测、预警都是流体力学的前沿问题。同样是在这一年，美国航天飞机历经30年，共飞行130余次，而后全面退役。在其退役的种种原因中，防热系统不可靠等安全问题，成为流体力学工作者需着力解决的重要课题。
日本海啸与流体有关
“日本‘3・11’地震海啸灾害伤亡惨重，并导致了福岛第一核电站的核泄漏。海啸灾害的发生需要几个条件，其中包括6.5级以上的海底地震、震源深度小于50公里、海底板块垂向运动等。传播到浅海海湾和海滩地区，因水的积聚和涌升而致灾，在夹带杂物以后冲击力更强。利用地震波与海啸传播的速度差，可以预警防灾。”李家春说，“为什么日本这次没有做好呢？原因有两个，一个是震源很近，离海岸线仅133公里，时间差很短；第二在于日本没有预见到九级地震会造成如此大海啸，防波堤设计标准低。如果核电站建在西海岸就要好得多。”
气候异常缘于大气环流非常不规则
2011年气候的异常使人类遭受很多损失。澳大利亚百年难遇的“雅斯”飓风；韩国首尔百年一遇的暴雨；包括北京城区内洪水也相对严重。气候异常究竟缘由何在？李家春对此解释：“由于海陆分布、地形高低、植被覆盖、土壤干湿等因素，还有诸如地球自身的公转和自转、日地关系、太阳活动、火山爆发等自然原因，大气环流是非常不规则的。近百年来，还有温室气体排放等人类活动的干扰，导致全球变暖，大气活动增强，表现为平均值缓慢上升，在平均值上下幅度的变化也增大。”
美国航天飞机退役，因为防热系统没有设计好
美国航天飞机退役原因也是瞩目的焦点之一。我们知道，航天飞机的好处是运送量大，把人和物资运到空间站去，所以人能够长期地在空间站进行科学活动；可以多次往返，似乎可以节省费用；还有一个好处就是回地落点比较准确。李家春说：“航天飞机退役最重要的原因是，防热系统没有设计好，维修费用很高，失事率高。两次失事，一次是挑战者号，一次是哥伦比亚号，牺牲了14个人，这样就不经济、不安全了。所以在2011年的2月、5月、7月，发现号、奋进号和亚特兰蒂斯号最终退役。两架失事，三架放到博物馆。”
诗词里的“流动”
有谁想到古人的诗词中蕴藏着丰富的流体现象呢？在讲座上，李家春先以大家耳熟能详的七言绝句《早发白帝城》为例，“朝辞白帝彩云间，千里江陵一日还。两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山。”这首诗将诗人遇赦后愉快的心情以及江山的壮丽多姿融为一体，描写的淋漓尽致，而“轻舟已过万重山”这顺水行舟的流畅轻快则体现出了一种流动现象。
李家春说：“为什么三峡建成前后，船的航速不一样？没建三峡之前可以轻快如飞。三峡工程建成以后，‘高峡出平湖’，流速就大大减缓了。实际上，这是由于河道的比降不同，也就是说水面的坡度不同所致。河水流动的动力，来自于重力沿着底坡的分量，比降大，该分量也大，所以流速也就增加了。”
此外李家春还举出《枫桥夜泊》里的一句“姑苏城外寒山寺，夜半钟声到客船。”从表意来讲，是说苏州城外的寒山古寺，半夜敲响的钟声传到了诗人的船头。那为什么晚上寒山寺的钟声能传过来？“这里面反映了一个科学原理，”李家春说，“声波在大气当中的折射现象。到了晚上，大气的密度处于稳定层结，上轻下重，这样声音就会全反射回来，而白天的分层情况不同，所以可能听不到钟声。”
延伸阅读
现代流体力学具有先导作用
什么是流体力学？在讲座上李家春通过解答流体和固体的差别、流体的相态以及流体运动的表现形式等问题，说明了流体力学是研究流体介质的对流、扩散，以及相伴的物理、化学、生物过程，导致质量、动量、能量输送的现象。
流体力学既是一门经典学科又是一门现代学科。在17世纪，牛顿基于前人的天文观测和力学实验，发明了微积分，并总结出机械运动三大定律和万有引力定律，发表了著名的《自然哲学的数学原理》一书。由于原理是普适自然与工程各个领域的规律，从而使力学成为自然科学的先导。
自20世纪60年代以来，由于超级计算机、先进测试技术的发展和应用，力学进一步凸显宏微观结合和学科交叉的特征，并进入现代力学发展新阶段。李家春说：“现代流体力学在航空航天、海洋海岸、环境能源、生物医学、材料信息等诸多工程领域都发挥着不可或缺的作用。因此，现代流体力学不仅是一门重要的基础学科，而且在同国家经济、社会发展相关的各个工程技术领域仍具先导作用。”
流体力学的发展历程
流体力学历史悠久，它发展的过程可以分成四个阶段：基于实践经验的古代流体力学，基于严密数学理论的经典流体力学，基于物理洞察力的近代流体力学，以及基于现代高新技术的现代流体力学。
西方的古代力学，最早的有阿基米德的浮力原理和提水机，达・芬奇的扑翼机和降落伞，以及哈根・泊肖叶的管流实验。这些也都是流体力学，而且西方关于定量化的研究做得好，并上升为规律和理论。经典力学则以牛顿力学体系的建立为代表，主要推广到连续介质――就是像水、空气这样的介质。李家春说，经典力学可以得到很多理论公式，但是也面临困难，比如说解决不了飞机的问题。而近代力学靠的是物理思想，在1904年，普朗特在海德堡数学会上提出了边界层理论，解决了阻力和飞机设计问题。如果没有这个理论，到现在为止，我们不可能坐飞机在十几个小时到达纽约。
“中国古代的流体力学有很多好成就和贡献，最重要的一个贡献，就是2000多年前的都江堰水利工程。”李家春说，“鱼嘴分水堤严格控制内外江的水沙量，飞沙堰溢洪道控制洪水量，宝瓶口起着一个水库的作用，这些都是流体力学原理。”
专家答疑
疑问：要解决比如说航天、海洋、能源、环境问题，是用数学模式、物理思想、现代的超级计算机，还是兼而有之？
李家春：关于研究手段，比如气候预报，需要的计算量非常大，单纯靠手算是不现实的。100年以前曾有一位天文学家预测一个天体运动，推导了100多项，后来发现计算错了，结果算了一辈子都白算了，所以没有计算机不行。但是现在有另外一种趋向，就是年轻人不爱学数学、物理，单单学计算机，而且公式不推了，程序也不编了，为什么啊？因为有软件。人家编好程了，他只需要输进去数据，结果就能出来，挺不错啊，就是他不了解里边的含义，错了也没法改，这是不行的。只有学习了数学、物理中基本的知识以后，才能了解算出来东西对还是不对，了解里边的规律是什么，才能做到创新。
疑问：如果某些力学问题解决了，它能够带动哪些技术，解决人类的哪些问题？
李家春：我举个例子――湍流，这是一个百年的难题。湍流是1883年雷诺发现的，实际上在我们周围到处都是，水流里边、大气里边到处是湍流现象。但解决它又非常难，因它是无规则运动。20世纪以来有很大进步，第一条，就是把它的发生原因、转变过程、统计规律以及它的结构弄清楚了，但现在要预测它，对飞行力学、空气阻力、传热这些现象十分重要。另一方面，因为它的尺度非常小，计算机能力还不行，现在十的七次方已经很多了，它可能要算到十的十五次方，现在做不到，所以还要靠大脑的智慧。大家要知道，不必要把所有物质都分辨到原子、分子，这不可能，只有依靠物理思想对小尺度的现象建立模型，进行简化，计算量就大大减少了。所以还要学普朗特的精神。如果这个问题解决了，实现了减阻，每年都能省很多石油，可以把环境污染问题做得更好。
另外，污染处理问题。流水不腐，户枢不蠹。水流动起来了就不会发生污染，这是非常简单的原理。但是处理污染事件时，做环境的人往往只用化学的方法，或者只用生态的方法，而不用流动的办法。实际上处理苏州河的时候，做流体力学就考虑利用潮水涨落把污染物带出去，这能提高效率、节省费用。昆明的滇池到现在为止也没有解决好。所以光靠化学不行，一定要用流体力学原理，利用或产生流动，使得水活起来，污染就可以治理好了。
篇2
关键词：流体力学；教学方法；应用型本科院校
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2013）12-0033-02
流体力学是宿迁学院土木工程专业的一门重要的专业基础课。流体力学具有基本概念多、公式复杂、内容抽象等特点，是一门既有较强理论性又有较强工程实际意义的课程，因此，该课程既可以培养学生良好的逻辑思维能力和分析推理能力，又可以培养学生分析问题和解决问题的能力。然而学生的实际情况是由于在大学前两年接触最多的是固体力学，已形成一定的思维定式，而且由于精简学时的原因很多流体力学课程中需要的高等数学知识没有讲解，到了大三一旦遇上流体力学这个新鲜事物，可能接受起来会碰到许多困难[1]。学生普遍感觉该课程枯燥乏味、难学，存在畏难、厌学情绪，期末考试不及格率较高。在学校提倡培养应用型人才的大背景下，有必要根据课程性质从提高教师教学水平和提高学生学习效果进行探讨。
一、引导学生重视，激发学生的学习兴趣
（一）强调课程的地位和重要性
教师除了说明流体力学在整个专业教学中的地位和作用外，还可补充说明它是注册结构工程师基础考试中公共基础考试科目。此外，还可说明往年期末考试通过率的情况，以给学生适当加压。当然，更重要的是还要说明该课程的学习方法，以帮助学生树立信心。
（二）通过人物、工程实例及专业应用调动学生的学习兴趣
“兴趣是最好的教师，而教师则是点燃学生学习兴趣的火炬”。如何调动学生的学习兴趣是教师考虑的首要问题。在教学过程中可以穿插举出古今中外的科学家、工程师生平事迹和工程实例以调动学生的学习兴趣。如大禹采取疏壅导滞的方法治水三过家门而不入；理想流体力学奠基人欧拉16岁就获得硕士学位，双目失明后仍然从事科学研究直至去世当天还在进行科学研究等[2]。如两千多年前李冰利用“深淘滩，低作堰”建造的都江堰；大约在同时期，古罗马人建成了大规模的供水管道系统等。除此之外，还可以介绍流体力学在土木专业及其他专业的应用，如美国华盛顿州塔科马大桥被大风摧毁、汽车“风阻”和飞机“音障”等事例。
（三）将CFD技术引入课堂调动学生兴趣
计算流体动力学（简称CFD）技术日趋成熟，已经成为研究流体力学的一种重要方法。在流体力学教学过程中引入CFD技术，不但可以将理论性较强的内容形象化，加深学生对基础理论的理解，而且可以开阔学生的眼界，激发学生的学习兴趣和探索精神。如对欧拉法中流线的模拟、圆管中层流和湍流流速的分布、局部阻力损失的流场分析[3]。
二、教学内容的取舍和教学环节设计
（一）教学内容的取舍
流体力学知识面广，内容繁多，在学时限制的条件下要结合专业教学要求合理取舍。对土木工程专业而言需要掌握的内容有：（1）流体物理性质；（2）流体静力学；（3）流体运动学和流体动力学；（4）阻力损失；（5）管道流、明渠流及渗流。
1.重要问题的处理。首先，要从力学角度分析流体的流动性。流体与固体的主要区别在于流体的流动性，其根本原因是流体和固体对承受剪切力的表现。为了形象说明，可以引用“抽刀断水水更流”的诗句[4]。当然，还需说明无论流体静止还是运动均不能承受拉力。
