潜心科研 倾心育才——记清华大学航天航空学院副院长、教授、博士生导师曹炳阳

曹炳阳,1975年生,乐陵人,现任清华大学航天航空学院副院长、教授、博士生导师,主要从事传热传质与新能源技术的研究。 2008年获教育部自然科学一等奖, 2011年入选教育部新世纪优秀人才支持计划,2013年获国家自然科学基金优秀青年基金,2014年获中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖。担任亚洲热科学与工程联合会执行理事,中国工程热物理学会传热传质分会青年工作委员会主任,国际传热大会秘书长,国家基金委、科技部、教育部、发改委、节能中心等部门专家职务。

作为全国著名的科教文化区,北京市海淀区名校林立。在这之中,有一所尤为特殊,在其105年的历史中,600余名中国科学院、工程院院士从这里走出,王国维、梁启超、陈寅恪、赵元任等一大批学术巨匠曾在此执教——这即是清华大学。

夏天的清华园是极具魅力的。阳光下,汉白玉的“二校门”晶莹透亮,大礼堂的红砖墙映出历史的厚重;荷塘边,读书的学子三五成群,这里就是朱自清写《荷塘月色》的地方。

6月17日,记者来到这座心中的神圣学府,意在采访一位老乡——清华大学航天航空学院副院长、教授、博士生导师曹炳阳。今年41岁的他精瘦、干练,厚厚的镜片掩盖不住眼中泛起的睿智——这或许是一名清华教授的“标配”气质;他讲起话来十分生动有趣,高深或枯燥的知识在他口中都变得“可爱”起来。

在其办公室内,悬有著名书法家、清华大学教授金德年先生的一幅作品,上书“苦海无涯学做舟”。曹炳阳解释,原句“学海无涯苦做舟”强调的是学习的辛苦,而这句话强调的是学习的乐趣,阐述努力学习便可渡过“苦海”。而他的经历,似乎暗合了这句话。

上世纪80年代,乐陵杨盘乡(今丁坞镇)前田河村一个普通农民家中,一位少年在煤油灯忽明忽暗的光中读书写字,说是煤油灯,实际是一个墨水瓶,装上棉花和自行车上的旧气门芯,灌上煤油就拿来用了,黑烟把少年脸上、手上都熏得黑黢黢的——这个少年就是曹炳阳。家庭虽贫寒,但幸运的是,没读过多少书的父母却一向支持他读书学习。

曹炳阳在村办学校完成了学业启蒙,尽管老师都未受过高水平教育,但都将自身所学倾囊相授。“其实我小时候没什么追求,虽然也在学习,但没有目标,不清楚自己想要什么,成绩很一般。 ”曹炳阳说,转折点出现在1990年,初三下学期时。

当时,身边的人都在聊考学的事儿,这让曹炳阳一下警醒:“我也得有个目标啊,爸妈不常说读书能改变命运吗? ”

接下来的半年里,曹炳阳格外用功,每天只休息六七个小时,“连轴转”学习,把初中落下的课程全补习了一遍。让所有人惊讶的是,这个之前不显山不露水的小伙儿,毕业前一次模拟考中居然拿了全校第一名!这让曹炳阳的信心得到极大提升,也开始更认真地思考自己的未来。摆在面前的是两种选择;一是考中专,毕业后直接分配工作,解决城镇户口;二是考高中,毕业后继续考大学深造。他选择了更稳妥的前者,这也是当年多数人的选择。当时乐陵所有初中毕业生统考,成绩最好的进高中,其次的去读中专。但“不幸”,曹炳阳连续两年都“考冒了”,都考上了高中。

恰巧第二年中考时,德州市第二中学首次面向城区之外招生。他想,既然中专“考不上”,倒不如横下心“冒险”试一下这条路,若能考上这所重点高中,今后考大学的把握也更大一些。

入学考试在德州二中进行,那是曹炳阳第一次坐公共汽车。对此他记忆深刻,“人很多,挤不上去,我爸就把我举起来从窗户塞了进去。 ”这次考试他表现十分优异,数学和英语更是接近满分,以优异成绩成功进入德州二中。这也是他人生中第一个重要选择。

事实证明,这个选择是正确的,德州二中名师云集,一些老师对曹炳阳影响颇大,“班主任物理老师孙吉广、数学老师王昌智和刘传章、英语老师孙家云等讲课各有特色,比如王老师讲课简练、生动、形象,板书非常工整,从来不拖堂,布置作业讲究少而精,不使用题海战术,注重培养学生的逻辑分析和综合能力,在那个年代有这种教学思想难能可贵。 ”

