發布時間：2020-04-13所屬分類：教育論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：董鐵寶(1916-1968)是我國著名的科學家，在土木、抗震、力學與計算等方面卓有建樹，為中國的民族獨立與科學發展做出了重大貢獻.通過查閱資料、開展訪談以及參加董鐵寶紀念會，對董鐵寶的教育背景與工作經歷進行了較為全面的回顧，詳細考察了他對中國計
摘要：董鐵寶(1916-1968)是我國著名的科學家，在土木、抗震、力學與計算等方面卓有建樹，為中國的民族獨立與科學發展做出了重大貢獻.通過查閱資料、開展訪談以及參加董鐵寶紀念會，對董鐵寶的教育背景與工作經歷進行了較為全面的回顧，詳細考察了他對中國計算數學的貢獻.
關鍵詞：董鐵寶;土木工程;力學;計算機;計算數學
計算數學是現代數學的一個重要分支，主要研究數值計算方法的設計和分析等相關問題.20世紀40年代末期，隨著電子計算機的發明，計算數學開始快速發展并作為一門學科正式誕生[1].計算數學在中國的發展大致可以分為四個時期：肇始(40年代初中—50年代初)、創建(50年代中期—“文革”前夕)、恢復(改革開放—90年代初)與國際化(90年代中期—現在)，至今已呈現出欣欣向榮的局面[2].
在中國計算數學的初創階段，華羅庚做出了重大貢獻[3].此以，航空自動控制學家林士諤，數學家趙訪熊、徐獻瑜與徐利治，力學家董鐵寶等也做了重要工作[4].由于董鐵寶是土木工程與力學出身，加之去世較早，有關他的資料較少且不乏錯誤，已有較多研究關注他在力學方面的工作[5-7]，對計算數學論述不多.本文將對董鐵寶的生平、經歷，特別是在計算數學方面的貢獻進行較為全面的闡述考察.
1董鐵寶的教育背景與工作經歷
董鐵寶，江蘇武進人，1916年8月17日出生①，父親是中國著名法學家董康[8].1923年，董鐵寶隨父親遷居上海，先后就讀于上海實學中學、東吳二中、華僑中學、大同中學，1932年又插班考入南洋模范中學高中一年級[9].在南洋模范中學讀書時，董鐵寶沉默好靜，甚至還有幾分靦腆.他對課業不求爭勝，但卻有著自己的愛好與追求.特別是在畢業生的紀念冊上，董鐵寶寫下了“我不需要傳，但我等著干”的誓言[10].
1935年，董鐵寶考入交通大學(上海)土木工程學院.土木工程學院是交通大學最主要的三個學院之一，1936年時該院計有教授9人，專任講師4人，兼職講師2人，助教5人，師資力量雄厚[11].1937年八一三事變后日軍侵入上海，董鐵寶隨交通大學轉入租界繼續學習.1939年，董鐵寶從土木工程系②順利畢業.據董鐵寶的同鄉、交通大學機械系的同屆校友談鎬生院士回憶，董鐵寶是當時交通大學最優秀的學生之一[5]429.
畢業后董鐵寶決定離開上海孤島，到大后方為國效力.他冒著生命危險，經過艱困跋涉后，于1939年7月到達昆明，入職國民政府交通部技術廳橋梁設計處，先任實習員，后晉升為工程師.董鐵寶參與修建了滇緬公路上的功果新橋，其后又多次搶修被日軍轟炸的橋梁，保障了滇緬公路這條國際運輸線的通暢
太平洋戰爭爆發后，日軍從緬甸攻入中國云南.接上級命令，董鐵寶與同事們撤回了昆明.鑒于滇緬公路被切斷，中美兩國又開辟了穿越喜馬拉雅山的駝峰航線.駝峰航線的執飛需要大量機場，董鐵寶又積極投身到機場的修建工作中.滇緬公路與駝峰航線是中國歷時最久、運量最大的兩個國際通道，有力地支援了中國抗戰.董鐵寶曾在這兩條國際交通線上建功立業，為中國抗戰事業做出重大貢獻.
