演算纸上的青春，工科生战斗力的养成

  

演算纸上的青春，工科生战斗力的养成

——化2203班春季班会的讲话稿

最近很多学生陷入了推导的泥潭，很多同学和我说有即将被演算纸埋没的感觉，更重要的是几乎所有同学不理解，为什么要做这么多的题，要推导这么多实际根本用不到的公式，为什么要做这么多看似没有意义的重复工作。为此，我想谈谈我的体会，讲几个故事。

1.     “光、干涉、接触力、场力、这不是一个信号源！”

高数和大学物理现在困扰着大家，很多同学不理解，特别是很多自诩是来学化学的同学，不理解为什么还要学物理和数学。

2018年，全年，我都被一个问题困扰着，高频固体核磁定量表征煤结构。虽然有大量文献，看似有大量的作业可以抄，但是仔细分析后，发现以分峰拟合为代表的单一核磁谱图的处理方法实际上都是定性方法，不能定量。而要获得定量的结果需要对不同接触时间核磁谱图强度进行拟合获得初始极化转移强度，但最后核心问题是经典的1989年文献中拟合公式对我们的数据不适用，拟合结果不收敛!造成这一现象可能的原因有很多，相位不准、化学位移区间划分不对、单谱分峰拟合方法不对、有个别谱图结果失真、测试误差…在已有的、我能看懂的关于核磁文献中的方法，我都试了一遍，一年之中，搁置了其他所有科研工作，200多次的尝试都是不收敛…我通过国外导师联系国外专家，最初的得到的回复是“从你的描述中可以看出你是个外行，核磁定量需要十几年的技术积累，你不可能做到”…最后课题组的老师们也都劝我放弃。

2018年年末，我带着没有解决这个问题的遗憾去了美国开始博士后工作，在最初的一个月里由于学校假期和大雪封门，我实际呆在公寓继续着这个让人抑郁的工作。当时确实是抑郁的，反复按照各种分峰的技巧“修炼”我的数据，但是反复的结果都是一样的，不收敛。大雪封门，但是我必须每天出去在雪地里走一圈，因为不出去，我怕我的精神会受不了。

那是一个寒冷的冬天，芝加哥最低气温达到了-40 ℃，我所在的宾州窗外除了雪还是雪。做不出来核磁问题的我，心和窗外被月光映的白茫茫的雪地一样冷，蜷缩在被窝里，努力想睡觉。曾经理解的《静夜思》点题句是“低头思故乡”，直到看到月光打到窗前书桌的玻璃板反射出白光时，身心具冷的我才体会到点题句其实应该是“疑似地上霜”。我看看被月光、雪光和玻璃板反射光照得并不黑暗的房间，看看壁橱、五斗柜、书桌，“明天还会和今天一样，做不出来…”,“而且月亮又把黑天和白天弄得一样,睡不着，这么亮…”,“这么亮…”,我看看雪地、看看玻璃板、又看了看月亮，突然一堆物理名词在脑中闪过，“光、干涉、接触力、场力，这不是一个信号源！即使来源都是月亮！”“核磁、电磁波，可以不是一个信号源！”“H的自旋共振场和直接的电磁干扰不可能是一个信号源！”我坐起来，打开电脑，用两个信号源拟合困扰了我一年多的数据，结果，收敛了…

2022年当法国核磁领域专家在引用我这部分工作时，称这两个信号源为C-H共价键内外的极化转移过程。这个现象在高频核磁信号中，较为明显，之前我们一直使用的1989年方程是基于低频核磁建立的，那晚我实质上悟出了基于高频核磁共振表征煤结构的方法，而那个顿悟时刻，我想到的其实是一些你们在大学物理中正在和将要学的物理名词！

很多人在学生阶段，甚至很多人一辈子，都不能理解为什么我们要学那么多其实根本用不到的数学、物理基础知识，甚至很多老师都觉得这是没有意义的。很多学生，觉得化工应该多培养动手能力，因为我们就是做实验的，或者我们就应该学化学，学好化学就够用了。但是，我的回答是，我们不是专科生！我们是985高校，我们是个国家最优秀人才培养体系的一环，我们的学生是要去解决目前还看不到的问题的人，解决这些问题时要用到的具体知识是不确定的，我们要用最基础的、最本的本科教育武装我们毕业生的思维方式，让他们遇到那些问题时，能够想到最基础的物理、数学概念，然后按照训练过的思维去找到问题的解决办法。这是我们的教育，这是985的教育！

