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北大教授陈耀松:我的黄金三十年(上)

赛先生  · 公众号  · 科学  · 2025-02-25 19:30

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2012年在科大作报告

2012年陈耀松教授(1928年12月-)在中国科大作报告;图源:北京大学校友网
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导读:

陈耀松自1950年起师从周培源先生学习近代力学,随后又在钱学森先生领导下建设空气动力学发展基地。他半个多世纪身体力行工作在技术科学 (力学) 第一线,是我国计算流体力学的泰斗级人物。

自1984年从美国访问回国,陈耀松开始了在科学界和教育界推广互联网技术的“黄金三十年”。本文为《赛先生》与陈耀松先生团队共建的《技术科学论坛》专栏的第一篇。

开栏的话:

作为战略科学家,钱学森先生1957年在《科学通报》发表了《论技术科学》一文(第3期,第97-104页),在深入分析总结自然科学和工程技术发展历史与现状的基础上,创新性地提出了技术科学,从而形成了中国学派原创性的完整科学技术体系。文中将技术科学定义为“是从自然科学和工程技术的互相结合所产生出来的,是为工程技术服务的一门学问”,并强调自然科学、技术科学、工程技术这三者的分工是必需的,“我们肯定地要有自然科学家,要有技术科学家,也要有工程师。”在1978年全国力学规划会议上的发言中,钱学森指出,现代力学的窍门是模型和计算方法,以及“必须明确要把电子计算机和力学工作结合起来,不然就不是现代力学”。

受到钱学森先生技术科学思想的影响,我国涌现出一大批专家学者活跃在技术科学领域,北京大学陈耀松先生就是其中的杰出代表。陈耀松先生自1950年起师从周培源先生学习近代力学,随后又在钱学森先生领导下建设空气动力学发展基地。他半个多世纪身体力行工作在技术科学(力学)第一线,是我国计算流体力学的泰斗级人物。

在收到陈耀松先生的《力学、力学家与信息(时代)》一文后,钱学森先生1996年7月7日在回信中说:“您6月4日寄来大作‘力学、力学家与信息(时代)’及英文刊物《非线性科学与数值模拟通讯》都已收,我十分感谢!我一直在宣传现代科学技术体系中已把力学扩大为一个层次的科学——技术科学,它是介于基础理论科学和工程应用之间的。也可以说是认识世界到改造客观世界的中介,是非常重要的学问。力学就属于此。”这是对陈耀松先生在技术科学方面的工作给予了充分肯定,也是对技术科学的更大期望。

为进一步弘扬钱学森先生的技术科学思想,陈耀松先生和他的技术科学工作团队经过近3年的筹备,与微信公众号“赛先生”合作,于2024年12月7日正式启动技术科学论坛平台建设项目。技术科学论坛平台旨在召集、团结国内更多技术科学工作者,特别是年轻一代,投身于技术科学快速及可持续发展的事业中,为解决国家重大战略需求中的工程技术难题献策出力。

今天,“赛先生”发表《技术科学论坛》专栏首篇文章《我的黄金三十年》(上篇),作者陈耀松。敬请关注、留言、转发。

陈耀松 | 撰

1984年—2014年是我人生中的“黄金三十年”。前十五年,自我1984年从国外 (美国MIT) 学习归来开始算起,到1999年我71岁退休结束。这期间,除了承担校内的教学任务外,我还做了一些技术科学方面的工作,主要是在科技界和教育界推行计算机化,推动钱学森先生的“力学必须与计算机计算相结合”的战略安排。退休后十五年,从2000年开始算起,到2016年我最后一位博士姜哲完成学业。退休后,我依然做课题、带学生,以CFD (计算流体力学) 方法为主,承接科技生产中遇到的计算难题,辅导学生完成课题,在实践中培养学生的能力。在承接实践项目的过程中,一般都有新的困难要解决,解决困难的过程中收获的经验,我和学生写成论文去发表和交流。

上篇:

技术科学体系化建设(1984-1999)

在1982年出国学习前,我早已下定决心要学“计算机应用”。

1958年,我曾在中国科学院刚建成的国产103计算机上进行冲击波计算,这让我意识到,用计算机解决流体力学问题,大有可为。60年代初,我用这一思路完成了一系列关于冲击波的科研创新,参与设计制造出1485mm激波管 (获得了国家科技进步一等奖) 。1979年,我面向全国举办了两期“计算流体力学短训班”,讲授计算流体力学基本算法,并让学员到北大计算中心上机实习。

