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 中科院力学所

术与道 . 创新 . 法与史

力学园地
2015年12月29日

术与道 . 创新 . 法与史

隋允康

(北京工业大学机电学院,100124)

摘要

本文从探究教与学的内在规律入手,抓住“术”与“道”的关系进行思考,进而领悟到:创新乃修术明道后境界升华与再升华的结果,最后探讨了同力学史和方法论的关系。首先强调“悟”作为“学”的根基性,指出“悟”比“学”的重要性。提醒后人在学的过程中,务必辅之以悟,用以追踪前人的悟。接着,找到了“学术悟道”与韩愈 “传道受业解惑”中“授业传道”的学与教的呼应关系。从任何一个事物都可以细分为层次的角度,发掘了教本身高层次与低层次的对偶,学本身高层次与低层次的对偶。然后发掘了教与学在过程上的对偶,教与学在目的与结果上的对偶。并且将上述四个对偶关系表示为一个方阵,表达了教与学的最高境界。定义了教师和学生“慧而明道”的境界,简称“慧明”的境界,并且分别用杜甫与苏轼描绘泰山与庐山的诗,对于达到慧明境界与否予以描述,且用作者的《苍鹰画》及其题题词进行了说明。阐述了“以道驭术”与“倚慧演智”的道理。指出,“修术、智通道、慧”后如果再升华,就可以进入创新的境界——“籍道、慧觉新明”。最后探讨了从术到道的升华再升华同力学史和方法论的关系。

一、由来

这学期,在北京工业大学机电学院领导的支持下,我与计算力学小团队研究生们每周一次的学《论语》扩大成了学院200多名研究生的活动。我头脑里经常思考的是:孔子与弟子们谈话同后人学习的关系。有一天早上起床,脑子里突然冒出一句话:“没有悟出来吗?没关系,学起来吧!”
啊!明白了,这不是在说明“学”与“悟”的关系吗?孔子的思想是他老人家悟出来的,包括他弟子的后人们尚没有达到他那个境界,在一般情况下,后人不可能重复地悟出来,但是却可以学习。通过学习,只要认真理解他老人家悟出来的道理,进一步领悟其本质,最终也可能达到孔子的境界。
什么叫做“悟”?独立思考得出想法的过程叫做“悟”。面对一个结论,想弄懂:它究竟是学而知之的,还是悟而得之的?有个很容易判断的方法:由于思想的载体是语言,任何一个人都是借助于语言进行思考的,即使没有发出声音,也是在内心里的自说自听。如果一个内心的想法是自己独有的,而不是人云亦云地重复别人的想法,这就是悟而得之。
在道、理的思考上,也可能自己某一想法同别人的一个想法类似,但是却用自己独有的话语表述了出来,这也接近于悟。尤其用自己独特的话语强烈的感受或深刻领会了别人的一个类似想法,也应当是属于悟的范畴。