不要觉得学那么多没有意义，因为你根本不知道未来会用到什么知识，等你遇到了，你也根本不知道去学什么，所以学好所有在学校里能学到的东西，解决不学的人解决不了的问题，我们是光荣的985工科生！

 

2.     从除以2到Great

推导困扰着大家，但其实你们的推导都不难，起码是有确定答案的。

2013年我第一次去美国留学，我使用化学渗透热解（CPD，国际认可的三大通用热解模型之一，其他两个模型是，FG-DVC和Flashchain模型）模型计算煤热解挥发物生成速率。在2014年的元旦时，我突然产生了一个感觉，既然CPD模型用晶格网络连接情况的变化描述煤热解过程，那么用这个网络的变化应该可以描述孔结构变化。于是我开始了我这辈子目前为止最长的一次推导过程…

推导的目标有，但是题干和答案都没有！首先必须假设一个晶格网络中能够产生孔的结构，然后推这个结构含量在热解过程的数学表达式，再编程计算，最后比对这个结构的变化和孔结构的变化是否对应…到那年三月初时，我仍然没有找到答案。我的国外导师，杨百翰大学Thomas H. Fletcher教授，看我整天躲在实验室里不知道我在干什么，似乎没啥事干，给了我一个拟合生物质热解动力学的活，但我不想干，因为我正在干的活还没有答案。第一周组会，我说我下周干生物质的活，第二周我说生物质的活没做出结果呢，下周再汇报，其实我都没干生物质的活，我一直感觉答案马上就要有了，但是直到接到生物质工作任务的第三周组会的前一天晚上，我推的公式和实验结果仍然是对不上的。那天晚上11点多我回到公寓，已经无心再打开笔记本和电脑，能够预测明天会挨批，只能睡觉啦。凌晨两点，那是个周二的两点，睡得十分不踏实的我醒了，“周二的两点”，“刚才最后那个公式如果除以一个2是不是就和实验对上了？解析解弄不到，我修正一下总可以吧，组会起码有个汇报的东西…”于是我爬了起来，把最后那段代码除以了一个2，没想到结果完美的穿过所有的实验数据…

图2 最初的侧链成对断裂假设与实验结果比较

第二天，我得得瑟瑟的拿着蒙出来的结果，给Fletcher教授汇报，开始时，我能感到Fletcher教授其实不感兴趣、不想听、也没听，只是想礼貌的等我说完，再批评我，直到我的最后一句，“所有参数都来自CPD模型的中间变量”，他才看了看我的电脑屏幕，然后又拿过我推导的本子看了会，又看了看电脑上的结果，说了句“Great！”是的，Great，虽然就在杨百翰大学呆了一年，但是之后六七年中都在和Fletcher教授合作开展研究，那是我在这位国际燃烧学会会士、CPD模型的创立者口中听到的唯一一个Great评价!

后来的事情也确实足够Great。2022年时，我推出这个结果8年之后，我的学生通过实验证明了推导中关于成对侧链开孔假设是合理的。8年中，在这个推导的基础上，我发展出来计算煤热解过程孔结构演变模型，CPD-PS模型，使CPD模型成为三大通用热解模型中唯一一个具备计算孔结构演变特性能力的模型，而且目前的结果已经表明，CPD-PS模型在气化过程也有适用性，有可能在其基础上发展出一个统一热解与气化的煤转化过程反应模型。2018年，国际燃烧研讨会上，Flashchain模型的创立人Stephen Niksa教授和Fletcher教授点评我的工作，“Tom，这个小子的工作很有意思，我为什么就没想到用晶格网络来计算孔结构呢…”这位平常感觉有点孤傲，常在论文评阅时提一些不好回答问题前辈的评价让我荣幸地相信，如果通用热解模型学派要拍张合照，他们站第一排，我起码能站在第二排！

中间还有个插曲。在那次推导一年多后，在写博士论文时，我整理这块内容，重新推导，发现根本不用除以2，2原本就在分母里，只是我当时推错了，而且在那几个月的推导中，最后的这个结果，也就是侧链的成对断裂与开孔数的关系应该是我第一批考虑的假设，只是可能数学推导的基本功不扎实，数次错过了正确的结果，但没有办法，毕竟我没有标准答案。

