原創性研究引領學生創新能力的培養

馮小明　曹偉地　劉小華

摘 要：培養學生的創新能力，要基于學生不同階段的心理和學習特點、結合教學內容的知識體系，將新的科學前沿成果融入課堂教學，讓學生認識科學本質，了解科學起源和進展，激發學生對科學的好奇心和激情。要圍繞重要的具有挑戰性的科學問題，培養學生提出問題、分析和解決問題的能力，做具有“原創性、創新性、引領性和有用性”的研究。通過原創性科學研究，完善學生的知識體系，強化學生的創新意識、創新能力和責任擔當。

關鍵詞：人才培養;原創性研究;創新能力培養

人才是科技創新的關鍵，是國家發展進步的重要支撐，是建設科技強國的基石。高校是人才培養的重要基地。作為大學教師，在教書育人過程中，教什么？育什么？這是值得思考的問題。我們認為歸納起來就是三點，即培養什么樣的學生？怎樣培養？優秀學生（人才）具有怎樣的特征？

關于培養什么樣的學生，教育部、各高校都已提出了明確的培養目標，就是要使本科生具有扎實的基礎理論知識和系統的專業知識。現在這個目標放得更開，即大眾化的教育。簡單地說，就是培養學生的技能和能力，將來既能支撐家庭，也能為國家做貢獻。如何培養就成了關鍵，不同的老師有不同的理念、不同的體會，沒有統一的培養模式。但對于優秀學生的特征應該都是一樣的，包括智慧、勤奮、誠信、自信、擔當等。

一、大學是培養學生創新能力的主要階段

學生學習一般可以分為兩個階段：一個是接受知識階段。孩子出生后首先與父母接觸，父母是第一任老師，教孩子認識世界，認識周圍的環境，學會走路、說話等。在幼兒園里，幼兒園老師初步教他們對人、對自然界形成一些認識，在玩樂中使孩子熱愛自然，熱愛他人，享受幼年的樂趣。上小學后開始接受正規的知識，包括語文、數學、自然和藝術等，從簡單認字、組詞以及加減乘除等，到記錄一些對世界的認知認識，以及掌握一些能夠用來表述對世界認知的基礎知識。在初中階段，課程有所增加，涵蓋了物理、化學、生物、地理以及其他一些課程，開始加深對自然界系統性知識的認識和理解，學習一些規律定律等，并用這些規律定律來理解自然界的一些現象。到了高中階段，老師加快了知識傳授的速度，且在知識的系統化方面進行延伸，引導學生進一步認識自然界。從學前階段到高中階段，學生基本上都是處于接受知識的狀態。

進入高等教育階段，尤其是在大學一二年級，仍然是以老師傳授知識、學生接受知識為主。在此期間，老師會講授更廣泛也更深入的內容，讓學生去領會，去融會貫通。對于理工科學生，老師將指導學生通過一些設計實驗驗證理論知識，使理論知識和實踐教學緊密結合，專業知識得以鞏固。到了大學三四年級，學生逐漸從接受知識階段向創造知識階段轉變，優秀的學生會提前進實驗室，進一步學習和拓展實驗技能，并閱讀專業文獻，了解學科前沿進展和社會發展技術需求，并與課本上基礎知識結合起來，通過分析總結，思考如何創造知識，將未知變成已知。在這個過程中，學生的思考能力和創新能力得到提高。此外，本科畢業設計是提升學生創新能力的又一個系統訓練。進入碩士、博士學習階段后，與本科階段相比發生了質的變化，培養學生凝練科學問題的能力和創新意識更為重要。學生在掌握專業基礎理論和學科發展狀況的前提下，通過分析問題、提出問題并探討解決問題的途徑和方法，從而創造知識，創新能力得到質的飛躍。學生從接受知識階段到創造知識階段之間并沒有明顯的界限，其中還有一個重要的環節，就是將學到的知識融會貫通，利用接受的舊知識創造新知識。

二、原創性研究對學生創新能力的培養具有重要影響

原創性基礎研究，即在規律、機理等方面取得首次發現的研究，是技術創新和科技發展的重要基礎，是培養和造就科技人才的搖籃，對推動人類社會進步和經濟發展有重大影響。盡管現在不少科學知識體系的發展都處于一種比較成熟的階段，普遍認為只要接受并使用就夠了，但要做到真正的創新，就必須突破已有的結論、規律和定律。

