土木工程专业研究生基础理论储备与创新潜能关系刍议

徐略勤，苏絮香，岳克锋，2

（1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆；2. 重庆三峡学院 土木工程学院，重庆）

一 引言

创新是一个民族进步和发展的灵魂。科技创新在我国现代化建设全局中居于核心地位，已成为我国实现科技独立自强的关键。“创新之道，唯在得人”[1]，高素质人才持续不断地涌现，才是实现科技创新永不枯竭的源泉。作为人才培养体系中的重要环节，研究生教育关系着国家知识创新的整体能力。习近平总书记指出，“研究生教育在培养创新人才、提高创新能力、服务经济社会发展、推进国家治理体系和治理能力现代化方面具有重要作用。”[2]。近年来，我国研究生招生规模持续扩大[3-4]，但研究生培养质量却并没有呈现出对应的提升趋势。研究生教育还不能完全适应国家对科技创新人才的需求，培养质量与国际先进水平相比仍有不小差距[5-6]。

土木工程是一门古老的学科，也是一门实践性的学科。它是利用土、石、砖、木、混凝土、金属等各种工程材料建造包括房屋、道路、铁路、桥涵、隧洞、机场、码头等各种基础设施的生产活动和工程技术[7]。从知识和能力的内涵要求来说，土木工程专业对学生的要求主要体现在基础理论和专业知识两个方面，前者包括数学、物理、化学、各类力学、工程地质学、材料学等，而后者则可按照专业方向细分为结构工程、桥梁工程、隧道工程、岩土工程、道路工程、铁道工程等。从知识结构和体系来说，基础理论属于金字塔的底层结构，专业能力则属于上层建筑，底层结构的宽度和厚度决定了上层建筑的高度。土木工程虽然属于传统学科，但与理论创新、技术变革密不可分。以桥梁工程为例，工业革命促进了铁和钢等材料的蓬勃发展，推动了桥梁工程的第一次飞跃发展，突破了传统竹木、藤索、砖石的束缚；包括稳定理论、挠度理论、疲劳理论在内的各种结构理论的发展，极大地丰富了桥梁的结构形式，促使桥梁跨越能力突飞猛进，计算机技术和大型起吊设备的飞速进步，使桥梁结构精细化分析、设计以及快速装配化施工成为现实，港珠澳大桥的建成是我国建桥史上的里程碑之一[8]。可见，创新一直是土木工程跨越障碍、实现突破、追求完美的源动力。未来，连接我国琼州海峡和台湾海峡的跨海大桥，连接意大利西西里岛的墨西拿海峡大桥，连接南欧与北非的直布罗陀海峡大桥、连接北美洲和亚洲的白令海峡大桥，都有可能成为现实。这些跨海大桥在工程界尽管有无数设想，甚至已经有初步方案，但实际建造它们在当前技术条件下仍然困难重重，创新是唯一的出路。所以，创新是土木专业与时俱进的灵魂。

改革开放以来，国家大兴土木基建，行业对土木工程人才的需求长期居高不下，土木工程专业本科生和研究生的数量持续而迅速地增长。然而，在如此热火朝天的外部环境和社会需求刺激下，我国土木工程人才创新潜能的培养却始终没能彻底打开局面。这其中固然有作为传统学科因循保守的特殊因素，但更多的仍然是值得全体从业人员深思的各种不足。本人结合近十年的研究生培养和指导经历，从土木工程专业研究生掌握基础理论的角度来探讨研究生创新潜能的培养问题。

二 基本概念界定

（一） 土木工程专业基础理论

本文的基础理论是指数学、物理、化学、力学、材料学等基础课程所讲授的一般性概念、理论和方法，主要在本科阶段进行讲授。因此，研究生的基础理论知识储备主要在本科阶段建立，尽管研究生阶段也有部分基础课程，如断裂力学、弹塑性力学等，但国内研究生课程教学与本科教学关联性交叉，缺乏联动机制，且均为选修，在教师和学生中受到的重视程度均远远低于本科课程，教学效果通常较差，对强化研究生基础理论知识储备的作用相当有限。这类基础课程，在土木工程本科培养方案中通常被称作“学科基础课程”。以重庆交通大学为例，必修的基础课程主要包括：高等数学（I 和II）、线性代数、概率论与数理统计、大学物理（I 和II）、大学化学、建筑材料、理论力学、结构力学、材料力学、工程结构荷载、环境学等；选修的还包括弹性力学、复变函数与积分变换等。可以看到，这些基础理论构成了土木工程专业的基石，都曾在土木工程发展的特定历史阶段促进了行业的创新甚至变革，如桥梁结构空气动力学理论的发展从根本上改变大跨柔性索吊桥加劲梁的设计方法。