1984年回国后,我的头等任务就是推广我已掌握和不断更新的计算机应用技术。这部分,主要讲讲我在国内推广计算机和互联网,以及办学报的工作。

SAIXIANSHENG
一、推广计算机和互联网


1. 早期计算机应用推广(1984-1986)

在前十五年中,我开办过八期有关计算机应用的交流培训活动,包括理论计算培训班、计算机辅助力学测量培训班以至商品软件应用交流会等等。

1984年夏,在北大自制的6912计算机停止使用前,我面向全国各大学的老师,组织了两次计算机应用培训,让学员们经历了一次完整的计算过程。我以CFD教科书上的一个简单算例为对象,进行计算机可接受的离散化,带他们编写计算程序、制作穿孔纸带,然后进计算机房实地操控,直至得出计算结果。当时来参加培训的学员年龄大多与我相仿,只是此前都没有接触计算机的机会。通过培训这些渴望进行科技计算的同行们能够利用北大的6912计算机“先走一步”。

2. 力学实验测试计算机化改造(1984-1998)

改革开放之初,我们首先见到的国外的计算机是单板机。1980年代初,当北大无线电系得到单板机、在寻觅工作室时,我马上腾出一间房作为他们的工作间。当时,对此“泊来品”非常稀罕,别人可以看,但不能动。

此时,化学系进口了一套大型化学分析仪,带有一架小型计算机 (大小如Apple-II,是日本夏普公司设计生产的) 。来讲解这一分析仪的木村先生,正是设计这一计算机的负责人。我冲着这架计算机去听了木村先生的报告。会后,我向木村先生提出,能否再配一个A/D转换器 (即模数转换卡,一种将模拟信号转变为数字信号的电子元件)

木村先生回国后,特地设计一只外置A/D转换器托人送来。他还将试制这一计算机过程中的报废材料拼装成四台性能完整的计算机在下一次出差来中国时亲自送来。除此之外,他还将厂内设计软件专用的反演软件送来,这软件不对外,是他私下给的。我深感他的善意,特地在仿膳设宴致谢,请会日语的教务长文重教授作陪。木村先生出身贫寒,认为日本侵略中国有罪。他跟文重说,计划把自己仅有的一个儿子送来中国上学 (意在“赔罪”) 。文重同志懂得日本民俗以及国内情况,要他不要送来。

化学分析仪附带的这架计算机比较小,不足以用作“仿真计算”,但用作力学实验的数据采集和仪器控制足够大了。于是我邀请实验室内两位有志于新技术的同志成立“测控组” (未经官方认可,完全是自封的组织) ,用这台小型计算机,对实验室内的各项仪器进行测量数字化和控制自动化改造。

我们主要做了三件事。

一是对进口仪器做数字化改造,提升实验效率。实验室的重点是湍流研究,为此,我们利用世行贷款先后进口了两套 (也许三套) 热线风速仪、两套激光流速机。我设法将两个风速探头的信号由A/D转换为数字直接导入计算机,然后用计算机进行数字处理:做“谱分析”,求“风速关联”。总之,将仪器大部分的功能实现以数字形式由计算机代劳。进口仪器的数据处理是模拟式的,每次使用前先要调整仪器,而计算机处理是数字式的,编完程序便一劳永逸,显著提升了实验效率。正是由于我们将仪器大部分功能改进为以数字形式的计算机程序处理,所以再无需人在使用前来调整这批进口仪器。

二是风洞计算机控制改造,建立自动测控系统。

完成多类力学仪器的数字化后,我们与主持大风洞飞机模型航空测试的同事商量,将全盘飞机模型试验改由“计算机程序控制”,全部需要测量的数据换成数字进入计算,所有需要操作的步骤,风洞开车关车、风速和姿态依次变动等,一律按程序改由计算机来指挥。自此,要做的“常规”试验,只需将飞机模型在支架上装好,启动按钮后,全由计算机来操作,等它输出测试最终报告即可。

三是对国产设备进行二次开发,试制二维“机器人”。

记录和分析科研结果的一个重要方法是用X-Y仪绘制曲线。改革开放前,精绘地图用的国产绘图仪只有一种,它有点像机床,刚性高,非常重,造价也很高,一般实验室买不起。

改革开放后,有钱的单位更新设备,从日本引进一批专为绘制试验曲线用的轻便X-Y仪,价格便宜。我们打听到清华有一台国产X-Y绘图仪报废了,就请北大物资组出公文,将它调归北大。北大同意出公文,但不管出力。我们自己卖力把它运回北大。总之,免费到手了。