未来你们遇到的真正的需要推导的问题也肯定没有标准答案。数学思维和推导能力是理工科学生安身立命之本，这个本需要在本科期间培养！这个本不仅是要推出结果，还要有敢于去推、敢于使用数学工具的胆量和自信，还要有推错了但是知道什么是正确推导方向的感觉，还要有几天、几个月、甚至几年得不到正确答案，但是坚持做下去的耐性。这个本是我们985工科生区别于别人的特点，这个本让我们能干他们不能干的事，这个本需要我们用笔在演算纸上一道道磨出来！

3.     知道答案但不知道过程的体验

工科的特点是综合学科，为完成一个工作可能需要考虑很多东西，有些时候你知道最后的结果，但是实现过程要比得到结果难很多。习惯专注于过程，习惯在过程中精益求精，最后改善结果，是工科生应有的职业品质与工匠精神。

我的博士论文的主要工作是模拟煤热解过程颗粒塑性变形。当我看到固体的煤颗粒在热解后，由于塑性变形，变成类球状，内部还有很多气泡时，我感觉很有意思，在查阅大量文献后，我很明确认识到，如果能考虑热解过程颗粒内压力的变化，就能够更为精确的预测这个塑性变形的过程，于是我选了这个题目。其实很简单，我想所有人都能知道，只要考虑了压力的变化影响，形变算的肯定更准确，这个答案是肯定的，肯定到从开题到答辩，总有老师怀疑我论文的实际意义…可关键是，怎么考虑压力的影响。计算流体力学，流体是热解出来的气体，气体组成随热解是变化的，气体流过的多孔介质，煤，在热解过程孔结构在变化，煤和生成的半焦的材料强度能不能承受压力的变化，是不是会破碎，发生形变后煤的粘度怎么算，气泡膨胀过程力的平衡是什么样的，气泡移动怎么算，融合怎么算，破碎怎么算…这些问题没有一个是学热能工程或是做化工领域研究的我在任何一个课上曾经学过的。煤化学、流体力学、流变力学、材料、像界面理论等多学科的知识会在一起，谁都没全学过。

我一步一步的做了出来，一块块的把这些问题的答案拼了出来，过程是艰辛的，在最后一块拼图拼上去之前，我什么也没有，没有论文、奖学金和我无缘，但是我坚信，我能更好的解释塑性变形的机理。最后我做出的结果也确实很好，能够预测膨胀率随加热速率的增加而先增大后减小的规律，分离了温度与加热速率的影响，修正了国际上学者认为的温度通过加热速率影响塑性变形的观点。在此基础上，又提出了塑性变形过程气泡边界上的塑性体固化后的表面积随其承受的膨胀功的增加而先增大后减小的规律。2020年Niksa教授在他的科技专著《Process Chemistry of Coal Utilization》中原图收录了我关于塑性变形的计算结果，用一页半的篇幅评述了我的工作，并对计算的通用性给予了肯定，其中两句让我振奋的话“这是文献中唯一分析了热解过程内压力的文章”，“模型在大范围的煤质与工况条件下进行了验证”。研究成果被引用的情况很多，但是在书中被这样原图收录和大篇幅介绍，还是比较少的，我很荣幸。

其实，在我之前，应该所有人都知道如果考虑了内压力的影响，塑性膨胀中很多现象的机理都会得到解答，但是截止到2020年我仍然是唯一分析了热解过程内压力影响的人，其他人没去考虑，或者应该是没人想去找这个麻烦。那么为什么我会去找这个麻烦，我想这和我跟你们一样的被演算纸埋没的经历有关，长时间、到位的基本功的训练，让我敢去拼这个复杂的拼图，敢去不走常规路去拼一回。你们正在接受的训练，也正在培养你们未来的艺高人胆大。

