諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)跨學(xué)科研究對(duì)高等教育教學(xué)改革的啟示

[摘 要] 通過(guò)對(duì)諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)研究成果的統(tǒng)計(jì)分析，以及對(duì)典型諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)得主經(jīng)歷的分析，揭示了跨學(xué)科研究在現(xiàn)代科學(xué)研究活動(dòng)中的發(fā)展趨勢(shì)，展示了跨學(xué)科研究活動(dòng)對(duì)推動(dòng)原始創(chuàng)新的巨大作用，由此得到對(duì)我國(guó)高校教師教學(xué)工作及高等教育教學(xué)改革的啟示。通過(guò)對(duì)高校典型工科教師科研經(jīng)歷的分析，再次證明跨學(xué)科研究對(duì)高?？蒲泻徒虒W(xué)活動(dòng)的推動(dòng)作用。最后，提出通過(guò)高等教育教學(xué)改革推動(dòng)原始創(chuàng)新的一些建議和措施。

[關(guān)鍵詞] 諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng);跨學(xué)科研究;原始創(chuàng)新;教學(xué)改革

[基金項(xiàng)目] 2020年度中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院“典型線性火工分離裝置分離瞬態(tài)過(guò)程力學(xué)機(jī)理及仿真研究”（CALT2020-ZD03）

[作者簡(jiǎn)介] 王光宇（1985—），男，河南許昌人，博士，南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，主要從事數(shù)值模擬技術(shù)、爆炸力學(xué)研究。

[中圖分類號(hào)] G640? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）32-0051-04? ? [收稿日期] 2021-02-06

一、引言

原始科學(xué)創(chuàng)新，是指前所未有的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明、原理性主導(dǎo)技術(shù)等創(chuàng)新成果。原始科學(xué)創(chuàng)新是最根本的創(chuàng)新，是一個(gè)民族對(duì)人類文明進(jìn)步做出貢獻(xiàn)的重要體現(xiàn)。我國(guó)在2006年提出，要在2020年建成創(chuàng)新型國(guó)家。創(chuàng)新型國(guó)家的主要特點(diǎn)是：一是創(chuàng)新投入高，國(guó)家的研發(fā)投入支出占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的比例一般在2%以上;二是科技進(jìn)步貢獻(xiàn)率達(dá)70%以上;三是自主創(chuàng)新能力強(qiáng)，國(guó)家的對(duì)外技術(shù)依存度指標(biāo)一般在30%以下;四是創(chuàng)新產(chǎn)出高。目前，世界上公認(rèn)的創(chuàng)新型國(guó)家僅有20個(gè)左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)全社會(huì)研發(fā)支出達(dá)2.17萬(wàn)億元，占國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的比重為2.19%;科技進(jìn)步貢獻(xiàn)率達(dá)到59.5%;創(chuàng)新指數(shù)居世界第14位。創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)取得了重要進(jìn)步。但是，我國(guó)制造業(yè)整體處于全球價(jià)值鏈中低端。在一些重要技術(shù)領(lǐng)域，還面臨外國(guó)“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)，如對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)至關(guān)重要的光刻機(jī)、基礎(chǔ)工業(yè)軟件等。同時(shí)，我國(guó)還存在著原始創(chuàng)新能力不足的問(wèn)題，表現(xiàn)在：諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)少、核心技術(shù)依賴大、科技論文質(zhì)量不高、缺乏世界級(jí)的科技領(lǐng)軍人物等。

作為世界上最具權(quán)威和最負(fù)盛名的科學(xué)獎(jiǎng)項(xiàng)，諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)對(duì)世界范圍內(nèi)的科學(xué)研究和原始創(chuàng)新有著巨大的引領(lǐng)和推動(dòng)效應(yīng)。而幾乎每位諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)的得主，都有著豐富多彩的研究經(jīng)歷和人生經(jīng)歷。因此，通過(guò)對(duì)諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)跨學(xué)科成果的統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)典型諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)得主經(jīng)歷的分析，或許能對(duì)我國(guó)高等教育教學(xué)改革和推動(dòng)原始創(chuàng)新的工作，帶來(lái)一定的啟示。

二、諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)跨學(xué)科研究成果的統(tǒng)計(jì)分析

跨學(xué)科研究，是指超越單一學(xué)科界限，在兩個(gè)或多個(gè)學(xué)科之間的交叉領(lǐng)域進(jìn)行的研究活動(dòng)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，20世紀(jì)以來(lái)，自然科學(xué)學(xué)科越來(lái)越多地呈現(xiàn)出交叉發(fā)展的態(tài)勢(shì)[1-3]。1901—2008年間，不同時(shí)期諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)中跨學(xué)科研究成果所占比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所列[3]。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的一個(gè)可能原因是，隨著文明的發(fā)展，人類面臨的問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，包括社會(huì)問(wèn)題（如貧富差距問(wèn)題）和技術(shù)問(wèn)題（如氣候變暖問(wèn)題）。同時(shí)，解決問(wèn)題的難度也逐漸上升。在這種情況下，依靠單一學(xué)科的知識(shí)越來(lái)越難以獨(dú)自解決某一問(wèn)題，這使得不同學(xué)科領(lǐng)域之間的交叉滲透成為必然。

