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    創(chuàng)新與創(chuàng)新人才培養(yǎng)

    2014-05-28 08:23:58侯建國(guó)
    天津教育 2014年5期
    關(guān)鍵詞:顯微鏡科學(xué)技術(shù)量子

    ■侯建國(guó)

    侯建國(guó),物理化學(xué)家,中國(guó)科學(xué)院院士,第三世界科學(xué)院院士,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng),十一屆全國(guó)人大常委會(huì)委員。1959年生于福建,1978~1989年在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)習(xí),獲凝聚態(tài)物理專業(yè)博士學(xué)位。1988~1995年,先后在前蘇聯(lián)科學(xué)院結(jié)晶學(xué)研究所電鏡實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)化學(xué)系從事科學(xué)研究工作。1995年起任中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授,先后任中國(guó)科學(xué)院結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)理化科學(xué)中心主任。2000年任中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副校長(zhǎng)。2003年當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院院士。2004年8月起兼任合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)常務(wù)副主任。2004年11月當(dāng)選第三世界科學(xué)院院士。2005年9月任中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)常務(wù)副校長(zhǎng)。2008年9月任中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)校長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事物理化學(xué)領(lǐng)域的研究工作,特別是在利用高分辨率掃描隧道顯微鏡研究單分子特征和操縱方面取得了一系列成果,是該領(lǐng)域有國(guó)際影響的學(xué)者。

    我今天和大家討論科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)的問題。我想分以下三個(gè)方面來談。

    一、什么叫科技創(chuàng)新

    簡(jiǎn)單地說,科技創(chuàng)新有兩個(gè)維度,一個(gè)是發(fā)現(xiàn)的維度,一個(gè)是創(chuàng)造的維度。發(fā)現(xiàn)的維度就是發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律,比如量子力學(xué);創(chuàng)造的維度就是利用已有的科學(xué)原理發(fā)明一些自然本身并不存在的裝置。當(dāng)然二者也不可能完全分開,有的創(chuàng)新既有發(fā)現(xiàn)的維度又有創(chuàng)造的維度。我們?cè)倥e一個(gè)例子來看,怎樣才能做到創(chuàng)新,比如顯微鏡的發(fā)展。顯微鏡大家都用過,中學(xué)常用的是光學(xué)顯微鏡,第一個(gè)制造光學(xué)顯微鏡的是荷蘭人,他在1665年做出了第一個(gè)顯微鏡。第一個(gè)顯微鏡非常簡(jiǎn)陋,是一個(gè)透鏡,然后通過一些機(jī)械裝置來調(diào)整樣品和透鏡之間的距離,來達(dá)到放大的效果。后來經(jīng)過幾代科學(xué)家的努力和折射反射理論的發(fā)展,同時(shí),物理光學(xué)對(duì)球差和色差的認(rèn)識(shí),也發(fā)展很快,雖然原理還是一樣,但是現(xiàn)在光學(xué)顯微鏡已經(jīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的裝置?,F(xiàn)在的分辨率也相當(dāng)好。但光學(xué)顯微鏡容易受波長(zhǎng)的影響,因此,它的放大倍數(shù)不會(huì)超過1600倍,這種創(chuàng)新就叫作繼承性創(chuàng)新,原理和規(guī)律是一樣的,只不過是不斷地完善。還有一種創(chuàng)新就是突破性創(chuàng)新,這種創(chuàng)新從顯微鏡的發(fā)展史來看,就是一個(gè)從光學(xué)顯微鏡到電子學(xué)顯微鏡的發(fā)展過程。光學(xué)顯微鏡用的是可見光,電子顯微鏡里用的是電子,電子的波長(zhǎng)比光波要小,所以分辨率會(huì)大大提高,這就是一個(gè)突破性創(chuàng)新。再往下是一個(gè)更大的創(chuàng)新,我們可以說是革命性創(chuàng)新,或者說是顛覆性創(chuàng)新。電子顯微鏡還是會(huì)受到波長(zhǎng)的影響,量子力學(xué)發(fā)展后,利用量子力學(xué)掃描隧道的原理,發(fā)明了第一個(gè)量子隧道顯微鏡,這是一個(gè)非常大的變化,說是隧道顯微鏡,但沒有用到鏡子,也沒有用到光的波長(zhǎng),用的是量子隧道原理,使放大達(dá)到了極限。以上這些情況,幫助大家了解了創(chuàng)新的分類和過程。