大家可以看出，作为一个学热能工程的人，我解决的问题和从事的研究好像和热能工程没有什么关系，即使我热能工程的毕业论文中这个形变问题也好像一个热字没有，似乎确实像很多人说的那样本科学的东西未来用不到。也许是有可能，但这个可能是倒过来的，是你未来用到的东西本科时不可能直接学到。极化转移理论也许电磁学里会学到，但是做电磁学的肯定不会涉及到碳材料的表征；渗透算法是数学方法，但是学数学的肯定不知道煤是什么东西；流变力学是高分子的课，但是那个流变肯定不会涉及到计算流体力学。实际要用的知识，不可能在单一学科中学全。既然什么都用不到，那么我们的本科教育要学的是什么。我们要学触类旁通的能力，要学触完能旁通的点而不是旁通的面。物理、数学、化学的基础知识以及以后所有专业课的知识就是这些点，你们把这些点组合起来做题、做大创、做毕业设计的过程就是在训练旁通的能力。大学四年，你们不是在一门一门的考试，那点分数没什么大用，你们在自我编织一张以后处理未知问题的神经网络，这个网络中基础神经元钉的是否扎实，神经元间信号传递是否得到充分训练，决定了你们未来能做什么样的工作。

图6 《Process Chemistry of Coal Utilization》的原图收录与评述

很多同学问我专业分流选什么专业比较好，我的回答是选那些适用性广的专业，选那些课程体系中能让你触类旁通的点多的专业，不要选那些特别有针对性的专业，不要抱着去学一门技术的想法去学本科课，那是一种浪费，那是技校和专科水平教育要考虑的事。越精越细，你在大学里编织的神经网络越小。

 

4.     工科生的自我成就

很多同学问我，我们要这么苦的学习，训练神经网络，那我们为什么还要学工科，工作辛苦、挣的钱少、职称评的慢，我们图什么？我再讲一个我和大连市儿童医院的故事。

2011年，我帮助老师做新建大连市儿童医院的节能评估项目，初步评估结论是，那个楼不合格。因为有一个四层楼的落地窗，窗墙比太大，楼体散热太多，不满足辽宁省建筑节能规范的要求，必须修改这个设计方案，不能使用四层落地窗。但是院方提出了一个我不能拒绝的保留落地窗的理由，“阳光能治愈孩子的心理”。于是那天晚上我在实际并不熟悉暖通工程知识，也没有软件可用的条件下，用仅有的一本供热工程书，不断调整保温和通风条件，在凌晨四点时，找到了一个保留落地窗且经济可行的设计方案，保住了这个设计。2019年当我第一次带我女儿去儿童医院，当我走进儿童医院，我突然发现我走进了我的图纸，当看到我女儿哭着从诊室出来，但是到阳光下很快不哭时，我知道8年前我的努力是值得的。大连市儿童医院成为了我做节能评估项目中的一个纪念碑，每次看到都很欣慰。

很多人，很多要毕业和刚毕业的人经常说，去了工厂和设计院，上班的第一天就看到退休的那一天，人生似乎没有意义。我说，那是因为这些人在职业生涯的起点上。工科生最大的特点是只要我们认真干，我们在工作中就能解决很多实际工程问题，当我们走到职业生涯的路上回望过去，看到的将是一个一个我们解决的问题竖起的纪念碑，以及这些纪念碑抬起的我们职业技能和收入水平。会有很多不如意的事情，会有暂时的低收入阶段，但是当收入不再成为我们主要的考虑时，那些高耸的纪念碑将是我们职业生涯后半段走完和走的更加精彩的精神支柱。

我现在默默无闻，评职评的慢，甚至研究生招生没人报我。但是我的CPD-PS模型，如果单独作为一个模型的话，也可以进入世界通用热解模型前五名。热解塑性膨胀理论，国际科技专注的收录和大篇幅评述是很多人，很多大教授想有却得不到的。高频核磁表征，开始时投稿都很困难，因为大家都觉得分峰拟合能定量，看不懂我的方法，最后投稿国际燃烧学会，仍然遭到了审稿人的否定，但是主编站出来否定了审稿人的意见，国际燃烧学会用这种特殊的接稿方式为我的努力背书，而且作为一种正确的方法，我相信它终究会被更多人承认，最后也会被写进教科书。我的这些纪念碑支撑着我继续往前走！

图7 大连市儿童医院

 

是的，你们现在遇到一些困难和困惑，但这些问题是所有人以及你们以后还会遇到的。感觉自己在被演算纸埋没，但实际上你们作为工科生的战斗力正在演算纸堆中崛起。我希望不断地看到大家在朋友圈晒成本的演算结果的图。