关于制造科研方法的思考课件

关于制造科研方法的思考

—制造领域的青年学者如何做科学研究

朱剑英

南京航空航天大学10/15/20221

ThinkingofResearchMethodology

inManufacturingScience

—Howtodoscientificresearchforyoung

scholarsinmanufacturingarea

ZhuJianying

NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics10/15/20222目录1.祝贺2.前提3.方法4.成功10/15/20223祝贺10/15/20225祝贺大家成为中国制造领域的青年学者!做一个优秀的中国制造领域的青年学者，既是国家的要求、人民的期望，也是学者们的职责！10/15/2022621世纪影响全人类的

两件大事(国际学术界预测)1.美国的高技术2.中国的崛起

10/15/20227制造技术是

支撑发展的基础1.美国高技术的实现要依靠高水平的制造技术2.中国的崛起要依靠高水平的中国制造

10/15/20228中国崛起的标志1.经济:GDP将在本世纪中叶达到世界第一;2.社会:在城市化方面，到2020年,中国将要使当前占70%的农村人口转变成占70%的城市人口；3.科技:到本世纪中叶,将基本建成创新型国家;4.文化:中国文化将遍及全世界。10/15/202210中国制造业的成就2001年中国工程院的调查结论:1）制造业产值占国民生产总值的1/32）占整个工业生产的4/53）为国家财政提供1/3以上的收入4）贡献出口总额的90%5）就业人员8043万10/15/202212制造业的重要意义原人大常委会副委员长宋健指出：“制造业是实现现代化工业的水之源、木之本，是实现工业化的保障和原动力，是国家实力的脊梁，是支持共和国大厦的基石。没有强大制造能力的国家永远成不了经济强国。”10/15/202214制造业的重要意义1)制造业处于国家工业的中心地位；2)是国民经济持续发展的基础；3)是现代化建设的发动机和动力源；4)是在国际竞争中取胜的法宝；5)是技术进步的主要舞台；6)是提高人均收入的财源；7)是国防装备和国家安全的重要保障；8)是发展现代文明的物质基础。10/15/202215结论做一个中国制造领域的青年学者是十分光荣的,也是责任十分重大的。10/15/202216前提10/15/202217做优秀学者的前提1.理想、信念2.自信心3.基础、专业、能力10/15/202218振兴中华要有自信心名言：

1,天生我材必有用。——李白

2,尺有所短,寸有所长。——屈原

3,哀莫大于心死。——《庄子》

4,自信是成功的第一秘诀。——爱迪生

5,我成功，是因为我志在成功。——拿破仑中国人的一个弱点是自信心不足。自信心是一个人心理的建筑师，它是成功的欲望，它能激发人的潜意识，使其释放出无穷的热情、精力和智慧，进而帮助其获得巨大的事业成就。10/15/202220大学的本质含义大学：University，其词根是：univers

，它与宇宙：Universe

是同一个词根。所以大学的本质含义就是：

广泛、普遍、宽广10/15/202221博士的本质含义博士：英文缩写：Ph.D,英文原文：DoctorofPhilosophy，来自希腊文：philosophiae,其含义是：哲学博士。现在科学博士、工程博士、医学博士都用Ph.D,

就是说，要求所有博士的知识都要坚实、宽广、渊博。10/15/202223古文中博士的含义在古文中，博士是官位而不是学位。但本为对博学之士的通称。

“博士”始见于二千多年前的战国时代，是负责保管文献档案，编撰著述，传授学问，培养人才的官。汉武帝时，设立了五经博士，博士成为专门传授儒家经学的学官。汉初，《易》《书》《诗》《礼》《春秋》每经置一博士，故称五经博士。司马迁在《史记·循吏列传》中有“公仪休者，鲁国博士也，以高等为鲁相。”

10/15/202224坚强的能力1)

学习能力(learning)2)思维能力(thinking)3)分析与综合能力(analyzing&integrating)4)设计与计划能力(designing&planning)5)决策能力(decisionmaking)6)竞争能力(competing)7)

