博士生们都在干什么？ 猪小宝，博士僧 | 一级注册结构工程师 对不起，我来晚了！ 土木工程专业的水货博士生来了！ 「博士生们都在干什么？」这个问题可能有两个不同的侧重点，一个是「博士生们的生活作息是什么样的？跟本科生有什么区别？」，另一个是「博士生们的科研工作指的是什么？什么叫做研究？怎么个研究法？」 鉴于题主也很关心 做研究到底指的是什么，除了做实验，看文章，还有什么。research 的大致流程是什么。 其实我没读博以前也非常关心这个问题，只恨当时没有人跟我说说明白。所以我的回答主要侧重于这个方面，也就是博士生们所谓的科研是什么。当然，不同专业之间情况完全不同，所以相互之间没有任何可比性，也没有任何放之四海而皆准的结论。正好题主是土木工程专业的学生，我也是土木工程专业的学生，所以我只讨论土木工程专业的情况。 那么简单说，土木工程专业的博士生们每天都在干什么呢？ 四个字：解决问题。 问题的种类有很多，可以是非常理论的问题，也可以是非常实际的问题。但是，不管偏向于理论，还是偏向于实践，这个问题都必须非常具体。而且，某种意义上，至少对于土木工程的博士生们来说，这个问题要有实际意义。 举个例子，我们知道我们的混凝土房屋、桥梁都要有一定的保质期，不能刚建成的时候挺好，过个十年八年的就不行了。为了可持续发展，为了节约社会的能源和材料，我们必须要提高混凝土的耐久性，让混凝土房屋、桥梁可以持续使用五十年、七十年、乃至一百年。 如何提高混凝土的耐久性能？ 碱骨料反应会严重影响混凝土的耐久性能，如何控制碱骨料反应的不良影响？ 能不能用非线性超声波来现场检测碱骨料反应的程度和危害？可靠性如何？ 虽然这三个都是问题，但是问题的范围和深度完全不同。第一个是非常笼统的问题，也许本科生的课程会讲解这样的概论，也许碱骨料反应在本科生的教科书上只是几段话。第二个问题可能是硕士生的课程内容，也许硕士生会在课堂上学习碱骨料反应的原理，如何控制，如何检测等等。第三个问题是博士生们要解决的，因为这个问题只有极少的研究者尝试过，某种意义上还没有人知道确切答案，但是一旦能够解决又能有很大的实际意义。 再举个例子，今天刚刚发生了尼泊尔的 7.8 级大地震，我们都知道地震会给社会带来巨大的伤害，我们的房屋、桥梁、电站等等都要考虑抗震要求。 如何提高建筑结构的抗震性能？ 记忆合金拥有可以自复位的超弹性，能不能把这种神奇的性能应用在抗震上？ 能不能设计一种基于记忆合金的耗能阻尼器 + 自复位支撑，并且用实验甚至工程实践证明它的抗震性能？ 同样，这三个问题的范围也是由宏观到具体。也许本科生会学习抗震的基本知识，也许硕士生会在课堂上接触一些设计实例、接触一些记忆合金等新材料的介绍，但是这些都是在学习知识，不是在解决问题。第三个问题则是博士生们要应对的，因为这个问题没有定论，而且有很大的实际意义。 再说一个理论方面的例子，我们都知道大多数物体会热胀冷缩，有时候结构甚至会因为热胀冷缩引起的温度应力而破坏。 温度应力是如何引起的？怎么计算？ 结构既有外部荷载，又有复杂的温度变化，如何分析？ 能不能利用黎曼几何和高维空间来解决三维应力场和温度场的耦合？如何用计算机算法和有限元原理来实现？ 同样，三个问题由宽到窄，由浅到深，本科生可能知道温度应力的概念，硕士生可能知道外力和温度的叠加耦合，而博士生要考虑的是第三个问题。这个问题并不是我瞎编的，我们学校就有教授和博士生在做这些研究，当然因为我是水货，所以可能表述的不太准确。但我只是举这么一个理论方面的例子，并不涉及具体的技术细节。 以上回答的是到底博士生们在研究什么，接下来说一说博士生们怎么研究，每天的工作是什么样的。 简单说，问题不同，研究方法就不同，表现出来的每天的工作内容也就不同。 就拿我们上面这三个例子说吧，如果你研究黎曼几何和高维空间，那可能一叠草稿纸加一个电脑就够了，每天的工作方式可能更接近于理论学科的博士生们，比如理论物理、数学、或者部分计算机学科。 