其次，要理解连续介质假设的概念。微观上，流体是由大量分子构成的，是离散的，不连续的，这给我们研究流体力学问题带来了困难。连续介质假设认为流体是由内部无间隙的连续流体质点构成。这里要理解流体质点微观上“充分大”、宏观上“充分小”的含义。如此流体在空间上就变为连续的，可以借助高等数学的方法来研究。
2.公式推导的处理。流体力学学习过程中会遇到大量复杂的公式，特别是实际流体伯努力方程的推导让人很难掌握。笔者在处理公式推导问题时强调公式推导的目的是让学生学习一种思想，学习一种处理问题的方法，将精力集中在公式建立的基本原理和适用条件上，从思路上进行分析整理，淡化烦琐的数学推导过程。这样学生有了独立思考的空间，教师也有了更多的时间来讲解基本概念和基本方法。需要强调的是，流体力学中很多公式都是在一定条件下推导出的，因此其应用也是具有一定范围的，公式的应用往往也有一定的技巧，如伯努力方程的“三选一列”。
（二）教学环节的设计
1.调整习题或考题构成，重视习题课。这里有两个问题需要注意。一方面，流体力学习题历来存在重计算、轻概念的现象，特别是考题如果全是计算题，就会形成无形的指挥棒。这就不利于学生从整体上掌握该课程的重点，习题或考题的题型应丰富，除了计算题之外，还应有填空、选择、判断、作图、名词解释等考查基本概念的题目。另一方面，在精选题目时，要注意将理论教学和实际应用结合起来，如查找资料的技能培养。在流体力学的牛顿内摩擦定律、能量损失计算和管道流等部分很多数据都是要查有关工程手册和图表的[5]。
习题课是流体力学教学的重要环节，为了能够在学时紧张的前提下开展习题课，教师必须重视习题选择和习题评讲两个方面。一方面，教师应选择具有代表性的题目，另一方面，习题讲评应使学生从解题过程中获得解决问题的思路、方法和技巧，达到触类旁通的效果。
2.重视实验教学，强化实践环节。实验教学是流体力学教学中的重要组成部分，通过实验，不但可以加深学生对流体力学基本原理的理解，而且有助于培养学生的动手能力、独立工作能力和创新能力。如通过水静压强试验，学生明确了测压管水头的含义；通过雷诺实验，学生加深了层流、湍流及临界雷诺数的理解。当然，由于实验室条件的限制，目前的实验主要以验证性居多，在条件许可的情况下应进行设计性实验。
此外，每学期笔者都会布置一个任务，让学生留意身边感兴趣的流体力学现象，然后根据课堂所学知识和个人理解撰写论文，以此增强学生的实践应用能力和培养其创新能力。
三、教学方法和手段的改进
（一）注重讨论法与案例教学法的运用
1.讨论式教学方法。教学活动应该是双向的师生互动过程，不应是教师的一言堂。教师应创造和谐、轻松的课堂气氛，鼓励学生积极发言，表达自己的疑问、见解，激发学生的学习积极性和创造性。如在课堂上通过提问的方式回顾上次课的主要内容，通过“自学―提问―讨论―总结”的方法学习新内容，在考虑学生接受能力的前提下，甚至可以让学生来讲一次课。如通过反证法证明流体静压强的方向，通过隔离体分析法证明流体静压强的大小。通过讨论式的教学方法不但可以调动学生的学习积极性，树立信心，而且还可以培养学生勤于思考、善于发现问题、分析问题、解决问题的能力。
2.案例式教学方法。通过将生活和工程案例引入课堂，不但可以增强学生的学习兴趣，而且可以加深学生对理论知识的理解，提高学生运用所学理论知识解决实际问题的能力。生活案例有马利奥特容器原理应用于点滴吊瓶和家用饮水机[6]、洗衣机为什么老翻衣服兜[7]、捞面条的学问等。工程案例如1993年青海省沟后水库在低于设计水位0.75m的情况下突然垮坝的事故；三峡工程如何在最大流量10×104m3/s、水头高达100m、最高流速高达45m/s的情况下不会产生巨大的破坏力等[8]。
（二）综合运用各种教学手段
流体力学概念抽象、繁多，仅靠传统的一块黑板、一支粉笔不能激发学生的学习兴趣。借助于多媒体技术，利用其形象、生动、直观、易于理解并可加强记忆的优点，通过动画、视频资料、数值模拟等手段将复杂的流动现象展示给学生，可取得事半功倍的效果。但是，考虑到多媒体技术授课和传统的授课方法各自的优缺点，结合流体力学课程特点，采用取其长而避其短、两者兼顾而又两者不弃的原则。
“教学有法，但无定法，贵在得法”。我们要不断更新教学理念，努力提升自身的综合素质，及时总结教学过程中出现的问题并加以改进，注重教学过程中的每一个环节，多管齐下，才能保证学生取得良好的教学效果。
参考文献：
[1]王伟.土木专业工程流体力学课程教学研究[J].山西建
筑，2008，（21）.
[2]张志宏，顾建农，王家楣.“流体力学”课程教学改革的实
践与探索[J].高等理科教育，2006，（5）.
[3]赵琴，杨小林，严敬.CFD技术在工程流体力学教学中的
应用[J].高等教育研究，2008，（1）.
[4]刘建龙，王汉青，寇广孝.激发学习兴趣提高流体力学教
学效果[J].中国电力教育，2008，（20）.
[5]徐艳萍.《工程流体力学》教学探讨[J].江西电力职业学
院学报，2003，（2）.
[6]毛根海.应用流体力学实验[M].北京：高等教育出版社，
2008：8-10.
[7]武际可.拉家常・说力学[M].北京：高等教育出版社，
2008：1-7，25-30.
篇3
但是令人遗憾的是诺贝尔奖中没有设立与数学相关的奖项。有人猜测说诺贝尔的女友最终嫁给了一位数学家米塔-列夫勒，故而诺贝尔一直耿耿于怀，而在设立该奖时把数学排斥在外。实际上这种说法是经不住考证的。从诺贝尔的科学观来看，诺贝尔成为19世纪的著名发明家和实业家，其主要原因在于他拥有敏锐的直觉和非凡的创造力，不需要借助于深奥的高等数学知识。在诺贝尔所处的19世纪下半叶，化学领域的研究跟高等数学的结合并不紧密。因此诺贝尔本人根本无法预见或想象到数学在推动科学发展上所起的巨大作用，因此忽视了设立与纯粹数学及应用数学有关的奖项。
这种结果导致了与数学密切相关的力学学科中的很多著名科学家都未能获得诺贝尔奖。例如上个世纪的三大力学家普朗特、杰弗里·泰勒和冯·卡门都没有得到诺贝尔评奖委员会的青睐。普朗特在边界层理论、风洞实验技术、机翼理论、湍流理论等方面都作出了重要的贡献，被称作“空气动力学之父”。杰弗里·泰勒的研究对流体和固体力学及它们在气象学、海洋学、航空学、水力学、金属物理学、机械工程和化学工程的应用等方面都具有重要的价值。他是知名的实验家和理论家，能够凭直觉并运用最简单的方法发现新现象。冯·卡门是20世纪最伟大的美国工程学家，开创了数学和基础科学在航空航天和其他技术领域的应用，被誉为“航空航天时代的科学奇才”。而当今健在的哈佛大学教授赖斯（Rice）由于在断裂力学和地震方面的贡献也曾经得到过诺贝尔奖提名。但是这几位影响和改变了人类生活面貌的力学家并没有得到诺贝尔奖，这确实令人扼腕叹息。
力学家很难获得诺贝尔奖的一个很大的原因是由其学科属性所决定的。力学或者说应用力学是建立在牛顿力学基础上，研究宏观物体的机械运动和变形的科学。它是物理学最早的一个分支，但是自从流体力学出现，它与传统物理就分道扬镳了。此时的力学主要倾向于用应用数学的理论去解决工程实际问题，而近代物理则更多地注重研究微观粒子的规律。力学也被钱学森定义为“技术科学”，是衔接工程与数学、物理的桥梁；在西方，力学有时候也指应用数学。故而与更多关注原创性成果的物理、化学、生物、经济等领域相比，力学家更加关注应用，因而与诺贝尔奖的初衷有所出入。值得庆幸的是，尽管诺贝尔奖中没有数学奖或者力学奖，也有几位力学家因为其开创性的研究获得了诺贝尔奖。实际上，力学的逻辑和工程思维训练对于他们的获奖也有很大益处。这些幸运的力学家主要有以下几位。
瑞利——诺贝尔物理奖得主
瑞利（Rayleigh，1842～1919）是英国物理学家，1873年被选为英国皇家学会会员，1879～1884年任卡文迪什实验室主任，1905～1908年任英国皇家学会会长，1908年起任剑桥大学校长。他的研究工作几乎遍及当时经典物理学和力学的各个领域，一生共发表了400多篇论文。瑞利在弹性动力学领域指出：在地震中应当存在一种沿自由表面传播的偏振波，后被称为瑞利波或者L波。瑞利也提出了直接求解变分问题的瑞利（Rayleigh）近似方法，并应用于求解工程振动问题的固有频率。在流体力学领域，他研究了液体在表面张力作用下的失稳，称之为瑞利失稳。
尽管瑞利在力学上有诸多贡献，但是他获得诺贝尔奖却是因为在1895年发现了气体中的一个稀有元素——氩（Ar）。当时他发现从液态空气中分馏出来的氮，与从亚硝酸铵中分离出来的氮，有着极小的密度差异。但是他那经过严格数学逻辑训练的大脑使他具备一种严谨的科学态度，不轻易把千分之几的数据偏差归结于实验误差，因而没有与诺贝尔奖的桂冠失之交臂。
瑞利一生发表了许多学术论文，他文笔清雅畅达，所写文章大多有严格的数学证明，定量十分准确。后来，他把自己的论文整理为一部五卷本的论文集。论文集的开头，他写下了这样的言词：伟大精深啊/上帝造物之奇妙！/研究探索吧/求得世界奥秘/乐在其中矣！
布里奇曼——诺贝尔物理奖得主
布里奇曼（Bridgman，1882～1961）是美国著名的实验力学家和科学哲学家，是操作主义的创始人。他曾当选为美国科学院院士和英国皇家学会会员，并于1942年担任美国物理学会主席。布里奇曼因发明产生很高压力的装置及利用这一装置在高压物理领域内所做出的贡献，而获得了1946年诺贝尔物理学奖。
一位美国学者评价布里奇曼的工作时说到：“几乎没有任何其他物理学领域能够与高压物理学相比，高压物理学主要是一个人的工作。”从1905年开始，布里奇曼就研究了物质在高压下的力学性能。他创建了一种新的高压装置，可产生10 GPa（十亿帕斯卡）的压力。他利用该装置，广泛地研究了100多种化合物在高压下的物理性能，如压缩性、电导、热导、拉伸强度和粘度等。在金属材料的力学性能方面，他发现金属的塑性变形与施加的静水压力关系不大，而受剪应力的影响较大。这些结论已经广泛应用于塑性加工、机械、材料、土木、水利、航空航天等领域。
篇4
关键词：流固耦合；岩体；地下水；研究方法；渗流
中图分类号：X523文献标识码： A 文章编号：
天然岩石不只是单一固相介质，尚有固相、液相和气相并存的多孔介质组合，岩石经历了漫长的成岩和改造历史，其内部富含各种缺陷，包括微裂纹、孔隙以及节理裂隙等宏观非连续面，它们的存在为地下水提供了储存和运动的场所。地下水的渗流还以渗透应力作用于岩体，影响岩体中应力场的分布，同时岩体应力场的改变往往使裂隙产生变形，影响裂隙的渗透性能，所以渗流场随着裂隙渗透性的变化重新分布，因此，在许多情况下必须考虑流体,包括液体(油或水)、气体(天然气、煤矿瓦斯等)在多孔介质中的流动规律及其对岩体本身的变形或强度造成的影响，即应考虑岩体内应力场与渗流场之间的相互耦合作用。