创新能力(innovating)8)实践能力(practicing)9)沟通与合作能力(communicating&cooperating）10)组织与管理能力(organizing&managing）10/15/202226我的人生格言要做事，先做人；要做人，先爱人。人要一辈子和自己的懒惰作斗争。真、善是美的灵魂。10/15/202227方法10/15/202228关于审时度势10/15/202230如何审时度势1、了解世界科学技术的发展趋势2、了解制造科学技术的发展趋势3、了解国家对科学技术的重大需求10/15/20223121世纪中心科学技术转移趋势1.信息科学技术

目前是发展高峰期，预计其中心科学技术的地位还可持续四十年。2.生命科学技术

现在已开始注重其发展与应用，预计21世纪30年代开始将逐步转变为中心科学技术。3.认知科学技术

智能化趋势现已显露，预计21世纪70年代开始将成为科学技术发展的中心。结论:智能化是中心科学技术的发展方向10/15/202232

21世纪科学技术发展总趋势

世界科技中心（地区或国家）的转移

中国（公元3世纪—公元13世纪）→意大利（1540年—1610年）→英国（1660年—1730年）→法国（1770年—1830年）→德国（1810年—1920年）→美国（1920年—）→可能转向东方（日本、中国）结论:中国政局最稳定,社会进步最好，经济增长最快,科技、教育持续发展，人民生活水平不断提高，世界科技中心有可能转移到中国。10/15/20223310/15/202234高技术及其产业的领域

(1)信息科学技术（包括微电子、光电子科学技术）(2)生物科学技术（包括生命科学技术）(3)新能源科学技术（包括核能科学技术）(4)新材料科学技术（包括纳米科学技术）(5)环境科学技术（包括地球科学技术）(6)航空航天科学技术（包括空间及军事科学技术）(7)海洋科学技术（包括地球科学技术）(8)先进制造科学技术（包括微机电系统科学技术）(9)管理科学技术（包括软科学技术）(10)认知科学技术（包括人脑和智能系统科学技术）10/15/20223521世纪改变人类的科学技术科学

技术物质科学纳米技术生命科学生物技术认知科学信息技术能源技术材料技术制造技术10/15/202236NBICM会聚技术将会

引发一场新的产业革命(1)会聚技术是指用先进制造技术将纳米技术(包括微机电系统,MEMS)、生物技术（包括生命科技、生物制药及基因工程）、信息技术（包括先进计算机、网络及通信）、认知科学（包括认知神经科学）会聚、协同和融合起来，并最终制造出产品的综合交叉技术。10/15/202237NBICM会聚技术将会

引发一场新的产业革命(2)以上五种技术的简化英文的联式为：Nano-Bio-Info-Cogn-Manuf，缩写为NBICM。NBICM会聚技术将会引发一场新的产业革命，实现科技与经济发展的新突破，并将人类社会带入创新与繁荣的新时代。10/15/202238关于新技术革命的突破点

中国科学技术协会主席韩启德在2009年9月8日举行的第十一届中国科协年会开幕式上的致辞中指出:目前看来，美国人似乎已经选定绿色能源技术作为突破点。奥巴马已经喊出这样的口号：“当今世界，能够领导全世界在21世纪发展清洁能源的国家，必定是领导21世纪全球经济的国家。”6月份，美国众议院通过了《清洁能源安全法案》，决定用10年时间，投入1500亿美元来支持绿色能源研究。在新技术突破点上中国自己还可能有别的选择吗？我们有没有必要、有没有可能“另辟蹊径”，在别的技术领域取得突破，从而造就中国经济发展新的增长极呢？这是迫切需要我们回答的问题。我个人的意见:赞同奥巴马的看法，即应以绿色能源技术作为新技术革命的突破点。10/15/202239关于重大需求10/15/202240重大需求——主要看《国家中长期科学技术发展规划纲要》指导方针：自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。总体目标：经过15年的努力使我国进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础。总体部署：确定了11个国民经济和社会发展的重点领域，68项优先主题，16个重大专项，27项前沿技术，18个基础科学问题，4个重大科学研究计划和4项条件保障。五个战略重点：能源、水资源和环境保护技术，装备制造业和信息产业核心技术，生物技术，空天和海洋技术，基础科学和前沿技术。10/15/202241重大需求——主要看《国家中长期科学技术发展规划纲要》16个重大专项：核心电子器件、高端通用芯片及基础软件，极大规模集成电路制造技术及成套工艺，新一代宽带无线移动通信，高档数控机床与基础制造技术，大型油气田及煤层气开发，大型先进压水堆及高温气冷堆核电站，水体污染控制与治理，转基因生物新品种培育，重大新药创制，艾滋病和病毒性肝炎等重大传染病防治，大型飞机，高分辨率对地观测系统，载人航天与探月工程等10/15/202242十八项先进制造产业国家发展和改革委于2007年1月30日公布了《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南（2007年度）》，该指南确定了18项先进制造技术：1,工业自动化;2,网络化制造;3,现代科学仪器设备;4,新型传感器;5,精密高效加工和成形设备;6,激光加工技术及设备;7,高精度数控机床及其功能部件;8,机器人;9,大型石油化工成套装置;10,电力电子器件及变流装置;11,汽车关键零部件;12,高效节能内燃机;13,数字化专用设备;14,快速原型制造技术及设备;15,大型构件制造技术及装备;16,核技术应用;17,高技术船舶与海洋工程装备;18,轨道交通设备