二、学术悟道

与孔子悟出的儒家学说类似,释迦牟尼悟出了佛家学说,老子悟出了道家学说。后人的福气就在于,悟不出来没有关系,可以学起来,坐享前人的成果。推而广之,自然科学与技术,是科学家、发明家们悟出了而累积的成果。理工科教师与学生所做的事情,就是通过传授和掌握的途径,理解前辈们悟出来的知识,坐享前人的成果。
前人悟出来的精神成果,除了少量“道、理”层面的方法或哲理,大多数属于具体的“术、业”层面的知识或技艺,我们如果就事论事地学习,往往不能领会到隐藏在内涵的“道、理”层面的方法或哲理。因此,务必要以学习知识或技艺为载体,体会和领悟其方法或哲理的内涵,也就是学“术”悟“道”。
单纯的“学”是远远不够的,只有在学的过程中配合悟,才能真正地理解前人悟出的道理。要以后学者的悟,追踪开拓者或创新者的悟。两个悟是有差别的,如果后学者的悟上升到开创者悟的高度,那就叫“证悟”,亦即以后学之“体悟”逼近了前辈之“开悟”。
如何领悟分析力学就能说明这里的道理。我像多数初学者一样,开始时不懂为什么要引入“虚位移”的概念?力平衡现象本来没有位移,为什么虚位移原理从虚位移角度表述力的平衡?牛顿方程或达朗贝尔原理描述实际发生的运动,相应的位移是“实位移”——实际发生的位移,为什么同样研究质点的动力运动,达朗贝尔-拉格朗日原理却从“虚位移”出发?伴随着对分析力学的深入学习,更多的困惑接踵而至:为什么哈密尔顿原理从可能运动中寻找真实运动?为什么真实运动是使可能运动表示的哈密尔顿作用量具有驻值?…
作为二年级大学生的我,反复思考,终于有了一点心得:力平衡现象如果只是停留在力的范围思考,当然不可能引出“虚位移”的概念,可是如果从做功与能量的角度研究力平衡,平衡力做的功自然等于零。尽管平衡力对于“可能位移”或者说“虚位移”做的功不一定等于零,但是平衡力作用下质点没有位移,即“实位移”为零,其功等于零。反过来讲,一组力如果对于任意满足约束的“虚位移”做功等于零,那么这组力应当是平衡力。
进一步顺理成章:考虑达朗贝尔原理,把虚位移原理或虚功原理从静力学推广到动力学,于是就得到了达朗贝尔-拉格朗日原理,自然有“虚位移”的参入。进而深入研究,就会得到哈密尔顿原理。当时,我为自己的领悟而欣喜,也为哈密尔顿作用量的定义而惊叹。同时,也为数学工具泛函论和变分法的出现而兴奋。
分析力学的这些辉煌成果对于物理学的其它分支的发展有着深刻的影响,而日后出现的有限元方法则更加表明分析力学对于力学自身发展的贡献。从本质上看,当研究对象由质点和相对位置不变的质点系被相对位置可变的质点系即变形体替代,就出现了弹塑性力学。而代之以剖分的单元体,则可以推导出有限元的方程组。这是我后来的领悟。
从1978年开始,我在钱令希先生的引导下从事结构优化设计的研究,此时回顾大学期间对于分析力学的学习,我又有了进一步的“学术悟道”: 哈密尔顿原理实际上描述了力学作为自然规律的最优性——在所有的可能运动中,驻值为零表明真实运动是使哈密尔顿作用量的最小的运动。也就是说,自然规律竟然使某个目标函数最优!最小总势能原理、最小总余能原理等等,都印证了“上帝”不做虚功的规律。
可见,前辈力学家的孜孜不倦的研究中,虚位移原理开阔了思路,从只研究真实运动拓广为研究包括真实运动的可能运动,而真实运动在其中是使某个目标最优的“宠儿”——这是研究境界的飞跃,导致世界观的改变!
我们作为老师,不善于“学术悟道”,自己昏昏畺畺,对于研究境界的飞跃没有惊喜,只知道照本宣科,让难解的定义和繁难的推导遮盖了生动活泼的思想,即不能点化学生,更不能感染学生。办力学专业的学术带头人,竟然砍掉了分析力学和变分法,也不增设结构优化和数学规划这些新课程,真是误人子弟啊!
在本节结束前,顺便指出,粗分的“学”与“悟”是两个层次,细究还可以划分为更多的层次:(1)只学无悟;(2)学略有悟;(3)学且小悟;(4)学且大悟;(5)学能证悟。可惜多数人不知“学术悟道”之理,必然也不明白上述五个层次之分,自然停留在只学无悟和学略有悟的低层次上。

三、授业传道与激智启慧的对应

如果说“学术悟道”是学生和好学之人应当把握的道理,那么,“授业传道”则是老师和善教之人应当把握的道理,或者简称为“师道”,也就是为师者应当把握的使命。我个人的浅见是:从古到今,人们对于老师的使命认识得大都不够深入。
授业传道来自韩愈脍炙人口的《师说》上的一句话:“师者,所以传道受业解惑也。”虽然当时的人们对于韩愈的《师说》不全持肯定的态度,但是后世几乎都是称颂,而且引用“传道受业解惑”界定教师的使命。其实,韩愈的这篇文章并非全面探讨教师的使命,而是阐述不分长幼贵贱、能者为师的一个道理。
显然,韩愈的《师说》没有去探讨如下三点:(1)道与业的关系;(2)仅从知识的传授谈教师的作用,没有涉及教师对于能力培养和素质熏陶的作用;(3)没有谈及教师对于学生德行的身教与言教的影响。
限于篇幅,本文不谈第三点。第一点已经在第二节里有所涉及,后面第五节将继续探讨。而第二点在本节,马上就要展开讨论。
其实,传道、授业、解惑是从知识传授的过程中对教师使命的表述,如果从知识传授的目的和结果来看,教师借助于知识载体,培养了学生的能力,熏陶了学生的素质,使他们由愚昧变聪明了,这就是教师完成了对学生的“激智”使命——激励智能。有些悟性高的教师还能够在激励智能的基础上,完成“启慧”的使命——启迪学生们的慧心,使他们摆脱痴迷。
在“激智”的基础上完成“启慧”,这是从传授知识的目的和结果上对于教师使命的理解。如果说激智是授业的目的和结果,启慧是授业上升为传道的目的和结果,那么,破迷(指点迷津)则是解惑的目的和结果。因此,“授业、传道、解惑”是教师使命的表象,“激智、启慧、破痴”是教师使命的本质。