近年来，流固耦合问题越来越受到人们的重视，这方面的研究涉及许多领域，在采矿领域，涉及地热开发，石油开采中的流固耦合渗流，采矿围岩突水问题等。在建筑工程领域，包括地下水抽取引起的地面沉降问题，基坑渗流引起变形问题，坝基渗流及稳定性问题，隧道建设等。在环境工程领域涉及地下核废料存储，城市垃圾废弃物处理等以及生物医学工程等领域，这一问题的研究对促进科技进步和解决实际工程技术问题有着重要意义。
1 国内外研究现状
关于岩体和流体相互作用研究最早见诸K.Terzaghi对有关地面沉降研究，其内容主要限于考虑一维弹性孔隙介质中饱和流体流动时的固结，提出了著名的有效应力公式，迄今该公式仍是研究岩体和流体相互作用的基础公式之一。二十世纪中期Biot(1941,1956)进一步研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用，并在一些假设，如材料为各向同性、线弹性小变形，孔隙流体是不可压缩的且充满固体骨架的孔隙空间，而流体通过孔隙骨架的流动满足达西定律的基础上，建立了比较完善的三维固结理论。在此基础上，进一步发展了多相饱和渗流与孔隙介质耦合作用的理论模型，并在连续介质力学的系统框架内建立了多相流体运移和变形空隙介质耦合问题的理论模型。
Lous等（1974）运用单裂隙试件进行单向水流的室内模型，综合研究了天然裂隙表面粗糙度和波纹特征对水流速度的影响，并建立了层流状态和紊流状态的单个裂隙导水系数方程。在此基础上,运用多裂隙试件,通过三向水流试验,推导出了一组平行裂隙面定性导水系表达式。
国内董平川等建立了可变形饱和储层中流体流动的数学模型，本构模型中考虑了弹塑性变形、蠕变等因素，以位移和流体压力为未知量建立了统一的有限元求解格式，并以单井开采为例子进行了数值模拟。薛世峰建立了非混溶饱和两相渗流与孔隙介质耦合作用的数学模型，推导了用解耦合方法建立的有限元计算格式，并对流固耦合效应进行分析。李锡夔讨论了力学一渗流一传质藕合问题的数学模型，本构模拟，应变局部化分析的非经典连续体有限元方法以及饱和土动力学有限元分析的分步算法等。冉启全建立了油藏多相渗流与应力耦合渗流的数学模型，考虑了渗透率、孔隙度等参数变化，采用有限分与有限元交替迭代求解方法，并采用原始模型(非耦合)，弹性模型，塑性模型进行计算，表明耦合效应及本构模型选取对计算结果影响明显。范学平等利用有限差分法给出了油藏渗流与岩土线弹性变形之间的耦合解法，研究了应变、孔隙度、渗透率等随时间变化的规律，计算表明井底附近参数变化比较大，而距这一区域越远，受影响程度越小。王自明从质量能量守恒定律，热力学定律等基本定律出发，用连续介质力学方法建立了热流固耦合数学模型，并推导了相应有限元计算格式。
常晓林推导了各性异性连续介质的等效渗透系数与应力状态的耦合关系,并对抽水井和压力隧道进行了偶合计算。许梦国首先用Monte-Carlo法模拟岩体裂隙的分布，然后根据模拟结果分别形成渗流和岩体应力有限元分析的单元网格,并进行数学分析，利用位移连续条件进行耦合，最后用迭代法得出考虑渗流的不连续岩体的应力状态.郭雪莽研究了大坝坝基内的渗流与变形相互作用对大坝应力、变形的影响。朱伯芳根据混凝土的渗透压力-应力-应变关系，研究了渗透水对非均质重力坝应力状态的影响，并给出了精确解答和简化计算方法。
国外学者Zienkiewcz，Schrefler，Katsube.N等人以混合物连续介质理论为依据，在固结理论基础上建立控制方程。Liewis等对问题进行一些假设，忽略了固相骨架变形影响，推导了相应方程。Tortike，Ali等考虑了温度影响，建立了相应流一固一热藕合方程并给出计算方法。MariselaA.Sanchez Dagger建立了饱和两相耦合方程，并用有限差分法与动态松弛法建立相应计算格式，并对出砂问题进行了研究。Rajesh K.Mair,K.M.Neaupane建立了裂隙岩体的流一固，流一固一热模型，采用有限元法进行了算例分析，并进行了井壁力学稳定性分析。也有部分学者采用离散元、边界元、有限体积法或几种方法相结合形式进行数值计算。
流固耦合模型是一组非线性，非稳态的包含不同类型偏微分方程的方程组，由于问题复杂性其数值求解的不完善之处，国内外许多学者在这两个方面都作了大量数值试验，如何从简单算例验证到实际工程中大规模计算是今后要做的工作。
2 流固耦合渗流的特点及其研究方法
2.1 流固耦合的特点
水在岩体中的渗流并不完全单相液体的稳态流动。其实当地下水在岩体渗流时会产生动水压力而改变岩体的原始应力状态，同时岩体应力状态的改变反过来又会影响岩体的渗透系数，从而改变岩体渗流场的分布。这样反复影响最后达到平衡，这样的耦合过程有以下特点：
(1) 流固两相介质之间的相互作用是流固耦合最重要特征。一方面变形岩体在流体载荷作用下产生变形，另一方面变形反过来又影响流场，从而改变流体载荷的分布和大小。正是这种相互作用将产生复杂的流固耦合现象。
(2) 流体和固体分别占有各自的区域，它们之间的相互作用必须通过流固两相之间交界面上的边界效应反映出来。
(3) 由于岩体中孔隙和裂隙的存在，饱和多孔固体的本构方程与不含裂隙和孔隙的真实固体材料的本构方程有很大的区别。
2.2 流固耦合的研究方法
根据流固耦合的特点，在引入孔隙率与表征性体积单元之后，便可将多孔介质看成由大量有一定大小，包含足够多条孔隙又包含无孔隙固体骨架的质点构成的。因此质点有孔隙率，可以规定其流体密度、固体密度、强度和弹性模量等材料特性参数；同时质点也能承受应力和流体压力的作用，即质点可以定义状态变量。当质点相对于渗流区域充分小时，质点上各种材料性质参数和变量可看作空间点的函数，它们随着空间点位置的不同连续变化。若多孔介质所占据的空间中的每一个小区域都被这样一个质点占据,而每一个质点也仅仅占据空间一个小区域，即在空间区域与质点之间建立了一种一一对应的关系。这样,实际的多孔介质就被一种假想的连续介质所代替。在假想的连续介质中我们就可以用连续性的数学方法去研究流固耦合问题。在此基础上，我们就可以综合利用岩石力学和渗流力学的分析方法，并考虑流固耦合作用来研究流固耦合渗流问题，建立控制方程。也就是说，对于固相骨架必须满足岩石的平衡方程。由于孔隙流体压力的影响，固相骨架的变形由有效应力控制，而对于孔隙流体必须满足连续性方程(即质量守恒方程)。在固相平衡方程和孔隙流体的连续性方程中应包括流固耦合项。
3 研究展望
尽管流固耦合问题经过几十年的发展，已经比较完善，但要真正解决好流固耦合问题必须结合流体力学与固体结构分析中的各种方法与细节进行分析，具体以下几个方面需展开进一步研究：
(1) 岩石渗透空间结构千差万别，不同岩质、不同地层的裂隙岩体都具有各自的渗透空间结构，不可能用一个统一的模式解决岩石流固耦合问题，要针对不同的岩石结构，研究不同的数学物理模型。
(2) 考虑温度，物理化学作用等影响，建立考虑温度场、渗流场、应力场和水、气、固等多相介质耦合模型。
(3) 考虑从微观角度研究固体内部的变化对流体场的影响，使问题的解答更接近与实际。
(4) 由于流固耦合问题的复杂性，用纯粹的解析方法很难求解，应大力发展具有岩石渗流特色及流固耦合的数值分析方法。
4 结论
本文主要对国内外流固耦合研究现状行进了论述，渗流的流固耦合问题的一个显著特点是固体区域与流体区域互相包含、互相缠绕,难以明显地划分开,因此必须将流体相与固体相视为相互重叠在一起的连续介质,在不同相的连续介质之间可以发生相互作用。这样,我们就可以用连续性的数学方法去研究流固耦合问题。
参考文献
[1] 杨天鸿，唐春安，徐 涛等．岩石破裂过程的渗流特性[M]．北京：科学出版社,2004
[2] 黄涛．裂隙岩体渗流-应力-温度耦合作用研究[J]．岩石力学与工程学报,2002,21(1):77～82
[3] 朱珍德，郭海庆．裂隙岩体水力学基础[M]．北京：科学出版社,2007
[4] 董平川，郎兆新等．油井开采过程中油层变形的流固耦合分析[J]．地质力学学报．2000 6(2):6-10
[5] 董平川，徐小荷．储层流固耦合的数学模型及其有限元方程[J]．石油学报．1998.19(1):64-70
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【关键词】渗透与融合；研究领域；研究方法
物理是一门自然科学，但它并不是孤立的体系，与其他学科都有着密切的联系，因此，物理教学中要注重与其他学科知识的渗透与融合，用物理学的知识解读其他学科教材，揭示各学科之间知识、技能的联系，使学生学到的物理知识变的更加灵活有用。
1 物理与语文、历史
语文乃百科之母，主要体现在对文字的阅读和理解，书面表达，逻辑思维等方面。物理的原理、定理、定律表述严谨，逻辑性强，要从真正意义上的理解和掌握，必须具备较强的文字理解能力。
在语文教材中可以寻找到许多物理知识的踪迹。如八年级语文《落日的幻觉》一文中所描述的落日：“太阳看起来深黄，殷红。”其实这正是光的折射现象所致，当太阳接近地平线时，光线通过的大气层增厚，发生的折射现象增强，频率较小，波长较长的红、黄光线偏折角度较小，致使红光、黄光能够穿过大气层，此时太阳呈现深黄、殷红色。人们都非常熟悉的一些成语、谚语、歌词等，如“海市蜃楼”、“猴子捞月亮”、“小小竹排江中游，巍巍群山两岸走”。就蕴含着物理学科中光的折射、反射及参照物的知识。将一些文学内容融入到物理教学中，有亲切感、真实感。若能挖掘文学素材来与物理世界沟通更有助于加深对物理知识的理解和掌握。
结合古今中外许多历史故事进行物理教学，如沈括发现磁偏角比西方早四百多年；墨子所著《墨经》中记载的小孔成像；战国时期发明的指南针（司南）。“计时标准和工具的变迁”等，不仅使学生了解人类的文明史，还让学生知道了物理学上的重大突破对人类认识史的冲击以及在社会发展史上所引起的重大变革，推动了技术革命转化为生产力，推动了社会经济的发展。
2 物理与其他自然科学
物理和数学密不可分，物理问题要借助数学工具来解决，数学又在解决物理问题中得到发展。即是在初中，两学科知识的相互渗透举不胜举，如：行程问题、金属含量、密度等问题。其中一些本身就是数学物理两栖题。用数学函数图像可以描述物理规律，如用曲线描绘出晶体在熔化过程温度的变化规律。将数学一次函数，应用到物理实验中的控制变量法，归纳出电阻上电流和电压的关系。在教学中将物理问题采用数学技巧来解决，既能使学生掌握解题技巧，同时又能更好地促进物理知识的掌握。