如果要研究超声波检测碱骨料反应，那你就得在实验室里人为的制造各种发生了碱骨料反应的混凝土试件，控制各种变量，比如波特兰水泥的、加了粉煤灰的、加了矿渣的、活性骨料的、非活性骨料的、氢氧化钾引起的、氢氧化钠引起的……然后在各种条件下测试你的超声波技术，再用其它检测技术来验证。为了弄清原理，可能还需要电子显微镜、质谱等等。这样的博士生每天在实验室工作，白大褂、塑胶手套一应俱全，工作方式可能更接近实验化学或者生物专业的博士生们。 如果是记忆合金阻尼器，那你得从买钢材开始，然后画图纸，然后在车间里一点一点的造出你的阻尼器原型产品，然后用试验机测试，然后再在实验室建一个实验用的小房子或者测试框架，最好是一比一的，然后把你的阻尼器安上，然后准备各种控制和测量设备，然后做拟静力或者振动台实验，用数据证明你的阻尼器的抗震性能。（不要问为什么我知道的这么详细，我现在买钢材、车工钳工铣工、叉车吊车、水刀电锯、瓦刀铁锨、气割电锤冲击钻……样样都得心应手。）这样的博士生每天的工作方式更接近于很多人心目中的进城务工人员，安全帽、工作手套、大黄靴、工装裤是绝对的标配，衬衫上永远有灰，裤子上永远有油渍。 具体到怎么解决问题，需要用哪些方法，需要做哪些实验，需要哪些现场调查，需要哪些数据挖掘，需要哪些理论推导，这些更是取决于你的具体问题，并不能一概而论。而且，不要幻想一个问题仅仅靠一个博士生就能解决。当然，可能有时候会有这样的情况，但是总体来说，一个问题的解决需要很多很多人的共同努力，并不是一己之力就能完成的。 既然题目提到了「做研究到底是指什么，研究的大致流程是什么」，我就拿我参与过的一个研究项目当例子，详细的说一说研究到底是怎么做的。 这个问题是什么呢？美帝大南方沿海地区的高速路桥梁的桥墩和桩基浸泡在海水里，腐蚀严重，很多公路桥梁的混凝土桩仅仅十年后就已经摇摇欲坠，不堪使用。如何解决这一问题？腐蚀的原因到底是什么？哪些是主要原因？如何应对这些导致腐蚀的外界因素？如何在将来的公路建设里避免这一问题？如何建造可以在沿海地区持续使用一百年以上的公路桥梁？ 第一位博士生要解决的问题就是要弄清楚腐蚀的原因是什么，腐蚀的程度到底如何，腐蚀跟混凝土的关系如何。他主要的工作包括实地调查公路桥梁的腐蚀情况，包括非破坏性检测、表面硬度、钻芯测试、样本的 X 射线分析、生物腐蚀样本分析、碳化情况的测定、氯离子渗透的测定。根据这些现场调查的情况，他主要着眼于混凝土方面，通过改进混凝土配比来增加混凝土密实度、减小混凝土渗透性，进而改善混凝土在海水环境下对氯离子、硫离子、碳化的抵抗能力，然后根据新的配比制作混凝土试件，在实验室里用各种模拟的腐蚀环境检验新的混凝土配比的可行性。 第二位博士生的问题则是最有成效的改进手段是什么。根据第一位博士生的调查结果和对混凝土的研究结果，他的工作着眼于预应力钢绞线方面的耐久性。研究内容包括传统的普通钢绞线的腐蚀情况，为什么会有这样的腐蚀，腐蚀的速度如何，跟哪些因素相关。继而提出一个解决方案——用不锈钢代替普通钢材制作钢绞线。到底用什么样的不锈钢呢？奥氏体？马氏体？304？316？还是其它的 duplex？不同种类的不锈钢的抗氯离子侵蚀能力如何？力学性能如何？机械加工性能又如何？能不能做成预应力钢绞线？松弛、徐变情况如何？能不能用热处理、表面处理等手段来提高性能？每一个问题都需要实际的实验去验证。另外，还要调查不同不锈钢的成本和价格又如何？综合所有的研究结果，哪种不锈钢材料是目前的最优解？ 第三位博士生的问题则是实际测定这一系列解决方案的可行性。我们己经有了改进后的混凝土，有了最优解的不锈钢，下一步就是根据这些结果，实际制作出采用这些混凝土和钢绞线的预应力混凝土桩，然后在海水环境下现场检测。