每位教师都处于终身提高的过程,照本宣科是低层次的“授业”,启发式教学是高层次的、借助“授业”的“传道”,这是从表象对于教师使命的判断。相对应地,从表象的教师使命上观察,有些低层次的“授业”连“激智”都做不到,而“启慧”则与“传道”相对应,“破迷”与“解惑”一般上是对应的,甚至前者有时略高于后者。

 

四、授业传道、激智启慧、学术悟道与开智升慧的纵横对偶

如果说照本宣科是教师的低层次表现,那么死读书是学生的低层次表现,相应地,启发性教学是教师的高层次表现,灵活学习是学生的高层次表现。可见,教师与学生具有某种对应关系。
先从教与学的过程观察二者的对应关系。正如不少教师不理解韩愈老先生“授业、传道”中“道”的深意,类似地,大多数学生不懂得“学术悟道”的必要。其实,教师的“授业”对应于学生的“学术” ,教师的“传道”对应于学生的“悟道”。这种对应关系可以称为教与学的对偶。
为什么我把韩愈老先生“传道、授业”顺序颠倒成了“授业、传道”?原因在于授业位于低层次,传道处于高层次。每个教师往往经历了由低层次向高层次的提升,即使处于高层次的教师,他也要借助授业去传道。韩愈老先生为什么采用了“传道、授业”的顺序?我认为是他老人家重视道的缘故。
韩愈的“传道、授业”后面紧接着“解惑”,那么,“解惑”在“学术、悟道”里对应于什么?“质疑”是一个恰当的选择。也就是说,教师的“传道、授业、解惑”对应于学生的“学术、悟道、质疑”。只有“质疑”,才能弄清楚术业上不明白的问题;只有“质疑”,才能透过“术业”的表面,发掘似懂非懂的本质问题,引向“道理”的层次,到达悟道的境界。
除了教与学的对偶,就教与学的自身而言,各自又都存在一个“过程”同“目的与结果”的对偶关系。教的“过程”同教的“目的与结果”对偶关系正如本文第三节叙述的“授业传道”与“激智启慧”的对应。
学的“过程”与学的“目的与结果”对偶关系是什么呢?对应于学生的“学术悟道”, 老师借助于“授业传道”,帮助学生学会了“术业”,学生就有了小聪明,脱愚具智;老师帮助学生悟通了“道理”,学生就有了大聪明,破迷开慧。可见,老师的“激智启慧”对学生产生了“开智出慧”的效应,这学自身的对偶关系。
到此,已经叙述了如下四个对偶关系:(1)教的本身:授业传道与激智启慧的对偶;(2)学的本身:学术悟道与开智升慧的对偶;(3)教与学在过程上:授业传道与学术悟道;(4)教与学在目的与结果上:激智启慧与开智升慧。这四个对偶关系可以表示为如下的一个方阵。

 

过程

目的与结果

授业、传道、解惑

激智、启慧、破痴

学术、悟道、质疑

开智、升慧、脱愚

这个方阵表达了教与学的最高境界。

五、以道驭术与倚慧演智

无论教师依托解惑从授业向传道、通过破痴由激智向启慧,还是学生依托质疑从学术向悟道、通过脱愚由开智向升慧,都是升华的过程,都是达到了“慧而明道”的境界。能够达到这个简称“慧明”的高境界之人,在某一领域里如同攀登到最高峰,为数并不多。
伴随着这一描述,自然产生了一个问题:达到“慧明”境界的教师或学生,如何面对术业?达到“慧明”与否的差别是什么?
先说没有攀登到慧明境界的人们,他们的状态可以用苏轼的一首诗来描述:

《题西林壁》

横看成岭侧成峰,远近高低各不同。

不识庐山真面目,只缘身在此山中。

真面目是什么?是本质,可以简称为“道”。为什么“身在山中”为不识“道”的原因?原因就在于:没有跳出术业,没有能够升华自己的境界,以术论术,就像吹牛大王敏豪生自拽头发不可能拔出泥沼地一样,自然达不到“道”的高度。
攀登到慧明境界的人们,他们的状态可以用杜甫的一首诗来描述:

