學(xué)科交叉培養(yǎng)計(jì)算化學(xué)研究生創(chuàng)新能力的探索

張婷婷

（山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041000）

研究生創(chuàng)新能力是培養(yǎng)研究生的主要工作目標(biāo)。而很多研究課題僅用一個(gè)學(xué)科的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有綜合多學(xué)科的科學(xué)技術(shù)才有可能在科學(xué)問(wèn)題上取得突破，因此可以說(shuō)學(xué)科交叉的本質(zhì)就是創(chuàng)新。我國(guó)一直 “鼓勵(lì)開(kāi)展跨學(xué)科研究”［1］，多次強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)交叉學(xué)科群的組建和學(xué)科之間協(xié)同創(chuàng)新［2］。2020年7月，習(xí)近平總書(shū)記再次強(qiáng)調(diào)研究生教育工作的重要性，指出研究生教育在培養(yǎng)創(chuàng)新人才等方面具有重要作用［3］。因此，探索如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的研究生具有十分重要。

1 學(xué)科交叉培養(yǎng)計(jì)算化學(xué)研究生創(chuàng)新能力的重要性

在解決重大科學(xué)問(wèn)題時(shí)一定是需要多學(xué)科的知識(shí)，同時(shí)也一定是該領(lǐng)域創(chuàng)新性的成果。近幾年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)［4］的研究成果均與學(xué)科交叉密切相關(guān)。2020年和2018年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的成果與生物領(lǐng)域密切相關(guān)，分別是關(guān)于 “基因組編輯方法”和“酶”的科學(xué)研究；2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了與物理學(xué)科相關(guān)的 “冷凍電子顯微鏡技術(shù)”。由此可以看出，化學(xué)已經(jīng)與其他學(xué)科相互交叉共同發(fā)展，這些重大成果都涉及到多學(xué)科的進(jìn)步［5］。可以說(shuō)，學(xué)科交叉是科研創(chuàng)新的生長(zhǎng)點(diǎn)，由此將可能產(chǎn)生重大的科學(xué)突破，從而推動(dòng)科學(xué)的發(fā)展［6］。

計(jì)算化學(xué)的核心學(xué)科是化學(xué)，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)利用相關(guān)理論方法來(lái)計(jì)算解決其他學(xué)科的科學(xué)問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)在于可以解決或是解釋實(shí)驗(yàn)中無(wú)法回答的問(wèn)題，提供具體實(shí)驗(yàn)無(wú)法提供的相關(guān)數(shù)據(jù)。所以計(jì)算化學(xué)可以說(shuō)是典型的多學(xué)科融合的結(jié)果。這不僅使人們認(rèn)識(shí)到化學(xué)不再是純實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，而且有助于加快其他學(xué)科的快速發(fā)展。目前計(jì)算化學(xué)不僅在化學(xué)本學(xué)科內(nèi)得到應(yīng)用，而且在其他相關(guān)學(xué)科中也發(fā)揮了重要的作用［7］。另外，2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予理論化學(xué)的科學(xué)家，說(shuō)明理論計(jì)算方法取得了重大成果，同時(shí)也說(shuō)明計(jì)算化學(xué)的重要性。

從科技發(fā)展的前沿可以看出學(xué)科交叉是科學(xué)研究的大趨勢(shì)。在此背景下，研究生作為一支重要科技力量，更應(yīng)培養(yǎng)其創(chuàng)新思維，激發(fā)其創(chuàng)造力，使其科學(xué)素養(yǎng)能全面發(fā)展和提升。根據(jù)計(jì)算化學(xué)的研究特點(diǎn)，基于學(xué)科交叉培養(yǎng)其創(chuàng)新能力有助于提升研究生的科學(xué)素質(zhì)。本文就計(jì)算化學(xué)研究生的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀提出相應(yīng)的對(duì)策，并在實(shí)施過(guò)程中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探討基于學(xué)科交叉的計(jì)算化學(xué)研究方向的研究生科研創(chuàng)新能力培養(yǎng)問(wèn)題，希望為此專業(yè)的研究生教育質(zhì)量的提高提供理論和實(shí)踐參考。