抗日戰爭勝利前夕，董鐵寶參加了國民政府教育部赴美留學考試并獲得通過，其中還有易家訓等人[12].1945年底，董鐵寶從印度乘船赴美，進入普渡大學土木工程系攻讀研究生，同時擔任助教.基于在交通大學求學時打下了的良好專業基礎，又在滇緬公路、機場建設中獲取的大量實踐經驗，董鐵寶僅用一年時間便獲得了碩士學位.
1947年，董鐵寶來到伊利諾伊大學土木工程系攻讀博士，他的導師是美國著名土木工程、抗震工程專家紐馬克(N.Newmark).紐馬克1934年博士畢業于伊利諾伊大學土木工程系，隨后留校任教直至退休，1943年晉升為教授，1956-1973年出任土木工程系主任.由于杰出的貢獻，紐馬克先后當選為美國藝術與科學院院士(1962)與美國科學院院士(1966)，并于1968年獲得美國國家科學獎章[13].
由于力學與土木工程密切相關，董鐵寶跟隨紐馬克攻讀博士學位時便開始關注結構力學，特別是與之相關的數值計算問題.1950年，董鐵寶完成了博士論文《廣義平面應力問題的一種數值方法》(Anumericalapproachtoproblemofgeneralizedplanestress)并順利獲得博士學位[14].同年3月，董鐵寶留校任教，擔任土木工程系助理教授.由于出色的研究能力，董鐵寶于1952年晉升為副教授.
紐馬克曾擔任過美國國防部科研委員會、美國科學研究與開發辦公室顧問，他從美國海軍研究辦公室(ONR)申請到一系列研究項目，其中很多項目都是由董鐵寶來完成.董鐵寶先后為美國海軍研究辦公室撰寫了多個技術報告，內容涉及結構力學的數值積分方法(1954)、熱力學的數值積分方法(1955)、高層建筑抗震的數值分析(1955)等[15-17].
由于紐馬克任伊利諾伊大學計算機實驗室主席(1947-1957)，因此董鐵寶還有幸參與了美國第一代電子計算機ILLIAC-Ⅰ的設計與編程.ILLIAC-Ⅰ是最早基于馮·諾依曼《EDVAC報告書的第一份草案》(FirstDraftofaReportontheEDVAC)的電子計算機.董鐵寶關于結構力學與熱力學的一系列數值計算都是在這臺計算機上實現.因此，董鐵寶是中國最早使用電子計算機的研究人員，是中國研究計算力學的先驅.
1956年，董鐵寶謝絕了校方與導師的挽留，毅然帶領全家回國[18].由于董鐵寶的杰出成就，北京大學、中國科學院力學研究所、計算技術研究所都熱忱相邀.最后董鐵寶選擇到北京大學數學力學系(以下簡稱數力系)任教，同時在中國科學院力學研究所、計算技術研究所、工程力學研究所兼職，直至1968年去世.
2對中國計算數學的貢獻
2.1研制計算機
由于在伊利諾伊時曾使用ILLIAC-Ⅰ進行計算，董鐵寶在數力系固體力學教研室任教的同時，還在計算數學教研室兼職.1955年，數力系抽調徐獻瑜、胡祖熾、吳文達、楊芙清組建了計算數學教研室[19].為了響應《十二年科技規劃》盡快在我國建立計算技術的要求，數力系又于1956年創辦了計算數學專業，并在1957年培養出中國首屆計算數學專業的畢業生.回國不久的董鐵寶隨即投入到中國計算事業的拓荒之中.