打入到海水中的包括采用了 2205 不锈钢的混凝土桩，也包括作为对照组的使用普通钢材的混凝土桩，所有的桩在海水中浸泡一年，定期检测预应力筋的预应力损失，然后一年后拔出来测试各种腐蚀情况和性能。同时还在实验室里制备相应的试件，通过各种快速模拟实验手段来推定更长时间之后的情况。桩拔出来之后再取样混凝土进行强度、氯离子等各种分析。通过这些持续的检测，这种新型桩的抗腐蚀能力、施工性能都得到了实际验证。另外，还有试件继续留在海里，做持续的长时间的检测，这也是我在这个回答里提到过的试件：钢筋混凝土结构建筑长时间海水浸泡外表会发生怎样的变化？（密集恐惧症患者千万不要点击！别怪我没提醒你！） 照片即为在海边的阿尔瓦罗·保罗同学。 以上的工作都是基于材料耐久性方面的研究，解决了这一问题，下一个问题那就是结构性能的研究。可能不锈钢的耐久性的确不错，但是张拉后的力学性能究竟如何呢？能不能满足我们对结构性能的要求呢？不锈钢跟普通钢的应力应变曲线的区别比较大，现有的针对普通钢绞线的设计规范还适合不锈钢钢绞线吗？这就是下一个需要解决的问题。 为了回答这一问题，我们把从海水里拔出来的混凝土桩运回实验室，然后进行结构测试。因为上面几位博士生的方向都侧重于材料科学方面，而结构测试需要侧重于结构试验方面的研究生。为了在实验室里测定这些混凝土桩的各种极限承载力，需要有人安装加载框架和支座、调试液压加载系统、写 LabVIEW 程序、校准各种仪器，需要有人把这些桩放到实验位置、加载、检测和记录、卸载、然后搬出来、然后再放进下一根。这些就是我在这个研究项目里参与的工作。 这张照片就是混凝土桩的抗弯承载力测试，试件就是这根 10 米多长的混凝土桩，要把它安进这个测试框架需要两个吊车在两边同步起吊。实验完成之后，要用冲击钻把混凝土全部凿开，用气割把还没断的钢绞线弄断，让这根桩彻底断成两截，然后再用叉车弄出来扔掉。10 多根桩的测试耗费了整整一个暑假的时间。 结构试验的时候我们还邀请了州交通局的工程师们，他们对承载能力、变形能力也很满意。佐治亚沿海地区新建的公路桥梁已经开始全面采用这种混凝土桩。虽然初始成本高了一点，但是可以基本保证一百年不维护。 以上就是一个完整的研究，研究的问题是「如何解决沿海地区公路桥梁浸泡在海水中的部分的腐蚀问题？如何保证一百年的耐久性？」研究给出的主要答案是「用不锈钢预应力钢绞线」。简简单单一句话，其实是五年的时间，至少三位教授、四五名博士生、三四名硕士生参与其中共同完成的。这就是我理解的研究，不说没有根据的话，每一个结论都要有实验作为根据。 题目里还提到了「出国读博士与国内读博士的比较」，这也是我非常关心的话题。我恳切的希望大家能踊跃留言，尤其是从事结构试验的研究生们。你们是怎么做实验的？你们用什么 DAQ 设备？你们怎么控制 actuator？研究生和实验室的技术工作人员是怎么分工的？吊车叉车电气焊谁来操作？你们的教授亲自来监督实验吗？ 最后，我想起来我以前在知乎看过的这么一个回答：明年高考，想了解一下土木工程专业，有什么好的建议？ - 匿名用户的回答 我关心的是「解决问题」，而这位疑似清华大学的同学关心的是「学术大师、治国英才或是兴业之匠」、「入主流 + 上大舞台」、「 中直机关公务员考试」、「上升通道」、「是否能治国 + 是否能兴业」。我再一次体会到了我这个水货 + 学渣跟人家的巨大差距。 Anyway，我通过我自己的研究工作参与到了解决问题的过程中。就拿我举的这个例子说吧，新建的公路桥梁会有更好的耐久性能，不出意外的话一百年不需要维护，能够给纳税人省下一大笔钱，同时也节约了能源和材料。至少我个人觉得，这些研究工作是有意义的，是可以帮助别人的。 我拿不准社会到底需要不需要「学术大师、治国英才或是兴业之匠」，但我知道社会肯定需要「工程师和科研工作者」，我也确定「工程师和科研工作者」能够让我们的社会变得更美好。 查看知乎原文