10/15/202243最重要的先进制造技术当前已提出的先进制造系统与技术有100多种；其中最重要的先进制造技术有10种：

1）绿色制造；2）精密制造；3）微/纳制造；4）微电子制造；5）生物制造；6）能源设备制造；7）重大型装备制造；8）制造自动化；9）数字制造；

10）智能制造。10/15/202244关于创新10/15/202245基础理论是科技创新之根基与源泉10/15/202246技术革命依赖于科学理论人类历史上发生过的三次重大技术革命都强烈地依赖于科学理论:1.第一次技术革命发生于18世纪60年代，主要标志是蒸汽机的广泛应用，这同近代力学、热力学发展有着密切的关联。2.第二次技术革命发生于19世纪70年代，主要标志是电力的应用，是电磁理论的突破引发的成果。3.第三次技术革命始于20世纪40年代，主要标志是原子能技术、电子技术和空间技术的广泛应用，是在相对论、量子力学等基础理论突破的基础上产生的。10/15/202247基础理论引领着当代我国

科技进步、经济和社会发展基础理论的突破往往孕育着新的知识革命，意味着知识体系和结构的大调整、大变革，必然引发科技、经济、社会和生产的大发展。我国在分子生物学和基因理论方面所取得的研究成果，引领了杂交水稻和克隆水稻的理论研究，通过控制分蘖形成数量，大大提高了水稻的产量；通过转基因技术产生了相关产业，如转基因抗虫棉花已在我国3500万公顷种棉面积上大面积（60%）推广应用，每亩减支增收130元，经济、社会和生态效益显著。10/15/202248基础理论引领着当代我国

科技进步、经济和社会发展我国几十年来对以氮化鎵为代表的宽禁带半导体材料方面的基础研究取得的突破（低温缓冲层消除应力和P型掺杂浓度提高两个数量）引发生产了高效节能、长寿命的半导体照明产品（LED）和新的照明变革。目前，已研发出的大功率白光LED发光效率达到80lm/W，超过荧光灯的效率，是白炽灯的5~10倍，寿命是白炽灯的30~50倍，有广泛的应用前景。结论是：基础理论孕育原始创新，不论对科技发展本身还是对经济、和社会发展，基础理论都具有重要的战略意义，它是国家自主创新的根基和源泉。10/15/202249青年学者必须具有的

最重要的科学基础1.数理科学基础其中尤以高等工程应用数学为重要；2.信息科学基础

其中尤以计算机科学及软件设计学为重要；3.人文科学基础其中尤以中国语言学及交流英语为重要；4.社会科学基础

其中尤以哲学及公共关系学为重要。10/15/202250系统而深入的专业知识是科技创新的车和舟10/15/202251知识的来源知识来源于人类的实践，把看到的、听来的、思考的融合到一起，就是一种知识。这些知识是直接知识。把前人通过实践得来的知识，记载在文字、图像、语音等媒体上，再传授给后人；或后人通过自学，获得前人所得的知识。这些知识是间接知识。无论是直接知识还是间接知识都是来源于人类的实践。10/15/202252知识的作用波斯思想家萨迪说：“知识是取之不尽的源泉，用之不尽的财富”；古希腊哲学家苏格拉底说：“世上只有一样东西是珍宝，那就是知识，世上只有一样东西是罪恶，那就是无知。”培根说：知识就是力量。知识是人类认识中的瑰宝，是劳动经验和智慧的结晶，是推动人类社会的变化、发展、前进的动力，是创造社会财富的关键因素，或者说是唯一因素。10/15/202253怎样进行创新10/15/202254解放思想是创新的前提1.不唯书，不唯上，只唯实；2.要克服“小康即安,小富即满”的小农思想;3.淡泊名利,无私奉献才能解放思想;4.解放思想要勇于质疑和批判过去;5.解放思想要有自信心。10/15/202255要敢于对过去的理论