要它干吗?我们就是利用它的刚性,在绘笔夹具上装了一根2米长的铝管,在铝管顶端装上热线风速探头,再把仪器搬到小风洞试验段边上,将绘图板垂直设置,铝管带着探头伸入试验段内。于是,老设备就成了一架在试验段内自由定位的测量“机器人”,由计算机控制移动,将整个试验段断面各处的湍流度图谱自动测出,约两小时全部完成。后来,我见到关于三D打印机的报道,马上想到用“X-Y-Z绘图仪”——在铝管头上装一罐牙膏,只是要求这牙膏挤出后能即刻固化。

试验成功了,但我自己对此没有实用需要,只能把这台“老黄牛”送还物资组。设备太重,与物资组商量能否就地报废,未得同意。我带着两个年轻人用扛撬把它弄到门口,然后请物资组来看,是否调辆起重车来搬走。物资组来人一看,连声说“不要了,不要了”,同意就地报废。

以上只说三个例子,实际上,凡是这台计算机能做的,我都计算机化了一遍。在对试验数据进行回归、除噪、积分、谱分析等处理的过程中,我们在这台小计算机里,建起了一个实验数据处理程序的数据库,为今后的试验服务。

3. 持续推广计算机化,面向全国开展培训(1984-1986)

有了前面这些积累,我就面向全国各校的力学实验室,开办了两次力学实验测量自动化培训班,把我亲自试验成功的技术材料 (包括处理程序包) ,甚至将计算机一并送给同行。此前,木村先生送我四架计算机,后来又送我一台带有彩色显示器的新产品。我只留一台自用,其余四台都送给兄弟院校 (复旦、清华、北航、西工大) 。特别是那台新的,送给了复旦大学力学实验室。其负责人是我学生,他用得很认真。后来见面时他跟我说:“这架计算机比IBM的计算机还好。”因为他们实验室没有空调,夏天太热,IBM的计算机就罢工了,但这台机器还在干。清华、北航这些实验室比较有钱,年终还有用不完的预算,来“订购”我研制的超声波排管压力计 (manometer) ,我就将配套的计算机免费赠送。

国家教委得知我们自力推广力学实验测量技术革新的工作,专给北大实验室增拨五万元。只是这经费由系主任支配,给了别人。他用这钱购买一架原装的IBM电脑,我们借用也不肯,好在那时我已转向互联网。1994年,布朗大学苏兆星教授来北大做关于孤立波的报告,随身带来一台演示用的IBM电脑。报告完,他本要带回美国,我就抓着这架计算机不放并直喊“留给我,留给我,我还你钱” (我与苏教授在国外相识) 。因此,这台电脑留了下来。后来,我就把这架计算机改作互联网服务器,开启了我的“互联网时代”。

1999年—2002年这四年间,我每年举办一期实用计算流体力学经验交流会。以应用商品软件为主,进行CFD工作经验交流。1999年,国外进口电脑普及,国产机已无人应用,人们的关注重点转向软件。商品软件的出现,是因程序用户各自自编软件大量重复,浪费时间,需要统一编制,供众人使用。这是传承前人成果一种模式,用商品软件,并不表示学术水平就低。为应对一些思想保守学者的“责备”,我专门写了短文《力学小议》 (发表于《力学与实践》,2001,23(4)) 以作解释,并举办商品软件应用经验交流会,让参会同行从知识传承和交流中得益。

计算流体力学经验交流会停办后,北航邓副校长问我为何不办第五期?我内心很清楚,大家愿意来,除了盼望能从交流中学到点什么,更重要是会前已知,能从我处得到某软件的合法使用权。我事先购得双CPU的软件并行计算版本使用权。当时一架PC只有一个CPU。并行版本就必须使用网线相联的多架PC。我掌握网络技术,就在网络间加装一个“猫”,容许别人通过猫来使用我的软件。凡是来参加交流会的朋友,都可得到进猫的口令。这样使用软件不违法,但需多一步上网手续 (进猫) ,有点麻烦。四年后,两块钱一张的盗版软盘在小胡同各处都是,我这正版已无吸引力,这一推广模式也只好终止。

4. 搭建“最后一公里”,推广互联网(1994 - 1996)