（二） 研究生创新潜能

我国研究生创新能力不足，其典型表现就是对新事物、新环境适应性差，发展后劲不足，也就是潜力不够。因此，严格来说，创新能力和创新潜能是有一定区别的。前者可认为是个体已经具备的能力，后者可认为是个体在未来具备创新能力的潜质。目前，国内外关于创新能力的解读和定义较多[9-10]，而对创新潜能的定义则较少。研究生的创新潜能可认为是研究生已经具备了某些基本素质和能力，在面对新课题或未来职业挑战的时候，给予适当的条件，就能够通过综合运用其个人好奇心、知识结构、思维组织、探索实践以及外部有利条件，在科学研究上或职业生涯中创造性地认识、分析、提出并解决问题。这种潜能的培养与研究生个人和环境因素均密切相关，但其中研究生所具备的知识结构无疑是其创新过程中的核心要素之一。

三 基础理论储备与创新潜能的关系例证

据心理学研究发现，18～22 岁的青少年阶段是学习悟性和接受能力最佳的关键时期，也是其人生观和价值观逐渐成型的关键阶段。这段时期对应的正好是本科学习阶段，因此，研究生创新潜能与其本科阶段的基础理论教育紧密攸关。美国伊利诺伊大学香槟分校（UIUC）是世界知名大学，其土木工程专业的本科生教育常年位居全美第五，研究生培养也在全球范围内享有美誉。以UIUC 为例，对比该校本科教育中基础理论课程的设置情况，对我国高校土木工程专业研究生创新潜能的培养当有借鉴之效。UIUC 土木工程专业必修的基础课程主要包括：微积分（I、II 和III）、矩阵理论导论、微分方程导论、普通化学（I 和II）、大学物理（包括Mechanics、Elec & Mag、Thermal Physics 三门课）、静力学、动力学导论、固体力学导论、流体力学导论、材料行为、系统工程与经济学、工程与科学计算导论、工程风险与不确定性等，一共67 个学分[11]。此外，UIUC还设置了工程伦理和人文素养方面的必修课。与重庆交通大学相比，其基础课程无论是学时学分，还是课程的涵盖度都明显更高，充分体现了UIUC 对基础理论知识的重视。

进一步对比UIUC 本科阶段的其他专业课程还可以发现，UIUC 要求学生必须涉猎两个土木工程专业领域（UIUC 共分为交通工程、建筑工程、环境工程、水资源工程、结构工程、岩土工程、材料性能、能源与全球环境等8 个领域，其涵盖范围明显大于我国的土木工程专业），而重庆交通大学的本科生在大二时开始进行专业方向分流（包括桥梁工程、道路工程、隧道及地下工程、地铁及轨道工程、建筑结构工程等5 个方向，相比UIUC 划分得更为细致，专业领域的范围也窄得多），进入专业课程学习，并要求跨方向选修一门专业课。对比可以看到，UIUC的本科教育更加注重让学生较广泛地涉猎土木工程的主要领域，而不是过早让学生进入专业学习，充分体现了潜能培养的育人初衷。相比之下，重庆交通大学的本科教育考虑学生未来的就业情况，提前让学生进入一个相对狭窄的专业领域学习工作技能，反而让学生失去了宽广的跨专业领域的知识结构，对工作挑战和环境变动的适应性反而更差。UIUC 土木工程专业的人才培养之所以享誉全球，与其十分注重潜能培养的理念密切相关，以宽、博的基础理论储备作为创新潜能的泉源，在不断更新变化的行业领域和社会环境中，以不变应万变，让学生具备向专业领域发展的潜能以及终身学习的潜能。