物理与化学有着交叉研究领域、相同的研究方法、共同的科学思想和科学家。如物理中讲的分子、原子结构属于化学知识，但以此又能很好地解释摩擦起电的成因。电流的化学效应，就是电解质溶液在通电后发生的化学变化。化学中有关溶液浓度、溶解度等问题的计算，往往要借助物理学的密度公式。在实验中二者有许多相同的实验仪器。做“气体分子的扩散运动”的实验，需要通过化学的实验手段从空气中提取氮气，而首先解决这一问题的则是英国的物理学家瑞利。有人把物理和化学称作“兄弟”科目实不为过。在物理教学过程中把握物理、化学教材的设置和进度，就能达到更好的教学效果。
随着生物科学的发展，它与物理学科之间不断渗透和融合俞加显现出来。初中生物主要研究生物现象和生命活动规律，其中许多知识点与物理学相关联。如眼睛的结构，显微镜的原理等，就运用了光学的知识；耳的听觉原理、动物的声纳定位知识的研究，又运用到声学的知识。可见物理也需要生物知识的应用。
3 物理与体、音、美
现代竞技体育与其说是力量的比拼，不如说是高科技的竞争。而其中离不开大量有关的物理知识。如撑杆跳运动就是动能弹性势能重力势能的转换过程，从能量转化角度来分析，助跑速度至关重要。2008年北京奥运会上，游泳记录频频被打破，这要得益于一款高科技含量的新式泳衣“鲨鱼皮”，它的研发正是利用了流体力学的原理，最大限度减小身体与水之间的摩擦阻力，使速度大大提高。科学的训练方法，高科技的比赛装备的研发，与物理知识高度相关。
音乐是物理学中声学的研究对象，主要研究音乐与音调、响度、音色等物理学知识点的异同。如声乐中的高音和低音，由声带的振动频率所决定。各种乐器之所以音色不同，则是由其不同频率的泛音数目所决定。可见音乐则属物理学中声学所研究的范畴。
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关键词：空气调节用制冷技术；教学方法；考核方式
空气调节用制冷技术是建筑环境与设备工程专业重要的专业课之一。该课程以流体力学、工程热力学、传热学等课程为基础，主要介绍制冷的基本原理、设备构造、系统组成、系统设计、运行调节及维护等方面的知识。不仅要求学生熟练掌握空气调节技术所用制冷技术的理论基础知识，而且要求学生对制冷技术的发展前沿知识有所了解，熟练掌握制冷设备热工计算方法，理解制冷系统及设备的原理及运行特点，掌握制冷机组的计算选型问题，同时为今后空气调节工程制冷设备的选型计算和优化积累坚实的基础知识。因此，空气调节用制冷技术课程在建筑环境与设备专业教学中具有举足轻重的地位和作用。
本文针对空气调节用制冷技术课程的这些特点，结合应用型本科院校学生的实际情况，从教学内容、教学方法、教学手段和考核方式四个方面就如何提高空气调节用制冷技术课程教学效果进行了探讨。
一、合理选取教学内容
目前，我校制冷技术课程选用的教材为彦启森等编著的《空气调节用制冷技术》（第四版）。该教材体系严密，结构清晰，突出了系统性与实用性结合的特点。但是，该教材是按照60学时编写，而我校该课程总学时仅有32学时，其中包括2学时实验课。因此在讲授时有必要对部分内容进行压缩。例如，在讲授“制冷剂与载冷剂”这一章时，我们重点介绍制冷剂的性质和命名，对载冷剂和油这两小节只用做简要介绍。在讲授“制冷压缩机”这一章时，重点介绍活塞式、螺杆式、离心式压缩机的工作特性及其优缺点和应用范围，对压缩机的结构只要求学生做简要了解。这是由于本专业学生在以后的工作中主要涉及的一部分内容就是制冷机组的设计选型及其运行问题，并不会对压缩机本身进行设计。在讲授第四章“制冷装置的换热设备”时，我们重点介绍的是冷凝器、蒸发器以及其他换热设备的种类和工作原理，而对它们的传热过程和设计计算介绍较为简练，这是因为传热学、热质交换原理与设备及换热器设计等课程对此都有相关的介绍。相反，有些内容不但不能删减，还需要加以补充。例如第一章“蒸气压缩式制冷的热力学原理”，这一章是整个课程的核心，要想深入透彻地掌握制冷技术的专业知识，必须正确熟练掌握有关制冷技术的热力学理论基础知识，才能做到有的放矢，抓住问题的本质。因此，授课时应重点抓住学生容易产生疑问的地方，给学生讲授和解释相关的热力学背景。
二、灵活选择教学方法
教学方法是师生为完成教学任务，传授与学习教学内容所运用的手段和途径，包括教师教的方法和学生学的方法两方面。教学方法选择是否得当，对教学效果起着至关重要的作用。
1.形象对比法
形象对比法是指在教学过程中，把书本上的知识与日常生活中比较容易理解的事物进行对比，加深学生对书本知识的理解。比如，讲解压缩机时，可以用人体心脏做类比。心脏压缩和输送血液形成循环，而压缩机则是压缩和输送制冷剂蒸气形成循环，这种对比使学生很容易理解压缩机的作用和结构等知识。讲热泵装置这部分内容时，可与生活中的水泵进行类比，水泵可以使水从低处输送到高处，热泵可以使热量从低温热源输送到高温热源，并且都是消耗电能作为补偿条件。通过对比讲解，与生活中的实物进行对照，教师可以使学生更容易理解书本上的知识，也可以提高学生的学习兴趣。
2.案例教学法
案例教学法最早起源于美国，指以案例作为教材，让学生处于当事人的位置，在教师的引导下，运用所掌握的理论知识，分析思考和讨论案例中的各种疑难情节，逐步形成具有各自特点处理方案的教学方法。案例教学法使学生由被动接受知识变得主动探索难题从而主动掌握知识点，教学的环节需要学生和老师共同去完成，学生将参与整个教学过程，因此有利于增强学生的学习自觉性，调动学生的学习兴趣。
案例教学法效果好坏的关键是案例的选取。选择教学案例时，应密切结合教学内容挑选案例，选择那些有助于教学内容的传授并带有一定代表性的案例，这样才能让学生在学习理论知识的同时，轻松地理解和掌握理论知识，并获得一定的实际经验。另外，选择的教学案例，必须依据客观实际，与实际相符，具备一定的合理性，学生通过案例的探讨，才可能真正具备解决实际问题的本领。
3.互动式教学
互动式教学即在教学过程中采用提问、小组学习讨论、师生角色互换以及其他师生共同参与的方式进行信息交流和传递的教学方法。互动式教学需要师生共同参与，可以有效地减少学生在课堂上说话、睡觉、玩手机等现象。不断讨论问题，然后解决问题，有利于培养学生的独立思考能力，提高学生的基础知识综合运用能力，培养学生的创新能力，使学生由被动学习转向主动学习，增强学生的学习兴趣。
在授课过程中，根据授课内容灵活地选择教学方法，可以起到事半功倍的效果。
三、丰富教学手段
在教学过程中，除了灵活地选择教学方法，还要丰富我们的课堂教学手段。目前主要的教学手段有板书教学和多媒体教学。
板书是一种课堂艺术，是教师口语的书面表达形式，是课堂上常用的教学辅助手段。在课堂板书过程中，教师可以从一个点展开，建立知识内在的逻辑顺序，使学生一步步跟着教师的思路，理清知识点与知识点之间，知识点与知识面之间的关系，学生把握了知识点要领的学习，就能掌握整个知识面，这对学生理解和掌握教材内容来说都是十分有益的。当然，板书也有它的局限性。空气调节用制冷技术课程最突出的特点之一是设备结构图和管路配置图比较多。在讲述冷凝器等设备的结构和原理时，需要教师自己画图或者使用大量的挂图和模型，不仅费时费力，而且非常枯燥。对于那些没有实际生产经历的学生来说，再努力描述也不够生动直观，进而影响学生的学习积极性，难以达到良好的教学效果。
多媒体教学是指采用计算机交互式综合处理文本、图片、声音和动画等多媒体技术的教学手段。在教学过程中积极利用多媒体教学手段，可以将文本、图片、声音和动画等融为一体，使抽象的概念具体化，实际问题形象化，便于学生接受和理解知识，能大大提高课堂教学的生动性，激发学生的学习热情。比如，第三章“制冷压缩机”这一部分内容，利用多媒体技术播放压缩机运行的动画，学生可以很直观地了解压缩机的结构和运行原理，便于学生理解相关知识。人一般对动态的东西感兴趣，动画可以吸引学生的注意力，增强他们的学习兴趣，提高学习效果。但是，多媒体教学方法也存在一定的弊端，例如多媒体课件提供的信息量太大且停留时间短，学生难以消化。
多媒体教学与传统板书教学各有优势和不足，应当取长补短。使用多媒体教学时，也可以利用板书作为辅助手段，讲到哪部分知识就把目录写在黑板上，使学生对本次课的框架非常清楚。若多媒体课件信息量太大，可以放慢讲解速度，必要时用传统教学方法加以详述。当遇到公式很多的章节时，可以以板书为主，多媒体课件为辅，先把整体的公式利用多媒体放映出来，然后再在黑板上一步步板书。多媒体教学与传统板书教学有机结合，可以使教学更加生动、形象，而且更加有条理，这样对提高学生的学习积极性，优化教学效果也有一定的作用。
四、改进考核方式
传统的课程考核方式一般采用闭卷考试的形式，结合平时成绩，按一定比例最终评定课程成绩。这样只能考查学生的已有专业知识记忆水平，体现不出学生应用知识的能力和解决问题的能力，更体现不出学生的想象力和创造力，因此，有必要对现行考核方式进行改进。
鉴于空气调节用制冷技术是一门重视实践的专业课，考核时应既注重考查学生的专业知识掌握情况，又注重检验学生解决实际工程问题的能力。基于以上因素，建议将本课程的考核分为以下四个部分。第一部分为闭卷考试，占总成绩的50%。考试内容包括基础知识点和具有工程背景的综合性试题，重点考查学生的基本概念和基本解题能力，同时考查学生分析实际工程问题，运用理论知识解决实际问题的能力。第二部分为大作业，占总成绩的20%，可以将学生分成若干小组，以小组为单位，通过给每个小组提供一些研究课题，要求学生自己收集资料来分析、解决问题，最终形成研究报告，并以PPT的形式在课堂上做汇报，教师根据学生的整体情况进行打分。通过这一过程既可以锻炼学生运用专业知识的能力，激发学生的兴趣，又可以培养他们的团队协作能力，一举两得。第三部分为实验，占总成绩的10%。学生分组做实验，整理实验数据，书写实验报告。第四部分为课后习题、课堂提问和考勤，占总成绩的20%。通过这些方式将考试的“一锤定音”改为多阶段的考核。
考核结束后要对考核结果进行分析和评价，然后通过学生座谈、教研室教师交流会议等形式来分析教学过程中存在的问题，从而了解学生知识、能力的实际掌握情况，以对课程教学质量进行改进。
本文结合应用型本科院校学生的实际情况，对提高空气调节用制冷技术的教学效果进行了探讨。合理选取教学内容，灵活选择教学方法，采用丰富的教学手段，有助于增强学生的学习兴趣，提高教学效果。多元化的考核方式不仅能考查学生的专业知识掌握程度，还能锻炼学生应用知识的能力和解决问题的能力，培养学生的想象力和创造力。
参考文献：
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[2]陈明东.空调用制冷技术教学改革探讨[J].宁夏农林科技，2012，53 （2）：76-77.