2 學(xué)科交叉培養(yǎng)計(jì)算化學(xué)研究生的現(xiàn)狀

計(jì)算化學(xué)中理論方法和計(jì)算軟件發(fā)展很快，具體應(yīng)用時(shí)可以選擇一種或是幾種方法的進(jìn)行研究。從理論上說(shuō)，可以選擇適當(dāng)?shù)睦碚摲椒▽?duì)任何分子進(jìn)行計(jì)算。因此，計(jì)算化學(xué)已經(jīng)應(yīng)用在生物、材料等領(lǐng)域。這就要求計(jì)算化學(xué)方向的導(dǎo)師和學(xué)生都得具備多學(xué)科較寬、較多的知識(shí)儲(chǔ)備。我校已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到交叉型人才培養(yǎng)的重要性，積極進(jìn)行研究生培養(yǎng)改革。在 《山西師范大學(xué)關(guān)于落實(shí)＜山西省人民政府關(guān)于實(shí)施 “1331工程”統(tǒng)籌推進(jìn) “雙一流”建設(shè)的意見(jiàn)＞的實(shí)施方案》（晉師黨字 ［2017］23號(hào)）中指出，研究生是科學(xué)研究的重要力量，要重視并提升培養(yǎng)質(zhì)量。但是調(diào)研發(fā)現(xiàn)，本校計(jì)算化學(xué)研究生目前的綜合性知識(shí)能力不足，普遍存在開(kāi)創(chuàng)性思維不足和開(kāi)創(chuàng)性工作能力缺乏的現(xiàn)狀。計(jì)算化學(xué)研究生創(chuàng)新性不足的原因可能有：

1）從課程設(shè)置來(lái)看，學(xué)科交叉融合度較低。目前對(duì)計(jì)算化學(xué)研究方向的研究生開(kāi)設(shè)的課程仍然是傳統(tǒng)模式，必修課程主要是化學(xué)類的基礎(chǔ)課，沒(méi)有交叉學(xué)科的課程。計(jì)算化學(xué)的相關(guān)課程主要體現(xiàn)在選修課上，但上課內(nèi)容仍是一些計(jì)算基礎(chǔ)，沒(méi)有涉及其他學(xué)科的相關(guān)研究?jī)?nèi)容。造成這種情況可能和目前教師的專業(yè)研究背景有關(guān)，這樣學(xué)生就不能在課程中及時(shí)有效的了解其他學(xué)科的研究熱點(diǎn)，從而不能有效引導(dǎo)學(xué)生的研究興趣。從創(chuàng)新人才培養(yǎng)的理念及體制上看存在明顯的局限性。

2）從教學(xué)方式上看，學(xué)生的主動(dòng)性不足。課程教授過(guò)程中比較多的還是教師在 “教”，而忽視了 “學(xué)”的主體［8］。課程內(nèi)容有關(guān)學(xué)科交叉的知識(shí)較少，甚至沒(méi)有提到學(xué)科之間的聯(lián)系交叉點(diǎn)，導(dǎo)致課堂主要是書(shū)本知識(shí)的傳授，使學(xué)生不能體會(huì)到計(jì)算化學(xué)與其他專業(yè)之間的密切關(guān)系。學(xué)生在 “學(xué)”的過(guò)程中，沒(méi)有相互交流的機(jī)會(huì)，不清楚學(xué)科交叉對(duì)科學(xué)研究的重要性，這就必然導(dǎo)致科研視角不開(kāi)闊。

3）從科研角度上看，創(chuàng)新意識(shí)不足。導(dǎo)師在研究生培養(yǎng)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，如何啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)是研究生教育的重點(diǎn)。導(dǎo)師一般對(duì)本學(xué)科的研究進(jìn)展比較熟悉，也有比較成熟的研究技能，但對(duì)其他專業(yè)的了解需要及時(shí)更新知識(shí)，否則就不能從學(xué)科交叉的角度有效的指導(dǎo)學(xué)生。目前化學(xué)專業(yè)的導(dǎo)師與其他學(xué)科的導(dǎo)師溝通不足，計(jì)算化學(xué)研究生與其他專業(yè)交流的機(jī)會(huì)較少［9］。

3 學(xué)科交叉培養(yǎng)計(jì)算化學(xué)研究生創(chuàng)新能力的對(duì)策

當(dāng)下計(jì)算化學(xué)研究生創(chuàng)新能力的提高主要基于學(xué)科交叉，這樣才能具有寬泛的視野學(xué)習(xí)多學(xué)科的專業(yè)知識(shí)，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)去研究和解決實(shí)際問(wèn)題。結(jié)合一些綜合院校的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)［10］，提高我校計(jì)算化學(xué)研究生創(chuàng)新能力可以采取的對(duì)策有：