和权威说“不”爱因斯坦是在与麦克斯韦的电磁场基本规律挑战中得出相对论的。过去把时空隔离开，爱因斯坦说“不”，他把时空联系起来，才提出了相对论。过去认为能量是连续的，普朗克说“不”，而提出了量子能级学说。牛顿认为光是粒子流，玻尔说“不”，他指出：光既是粒子，也是波动，并由此建立了量子力学。过去认为宇称是守恒的，杨振宁、李政道说“不”，他们提出了宇称不守恒原理，由此而获得诺贝尔物理奖。10/15/202256科学权威也会犯错误(1)爱因斯坦曾竭力反对玻尔等人提出的量子力学统计解释,他断言“几乎没有任何迹象表明能从原子中获得能量”。核物理学家卢瑟福也曾说过，“谁企图研究从原子转换中获得能量，那他是在干一件荒唐的事”。19世纪末担任英国皇家学会会长的开尔文是一位极富革新精神的物理学家，但晚年却宣称“X射线将会被证明是一种欺骗”，“无线电没有前途”。大发明家爱迪生曾强烈反对交流电，要求完全禁止使用交流电。海王星的发现者西蒙.纽科姆曾断言“空中飞行是属于人类永远无法解决的问题”。10/15/202257科学权威也会犯错误(2)

1956年6月,李政道、杨振宁在《物理评论》杂志上提出“弱相互作用下宇称不守恒”。当时遭到了不少权威的反对;1954年获诺贝尔奖的泡利（W.Pauli)愿押任何数目的钱来赌“宇称一定是守恒的”，他认为吴健雄作此实验是浪费时间，不会有结果；

1952年获诺贝尔奖的布洛克（F.Bloch)则说，“宇称在弱相互作用下不守恒能得到实验证明，我愿意吃掉我的帽子”。

1970年，人们认为基本粒子都可归纳为三种夸克。丁肇中对此表示怀疑，想进行有关实验，却遭到几乎所有国家大型实验室的反对。1972年至1974年，丁肇中等最终发现了一种全新的夸克。10/15/202258科学权威也会犯错误(3)

著名企业家兼技术专家犯错误的例子也不少。发明磁芯存储器并开创文字处理机时代的王安，晚年跟不上开放式潮流而破产；敢于挑战IBM，于20世纪60年代建立小型计算机王国的DEC创始人奥尔森（Olsen），晚年却认为“PC是不该出现的怪胎”；“巨型计算机之父”克雷（Cray）晚年跟不上大规模并行计算的潮流而破产；以太网的发明人Metcalfe曾打赌“互联网在2000

年前会出现瘫痪”。10/15/202259科学权威也会犯错误(4)

曾任英国皇家学会会长、1904年诺贝尔奖得主瑞利曾发誓“60岁以后不对任何新思想发表意见”，这大概是因为他年轻时受到权威们的压制而引起的想法。

有一句名言也许是有道理的：“当一位杰出的老科学家说什么是可能的时候，他差不多总是对的；但当他说什么是不可能的时候，他差不多总是错的。”10/15/202260创新的基础在学习

1.

情况是在不断地变化，要使自己的思想适应新的情况，就得学习。——毛泽东2.如果我比笛卡儿看得远，那是因为我站在巨人们的肩上的缘故。——牛顿3.在科学上面是没有平坦大道可走的,只有不畏劳苦沿着陡峭山路努力攀登的人,才有希望达到光辉的顶点。——马克思4.成功=艰苦的劳动+正确的方法+少说空话——爱因斯坦