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论文关键词：教育；能源与环境；公共选修课
“能源”与“环境”是当今世界发展的两大主题。能源是人类社会赖以生存的重要物质基础，是工业的食粮、社会经济的命脉。随着社会生产力的发展，人类对能源的需求量日益增大。但是，当今世界所使用的能源绝大多数仍取自地球，随着不断地开采和利用，各种能源资源日渐枯竭，能否满足未来世界不断增加的能源需求是人类共同面临的问题。
为适应上述形势需要和公选课要求，苏州大学于2006年面向全校非动力机械与工程专业开设能源可持续发展公选课。公共选修课是高校课程体系的重要组成部分，是学生扩展横向知识、培养自学和动手能力的最佳平台。多年来，学校在加强全校本科生能源与环境意识的培养上不断探索与创新，逐步摸索出一套行之有效的方法。由于其他专业的学生不具备相关的专业基础，因此，在授课过程中讲授能源与环境的基本概念、国内、国际能源使用现状与严峻形势、能源与世界政治、经济的关系、新能源的开发与使用、世界环境现状、环境与人类的生存以及各种环境保护的一般方法等科普性的知识，以使学生易于理解和接受。
这门课程主要讲授以下内容：当代科学技术发展趋势及我国科技发展的战略部署；热工基础（热力学、传热学及流体力学和燃烧学基础部分）；工程热物理学科的发展战略；能源基础知识；可持续发展；能源科技发展及可再生能源发展状况（生物能、太阳能、地热能、风能、潮汐能、氢能和燃料电池）和开发利用技术；火力发电厂基本知识；核能发电；大气环境保护原理基础；洁净煤技术概论；洁净煤技术（SOx）产生机理及控制技术；洁净煤技术（NOx）的产生机理及排放控制技术；节能原理简介及相关技术（能量系统的分析方法、工业过程节能的途径与方法）；针对当下能源与环境中的热点问题和新技术进行专题讨论。
在近些年的“能源与可持续发展”教学摸索与实践中，学生反映良好，笔者总结出一些方法和经验，以下就较为典型的几个突出问题谈谈自己的认识与实践。
一、与时俱进引入新概念，引发学生思考
科研为教学创设一种学术氛围和探索研究的环境，将新的科学技术成就和成果及时引入教学，则能使课程教学更具现实性、前沿性，提高教学质量和水平。能源利用基础部分涉及到热学知识，笔者引入了过增元院士提出的热学新概念，但是并不深入介绍，而是介绍现有概念来龙去脉，引起学生思考，感受大师的思维方法。
先从日常生活中的热现象着手，介绍热学基本概念。
其次从热的本质讲其发展简史，引经据典，如介绍南北朝成书的《关尹子》、东汉王充的著作《论衡·寒温篇》、汉代《淮南万毕术》、《武林旧事》等热现象记载，讲述古希腊科学家对热的认识，引出两种观点即热质说和热动说。热质说认为热是一种没有质量的特殊物质，热动说认为热是物质粒子的微观运动。这两种思想相互碰撞、辩论了好几个世纪，但是这两种思想并不是鲜明的对立，很多思想中都包含着两种思想的影子。
再就现有传热学面临的挑战引发同学思考，如：
其一，经典的传热规律面临极端条件下传热现象的巨大挑战。例如以激光的利用为代表的超快速加热，如激光武器和激光加工技术，激光脉冲宽度可达到飞秒量级，如何预测激光加热过程是传统热学原理遇到的问题。
其二，经典热学中还没有以提高能源利用率为目的的传热过程的优化理论和技术。当前面临世界性的能源短缺问题，我国面临的节能减排的形势更为严峻。因此，提高能源利用效率更为重要。然而，传热学中只有热量传递速率而没有热量传递效率的概念，所以只有传热过程的强化而无传热过程优化的理论和技术。
其三，傅立叶导热定律导致热传播速度为无穷大的缺陷还没有很好地解决。早在1822 年，法国的数学家、物理学家傅利叶就提出了著名的傅立叶导热定律，即热流与温度梯度成正比。尽管作为实验定律的傅利叶导热定律已为大量的工程实践所证实，并获得了广泛的应用。然而，用傅利叶导热定律描述瞬态导热过程时，由于所得到的热传导方程是抛物型的。这隐含着热是以扩散的方式传播，因此出现了热扰动传播速度无穷大的佯谬。傅立叶定律的这一缺陷表明，它只是一个唯象的近似定律，在物理上是不完善的。
其四，传热学缺乏同物理其他分支学科之间共性的量和规律。傅立叶在他的热学专著《热的解析理论》中指出“……无论力学理论的研究范围如何，它们都不能应用于热效应。这些热效应构成一个特殊的现象类，它们不能用运动和平衡的原理来解释……自然哲学的这一部分不可能与动力学的理论有关，它有它本身特有的原理。”
与物理学的其他分支学科相比，热学没有的概念有：质量、力、速度、动量；波、振动等。热学独有的概念有：熵、可用能、状态量和过程量等。
由于学生们是学过大学物理学的，对物理学内容的构架有基本认识。通过以上纵向比较，同学们一致认为对物理学有了更深刻的认识，激发了学生的学习兴趣，收到了良好效果。
二、加强学生的社会、生产实践，培养工程的观念
社会实践、调研是本科生教学的一个重要教学环节，是学生接触社会、工程或生产实际的一个基本手段。同时，教学中实际例题分析是最具说服力的，对学生知识认知、理解和分析帮助很大，他们也比较感兴趣。
例如笔者结合实际项目介绍：在分布式能源系统中，让学生实践调研华东地区气候条件，统计华东四省一市主要城市月度气温，调查华东四省一市或华东地区主要城市天然气资源、华东四省一市或华东地区主要城市电价及华东地区医院、酒店、商业、娱乐设施、办公、机场、学校、居民等用户的冷负荷、热负荷和电负荷需求、持续时间。同学们利用假期在所在地区积极调研，得出华东地区民用电价平均值为0.5645元/度，燃气销售价格2.2元/立方米，工业电价平均值为0.9元/度，燃气销售价格3.5元/立方米。通过调查，同学们得到华东地区空调供应时间一般是：制冷100～150天，采暖90～100天，过渡期110～170天，制冷和采暖的需求时间相对比较长些。这些是华东地区发展天然气分布式能源系统的有利条件和基础。而学生实践也为笔者丰富了教学内容，使笔者感受到教学的乐趣，实现了教学相长。
笔者结合具体设计案例引发学生思考，如：宾馆的主楼建筑面积27000m2，裙房建筑面积约3000m2。宾馆用电量较高，同时也有夏季冷负荷、冬季热负荷和全年热水的需求。本宾馆分布式能源系统主要由1台内燃机发电机组和2台溴化锂吸收式冷温水机组组成。系统的总发电量、制冷量、制热量、制热水量分别为600kW、3000kW、2400kW、7.7t，分布式能源系统设计年运行天数330天（扣除检修时间）。本项目为全年运行，其中供冷期主要为夏季年运行120天左右，供热期主要为冬季年运行105天左右，热水供应全年运行330天左右（扣除检修）。
系统配置从原理上进行科普性介绍，而不详细展开，如本分布式能源系统所用发电机组选用曼海姆的TCG2016V12C。选用的两台远大溴化锂吸收式冷温水机组分别为1台BZHEY125XD 一体化烟气热水直燃机和1台 BZY125XD 一体化直燃机。
分布式能源系统注重技术与经济的结合，结合本案例分析气价、电价对系统影响，指出技术上合理还要经济上合算的工程经济学思想，介绍最简单的投资回收年限的概念。本案例中主要取决于投资成本和收益额的大小。其中，投资成本是指购买设备所需要的费用，主要指新设备的初投资、收益额表示系统年收益（输出的冷、热、电）减去系统运行及维护费用。
理论方法与生产和生活实际相结合，调动学生学习的积极性，通过案例分析使学生初步掌握工程思想，并学会用所学知识解决实际问题。
三、可持续发展与古代朴素的人与自然的基本关系
鉴于公选课从内容到教学形式相对自由一些，针对学生的专业特点逐年加大了素质教育的内容。
“可持续发展”一词是在1980年的《世界自然保护大纲》中首次作为术语提出的。在此期间还提出了“可持续性”和“持续发展”等概念。“可持续性”是指社会系统、生态系统或任何其他不断发展中的系统继续正常运转到无限将来而不会由于耗尽关键资源而被迫衰弱的一种能力。1987年，挪威首相布伦特兰夫人主持世界环境与发展委员会，在长篇专题报告《我们共同的未来》中第一次明确提出了可持续发展的定义。“可持续发展”概念应该是“可持续性”和“持续发展”的结合，既要考虑发展也要考虑环境、资源、社会等各方面保持一定水平。
但是讲到这些，强调可持续发展的思想其实在中国源远流长，下面列举如下例子以引发人们对中国传统文化的崇尚：“为人君而不能谨守其山林菹泽草莱，不可以立为天下王”；“斩伐养长，不失其时，故山林不童，而百姓有余材也”；“竭泽而渔，岂不得鱼，而明年无鱼；焚薮而田，岂不获得，而明年无兽”。孔子说：“断一树，杀一兽，不以其时，非孝也。”他还说：“启螫不杀则顺人道，方长不折则恕仁也。”孔子在他自己的生活实践中一向是“钓而不网，戈不射宿”。
中国传统文化的“天人合一”思想即把人类放在大自然生态环境中加以考虑，主张人与大自然息息相通，和谐一致，天、地、人一体化。孔子说：“大哉，尧之为君也，巍巍乎，唯天为人，唯尧则之。”孔子肯定了天之可则，即肯定了自然的可则、人与自然具有统一性。《中庸》中有“万物并育而不相害，道并行而不相悖”，把人与自然的发展变化看作是相辅相成的和谐、平衡运动。人与大自然的关系不是对抗的而是协和共存的，不应把天、地、人孤立起来考虑，而应把三者放在一个大系统中作整体的把握，强调天人的协调、和谐，人与自然的协调、和谐。“天人合一”是中国传统文化对于人与自然关系的最基本的信念。人是大自然中的一群生命体，是属于大自然的一个组成部分，人不应该随心所欲地征服自然、统治自然、支配自然。人必须学会尊重自然，爱惜自然。人与大自然的关系是一种相互依存的关系。
解决生态环境问题的根本就集中在如何看待人与自然的关系上。对此，可以从博大精深的中国传统文化（孔教学说）所蕴含的生态环境理念中去汲取营养。孔教生态环境理念能够引导人们正确认识和处理人与自然、局部利益与全局利益、眼前利益和长远利益的关系，使全社会的生态意识、环境意识得到增强，从而达到可持续发展的目的。
通过上述内容引入，使同学们深入了解中华传统文化的博大精深。中华传统文化不仅对中国的经济和社会发展发挥着巨大影响，也为中国人的世界观和行为方式的形成奠定了基础。它的影响一直延续至今。课堂中引入和加强对中国传统文化的了解，同学们反映良好。
四、结束语
篇8
[关键词]钱学森；复杂系统；本体论；认识论；方法论；实践论
[中图分类号]BO [文献标识码]A [文章编号]1672-2426(2011)01-0008-06
导言
认识世界，特别是认识人类自身，是人类认识发展的永恒主题。随着技术的发展和海量数据的产生，人类知识正以前所未有的速度向复杂性进军。虽然理性认识已高度普及，科学理论还是面临前所未有的挑战，其中突出的挑战是：如何应对复杂性?