《望岳》

岱宗夫如何  齐鲁青未了。

造化钟神秀,阴阳割昏晓。

荡胸生层云,决眦入归鸟。

会当凌绝顶,一览众山小。

杜甫与苏轼,一唐一宋,两大文豪,分别用一首诗描绘了泰山与庐山,我感谢他们给出了表达攀登到慧明境界与否的两幅“山水画”。两幅画相得益彰,互映互补。
在某一领域里达到“慧明”境界的教师或学生,其优势就在于站在高处俯视。为此,我曾经画了一只苍鹰,题词是由成语“见微知著”熔铸而成的:“见微因眼锐,知著缘高飞”。这是我“以画明志”,借助苍鹰表达身处“慧明”境界的教师或学生。眼锐象征术、业精通从而见微,高飞象征向“道、理”的升华从而知著。
进一步讲,身处“慧明”,就可以发挥“慧而明道”的优势:倚慧演智——倚靠大聪明演化出小聪明,以道驭术——借助高层次道理而驾驭低层次术业。从而在“慧明”境界中活现“如意展发妙无穷”的状态。
 
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六、“修术、智通道、慧后的升华是创新

无论以道驭术还是倚慧演智,都是从术和智的低层次升华到道和慧的高层次之后,居高临下,借助高层次道、理而驾驭低层次术、业,或者倚靠高层次的大聪明演化出低层次的小聪明,也可以称之为高屋建瓴。
高屋建瓴的优势在于,有利于总体地把握知识和灵活地运用知识,但是,高屋建瓴还不是发现新知识,也就是说还没有进入创新的境界。于是,很自然地就产生了一个问题:如何创新或发现新知识呢?
其实,步入这个境界也就是一步之遥,只要再向上升华一下,就可以创新了。道理非常简单,从术、业升华到道、理,不仅懂得了现象,而且懂得了本质。通晓了此本质,就会触类旁通,容易明瞭彼本质,抓到创新的契机。
抓住本质真的是太重要了。我在大学时学习《材料力学》有一个案例,在学习弯矩、剪力和载荷集度的三函数关系时,我思考了三函数关系的本质:(1)它描述了同一结构在同一个静载荷下,两个作为静响应的弯矩与剪力函数之间的导数关系,以及它们同载荷集度的导数关系。(2)从量纲上看,弯矩、剪力和载荷集度依次除一个长度。
抓住这两个本质我的再思考提炼出一个问题:对于同一个结构,分别在力矩、集中力和载荷集度(依次除以长度量纲)的外载作用下,相应的三个取定的同一种响应是否也存在类似三函数导数的关系呢?所谓取定的响应,可以是弯矩函数,也可以是剪力函数。
思考出上述问题,我带着研究成果请教了钱令希院士,他老人家十分欣慰一个年轻人重复了他在24年前即1944年的研究,钱先生于1946年获得了当时政府的国家科学奖。
下面再回到本节的思考,可以把“教”的过程“授业传道”、目的与结果的“激智启慧”,“学”的过程“学术悟道”、目的与结果的“开智升慧”,这四个方面用“修术、智通道、慧”来概括。进而,“修术、智通道、慧”的再升华就可以进入创新的境界——“籍道、慧觉新明”。 这里的“新明”是指新发现的术、业、道、理的一部分或整体。
“新明”是作为知识形态的创新结果,相对应地,发现新知识的创新者本身在智与慧上会有新的增长或提升。
教师与学生如果懂得知识有术、业与道、理的层次区别,师生就有可能自觉地提升自己的境界,进而较容易的提升为创新者的境界。粗略地划分,这当中包括三个境界和两个升华:由单纯“授业”和“学术”的境界升华为“授业传道”和“学术悟道”的境界,再升华为“觉新明”的创新境界。