以核磁共振成像技術(shù)為例。該技術(shù)是目前醫(yī)院常用的一種疾病影像學(xué)檢測(cè)手段。從核磁共振技術(shù)原理的最初發(fā)現(xiàn)到其最終發(fā)展成為成熟的醫(yī)用技術(shù)手段，經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)。共有10多次諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了與該項(xiàng)技術(shù)相關(guān)的科學(xué)家，且獎(jiǎng)項(xiàng)橫跨物理學(xué)、化學(xué)、生理/醫(yī)學(xué)[4]。由此可見(jiàn)，跨學(xué)科基礎(chǔ)研究對(duì)原始創(chuàng)新的巨大推動(dòng)作用。在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中，占有較大比例的跨學(xué)科研究成果是物理化學(xué)和天體物理學(xué)。例如，英國(guó)的John Cockcroft和愛(ài)爾蘭的Ernest Walton因利用人工加速粒子進(jìn)行原子核衰變的開(kāi)創(chuàng)性工作而獲得1951年物理學(xué)獎(jiǎng); 瑞典科學(xué)家Kai Siegbahn因開(kāi)發(fā)高分辨率測(cè)量?jī)x器及對(duì)光電子和輕元素的定量分析而獲得1981年物理學(xué)獎(jiǎng);日本及美國(guó)的三位科學(xué)家赤崎勇、天野浩和中村修二因發(fā)明藍(lán)色發(fā)光二極管而獲得2014年物理學(xué)獎(jiǎng)。這項(xiàng)研究的關(guān)鍵是采用氮化鎵器件高效地產(chǎn)生藍(lán)光。在這些研究中，物理學(xué)和化學(xué)的界限已經(jīng)變得模糊不清。諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)中另一個(gè)出現(xiàn)大量跨學(xué)科研究成果的領(lǐng)域是化學(xué)和生理/醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。例如，美國(guó)生物化學(xué)家James Sumner因分離并提取出脲酶晶體而獲得1946年化學(xué)獎(jiǎng);美國(guó)生物化學(xué)家John Northrop因分離和提純胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等獲得1946年化學(xué)獎(jiǎng);美國(guó)華裔科學(xué)家錢永健因闡明某些生物中綠色熒光的發(fā)光機(jī)理，并將這一技術(shù)用于追蹤生物體中不同種類的蛋白質(zhì)和生物過(guò)程而獲得2008年化學(xué)獎(jiǎng)。

對(duì)大量諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)得主的研究表明，大多數(shù)諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)得主有廣泛的興趣愛(ài)好，以及多領(lǐng)域、深厚的知識(shí)儲(chǔ)備。以美國(guó)華裔科學(xué)家錢永健為例。錢永健從小就對(duì)化學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣，在其上小學(xué)甚至更早的時(shí)候，就開(kāi)始在家中做一些較簡(jiǎn)單的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。進(jìn)入高中后，錢永健在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)夏季研究項(xiàng)目的資助下，進(jìn)入俄亥俄大學(xué)Robert Kline教授的實(shí)驗(yàn)室，研究硫氰酸鹽與金屬的結(jié)合性，并憑借這一研究獲得西屋科學(xué)人才獎(jiǎng)的一等獎(jiǎng)。在進(jìn)入哈佛大學(xué)后，錢永健選修了很多課程，如藝術(shù)史、視覺(jué)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、法律、心理學(xué)等，卻因?qū)鸫髮W(xué)的化學(xué)專業(yè)課感到無(wú)趣而放棄化學(xué)，轉(zhuǎn)而學(xué)習(xí)分子生物學(xué)、海洋學(xué)、量子力學(xué)和天文物理，試圖尋找自己真正的興趣愛(ài)好。錢永健最終選擇了神經(jīng)生物學(xué)作為自己的主攻方向。本科畢業(yè)后，錢永健申請(qǐng)進(jìn)入英國(guó)劍橋大學(xué)，進(jìn)行神經(jīng)科學(xué)方面的研究。當(dāng)時(shí)中樞神經(jīng)系統(tǒng)電生理學(xué)的研究慣例是：利用細(xì)胞外微電極收集麻醉的動(dòng)物大腦在受刺激情況下的電信號(hào)。經(jīng)過(guò)數(shù)百次記錄，將收集到的電信號(hào)數(shù)據(jù)分類、整理，然后發(fā)表一些論文。錢永健對(duì)這種傳統(tǒng)的電生理學(xué)研究不太感興趣，卻對(duì)成千上萬(wàn)的神經(jīng)元之間同時(shí)進(jìn)行的信號(hào)傳遞和信息處理更感興趣。為了追蹤神經(jīng)元的電活動(dòng)，需要用染料對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行“染色”，這樣神經(jīng)元發(fā)出電信號(hào)時(shí)，自身就能“點(diǎn)亮”。但是當(dāng)時(shí)市面上的商業(yè)染料發(fā)出的光強(qiáng)微弱，使用很不方便。錢永健就開(kāi)始自己設(shè)計(jì)和制造用于追蹤神經(jīng)元活動(dòng)的高靈敏度“染料”，最終發(fā)明綠色熒光蛋白用于追蹤生物體中不同種類的蛋白質(zhì)和生物過(guò)程，獲得2008諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。由此可以看出，原始創(chuàng)新并不是一帆風(fēng)順的，需要長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)備，通過(guò)多學(xué)科的知識(shí)積淀才有可能達(dá)到。雖然非凡的想象力、突破常規(guī)的思維方法是諾貝爾自然科學(xué)獎(jiǎng)得主取得巨大成就不可或缺的因素，但是如果沒(méi)有深厚的多學(xué)科知識(shí)積累，原始創(chuàng)新就成了無(wú)源之水、無(wú)本之木。