高中生活是单纯的,两点一线很有规律。曹炳阳学习刻苦,同时很讲究方法,比如一些有多种解法的题,他会尝试把所有解法都掌握了,且擅长举一反三。高三时连续3次模拟考试在全德州地区名列前茅让曹炳阳成为颇有名气的“别人家孩子”。

正当所有人都认为他将面临选择大学的“幸福烦恼”时,曹炳阳却在高考时遭遇滑铁卢。成绩不算糟糕,但与他的之前的考试水平差距较大。

“高三最后一个学期主要是复习和做题,我觉得自己已经掌握得很好,加上那时我很爱打篮球,学习有些松懈。”曹炳阳说,这次高考“失利”对他人生的影响很大,此后面对重要的事情时他都会做好充足准备全力以赴,再不会有丝毫松懈。

考虑再三,曹炳阳放弃了复读,而是进入山东工业大学动力工程系(今山东大学能源与动力工程学院)。事实上,对于这个专业他一无所知,只是曾听说毕业后可以进电厂工作,待遇优厚。

从进入山工大那天起,曹炳阳就卯着一股劲儿,立下继续深造的志向,学习成绩优异,在本科毕业时得到保送本校读研究生的机会。快到研究生毕业时,曹炳阳本打算早点工作改善家庭生活条件,但这时,一件事改变了他的未来。当时,山工大承接了一个高规格学术会议,来了很多国内外一流专家,参加会议的过程让曹炳阳大开眼界,“原来这一领域还有我不曾了解的丰富内容和广阔前景,我应该做更深入的研究。 ”

看出曹炳阳的志向,系里的程林教授问:“硕士毕业后想不想去清华大学读博士? ”他说:“当然想。 ”于是,程教授带他和中国科学院院士、清华大学工程热物理学家过增元进行了面谈。过老鼓励他好好学习,树立钻研学术的信念。

院士的鼓励让曹炳阳信心大增,接下来的日子里,他度过了几乎是人生中最努力的一段时光——每天清晨6点就去图书馆学习,中午及傍晚吃饭加休息只用一个半小时,晚上11点前从未回过宿舍。校园里的一切仿佛都与之无关,他眼中的目标只有一个——进入清华园。

苦心人,天不负。曹炳阳顺利考取清华大学动力工程及工程热物理专业的博士生,拜在过增元院士门下。在清华的浸润使其学术水平不断精进,并做出大量科研成果。 2005年,博士毕业的曹炳阳凭借出色的综合素质,获得清华大学优秀博士毕业生称号,并得以留校成为一名教师。

曹炳阳说,他有很多行政及科研职务,但最为看重的仍然是教师的身份。他觉得自己一路走来得益于诸多恩师的提携,自己也希望能像他们一样,给别人的成长以引导,“这是一件对社会真正有大贡献的事儿”。

曹炳阳能把复杂的科研问题讲得非常生动,外行人都能听得很明白,学生更是喜欢上他的课。采访过程中记者对此深有体会。“我的研究方向是先进热管理与节能技术、微纳尺度流动与传热、先进能源材料等,听着晦涩,实际上很好懂。简单来说,汽车运行、电厂发电、暖气供热的过程都需要能量,能量怎么来的?燃烧是个很好的办法。暖气供热只需把热能传输出去就行,汽车运行、电厂发电则是把热能分别转化为动能、电能。 ”曹炳阳介绍,“传输和转换过程中要将热能损耗降到最低,或最大效率地转化为其他能源,这就需要先进的热管理与节能技术。很多高精密微纳电子器件中都会用到芯片,其运算速度越来越快的同时,体积越来越小,势必导致发热增加及散热困难,这就涉及到微纳尺度流动与传热。我目前研究的先进能源材料主要是热智能材料,打个比方,用这种材料做一个杯子,倒进去的水温度偏热时,它会提升散热性能,水温偏凉时则会降低散热性能,让水能长时间保持在一个适宜的温度,当然,这种材料拿来做杯子成本过于高昂,目前只用于航天航空等高精尖领域。 ”

曹炳阳讲课时注重倾听学生需求,擅长用问题引导的方式激发他们的主观能动性,“清华有很多天才,不需要手把手地教,适当引导,他们就能干成不可思议的事。 ”

有一天下课后,曹炳阳留下一个关于热波方程的开放性问题。他解释说,这个复杂的非线性方程只能用计算机进行数值求解,但解出来会存在数值震荡的问题,这常常会影响对热波行进过程细节的研究,目前国际上的研究没能克服这一问题,“我跟他们说,一些研究声波的学者计算出来的数值没有震荡,声波方程与热波方程类似,能否借用他们的方法?谁想试一下? ”