七、从术到道的升华再升华同学科史和方法论的关系

如何把本文的思考引申去观察学科史和方法论呢?如果说前面六个小节研究的均为个体教师或学生的认知规律,那么某学科发展史和学科方法论则应当从群体的认知规律去观察。不过,这里的群体应当只限于那些对于该学科发展做出贡献的历代学者们。
该学科知识累积的先后顺序,对应于对于该学科发展相关联的该学科发展史的有贡献的学者或者说是科学家、发明家。每个有贡献的学者都曾经是学生,后来能够在该学科上有所建树,不可能没有求学期间或研究过程的“学术悟道”, 不可能没有求学阶段或研究结果的“开智升慧”。正如第六节指出的,仅有这个升华还不够,还需再升华才能“籍道、慧觉新明”,从而步入创新境界。
在第一个升华中,学习前人在该学科积累的术中领悟出的道,包含更高的规律性,也体会到发现知识的学科方法论,而这恰好是发现新知识可以重复使用工具性的“法宝”。而以往的知识,则是该学科“术业”层面的“载体”和特殊的表述“语言”。“载体”和表述“语言”是僵固的“肉体”,而工具性的“法宝”则是“灵魂”。
一般的“学术悟道”,往往体悟到作为“更高的规律性”的道,虽然比“载体”和“语言”的术业的层次更高,由于没领悟出作为工具性“法宝”的道,还是不能创新。如此看,若想达到创新,务必有第六节指出的第二个升华——“籍道、慧觉新明”,从而进入创新的境界。在这一再升华的境界,创新者自觉或不自觉地把握了该学科的某一方法论,做出了该学科的创新成果。
我们进一步去观察学科史,为此,想起了宋代刘斧《青琐高议》:“我闻古人之诗曰:‘长江后浪推前浪,浮事新人换旧人。’”还有清代赵翼《论诗》其二:“李杜诗篇万口传,至今已觉不新鲜。江山代有才人出,各领风骚数百年。”他们的话语恰好也描述了某学科生动的发展过程:伴随着某学科不断被学者们发现,累积成了该学科的发展史。
应当指出:通常作为方法论,往往是泛指大学科如力学、数学、物理等的普遍的方法学,而不是小学科如固体力学、流体力学、计算力学等中等学科的研究方法,更不是指有限元、边界元、无网格法等小学科的处理技法,因此,前述所说的某一具体学科方法论并不妥当。
也就是,可以有小、中、大学科的发展史之别,而没有必要区分小、中、大学科的方法论,方法论应当划到大学科的层次上面。
前面第2节思悟“分析力学”时提及有限元的方程的推导,其实需要一个关键的前提,即创建有限元方法要有一个决定性的突破,这就是能否想到受力构件或结构的剖分?或者说能否在“学”《弹性力学》时“悟”出物理离散化的思路。1965年,我在大学三年级学习《弹性力学》时,接触到的求解方法涉及到差分法、变分法、伽辽金法等等,我想:诸多解法的共性是什么?哦,力学的“连续”方程推导之后——进行数学的“离散”处理。
我灵机一动,如果把“连续”和“离散”掉过来,就有了一个新的途径:力学的“离散”处理之后——进行数学方程的推导。我提炼出“物理的离散化在前”代替“数学离散化在后”,然后把这一思路向孙焕纯老师汇报,他经过文献查阅之后,高兴的告诉我:这是国际上刚刚兴起的有限元素法的思想。可见,如果确实把握了“学术悟道”,就可以“开智升慧”,一个未出茅庐的大学生也可以提出接近学科前沿的想法。
正如上一节提出的“再升华”和这一节强调的“方法论”,1965年以后过去了25年,我作为研究结构优化的学者,在对于有限元方法本质进一步思考,于1990年提出了“基于有限元概念的解析解”, 研究结构优化的以色列Fuchs教授也有相似的成果,我的研究早于他两年。Fuchs教授曾经问我:你是怎样产生这一思想的?我回答他:从结构优化设计的观点,结构的总刚度阵在优化迭代中不断改变,因此把它看成设计变量的函数矩阵是完全合理的,于是就有了基于有限元概念的解析解。他高兴地告诉我,他也是具有同样的思路。

八、结语

综上所述,本文的创新之处概括为如下17点:
1、提出文化、科技诸多领域的原创成果是前人悟出的,后人在学的过程中,需辅之以悟,追踪开拓者或创新者的悟。
2、将作者本人提出的“学术悟道”从“学”与“悟”的两个层次,细分为更多的五个层次。
3、找到了“学术悟道”与韩愈 “传道受业解惑”中“授业传道”的学与教的呼应。
4、揭示了教与学中的四个对偶关系:(1)教本身的对偶;(2)学本身的对偶;(3)教与学在过程上的对偶;(4)教与学在目的与结果上的对偶。
5、将四个对偶关系可以表示为一个方阵,表达了教与学的最高境界。