当前，科学界普遍面临着三大复杂性难题的挑战：如何整合大量数据和知识，以形成对事物的深入系统的认识并用于指导社会实践?如何在认识论和方法论上融合自然科学、社会科学与人文学科?如何综合人类的知识体系，构建关于人与自然的和谐的科学图景?传统的还原论观点难以解决这些难题。
社会虽然高度发展，但社会管理不断面临新的需求和挑战，尤其在医疗和教育两大领域。“看病难，看病贵”等社会现象，催化对医疗体系的深度思考，正在呼唤着以保障健康为目标、重在全民参与的新医疗体系。教育体制改革、人才强国战略的实施，呼唤新的教育理论，对杰出人才的需求将催生以开发人体心智潜能为目标的新教育模式。建立在解剖学、生物化学、生理学和心理学等人体还原论基础上的医学模型已经远远不能满足实践需求，基于学科分类的知识结构理论，也对知识的整合、教育模式的更新设置了障碍。人们迫切需要对“人”和社会形成系统的认识，并从根本上加深对知识与实践的关系的理解，形成从认识到实践、到荐认识持续循环的科学认识过程。
正是在上述科学、文化、社会发展的诸多需求背景下，产生了复杂系统科学，特别是钱学森复杂系统思想。
钱学森复杂系统思想是20世纪末我国系统学研究之辉煌成果。有“大成智慧”之誉。将复杂系统研究运用于国计民生是力学泰斗钱学森教授几十年来的深切愿望。“从定性到定量”的综合集成法将社会科学与自然科学有机衔接，“专家研讨厅”体系将精确逻辑思维和开放直觉思维有效集成，开放的复杂巨系统理论进一步为研究脑与思维、人与社会等复杂系统提供了基础的科学模型，为面对社会系统开展认识、实践、再认识的科学思维活动提供了行之有效的认识论和方法论。这里，钱学森以力学家特有的气魄，引导人们在新世纪各种变幻莫测、错综复杂的事物面前，进行严谨的科学思考，作出智慧的判断决策。他表示：“我在余生中就想促进这件事情：建立一个科学体系，并运用它解决社会主义建设中的问题。”
一、钱学森复杂系统思想
钱学森在长达数十年的探索过程中，与他周围的专家学者，紧密跟踪国际学术发展趋势，以解决重大科学和社会实践问题为目标，创建了“现代科学技术体系”、“开放的复杂巨系统理论”、“从定性到定量的综合集成法”等若干原创性的学术思想。这一学术体系正在发展为服务于社会发展的大成智慧。
其中，开放的复杂巨系统理论和从定性到定量的综合集成法，是钱学森复杂系统思想的核心。在此基础上。钱学森还提出创建一系列新学科的构想。例如，把人脑作为复杂巨系统来研究，提出了“思维科学”；把地球表层作为复杂巨系统来研究，提出了“地理科学”；把人体作为复杂巨系统来研究，提出了“人体科学”等。这些学术构想，为新时期的学科创新指出了方向。
在钱学森复杂系统思想中，哲学观具有核心作用。爱因斯坦曾指出：“如果把哲学理解为在最普遍和最广泛的形式中对知识的追求，那么，显然，哲学就可以被认为是全部科学研究之母”。影响科学发展的哲学观包括本体论、认识论、方法论和实践论四大层面。在对复杂事物的认识中，这四个层面的相互影响更为突出。对事物本质的认识(即本体论)深刻地影响着人们提出问题和解答问题的方式(即认识论)，影响着学者对系统的观测和建模(即基础科学)，最终影响人们对系统实施干预的目的和方法(即技术和工程)。因此，钱学森复杂系统理论的发展应该贯穿哲学观、基础科学、技术科学与工程实践四大层次，形成一个完整的学术体系。
二、复杂系统本体论
1.开放的复杂巨系统论
复杂系统复杂在何处?为什么传统的科学方法论难以处理?钱学森在对这些基本问题的深入思考中，提炼出一些复杂系统的本质性特征。他从开放性、子系统特征、相互作用特征等几方面对系统进行了分类，提出了“开放的复杂巨系统”的概念。人脑系统、人体系统、地理系统、生态系统和社会系统等，都是典型的开放的复杂巨系统。这些系统的复杂性特点表现在：(1)系统与环境之间有丰富的物质、能量和信息交换(开放性)；(2)系统存在多层次的子系统(层次性)；(3)子系统数量巨大，种类多样，定性模型各异(多样性)；(4)子系统之间相互作用关系复杂(复杂性)；(5)系统的结构和功能处于永久的进化过程中(进化性)。对于这样的系统，传统的认识论和方法论不能提供有效的指导。钱学森指出，对这类系统的研究，需要运用从定性到定量的综合集成法。
对复杂系统的研究不适于简单地走自下而上的路线。与简单系统不同，对复杂系统的观测必然产生大量的、多层次、多层面、甚至相互对立的丰富信息。对这些信息进行综合并形成理论模型的途径是不唯一的，不同理论模型拥有不同的自洽度。事实证明，依靠传统的简单模型的思路来收集数据，通过自下而上的整合信息来获取对复杂系统的认识，在理论和实践上都是极为困难的。经验告诉我们，对任何具体的复杂系统的有效认识，必须首先有一个原始的复杂系统论的模型作为出发点，再结合具体系统的知识(数据)，形成具体的模型和认识。这样获得的认识一定是初步的，有待深入完善的，必须在应用于实践，然后收集实践效果的真实资料，来重新认识。这样形成的一个迭代检验、修正认识的完整途径，在复杂系统研究中占据一个远比简单系统研究中更为重要的地位。
那么，最原始的复杂系统模型从哪里来呢?应该从对复杂系统的本质特征的认识中来!对系统本质特征的严密论述，就上升到了哲学本体论。因此复杂系统研究的突破，在最根本的层次上取决于哲学本体论的突破。复杂系统科学研究需要发展复杂系统的
本体论。
2.复杂系统的本体论
东西方哲学思想中蕴含着大量的关于本体论的阐述，从苏格拉底、柏拉图和亚里士多德的古代希腊哲学，到康德、黑格尔、柏格森和罗素的近代西方哲学，从孔子、释迦摩尼和老子的古代东方儒释道朴素的哲学思想，到当代运用、并结合中国发展的实践所产生的思想等，对事物本质的阐述(本体论探索)始终占据核心的位置。
我们在深入梳理上述学术思想的同时，在继承钱学森复杂系统思想的基础上，融合现代自然科学原理，探索建立一个集古今东西方哲学、科学成果于一体的复杂系统哲学观。由此，我们提出如下的存在论命题：宇宙中普遍存在“形体一元二面多维多层次”的开放的复杂系统，钱学森的开放的复杂巨系统是其一般表达形式。
特定的复杂系统和宇宙(自然)构成一个完整的整体，这个整体就是一元。整体一元性的科学依据是系统的自组织性，而开放性是系统在一元性下支撑其存在的条件。开放的复杂系统的运动遵循两大科学原理，即物理宇宙的能量守恒原理和生命世界的达尔文进化原理，其运动表现形式可以概括为形体二面复杂多层次性。其中，显现的一面是体，隐现的一面是形。体以结构为表现形式，形以功能为表现形式，数学上表现为场，或形态，与体结构相伴而同时存在。形体二面的存在性源于量子物理的观点，证明如下：如果确认波函数是对宇宙的精确描述，则复杂生命系统同时存在宏观的振幅密度分布和相位梯度场，前者可以直接观察，后者可以通过前者的运动来推知。一个形象的比喻是天空中飘浮的白云和推动白云运动的气流，云为体，气(流)为形，气流与云的运动是一个整体。多维，即指多自由度，指系统包括大量的子系统。也只有当子系统数目巨大时，才能产生所谓的“涌现”，形成新的层次和维度。跨层次的结构和功能一般处于不同的维度，它们之间的联系常常难以建立，甚至难以理解。正因为多层次性，才构成复杂系统。多层次性是复杂的自组织性的体现，层次的数目刻画了系统的复杂性。
以人体生命系统为例。核酸、蛋白质、细胞、组织、器官、系统、人体等属于多层次的体系统结构，形成丰富的体世界，同样，人体形系统也存在对等的多层次结构。与体系统的结构性相对立，形系统的数学形态是场，通常的运动形式是波，两者形成鲜明的对照和互补。思想、观念、认识、意识等都是个人的形世界中的子结构，这些结构的变化和演化，就是社会变化发展的主要内容。
上述内容构成一个相对完整的复杂系统的哲学本体论，虽然还有待深入和完善，它已经可以指导我们来研究复杂系统。那么，从这一哲学本体论出发，研究复杂系统的思路是什么呢?那就是：针对一个具体的复杂系统，我们首先问，系统的一元性、二面性、多维性、多层次性体现在何处?应该用什么方式(文字，数学)来刻画?对这些问题的解答，构成了对特定对象的复杂系统论模型。
一个特殊的复杂系统是人类的认识系统，它的运动规律就是人类的思维规律。对思维本质规律的阐述，就是认识论。对具体思维过程的阐述，就是思维科学的内容。我们运用上述复杂系统的本体论开展对人类面对复杂系统时开展思维活动和规律的探索，形成复杂系统的认识论，以及描写思维活动的普适数学模型，发展思维模型，同时，从宏观上指导人们开展高效率的复杂系统思维。这是钱学森对发展思维科学所寄予的厚望。
三、复杂系统认识论和思维模型
1.钱学森论复杂性思维
钱学森指出，认识复杂系统的主体不应该是抽象的个人，而应该是一个由具备多方面知识和经验的群体。这是因为，用来认识和优化复杂系统的知识是多样化的，不但包括成文的知识，而且包括专家直觉和经验，后者在对复杂系统的认识过程中起到极为重要的作用。
对复杂系统的深刻的认识和有效的干预，必须将先前的认识(直觉和经验)和当前认识结论(决策)将要产生的效应(实践效果)综合起来考虑。这是复杂性思维的特色，是研究思维创新的关键。科学发展遭遇到瓶颈，正暴露了传统思维的局限性。以物理学为例，爱因斯坦曾指出，在遇到发展瓶颈的时刻，如果科学家“不去批判地考查一个更加困难的多的问题，即分析日常思维的本性问题，他就不能前进一步”。对思维本性的认识就是哲学认识论。爱因斯坦指出，“科学要是没有认识论――只要这真是可以设想的――就是原始的混乱的东西”。
2.复杂系统的认识论原理
在学习、继承钱学森复杂性思维的基础上，以及在上述的复杂系统本体论的指导下，我们提炼了复杂系统认识论的三条原理，即认识主客体的相对复杂性原理、认识的时空相对性原理以及理性知识的层次性和可综合性原理。
认识主客体的相对复杂性原理是指，高级复杂系统拥有更大的复杂度，才能概括和表达低级复杂系统的特点。科学哲学家雷舍尔指出，“认识论最基础性的原则之一就是，较低智商必定被更高智商所迷惑”。从更积极角度看待这个规律，就是要充分提高认识主体的复杂度，运用高复杂度的认知系统来概括低级复杂系统的特点。由此产生的一个关于认识论的基本命题是，为了研究一个复杂系统，首先必须界定问题的性质和其复杂度，然后，选择适当的研究工具，包括研究主体。钱学森“从定性到定量的综合集成法”的认识论基础就在此。
认识的时空相对性原理。我们将稳定的公共的认识，称为真理。真理本质上是人类文明(形世界)在长期进化过程中形成(涌现)的公共的稳定的认知结构。历史告诉我们，没有恒定不变的认知结构，真理具有相对性。复杂系统本体论指出，形体世界具有一元两面的特性，它们的密切相互作用是推动“真理”这个认知结构产生演化(观念进化)的动力。传统的真理观只注重真理的时间相对性，这里倡导的认识时空相对性原理同时还注重“空间”的相对性，即不同的人群可以拥有其相对稳定的、内容独特的认知结构。生命世界和文化的多样性发展，必然带来认识的多样性，这是复杂系统科学相对于自然科学真理观的挑战，值得深入探讨。这一原理对未来世界大同、多文化和谐共存的图景有重要意义。