2003年美國科學院院士、哈佛大學Jacobsen教授在《科學》上發表的文章[1]和后來大家公認的結論：剛性構象是優勢手性催化劑（即能夠催化多種反應并取得優異結果的手性催化劑）的重要特征。基于這種認識，我們最初在設計催化劑時也是沿著這個思路，但后來我們設計合成了一類新型手性雙氮氧化合物，兩邊是剛性骨架，中間由一個柔性烷基鏈連接，類似中國功夫里的雙節棍。這類柔性構象手性雙氮氧催化劑[2-4]的發現突破了以往優勢催化劑剛性骨架要求的理念，為新型手性催化劑的設計提供了新思路，現已成了一類在國際上具有引領性的手性催化劑，被國際同行以中國本土化學工作者姓氏命名為“馮催化劑”[2]。

還有一個例子，有機化學課程中關于手性1，3-二羰基化合物性質的介紹，現有教材都明確指出：“1，3-二羰基化合物的α-碳上連接有氫原子時，很容易發生烯醇化而導致不能得到光學純的1，3-二羰基化合物”;牛津大學出版的《有機化學》教材中對于1，3-二羰基化合物是這樣描述的：“嘗試制備手性中心位于兩個羰基之間的光學活性β-酮酯是愚蠢的”[5]。我們課題組的一個大三學生在上了“有機立體化學”課程后，對這個內容很好奇，也很感興趣，就想挑戰這個難題。我們設想，如果能找到合適的分離手段，避免消旋化，這個問題應該就能解決，于是考察了重氮化合物與醛反應（即Roskamp反應[6]，得到的產物是1，3-二羰基化合物）。前期的研究結果表明，這類化合物確實容易發生消旋化。我們通過對實驗細節的分析和討論，確認了影響數據波動的因素，并通過低溫柱層析或快速抽濾的方式解決了消旋化問題，從而得到了光學活性的1，3-二羰基化合物，且重現性很好[7]。該《有機化學》教材主編Clayden教授在了解這個研究工作后給我們來信說，“之前關于無法得到光學純的1，3-二羰基化合物的說法是基于哈佛大學的Evans教授在10多年前發表的工作”。他表示，將把我們的工作寫入下一版教材，糾正之前的結論。這一工作也被編入美國愛思唯爾（Elsevier）出版社的人名反應專著“Organic Synthesis Based on Name Reactions”（基于人名反應的有機合成），并被冠名為Roskamp-Feng反應（Feng即馮小明）[8]。

這是第一個以中國本土研究工作命名的有機人名反應。在完成這項研究工作后，這個學生又實現了一系列創新性的工作，為世界同行在該研究領域打開了一個方向。

抗瘧性藥物青蒿素挽救了全球萬千生命。但是，這個藥物已被發現在巴西和柬埔寨等地產生了抗藥性，因此要尋找新的抗瘧疾藥物。一個具有新作用機制和低毒性的手性抗瘧疾候選藥物KAE609已經由美國諾華公司研發并開始了二期臨床試驗，因而我們關注這個化合物的合成。文獻方法是，先合成消旋體，再經手性拆分，獲得單一構型的光學純分子，理論收率不會超過25%，實際收率只有約2%[9]。我們課題組的學生基于對手性藥物的好奇心和對發展綠色高效合成方法重要性的認識，通過分析已有方法并合理設計，利用我們的特色催化劑，發展了一個簡單、高效、高選擇性的合成該手性藥物分子的不對稱催化新方法[10]。

這些實例表明，通過開展原創性研究工作，并融入課堂教學，會引導學生從現象中凝練問題、分析問題并尋求解決方案，形成系統化的知識。經過這樣的過程和訓練，能夠使學生突破已有的知識，創造新的知識，創新意識和創新能力得到顯著提高。

三、如何培養學生的創新能力

培養學生的創新能力，關鍵的一點就是激發學生對知識、對科學的渴望與好奇。愛因斯坦曾說過“興趣是最好的老師”，這句話非常有道理。美國的諾貝爾獎獲得者為什么這么多？科技創新能力為什么這么強？實際上與他們的教育模式是密不可分的。他們的學生若想進入美國一流高校，從中小學就要開始忙碌，甚至在中午吃飯的時候，端個盒飯去做公益，這樣就可以利用更多的時間拿到更多的積分，為自己進入大學積累砝碼。盡管學習過程和國內一樣辛苦，但是他們的學生能樂在其中，主要原因就是對自己所學習的內容感興趣，滿懷激情地投入進去。國內的家長和學校在教育和培養學生過程中，沒能對“興趣是最好的老師”這句話足夠的重視和真正地實踐，從小學到大學，甚至到研究生階段，很多時候僅僅把它當作一句口號，教學過程中照本宣科，不能激發學生的學習熱情和主觀能動性，并主動去理解原理和本質，使學生缺乏創新意識和創新能力。因此，我們老師在授課、指導學生或科普過程中，應引入一些自然現象和一些科學問題激發學生的好奇心，用好奇心驅動學生的學習激情，促使學生主動探索，對自己的學習科研產生主人翁意識。比如，我們給學生講授“有機立體化學”課程時，會涉及一個基本概念——“手性”，這個時候讓學生觀察自己的雙手有什么異同，為什么是鏡面對稱但又不能完全重疊？組成生命體的天然手性氨基酸為什么都是L構型而不是D構型的？藤纏樹為什么都是沿同一個旋轉方向纏繞？這些問題都會促使學生主動思考“手性”的意義和手性化學的重要性[11]。