四 提升土木工程专业研究生基础理论储备的建议

从笔者在重庆交通大学指导研究生的经历和心得来看，研究生创新潜能匮乏是由多种因素导致的，其中基础理论知识不够扎实最为突显。很多研究生缺乏基本的理论推导能力，也缺乏系统的逻辑思维能力，对于力学和数学公式只知其然，不知其所以然。他们对于考研数学中的二阶微分方程通解和特解背得滚瓜烂熟，但一旦将之用于求解稳定问题的特征值、剪力滞效应的剪切位移函数时就全然摸不着头脑了。可见，这些学生掌握的只是知识，而非运用知识的能力。知识本身不会转变为创新潜能，运用知识的能力才是创新潜能的重要方面。由此可见，提升土木工程专业研究生的基础理论储备是个系统性工作，笔者只能根据自己的心得体会，尝试提出一些不成熟的建议。

（一） 基于本-硕-博三阶段的课程体系改造

美国高校通常将本科-硕士-博士三个学位培养层次作为一个整体来考虑，将三个培养层次作为创新潜能培养的三个阶段，既相互独立又相互关联，有利于统筹协调人才培养的不同阶段[12]，取得了举世瞩目的教育成就，培养的创新人才遍布全球。因此，要想从根本上提升我国土木工程研究生基础理论储备，从而转向“创新潜能”培养，提升我国高等教育的成材率，只有釜底抽薪，从本- 硕- 博三阶段的课程体系上进行改造，本科注重学生知识结构的“宽”和“博”，硕士研究生注重知识结构的“厚”和“专”，博士研究生注重知识结构的“深”和“精”，实现“宽口径、厚基础”的创新潜能培养模式。

（二） 研究生课程教学模式改革

目前，我国研究生课程教学存在相当大的问题。在“研究生以学术研究为主，课堂学习不再重要”的错误思想下，授课教师和学生都不重视课程教学，教学内容、授课方法、考核方式都相当随意，与本科教学完全脱节，既无法做到查漏补缺的连贯性，又无法实现前沿领域的高阶性。笔者在UIUC 访学期间，深度体会了美国高校对研究生课程教学的重视程度。知名教授亲自授课，每周都有大量实践性作业，题型非常灵活，一般都需要花费不少时间和精力方能完成。由此可见，要提升我国土木工程研究生基础理论储备，研究生课程教学模式改革势在必行。以本- 硕- 博三阶段课程一体化为契机，注重研究生教学内容的衔接，改变当前满堂灌、传授式的教学模式，以研讨式、启发式的教学方法引导学生形成自学能力、思辨能力、逻辑思维、创新思维。推动研究生课程教学成为夯实研究生基础理论储备的重要环节，促使研究生课程教学与本科课程教学齐头并重。

（三） 促进学科交叉与基础理论融合

科学技术发展具有前沿交叉性，土木工程专业虽为传统学科，但近年来与材料科学、计算机科学、信息技术等学科的交叉融合发展非常迅速，比如BIM 技术、机器视觉技术、数字孪生技术、新材料等在土木工程领域得到了广泛的研究和应用。多学科间的交叉与融合已经成为基础科学研究的普遍现象，也成为产生重大原创性、颠覆性成果的沃土。培养研究生学科交叉的创新潜能，其前提是研究生必须具备交叉学科的基本理论知识以及对土木工程前沿领域的精确把握。在国家大力倡导智能建造、绿色建造的行业背景下，在土木工程专业的本科和研究生培养过程中推行学科交叉只是顺势而为，但如何做到与土木工程专业基础理论的深度融合仍值得进一步研究。

五 结语

2020 年，习近平总书记在科学家座谈会上强调，我国经济社会发展和民生改善比过去任何时候都更加需要科学技术解决方案，都更加需要增强创新这个第一动力。激发人才队伍，培养创新源动力，国家科技创新的根本源泉在于人。作为我国创新人才培养的重要环节，如何提升研究生创新潜能已是刻不容缓。本文从基础理论储备的角度探讨了土木工程专业研究生创新潜能的培养问题，以美国知名高校UIUC 为例，对比分析了研究生基础理论储备与其创新潜能的关联，最后提出了提升土木工程专业研究生基础理论储备的三点建议，以期为我国研究生教育改革呐喊助力。