理性知识的层次性和可综合性原理。理性知识是人类的一类特殊的认知结构。古代，哲学是表达理性知识的形式。科学的发展，极大地丰富了理性知识体系，形成了人类文明史上最为庞大的知识体系。但是，随着技术的先进，人们可以从多个角度获得见解和知识――由于复杂性，在一般情况下，这些知识和见解之间存在冲突，这是复杂性的来源。层次性和可综合性原理的正命题是说：存在一个多层次的整体，将互相冲突的知识安置在合适的层次和层面。我们将这一整体性的认知结构形象性地表述为“知识宝塔”。知识宝塔的存在是基于复杂系统的自组织性：无论系统如何复杂，它在
现实世界中依靠自组织形成一个有机的整体，知识宝塔是与这个现实的整体最贴近的表述。相互冲突的见解，如果它们在客观上是合理的，就是对事物的不同侧面和不同层次的性质的反映。发现知识宝塔，就是找到了综合这些合理见解的途径，也就解决了冲突――在更高层次上统一了相互冲突的知识。
上述认识论原理对于认识复杂系统的现象，集成观察数据，开展科学建模，以及指导实践具有指导性意义。具体地，也可以指导研究思维本身的具体的和微观层次的规律，这就是思维科学的内容。
3.思维科学与思维网络动力学模型
钱学森一直高度重视对思维规律的探索。他从系统论的思想出发，依照复杂度和应用特征，将思维分为四个层次――抽象逻辑思维，形象直感思维。灵感顿悟思维和社会集体思维，并且提出了若干课题和猜想。钱学森有关思维的论述集中体现了以下几点：首先，思维具有多层次性，从抽象思维、到形象思维、到灵感思维，以及更多的层次；其次，思维是开放的系统。钱学森有关思维的猜想虽然不具体，但更具有科学模型的特征，对中国思维科学的发展起到重要的推动作用。
过去几年，我们在系统梳理西方哲学认识论的基础上，尝试将康德的有机体概念落实到思维模型的构建中，形成与康德和黑格尔哲学思辨相呼应的思维和知识模型，并结合神经科学的最新发现，具体地将知识结构与网络回路联系起来，将思维过程与网络通道的激发和回路竞争动力学联系在一起，形成能够统一理解数理逻辑、辩证逻辑，甚至更广泛的复杂思维逻辑的理论框架，这就是思维的网络动力学模型。
在思维的网络动力学模型中，知识是一个存储在网络中的、具有多层次性及开放性特点的复杂系统，网络是对这个有机整体结构的描述，思维活动可以表述为是网络中存在的各类激发。具体地说，人在思维时，在大脑中形成一系列的网络通路激发，这些激发分为自下而上和自上而下的双向组织和调控过程。思维活动所形成的理性知识。是在诸多激发中形成的稳定回路结构，它们是一种亚宏观涌现，我们称之为知识回路。从神经科学和心理学的若干证据出发，我们猜想，知识回路展现出非线性多尺度动力学行为和网络状可变拓扑结构。这些认识形成了如下的知识回路模型：以概念形成思维网络的元节点，将命题表述为概念元之间的连接通道，将知识表述为多个命题通道形成的网络回路。
多层次、多连通的知识网络是对复杂系统多层次和多层面性质表述的需要，也是辩证逻辑发展的必然结果。辩证逻辑不要求命题之间无矛盾，它本身就是在处理有矛盾的命题过程中发展起来的。在我们提出的知识网络系统中，包含康德所提出的双向因果，它体现为由多个命题回路形成的自反馈超回路；随着概念元和连接数量的增加，网络层次可以多方位拓展，超越层次的回路结构可以形成，为完成黑格尔的辩证法思维提供保障。在形式逻辑层面上相互矛盾的命题，在更广泛的多层次的网络结构中可以存在。
4.复杂概念网络与新一代专家系统
上述的思维网络动力学模型建立了以网络回路之间的竞争动力学来实现演绎推理等思维活动的理论新框架，这为新一代专家系统的设计提供了理论基础。
思维的网络动力学模型，为我们解读实际的复杂思维提供了有力的理论工具。以中医临床医疗的辨证论治复杂思维为例，我们构建了基于复杂概念网络的中医思维动力学模型和模拟方法：(1)用概念网络的有序激活模拟推理；(2)用回路输出模拟医疗推理的结论和深层解释；(3)用多层次概念的逐层激活模拟推理的方向；(4)用多回路激活与竞争动力学模拟中医辨证论治；(5)用“多次迭代、逐级逼近”实现思维收敛并提高准确性。
中医的思维动力学模型，可以运用于中医典籍和临床医案的解读，进而构建中医复杂概念网络知识库和设计推理运算。2009年，我们初步构建了中医《伤寒论》的概念子网络，进行了中医诊断思维的初步模拟试验，获得与医案记载一致的结果。并在此基础之上，开始研制智能中医知识网络原型。这一研究，有望为新一代中医专家系统研究提供理论基础，为中医现代化和计算机智能化的发展建立一个新的基础。
四、复杂系统方法论
1.从定性到定量的综合集成法
1990年，钱学森提出的“从定性到定量的综合集成方法”，是对复杂系统本质认识的运用。综合集成法把专家集体的知识和存储在计算机里的丰富系统信息有机结合起来，开展综合模拟和分析。这一方法的运用，把人的思维成果、经验、知识、智慧以及各种情报、资料和信息加以综合集成，从整体的模糊的定性认识细化到局部的精确的定量认识。综合集成法的运用分为三个步骤：(1)集成多方面专家意见形成假设；(2)形成多参数定量模型；(3)形成预言并开展模型检验(实践)。上述三个步骤构成一个持续迭代的循环，促进对复杂系统认识的不断优化。2006年，于景元将钱学森复杂系统思想概括为钱学森综合集成体系――从综合集成思想、综合集成方法、综合集成理论、综合集成技术到综合集成工程。
上述复杂系统认识论的主体与客体的相对复杂性原理，为综合集成法提供了认识论基础。对于复杂度高的系统，例如人体和社会系统，必须依靠一个专家群体，运用多学科的综合知识，才能构建全面和深入细致的理解，形成有价值的模型和较为全面的行动方案。
综合集成法凝聚了钱学森多年从事科学研究和工程管理的经验，具有丰富的实践基础。钱学森指出：从定性到定量的综合集成法，“本质上是科学和经验的结合。”需要在充分运用以后，“才能再升华出理论，现在还只是方法而已”。人们普遍关注，如何运用综合集成法?多学科的知识如何集成?从理论上来说，首要的科学问题是通过怎样的宏观思维来确定复杂系统的维度(广度)和层次度(深度)，对系统形成合适的知识宝塔，这是有效集成多学科知识的前提。其次，对局部的精确建模也十分重要，这就涉及到复杂系统具体建模的方法论。
2.复杂系统建模的方法论策略
在多年从事复杂力学系统建模的基础上，我们提炼了如下复杂系统建模的方法论策略。
首先，复杂系统建模必须有明确的目标和问题。因为复杂系统包含着巨大数量的要素，而且还具有永恒的动态性，因此通常表现为数据众多而理论不足，在数据与目标、问题之间显现出巨大的鸿沟。所以，首先要对系统的问题目标展开理性的思辨和优化确定。明确阶段性认识目标，合理地规划对数据的分析，是首要任务。为此，必须从本体论原理出发，最大限度地利用复杂性共性实现对系统的“触类旁通”，并以此为基础鉴别所观察的信息和所提出的问题的价值。这就是“知识宝塔”的重要性，信息都应该在知识宝塔上有正确的定位，其重要性取决于它与系统研究目标和所解答的问题的
相关度。
其次，充分理解复杂系统的多层次结构性和动态性，不能期望一劳永逸地解决问题。其认识论依据是理性知识的多层次性和可综合性原理。为此，对复杂系统要梳理出多层次的目标和问题，明确分阶段的优化目标以及相关问题的重要程度和迫切程度，开展多层次和迭代重复的表述。每一次表述都不是终极的，它为下一次表述做准备。
在上述原理指导下形成的复杂系统的方法论策略为：“多层表述，逐级定量，多次迭代，逐步近似”。下面，我们介绍将这一策略应用于湍流世纪难题攻关的一些情况。
3.湍流世纪难题的攻关
湍流世纪难题始于1883年流体力学家雷诺的研究，一个多世纪以来，人们孜孜不倦地探讨着，如何定量精确地预测湍流平均流动的性质，形成了湍流世纪难题。20世纪30年代，德国科学家普兰特发展了边界层理论，被誉为上一世纪流体力学、应用数学领域最重要的十大成果之一。这一理论是当今航空航天计算设计的核心基础。但是，理论局限在简单边界和低速下，对高速飞行器的设计形成极大的制约。湍流世纪难题的重要性再次成为航空航天界的热点课题。
在对湍流研究百年来思想发展脉络的考察后，我们认为：“要实现湍流世纪难题的突破，必须在认识论、方法论上有所创新。必须对传统的还原论进行改造，既要重视理性的力学基本原理，又要充分考虑来自边界和复杂介质的信息，后者通常以经验的形式出现，两者的有机结合才能完成对宏观湍流的精确刻画。”于是，我们提出了湍流“结构系综”的新思想。
所谓结构系综，是对湍流脉动结构的宏观功能开展统计的、定量的和系统的描述。首先通过引进序函数、统计相关结构等一系列新概念，建立从数值模拟的经验知识中提取湍流结构统计效应的研究平台。2008年，以该思想为核心申报的科技部973项目“飞行器力学与光学设计中的关键湍流问题”成功立项。2010年，运用这一平台，我们成功地从大规模数值模拟数据中总结出边界层的多层结构理论，该理论定量推广了普兰特的边界层理论，正在用于指导设计新型的航空航天湍流计算模型。最近，多层结构理论又在理论上取得极有意义的进展，一个基于多层李群对称性的湍流边界层理论正在诞生。该理论旨在延续统计物理平均场理论的传统，将朗道创立的序参数理论、威尔森创新的临界现象的重整化群理论推广到湍流平均场，为解决经典物理的最后一个难题带来新的希望。
湍流这一硬科学的难题，其最终突破将是哲学认识论、方法论和严谨的数理逻辑推理的共同产物。复杂系统思想应用于具体实践，终究要将这几方面有机结合，才能产生实质性的创新。
五、复杂人体系统科学原理的提炼
1.钱学森论人体复杂系统
钱学森指出，“要建立开放复杂巨系统的一般理论，必须从一个一个具体的开放复杂巨系统人手。”我们这里以复杂人体系统为例，发展钱学森复杂系统思想。
科学飞速发展的20世纪，众多思想家在不同的背景下指出，应该加强对人体的系统性和复杂性的认识。但在众多学者中，钱学森是提出建立系统人体模型的第一人，是提出建立以人体系统模型为核心的专门学科――即人体科学的第一人，是探讨创立这门学科的方法论的第一人，更是认识到这门学问的重大价值，极力倡导发展这门学科的第一人。
钱学森指出：“人体是一个巨系统，不断地与环境、与宇宙交往联系，其内部结构也必然形成许多层次，层次各有其特征，层次又有互相的交往，有反馈调节控制。人体科学的任务就是理解这样一个复杂的巨系统”。
2.应用于运动训练的人体复杂系统模型