除了好奇心驅動學習激情，責任和擔當意識的融入能夠使學生認識到專業知識學習的意義和科學研究的價值，進一步激發和堅定學生的學習興趣和激情。比如，我們在給學生講授含膦化合物性質時，引入科學研究中的實例：治療丙肝藥物索菲布韋和治療新冠候選藥物瑞德西韋等含膦化合物是造福人類的，而另一類含膦化合物卻被某位諾貝爾獎得主用于開發致命的神經毒劑。

在教學內容上，除了教學大綱要求的內容，老師要不斷地融入新知識、新進展，包括學科前沿、學科進展、發展趨勢，尤其是一些原創性研究，引領學生融會貫通，將專業知識進行創新用于解決問題。要提出有重要意義的挑戰性問題，啟發學生去思考解決。比如“啃骨頭”的問題，就像數學中的百年猜想，經歷很多學者不斷探索、最終解決的問題。還要注重培養學生利用多種手段、多種方式、多個途徑去解決問題的能力。現在已有的一些手段、方式、途徑是可用的，也很重要，但更重要的是使學生深入理解，舉一反三，進而創新創造。

此外，每一位學生都有各自的思想、性格和特點。作為老師，要有寬廣的胸懷，要關愛每一位學生，對每一位學生都非常了解，對不同的學生采用不同的教學模式，做到有教無類、因材施教，這樣才能培養出更多的有責任擔當、有創新能力和創造能力的人才。

四、關于學生綜合素質的培養

立德樹人是教師的根本任務。對于學生的培養，不僅僅是文化知識的傳授、創新能力的提高，綜合素質的培養同樣非常重要。我們課題組20年來培養了100多名碩士、博士畢業生，形成了“智慧、勤奮、誠信、自信，抓住機遇，走向成功”的課題組文化，以及“堅定信念，敢于創新，實事求是，強化責任”的育人理念。“堅定信念”就是執著追求，人能走多遠，不能看雙腳，而是看志向;人能攀多高，不能看雙手，而是看意志。要教導學生在大學之初就樹立遠大的目標和理想，并沿著這個目標腳踏實地、努力奮進。“敢于創新”就是要做真正的原始性研究，如果始終跟著別人的研究走，只能是證明別人的好，在任何時候都會被“卡脖子”，而如果自己做出“從0到1”的原創性成果，再利用原創性研究產生原創性技術，就能開辟新領域，發展新方向，引領學科發展。“實事求是”是指做人做事要嚴守底線，經得起時間的檢驗，尤其是科學研究，不能有半點虛假。最后是“強化責任”，大到為國家、為民族，小到為家庭、為個人，都應盡到自己的責任，回報父母，回報社會，為國家富強和民族復興做出貢獻。

總之，優秀學生的成長過程是復雜的，會受到各種因素的影響。學生首先要明確自己的目標和理想，然后制定計劃，按照計劃行動，在這過程中要克服各種困難，最終才能取得成功。作為老師，在培養學生過程中要將新的知識、新的科學前沿成果，尤其是原創性研究融入課堂教學，讓學生了解科學、認識科學，激發學生對科學的好奇心和激情，從而熱愛科學，愿意從事科學研究，探索科學的奧秘;要引導學生樹立正確的世界觀、人生觀、價值觀，培養學生的科學精神和勇攀科學高峰的責任感;要強化學生的創新意識和創新能力，使之成為有德有才的社會精英。讓創新成為一種素質，伴隨著學生的成長，為引領人類社會的發展

領跑！

參考文獻：

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[11] 林國強，李月明，陳耀全，等. 手性合成——

不對稱反應及其應用：第5版[M]. 北京：科學出版社， 2013.

[責任編輯：夏魯惠]