改革开放时,我已对通讯技术十分关心,特别是DARPA (即美国国防高级研究计划局,曾于1980年提出互联网技术项目The Internet Project) 提出的一些技术项目。可惜后来去美国MIT进修时,我的对口专业是力学,学习实践主要限于力学实验室内的远程设备。但期间我也了解到MIT在计算机方面的一些新技术。例如MIT的计算中心除了做计算以外,还有一些特殊功能,譬如,几个月前做过的计算数据丢了,可委托计算中心从存档的磁带中找回。这些技术对各个学科的科研工作都大有益处,我也抓住机会尽量多学一点。其中,要求计算中心找回旧数据是在力学实验室远程操作的。

一次,得知“老板”买了一台好的打印机,没有仔细研究就用,结果打一行自动空一行,就被认为“有病”,报废了。我从废品部低价买来带回国,按说明书将内部开关一拨,它就一行一行地打了。我还闯到计算机系向留学生请教,向主管计算中心的老外请教。总之,千方百计多学点东西。

改革开放后,我随北大汉中分校师生迁回北京,发现中科院数学所有一台计算机,与北大力学系直线距离仅1200多米。我便请了几位退休电工,买了20余根电线杆架线。从我实验室出发,通到中科院数学所,与他们的Phenix主机直联 (经SIO串口,不用猫) 。数学所不容许我在他们的计算机中加设“虚拟服务器”进行互联网试验,我能做的仅仅是将我自己的微机作为“笨终端”,进行远程算题。用大计算机计算当然快,可惜这花费2万多元的电缆只用了两次,数学所送来了5000元的账单,用不起。我只得还清计算费,关了这条通讯电缆,花了4万元联成的“互联网”也只得暂时搁置。但这也算是一次互联网联接实践,对以后我建设互联网服务器并免费向学生开放有很大帮助。

1993年12月,我正在美国访问,得知中科院-清华-北大三校合作的中关村试验网在国内建成。过年回国,我一下飞机就去计算中心了解该试验网“通至何处”,结果发现只通到学校的计算中心。看来尚需补建“最后一公里”,我决定自己动手。虽然我决心大、热情高,但专业无知,干起来也有点难。正好计算中心来了一位小专家,给我出主意、当帮手,最终借助电话组专线与计算中心联机成功。从此,我自己那批学流体力学的学生就开始“不务正业”,自学LINUX改装我那台校内仅有的IBM-pc计算机。服务器建成了,我就免费开放。校内师生谁都可来使用,不限我组。流量尽管用,由我买单。至于以后的事,大家都知道了 (参见《从清华到北大,我的科学顺风车》和《告别朱令:一封28年前的求救信,曾利用早期互联网传遍世界》两篇文章) ,此处不细说了。

1999年退休时,我向国家自然科学基金委员会主任陈佳洱建议成立“互联网学术联盟”,一种不设编制的科学团体。陈佳洱当即表示:“基金会正打算资助一批‘虚拟科学组织’。你快通过学校打报告上来,我给你钱。”此事告知校领导后,羌笛教务长当即建议迟惠生副校长主持开会,说“此事一定要办,钱学校自己也有”。只是力学系主任在会上一言不发,会后拒不办理。 (我按陈佳洱建议,以力学系主任名义起草一份报告,主任说“没法办”,拒不签字。我是退休干部,无权签字,只得作罢。) 如果有谁知道这段历史,那对2018~2021年科教界组建“数字仿真联盟”潮起潮落一事就不至见怪了

创立互联网学术联盟失利后,我仍没有放弃利用互联网组织学术交流活动的想法。2005年,在顾诵芬院士和一批航空界专家的支持下,由北京大学、上海大学发起,中国科技大学、浙江大学、中山大学、复旦大学、同济大学等高校从事CFD的研究人员参加,共同组建了《流体力学计算咨询联盟》。这是一个基于互联网进行课题合作的工作团队,在之后的飞机气动力计算、高速列车绕流计算、等离子体计算、通用CFD软件研发等项目中发挥了积极作用。

为了更有效开展工作和利于今后的发展,特别是基于人才培养和队伍建设方面的考虑,我有意将“流体力学计算咨询联盟”以“计算科技组”名义,依托在某个可能合作的单位或研究中心,如同济大学、北京大学李政道近代物理研究中心等成为一个实体。2005年,经谈庆明推荐,李佩老师要我到科学院做一次(科普)报告。李佩老师对我的报告比较满意,当时我便向她要求我这“计算科技组”能以“郭永怀”冠名。当时正值同济大学筹建航空航天学院,万钢校长也提出以“郭永怀”冠名学院的请求。李佩老师经权衡,给万校长写了回信(见后)。回信由我转送,期间我留了拷贝交甘子钊教授(当时“计算科技组”在北京大学近代物理研究中心名下活动,甘子钊教授是中心负责人)。后来由于种种原因,冠名一事最终搁浅,但对李佩老师关心、支持和高度评价我毕生从事的技术科学事业表示敬意。