1）優(yōu)化課程設(shè)置。建立學(xué)科融合課程體系，一方面擴(kuò)大核心課程的知識(shí)寬度，另一方面深化選修課的內(nèi)容。由不同學(xué)科背景的教師組成教師團(tuán)隊(duì)，共同研究上課內(nèi)容，更新知識(shí)體系，將與計(jì)算化學(xué)相關(guān)的學(xué)科知識(shí)都融入到課程設(shè)計(jì)中，這將為研究生的創(chuàng)新思維的開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)。2）改變課堂教學(xué)。在教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，改革教學(xué)模式，實(shí)施翻轉(zhuǎn)課堂、分組討論、合作完成課題等新型課堂教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究的興趣，同時(shí)加強(qiáng)引導(dǎo)學(xué)習(xí)其他學(xué)科的研究前沿，開(kāi)拓學(xué)習(xí)的視野。3）提高創(chuàng)新能力。培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力，導(dǎo)師要有目的、分步驟的引導(dǎo)，不是命令式或是回答式的和學(xué)生交流，而是應(yīng)該以身作則去影響學(xué)生，積極和其他學(xué)科專家交流，創(chuàng)造濃厚的學(xué)術(shù)氛圍。4）增加學(xué)術(shù)交流的機(jī)會(huì)。有了學(xué)習(xí)動(dòng)力才有可能創(chuàng)新，無(wú)論是校內(nèi)還是國(guó)內(nèi)專業(yè)的學(xué)術(shù)交流都是非常必要的。不同級(jí)別的學(xué)術(shù)交流都將為研究生培養(yǎng)搭建跨學(xué)科研究平臺(tái)。校內(nèi)相關(guān)學(xué)科團(tuán)隊(duì)定期的交流會(huì)進(jìn)一步理解學(xué)科交叉的重要性。

4 學(xué)科交叉培養(yǎng)計(jì)算化學(xué)研究生創(chuàng)新能力的實(shí)施過(guò)程

在學(xué)科交叉背景下培養(yǎng)計(jì)算化學(xué)研究生創(chuàng)新能力的主要實(shí)踐內(nèi)容如下：

1）允許學(xué)生跨專業(yè)選修課程。目前本校計(jì)算化學(xué)的研究生，跨專業(yè)的課程較少，那么鼓勵(lì)學(xué)生到化學(xué)相關(guān)專業(yè)去聽(tīng)課，捕獲科技前沿知識(shí)和動(dòng)態(tài)。有機(jī)會(huì)參與化學(xué)相關(guān)專業(yè)老師的科研當(dāng)中，將更加激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而創(chuàng)新思維將會(huì)形成。2）設(shè)置開(kāi)放課堂。加強(qiáng)文獻(xiàn)的閱讀，重視交叉學(xué)科知識(shí)的培養(yǎng)，互教互學(xué)，發(fā)揚(yáng)學(xué)術(shù)民主，允許學(xué)生提出批評(píng)。面對(duì)一個(gè)全新研究領(lǐng)域，學(xué)生閱讀的文獻(xiàn)多，接受新知識(shí)、新技術(shù)快，通過(guò)討論，無(wú)論是學(xué)生還是老師，創(chuàng)新能力都將會(huì)提升。3）創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。導(dǎo)師在培養(yǎng)研究生的過(guò)程中，方法是 “導(dǎo)”，把他們引上路，營(yíng)造公平、公正、良性競(jìng)爭(zhēng)的創(chuàng)新文化氛圍，讓學(xué)生獨(dú)立總結(jié)科研思路，這樣將開(kāi)闊學(xué)生思維，掌握多學(xué)科知識(shí)，從而提高創(chuàng)新能力。

首先，要求獨(dú)立查閱文獻(xiàn)，在自己研究的相關(guān)領(lǐng)域或?qū)ψ约焊信d趣的問(wèn)題，寫(xiě)一篇綜述，并爭(zhēng)取在有關(guān)學(xué)術(shù)刊物上正式發(fā)表。這一步是基礎(chǔ)，是培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，在查閱和撰寫(xiě)過(guò)程中，思維方式、閱讀和分析問(wèn)題的能力將得到很大提升。