20世紀50年代是中國計算機的起步階段，最主要的任務是研制電子計算機.為了完成這一任務，數力系計算數學教研室又將北大教務科的張世龍調入.1956年，張世龍制作出“北大一號”模型機.由于諸多條件欠缺，該機不能運行.1958年，中科院計算所試制103機型成功，成為中國第一臺電子計算機.
國民經濟發展與國防工程建設，對計算機研制提出了更高的性能要求.中科院計算所開始仿制蘇聯BESM計算機(104)，北大也決定制造一臺中型計算機，取名“紅旗”.當時蘇聯工程技術專家攜帶圖紙到科學院進行指導，張世龍過去聽了幾次，但未能全部聽懂.
就在這一時期，經過徐獻瑜、吳文達的努力和爭取，董鐵寶將個人的主要業務轉入計算數學教研室.董鐵寶的到來對于張世龍可以說是雪中送炭，他們經過一連數天的討論，分析了計算機內部的基本結構，比較了蘇聯BESM和美國EDVAC指令系統和總體設計的優缺點，以及可以做哪些改進，然后開始帶領學生們制作計算機[20].
當時國防科委正在參照美國的SAGE(半自動地面防空系統)研發自己的系統，得知北大與計算所都在研制計算機，商定由北大、計算所與五院合作，研制甲、乙、丙三臺晶體管計算機，總稱109機.董鐵寶參加了系統前期設計的幾次討論，安東將軍曾專程到董鐵寶的家中進行拜訪①.張世龍后來對此懷念道：
“我較快地講授計算機原理課程和掌握了當時設計大型計算機的理念，對北大計算機教學科研都有較長期的影響.應該說，在很大程度上得力于董鐵寶教授的啟發和幫助!”[20]22
2.2文獻與情報咨詢
董鐵寶在回國前夕盡心搜集各種文獻，并把它們復制成微縮膠卷，其中有相當一部分是關于計算機與計算數學.特別是他帶回的馮·諾依曼《EDVAC報告書的第一份草案》，包括2001年度國家最高科技獎獲得者、漢字激光照排系統創始人王選院士和夫人陳堃銶在內的許多年輕人，都是通過董鐵寶才第一次閱讀到這篇珍貴的文獻②.
除此以外，董鐵寶還特意在留美數理邏輯學家王浩那里留下一筆資金，委托他定期寄來《計算機協會通訊》(CommunicationsofACM)等刊物，并主動借給王選夫婦看.20世紀60年代，王選幾乎閱讀了董鐵寶訂閱的每一期《計算機協會通訊》，其中載有重要文章的卷期更是有借無還.王選保留的最重要的一期雜志是1961年第1期，這期雜志上有美國RumpGroupSeminar上發表的一系列關于ALGOL60編譯的文章，他關于DJS21機ALGOL60編譯系統中關于換名參數的處理方法完全是從此學來的.后來王選向董鐵寶匯報DJS21編譯系統的重要特色———源語言一級上的有力調試措施，并征求他意見.董鐵寶肯定地說：“不敢說百分之百，但絕大多數程序故障都能通過這一系統查出.”這使得王選很受鼓舞，后來這些措施深受用戶歡迎[21].
20世紀60年代初期，電子計算機在工程力學上的應用開始凸顯，董鐵寶為此做了不少努力.他曾到哈爾濱為中國科學院工程力學所舉辦電子計算機應用的短期訓練班，還曾在計算所舉辦過彈性力學短期講習班.董鐵寶強調工程研究要有數量概念，要學會數值計算，而計算方法的研究同樣需要掌握力學和工程的相關知識[7]68.