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二、学术平台建设:创办三份学报

在这前十五年中,我接连创办了三份学报,并以此为基础,进行学术平台建设,推动水动力学和计算机应用的发展。

1.《水动力学研究与进展》(1986—)

1982年初,我响应钱学森等专家的号召,从“高速”转向“水动”(即从高速空气动力学转向水动力学)。借计算流体力学会议之机,我向同行呼吁:不等不靠,先办一份《水动学报》,再发展水动研究队伍。自此,我与大家“有钱出钱,没钱出力”共同奋斗40年,办成了《水动力学研究与进展》,形成以水动编委会和水动编辑部群为代表的学术团体 。《水动力学研究与进展》经国家批准于1986年正式发行。另有英文版《Journal of Hydrodynamics》皆由全国70多个高等院校和科研单位联合主办(分A、B两辑)出版。国内统一刊号:CN31—1399/TK(A辑,中文版);CN31—1563/T(B辑,英文版)。中文版和英文版内容不重复。

我参加了《水动力学研究与进展》学报早期的创建工作。该学报运作稳定后,我便辞去副主编一职,在北大自称“水动学报北京办事处”,替编辑部做些需要在北京办的工作。

2.《非线性科学与数值模拟通讯》(1996—)

1994年,我借道CERNET,自建网络服务器,向校内师生免费开放。几位年轻学生曾自己组织起来,利用我这网络服务器救助清华的朱令同学。我自己则约请数位同行,以这服务器为中心,用“猫”远程联络大家,组成在线编辑部,办了一份英文期刊Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation。1996年国家正式批准该期刊发行。

这可是世界上第一份在线编辑并发行的学报。它在国内是经国家审批、北大主办、面向世界的外文学报。而实际编辑部仅我一人,用课后业余时间干的。我办这学报的一大目的,是来一次“出版革命”,并非完全为了研究非线性科学。我没有得到任何资助,仅靠个人之力坚持六年。六年后,线上运行已经普及,到了这份学报不发展必灭亡‘逆水行舟’的时刻,我只得交学生接办,设法将发行转至学术出版机构爱思唯尔 (Elsevier) ,并在欧、美两地增设编辑部。2003年,该学报改由 Elsevier 接办,这份学报的发展由此得到“大跃进”,体量增至每月一卷 (500页) ,IF达到4.7,是美国物理学会所办期刊Phys Rev E的两倍。

3.《计算流体力学工程应用》(2007—)

之后我认为应该面向实用计算工作者办一份刊物,建议友人在香港注册,办了第三份期刊。这是一份面向数值模拟工作者的刊物,目标是面向流体力学领域的广大科技人员推广计算机技术。最初名为《实用数值模拟》,原本以《水动力学发展与研究-增刊》的方式试办了两年。因为一直未盼到国家批准 (适逢大陆对新办刊物一律不批) ,我只得委托中山大学詹杰民教授去香港设法注册 (当时香港新办学报无需批准) 。事先说好“今后我不再参加”,但大家还是给我安了一个“创刊主编”的头衔。这次,学报取名Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics (计算流体力学工程应用) ,2007年在香港正式创刊,十分成功,IF曾高至8.6。

关于我办学报的事,可见《陈耀松教授的办刊之道》一文,刊于《力学与实践》43卷第5期,此处不多说了。

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三、攻关课题:从军工研究到体育竞技

在这期间,我也带着学生写点论文,主要是应付教学计划,但也有例外。

我是最后一届经由国务院审批通过的“博导”。因为一切由组织包办,我的博导申办过程自己并不知晓。我当上博导的“头报” (我家乡话说“头报有赏,二报吃巴掌”) 来自我的博士后吴建华。他的导师参加评审了,说“评审陈耀松时一下拿出30篇论文,立马就通过了”。说得我自己都有点不信,我怎么会为争取博导抢写论文?最后,他们把见到的论文单目给我看。呵!确是我写的。原来是《水动力学研究与进展》初办时,“老戏骨”看不上,有稿也不投。但学报又必须按时出版,日期一到,快揭不开锅了,只好自己来。我对古典流体力学题用CFD“玩”过,如今就按CFD论文的模式重新来一遍,赶着投《水动力学研究与进展》。苦逼的岁月真难熬,但也不知不觉出了一大批论文,帮我推上了博导。







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