然后，要求獨(dú)立選擇研究?jī)?nèi)容。興趣是進(jìn)行科研的動(dòng)力，學(xué)生在廣泛查閱文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上必然會(huì)對(duì)某些方面產(chǎn)生疑問(wèn)，此時(shí)引導(dǎo)他們?cè)O(shè)計(jì)研究路線，分析可能存在的困難，鼓勵(lì)他們勇敢、堅(jiān)定的獨(dú)立解決問(wèn)題。作為導(dǎo)師，雖然提前擬定了一些研究題目，但是在與學(xué)生商定研究課題時(shí)，如果他們提出的課題與自己的想法相同或相近，盡量支持他們的想法，盡可能避免他們被動(dòng)地執(zhí)行導(dǎo)師下達(dá)的課題。這種做法的好處是，克服了學(xué)生的依賴思想，增強(qiáng)了學(xué)生自主選擇權(quán)的意識(shí)，訓(xùn)練了他們創(chuàng)新思維能力。

再次，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。前兩步是讓研究生在基礎(chǔ)理論和基本知識(shí)方面打好基礎(chǔ)，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力，下一步應(yīng)該重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。作為一個(gè)研究生，即使他們有豐富的想象力，能夠提出有創(chuàng)意的研究課題，但是他們不具有獨(dú)立的操作能力，不能解決研究中的實(shí)際問(wèn)題，那么他們就不能把創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)造性的成果。這一點(diǎn)對(duì)于培養(yǎng)自然科學(xué)技術(shù)工作者極為重要。

通過(guò)研究具有跨學(xué)科背景的科研課題，將有可能做出創(chuàng)新性的研究成果。通過(guò)與北京師范大學(xué)等名校專家的交流學(xué)習(xí)，結(jié)合自身的研究方向，在培養(yǎng)計(jì)算化學(xué)研究生的過(guò)程中，學(xué)生獨(dú)立確定的研究?jī)?nèi)容有：

1）計(jì)算化學(xué)與材料設(shè)計(jì)相結(jié)合。太陽(yáng)能一直是科學(xué)家關(guān)注的一種清潔能源。開(kāi)發(fā)新型發(fā)光材料成為研究熱點(diǎn)，引導(dǎo)研究生應(yīng)用計(jì)算化學(xué)的相關(guān)原理，研究太陽(yáng)能電池中的染料分子的結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)，討論其結(jié)構(gòu)與發(fā)光機(jī)制之間的內(nèi)在關(guān)系，并模擬染料分子在太陽(yáng)能電池中的光電轉(zhuǎn)換性能。利用總結(jié)的相關(guān)規(guī)律設(shè)計(jì)性能更好的染料分子，這將為實(shí)驗(yàn)合成性能更好的新型染料分子提供相關(guān)的理論信息［11］。

2）計(jì)算化學(xué)與生物體系相結(jié)合。生物學(xué)的相關(guān)信息與人的發(fā)展密切相關(guān)，研究生產(chǎn)生了濃厚的研究興趣。由于生物學(xué)數(shù)據(jù)無(wú)論是數(shù)量還是復(fù)雜性都不斷增長(zhǎng)，僅僅通過(guò)做實(shí)驗(yàn)已經(jīng)無(wú)法達(dá)到預(yù)期研究目的，計(jì)算化學(xué)將發(fā)揮重要作用，即通過(guò)科學(xué)的模擬將推斷出有用信息。例如，研究表明非自然堿基能夠增加基因信息的存儲(chǔ)量進(jìn)而擴(kuò)大基因表。然而，目前尚不清楚它們是否和天然堿基一樣具有較高的光穩(wěn)定性。利用計(jì)算方法研究了一些非天然堿基的光物理機(jī)理。

3）建立協(xié)同培養(yǎng)和學(xué)術(shù)交流。通過(guò)校內(nèi)、外導(dǎo)師之間的聯(lián)合協(xié)同培養(yǎng)機(jī)制，同時(shí)加強(qiáng)國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，例如化學(xué)年會(huì)、量子化學(xué)會(huì)議以及和本專業(yè)研究方向有聯(lián)系的相關(guān)學(xué)術(shù)會(huì)議。協(xié)同協(xié)同培養(yǎng)和學(xué)術(shù)交流的結(jié)果不僅提高了導(dǎo)師自身科學(xué)素養(yǎng)，研究生的科研視野也大大開(kāi)闊了，思維方式也會(huì)發(fā)生創(chuàng)新。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，以交叉學(xué)科為導(dǎo)向培養(yǎng)計(jì)算化學(xué)創(chuàng)新的創(chuàng)新能力是有效的。其中，導(dǎo)師對(duì)研究?jī)?nèi)容的引導(dǎo)和提供多學(xué)科研究平臺(tái)非常重要，這不僅能激勵(lì)學(xué)生的科研興趣，也會(huì)增強(qiáng)和鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力，從而全面提高研究生的科研素質(zhì)。