10/15/202261创新的科学思维方法1.需求是创新思维的源头；2.问题是创新思维的起点；3.分析是创新思维的钥匙;4.综合是创新思维的途径。

10/15/202262需求是创新思维的源头1.创新的目的是推动社会进步和人类文明;2.需求不断,创新不断;3.实践无止境，创新无止境。10/15/202263

问题是创新思维的起点

1.问题来自矛盾;2.矛盾是事物发展的根本原因;3.提出一个好问题等于成功的一半。10/15/202264分析是创新思维的钥匙1.一分为二是唯物辩证法的基本方法;2.一分为二是创新思维的基本方法;3.分析才能深入到事物的内部;4.分析才能接触到事物的本质;5.分析才能为复杂的事物理出头绪;6.人类的认识从分类开始。10/15/202265综合是创新思维的途径1.日本实施技术立国政策时提的口号：

综合就是创造！2.中国古语云：集思广益3.综合是创新思维的最佳途径:1)逻辑思维、形象思维、灵感思维相结合2)演绎（分析）、归纳（综合）相结合3)哲学、艺术，科学相结合10/15/202266逻辑思维、形象思维、

灵感思维相结合变换矩阵——CAD与机器人学的基础ABABPABCPCDCDQDEFQMNSHIJRLMNS1.二维变换矩阵:表示点的位置变换。2.三维变换矩阵:左上角产生比例、对称、错切、旋转变换；M、N产生平移变换；P、Q产生透视变换；S产生全比例变换。3.四维变换矩阵:左上角产生比例、对称、错切、旋转变换；左下角产生平移变换；右上角产生透视变换；右下角产生全比例变换。4.五维变换矩阵:迄今不知何意?!10/15/202267演绎与归纳相结合1.中国人思维方法的缺陷:多归纳,少演绎;2.许多科学理论,如麦克斯韦尔电磁场方程等都是演绎得来的;3.演绎(如分析、比较、分类、判断推理等）能深入事物内部，归纳（如抽象、聚类、集成、综合、决策等）能求得结果。10/15/202268哲学、艺术、科学相结合1.门得列也夫发明元素周期表是受音乐家作五线谱曲的启示。2.哲学的发展观启发创新思维，如：1)无限观启示：超光速、超绝对零度、宇宙黑洞存在；2)一分为二观启示：电子可分；3)螺旋式发展观启示：世界科技中心转移趋势是：不断向西转移，今后可能再次到达东方；3.中国古诗云：

不识庐山真面目，只缘身在此山中。

所以要在高层次上把哲学、艺术、科学结合起来。站得高才能看得远。10/15/20226910/15/202270灵感与科技创新

在科技创新中常出现灵感现象。人们在解决科技问题时，常在冥思苦想不得其解时，突然“灵机一动，计上心来”，即在“山穷水尽疑无路”时，突然“柳暗花明又一村”，找到了解决问题的好办法。这种思维的结果，就如同文学家所说的“踏破铁鞋无觅处”，转瞬间出现了“得来全不费工夫”的令人欢心的局面。这就是灵感。

灵感来自长期的探索实践和思考。周恩来总理精辟地概括为八个字：“长期积累，偶然得之”。俗话说：“熟能生巧”，“熟”就是“深思熟虑”，“巧”就是“灵巧感悟”。

爱迪生一生做出了2千多项技术发明，他说：“天才就是百分之九十九的汗水，加上百分之一的灵感。”10/15/202271交流、碰撞、融合、创新1.著名物理学家海森堡说:

“科学扎根于交流,起源于讨论”。2.开展学术交流,繁荣学术园地,推动学科发展,促进人才成长是科技团体的基本职能。3.交流、碰撞、融合才能创新。4.现代科技成果愈来愈多地依靠团队集体创新。10/15/202272温总理讲:有三种创新1.原始创新2.集成创新3.引进、消化吸收、再创新10/15/202273

制造领域青年学者做研究

要抓住“非”和“智”两字

当前科学理论前沿的特征往往表现在“非”、“智”两字上:

“非”“智”1)非线性1）智能系统2)非定常2）智能控制3)非经典3）人工智能4)非一般4）智能数学10/15/202274成功10/15/202275科学大师谈成功爱因斯坦：

成功=艰苦的劳动+正确的方法+少说空话季羡林：

成功=天资+勤奋+机遇陈省身：把他的成功归结为四个正确：在正确的时间，选择了正确的方法，去到了正确的地方（去了德国而不是别人都想去的美国），找到了正确的