在负责组织奥运竞技体育项目――皮划艇激流回旋――科技攻关项目的过程中，我们尝试运用钱学森复杂系统思想，研究运动员人体系统，并在实践中总结并发展复杂人体系统研究的思路、方法和原理。在这场特殊的、跨领域的攻关实践中，我们以复杂系统的本体论、认识论、方法论为指导，以开发优化人体系统(培养冠军运动员)的技术和促进人体系统工程实践(创新高效的运动训练系统)为目标，以当代生命科学、生理学、心理学、神经科学、运动训练学等学科前沿知识为基础，提炼了人体复杂系统科学的若干原理。
首先，从复杂系统多层性特征的本体论出发，我们提出人体系统的多层次耦合作用原理，目标在于建立从分子细胞到人体行为的多层次关联。我们特别提出，显意识、潜意识与下意识与人体不同层次的神经系统功能有对应，意识的调控对应着神经系统的改变，进而影响人体功能。这一理论打破了心理、体能、技术训练之间的隔阂，为综合性心身训练提供了理论基础。
其次，从复杂系统的开放性出发，我们提出了人体意识系统的开放性原理和心理能量模型。个人的认知、情绪、思维以及心理动力的变化，只有在心理开放性原理下才能得到理解，并为心理能量的来源问题提供了新的视角，为心理训练提供了新的方法。
再次。从复杂系统的网络相互作用机理出发，我们提出人体行为控制的网络作用模型。人体系统不是机械的演化，而是拥有“期望”和“行为控制”方式的进化能力。人的理性自主活动可以概括为如下动态循环过程：愿望产生――设定目标――产生计划――执行计划――效果反馈。上述诸要素及相关子系统构成行为调控网络，该网络的建立为运动训练的科学化提供坚实的基础。
上述原理在与神经科学、认知科学、中医学、系统科学和运动训练学等学科的碰撞下，进一步形成一系列运动训练方法。例如，“技术认知训练方法”、“心理能量训练方法”、“意志力训练方法”、“科学思维训练方法”和激流训练特殊的“表象训练三部曲”方法，形成了一个综合的激流训练新体系。
这些研究成果，一方面丰富了运动训练理论，提出了新的运动训练学研究课题，同时促进了对人体系统的相关基础科学研究。这些原理和训练方法，对中国激流国家队运动员竞技能力的提升已经起了显著的作用，被竞技体育专家李少丹教授认为“对传统的运动训练学构成了有力的冲击”。
六、复杂系统实践论与大成智慧工程
1.钱学森“综合集成体系”与“大成智慧工程”思想
钱学森提出的“从定性到定量综合集成研讨厅体系”，是他领导并组织实施的两弹一星大规模科学技术工程实践经验的结晶。本质上这是一套理性的运用众人之力、处理复杂系统问题、探索复杂系统规律的实践方法。
综合集成研讨厅体系旨在把下列成功的经验和科学技术成果汇总起来，并升华：①国际学术讨论会(seminar)的经验；②从定性到定量的综合集成法；③军事作战模拟；④情报信息技术；⑤人工智能；⑥灵境技术(Virtual reality)；⑦人一机结合的智能系统；⑧系统学；⑨“第五次产业革命”中的其他各种信
息技术等。
综合集成研讨厅体系的目标是集“大成智慧”来解决实践中的复杂问题，钱学森指出，“大成智慧……就在于微观与宏观相结合，……既不只谈哲学，也不只谈科学；而是把哲学和科学技术统一结合起来。哲学要指导科学，哲学也来自科学技术的提炼。这似乎是我们观点的要害：必集大成，才能得智慧!”
钱学森把运用综合集成法的集体称为“总体设计部”，他希望将之建设成国家进行长远规划、解决各种复杂系统问题的决策咨询和参谋机构。从中央到地方、从军事到法律、从科技到文艺……等不同层次、不同部门、不同系统，都可以设立自己的总体设计部。并指出，总体设计部作为领导部门的决策咨询机构，应由德高望重、学识渊博、勇于开拓的总体设计师及各行各业具有团结、务实、创新精神的科技专家组成。
总体设计部的实施对于中国社会的发展具有特殊的意义。那么，它的成功实施需要具备什么条件?这个问题只能通过理论结合实践的道路才能够得到解答。
2.科技奥运中“大成智慧工程”的成功实践
理论探索和实践之间形成快速迭代，是成功开展复杂系统研究的必要条件。这一条件必须由社会系统来提供，这是复杂系统研究取得社会性成果和效益的保障。我国竞技体育系统具有目标清晰化和组织结构准军事化两大特征，是一个可以提供保障的社会系统。前者以竞技成绩为标志，使得理论成果能够得到快速而鲜明的检验；后者则提供专家研讨厅的组织保障。因此竞技体育系统是实践钱学森“综合集成研讨厅体系”和“总体设计部”的难得的实验平台。
从2006年1月到2007年8月，在举国支持的科技奥运攻关活动中，我们在国家体育总局水上运动管理中心的组织下，在激流回旋国家队主持了创新型、学习型、复合型教练团队的建设，该团队包括“中外科”(中方教练+外籍教练+科研人员)三方面的人员。在钱学森综合集成法与专家研讨厅思想的指导下，这支团队快速集成国际先进激流知识，并根据中国运动员特点创新中西结合的新型训练方法。这是一个由系统论主导的过程，既充满了东方思维特色，又合理运用了西方科学的精确思维特点。三支力量有机凝聚，集中发挥了“1+1+1>3”的特殊系统功能。
运动员人体是复杂的，运动训练是复杂的；竞技比赛充满不确定性和艺术性，更为复杂。通常，这些复杂性是由教练员这个具有丰富实践经验的“人”来承担的，它受到教练员个体认识的局限。由专家学者来主导运作教练团队，将经验与理性相结合，是钱学森大成智慧工程的特色。但在实际运作中，面临着跨领域探索的巨大挑战，需要克服一系列困难。正是这些困难，为实践和检验钱学森的“大成智慧”思想提供了难得的平台。
我们在科技奥运的这一实践活动中，对“专家研讨厅”的运作规律进行了细致的总结，提出了如下认识：专家研讨厅的成功运作，需要满足四个条件，即有目标、有方案、有标准和定期研讨，这也是“专家研讨厅”高于常规的“开会”之处。一个持续的、多轮迭代的运行是成功的关键，为此，还需要有三点保障：(1)人心需要安稳；(2)组织需有结构；(3)目标需要崇高。实现这些条件的关键是人才和组织支撑，人才的关键在于专家研讨厅的首席科学家，他的目标、胸襟、才干、方法以及人生积累，是集体智慧能够不断集成的关键要素；组织支撑是团队高效率和可持续性运行的保障。两者缺一不可。
上述实践在较短的时间内就给中国国家激流队带来了新气象。复合教练团队实现了经验、知识和智慧的快速集成，迅速掌握了这个项目的系统规律，带来了中国国家激流队竞技水平的快速提升。2005年以前，中国选手从未打人世界大赛的前10名。2007年，在复合教练团队指导下，中国队获得首枚男子双划世界杯铜牌，实现了历史性突破，国际划联专门致电祝贺。从那时起，中国队在国际大赛中已经近20次打进决赛，并取得1金3银3铜的成绩，令国际激流界瞩目。
2006年8月，原先从未进入前六名的年仅18岁的国家队女子皮艇运动员李彤被选为科技奥运“试验田的种子选手”，开始接受北大团队在新的理念和方法指导下的系统训练。2006年下半年，李彤就在国内和亚洲比赛中获得6枚金牌。2007年7月，在德国奥格斯堡经典的激流赛道，第一次接触这个赛道、第一年参加世界杯比赛的李彤就成功打进决赛圈(前十名)，创造了激流史上的一项纪录。国际划联官方网站的成绩记录表明，李彤是该年度世界上进步最快的女子皮艇运动员。2008年3月，在大洋洲锦标赛暨奥运资格选拔赛上，李彤获得银牌，创下了与2004、2008年两奥运金牌选手卡琳斯卡仅差0.6秒的佳绩，赢得了中国女皮国际大赛历史最高荣誉!
七、钱学森复杂系统思想的学术意义和展望
1.对国际复杂系统研究的意义
钱学森开创复杂系统研究始于20世纪80年代，当时相关的科学探索还处于萌芽状态，如今复杂系统研究经历了从关注现象到关注方法、进而探索原理的过程，已经成为科学研究的前沿。1999年，美国“Science”杂志，刊登了一组标题为“复杂系统”(ComplexSystem)的专辑文章，这些文章就化学生物学、神经学、动物学、自然地理、气候学、经济学中的复杂性问题进行了论述；2001年，英国“Nature”杂志，也就复杂性的某些共通的侧面，例如“噪声与秩序”、“复杂网络”等展开讨论。2009年，“Science”杂志发表的“复杂系统与网络”的专辑文章，进一步关注刻画复杂系统的一个重要工具，即“复杂网络”。2008年11月，美国国家科学基金会召开了一次题为“物理科学和工程中的复杂系统研究基础”的工作会议。美国工程、数学和物理科学理事会委托给会议专家的任务是：确认在复杂系统研究道路上的“障碍”和“突破口”。与会学者们提出了复杂系统研究别突出的4大类问题，即：研究复杂系统的最好模型是什么?复杂系统的结构是如何约束它的涌现行为的?复杂系统演化和适应的结果是什么?如何校正复杂系统并且预见它们的行为?
上述问题的本质在于：如何提炼复杂系统的原理、以及如何在实践中优化复杂系统。而本文所述的钱学森复杂系统思想及其最新发展，为系统地解答上述问题提供了新的思路。
复杂系统研究应该更紧密地依赖哲学本体论，将刻画整体结构的概念网络与刻画局部变化过程的传统数学进行有机对接，并反复迭代。从这个意义上讲，需要大力发展复杂网络这一数学工具，来回答上述第一和第二个问题。针对后两个问题，钱学森复杂系统思想倡导有机地运用人(专家)的思维，甚至专家群体的思维，将经验和直觉与计算机(精确数学模型运算)进行有机对接。客观地说，这些思想超出了西方学者的视野，走在国际复杂系统
研究的前沿。如果能够有效地落实，对发展跨学科研究，特别是针对人和社会的复杂性问题的研究，有不可替代的价值。
2.对国家建设的意义
我国处在经济高速发展阶段，各类社会矛盾正在集中爆发。医疗问题、教育问题，以及社会繁荣和稳定问题，都是典型的复杂性问题。一直以来，这些问题的解决依赖于各级政府与各个社会机构，依赖于德才皆备的各级领导。但是，随着信息社会的来临，随着社会的民主化和人们需求的多样化，需要政府处理复杂性的能力有较大的提升。钱学森的“大成智慧”学说正是未雨绸缪，因这样的需要而产生的。钱学森复杂系统思想，对社会发展必将起到重要作用。
从本质上说，社会是人实现生命价值的场所。以此为准则，以充分发挥人体潜能为目标，对社会活动开展复杂系统工程设计，使参与活动的人群在活动中体会生活、体会生命、体会人生价值，这将从深层次上重新评估现有的政治、经济、管理、科学研究、教育和医疗活动。社会实践以提升人体素质为目标，就不是个别理论和个别技术所能处理和解决的。社会科学应该是生命群体的系统科学，而社会实践在本质上是生命群体的系统工程，即社会系统工程。如果这些思想能够得以付诸实践，必将对中医现代化工程、教育体制改革、运动训练系统工程、社会健康保障系统的设计和实施起到有力的推动作用。
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