选修曹炳阳课程的另外一个专业的研究生张民楷主动站了出来,运用熟练的计算机和热物理双专业知识,不到半年时间,问题居然被他解决了。曹炳阳帮他将成果发表在《国际热科学》《国际传热传质》这两本该领域内国际最权威的学术期刊上。这其中还有一个插曲,论文投过去后,对方一位评审专家表示目前这一问题避免不了数值震荡问题,如此平滑的数值应该是人为捏造的,不同意发表。主编也同意该专家的意见,不同意论文发表。面对国外权威的质疑,曹炳阳当即给主编回复邮件,表示“不能接受这一评价,因为我们引入新方法已经解决了数值震荡问题,建议主编重新考虑”。主编很快回邮件肯定了他们的研究,并对之前的不严谨行为致歉,论文才得以发表。

刚刚本科毕业的李树楠也是这样一位天才,作为航院学生,课余时间自学了数学系的所有课程,并在曹炳阳的引导下逐步解决几十年来困扰国际传热学界的非稳态和非傅里叶导热过程的变分原理问题,初步研究论文已经在《国际传热传质》《应用数学模型》等国际学术期刊发表。

凭借出色的授课能力,曹炳阳曾获得2012年清华大学青年教师教学大赛第一名,并于2013年破格晋升为教授。他甚至培养了一批听课“粉丝”——有的来自其他学院,一直选修他的课程;有的是其他高校学生或科学爱好者,每逢他到外地授课、讲座,总会设法到场聆听。

教学成绩斐然的同时,曹炳阳的科研成果同样丰硕。“科研看似枯燥,但真做起来妙趣横生。 ”他还向记者举例说明,很多科技创造的灵感都来自生活。“每种材料的性能都是固定的,但很多时候我们需要改变其性能,比如用聚合物(塑料)来做手机外壳、线路板时,我们希望它具备更好的导热性。怎么办呢?我们可以把一些金属成分与之混合,这样一来导热性提高了,但带来绝缘性降低的副作用。 ”曹炳阳说,研究表明,聚乙烯分子本身的导热性不错,但因其排列方式是“聚成一团”,影响了整体导热性,如今他找到了一种提升聚乙烯导热性的新方法,而这一方法源自生活的启发。

有一次,曹炳阳在家乡看到制作手工粉条的过程,方法是把淀粉和成糊,经筛子过滤成细条状进入水中,凝固后即大功告成。他当时就设想:要是做一个“筛子”把聚乙烯过滤了,能否拉长其分子链,提高导热性。不懈努力之后,曹炳阳真的制作出一个孔径为纳米级别的“筛子”,实现了这一设想。

这只是曹炳阳众多研究中的一个案例。到目前为止,他发表学术论文150余篇,其中科学引文索引(SCI)收录80余篇,(工程索引)EI收录30余篇,并担任5个国际期刊编委。主持国家自然科学基金项目5项,国家重点研发计划课题1项,教育部人才基金项目1项,交叉学科基金项目2项,承担多项国家自然科学基金重大项目、科技部973项目和863项目。担任中国工程热物理学会传热传质分会青年工作委员会主任,亚洲热科学与工程联合会执行理事,2018年国际传热大会秘书长,国家自然科学基金委、科技部、教育部、发改委、国家节能中心等部门专家等职务。曾获教育部自然科学一等奖、国家自然科学基金优秀青年基金、中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖、中国工程热物理学会青年优秀论文奖等,入选教育部新世纪优秀人才支持计划、清华大学骨干人才支持计划及“221”基础研究青年人才计划。是业内颇有影响力的专家。

虽在外多年,但家乡的重量在曹炳阳心中从未减过一分。他对记者说,没有故乡的沃土的滋养,他很难有这样的成长。

去年9月,“智汇乐陵”2015创新创业对接洽谈会召开,曹炳阳作为嘉宾回到家乡,分享了自己多年的学术精华与科研成果,并就乐陵产业基础、潜力和发展趋势等方面给出评价与建议,对存在的问题提出了可能的解决办法。

曹炳阳说,因为从事领域较为专业及工作繁忙原因,近些年与家乡的政府、高校、企业之间的合作不算多,“我了解到目前德州正实施协同发展战略,利用区域优势和京津地区展开多方面的合作,我认为这是种明智之举,如果家乡需要我,我很想尽一份力,期待能有这样的机会。 ”

教师节前夕,得知本报正筹备教师节特刊,曹炳阳欣然命笔,用一段饱含深情的文字回忆了与家乡恩师之间的感情。

采访的最后,曹炳阳在题词簿上写下“祝福德州更美丽更富足”,表达了对家乡的美好祝愿。

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