2.3學術指導
董鐵寶還在中科院計算所三室(計算數學研究室)承擔了很多學術指導工作，1962年崔俊芝院士進入計算所三室二組工作，他回憶道：
“二組主要負責邊值問題(水壩計算)和大規模的矩陣計算(建筑結構分析).我被分在水壩組，主要跟隨馮康先生一起做研究;董先生主要負責建筑組，與他在學術上接觸較多的是曹維潞、易成貴和杜瑞明，董先生曾帶領他們參與成昆鐵路上的橋梁計算.當時橋梁與飛機的計算用的都是結構分析的矩陣方法，這也是有限元思想的萌芽.在有限元方法出現之前，董先生已帶領很多年輕人學習過阿格瑞斯(J.H.Argyris)等人關于結構矩陣分析的前驅性文章，我也認真讀過這方面的一本著作.”③
董鐵寶對具體的計算方法十分嫻熟.有一次，工作人員在一個壓力容器熱應力的計算任務中遇到困難.由于容器的力學模型有性質不同的兩個區域，無法運用統一的計算方法.董鐵寶建議采用一種混合方法，即在一個區內用低松弛迭代而另一個區內用高松弛迭代，計算效果良好.在求解橢圓型方程邊值問題中，由于他熟悉結構力學，因此運用了力學中一些方法進行離散化，從而避免了使用差分法而帶來的一些困難[7]68.
董鐵寶善于從力學中提煉問題，他從實際問題出發提出了一類重要的計算數學問題———剛性方程(Stiffequation).20世紀60年代初，剛性問題在國際上成為常微分方程求解中的重要課題，他積極支持、組織三室第四組的年輕科研人員開展學習和討論.此外，董鐵寶對國際上計算數學研究的最新動態也有深入的了解[22].
2.4研究生培養
董鐵寶在中科院計算所三室還承擔著培養研究生的任務，當時在他名下有四、五個研究生.1961年，周天孝進入三室跟隨董鐵寶攻讀研究生，他的論文題目是“大型非對稱矩陣特征值的計算方法”.這個課題有著重要的工程力學分析價值，又是數值方法研究的熱點.董鐵寶常告誡周天孝，要把計算研究做好，力學基礎是必不可少的.
在設計的算法理論上可行之后，董鐵寶又特別強調周天孝一定要在104計算機上進行系統的測試.在董鐵寶的指導下，周天孝順利地完成了論文，并于1965年通過了由計算所馮康，北京大學徐獻瑜、董鐵寶和清華大學的趙訪熊組成的答辯委員會①.四年的研究生學習，周天孝打下了扎實的計算基礎.畢業后他到國防科委航天研究院工作，很快在航空計算力學領域脫穎而出，取得了一系列成績.
1964年，北京大學的王烈衡與中國科學技術大學的孫家昶考入計算所三室讀研究生.為了集北大與科學院兩家的優勢，當時負責研究生培養業務的馮康決定自己培養來自北大的王烈衡，而將來自科大的孫家昶交給董鐵寶培養.董鐵寶送給孫家昶一本《矩陣論》的著作，還有一本《數學分析中的矩陣計算》的習題集，交代他用半年的時間讀書并完成習題②.董鐵寶去世后，孫家昶跟隨馮康繼續攻讀研究生，后成為著名的計算專家.
3結語
隨著計算機與計算數學的快速發展，計算已成為與理論、實驗相并列的第三種科學方法，催生出計算力學、計算物理、計算化學等一系列新的學科分支.在這些學科中，計算數學是它們共同的紐帶和基礎.因此在中國計算數學歷史的研究過程中，除了考察學科主體計算數學家的貢獻外，還需要關注那些與之有密切關聯的科學家與工程師的工作，董鐵寶便是這樣一位學者.
董鐵寶在求學期間主攻土木工程，之后逐漸將注意力轉移到力學.在解決一些力學問題的過程中，他敏銳地注意到數值計算的重要性，開始用電子計算機進行力學計算.回國后，董鐵寶又積極投身于中國電子計算機的研制當中，他帶回的一系列關鍵文獻發揮了極其重要的情報作用.董鐵寶積極倡導力學與計算數學的交叉融合，指導年輕研究人員開展相關研究，并培養了數位研究生.董鐵寶為中國計算數學的發展做出了重大貢獻.
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