    二、科技創(chuàng)新的重要性

    剛剛過去的2011年,對(duì)中國(guó)乃至世界來說有幾件大事。第一件是地球人口達(dá)到了70億。我上中學(xué)的時(shí)候是20世紀(jì)70年代,那時(shí)候全球人口是40多億,差不多經(jīng)過30年的時(shí)間,人口增加了30億,這是不得了的數(shù)字??梢钥吹剑谥袊?guó)和世界面臨這樣的人口的時(shí)候,人類所面臨的挑戰(zhàn)也是前所未有的。70億人口,同時(shí)全世界23%的耕地面積嚴(yán)重退化,1/3的土地沙漠化,80個(gè)國(guó)家嚴(yán)重缺水,10億人口面臨沙漠化的威脅,50%的江河水嚴(yán)重污染,1/10人類罹患的疾病與環(huán)境惡化有關(guān)。這些數(shù)據(jù)是世界自然基金會(huì)發(fā)布的《地球生命的報(bào)告(2008)》提供的,報(bào)告稱人類對(duì)自然資源的需求已經(jīng)超過了地球生長(zhǎng)。英國(guó)和美國(guó)一些重要報(bào)紙都提過這樣一個(gè)問題:如果按照這樣人類消耗資源的速度來發(fā)展的話,那么到2030年的時(shí)候,我們需要2~3個(gè)地球。而我們只有一個(gè)地球,但人口增加而且人口要求更好地生活,擺脫貧窮。對(duì)于中國(guó)來說呢,我們面臨的挑戰(zhàn)也是前所未有的??梢钥吹?,我們的GDP位居全球第二,但我們的煤消耗量占全球31%,石油占8%,電力消耗占10%。我們是制造業(yè)大國(guó),但不是制造業(yè)強(qiáng)國(guó),沒有自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。中國(guó)的原始創(chuàng)新能力不足,使得我們的制造業(yè)只能在產(chǎn)業(yè)鏈的低端。我們付出的很多,得到的很少。比如說大家買個(gè)iPad手機(jī)的話,美國(guó)擁有很多原始的專利,可以獲得229美元的回報(bào)。日本主要是整個(gè)硬盤設(shè)計(jì)和生產(chǎn),可以獲得67美元。在這整個(gè)生產(chǎn)過程中,中國(guó)的組裝只能獲得3美元的利潤(rùn)。這個(gè)差距將近100倍,但我們?cè)谡麄€(gè)過程中付出的人力資源和自然資源是很大的。

    中國(guó)要成為世界強(qiáng)國(guó),而在成為強(qiáng)國(guó)的過程中,中國(guó)消耗了太多的自然資源。所以我們?cè)陉P(guān)注發(fā)展的時(shí)候,也要關(guān)注全球的一些問題,能夠?yàn)槿祟惖某掷m(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn),這樣才會(huì)使我們?cè)诔蔀閺?qiáng)國(guó)的過程中受到全世界的敬佩和尊重,這跟科學(xué)家的貢獻(xiàn)是緊密聯(lián)系在一起的。人多了我們要消耗更多的糧食,同時(shí)我們的醫(yī)療水平要提高。給人類帶來幸福和長(zhǎng)壽的是兩個(gè)重要的發(fā)明。青霉素的發(fā)現(xiàn),是人類第一次能夠?qū)辜?xì)菌的特效藥,使壽命延長(zhǎng),這種發(fā)現(xiàn)不僅是對(duì)某個(gè)國(guó)家,而是對(duì)人類的貢獻(xiàn)。另外就是肥料的發(fā)明,使糧食產(chǎn)量增加,滿足人類的需要。比如中國(guó)科學(xué)家袁隆平研究的雜交水稻,使水稻產(chǎn)量大大提高。現(xiàn)在,中國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,乃至整個(gè)世界的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都到了一個(gè)機(jī)遇期,這就使新一輪的科學(xué)革命會(huì)在未來十幾年或者二十幾年有重大突破。舉兩個(gè)例子,一個(gè)是量子論,使我們認(rèn)識(shí)微觀世界。另一個(gè)是相對(duì)論,把時(shí)空統(tǒng)一起來,把質(zhì)量和能量統(tǒng)一起來。

    下面講一講量子力學(xué)能夠?qū)崿F(xiàn)人類的哪些理想,推動(dòng)人類社會(huì)怎樣的發(fā)展。量子力學(xué)和我們的宏觀世界有著完全不一樣的規(guī)律,20世紀(jì)初,真空的電子管大概有一只手這么大,60年代的時(shí)候?qū)Π雽?dǎo)體材料的認(rèn)識(shí)逐步理解加深,我們創(chuàng)造出固體的電子管,這個(gè)電子管比較小了,只有一厘米長(zhǎng)。70、80年代的時(shí)候集成電路出現(xiàn),電子管要比頭發(fā)絲還細(xì)。以后我們能不能再縮小些,用一個(gè)分子做二極管、三極管,都是有可能的。最早的衛(wèi)星探測(cè)器80公斤重,耗能300瓦。2003年的時(shí)候降到3公斤,由于電子器械的發(fā)展,到2010年的時(shí)候已經(jīng)可以制造出1公斤的衛(wèi)星。到2030年的時(shí)候,一個(gè)衛(wèi)星可以做到2克大小,但是功能一樣。再說通訊,微波的通信,但是微波通訊不安全,別人可以監(jiān)聽,而把量子力學(xué)運(yùn)用到通訊中,別人就發(fā)現(xiàn)不了。還可以運(yùn)用到計(jì)算機(jī)上,可以大大提高運(yùn)算能力。同學(xué)們都知道所有的分子都是由原子組成的,比如說氫氣在空氣中燃燒,和氧氣作用后形成水,水是由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成的。化學(xué)家一百多年來有個(gè)夢(mèng)想,能不能有效地、更準(zhǔn)確地對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行控制,從而創(chuàng)造出全新的物質(zhì)。2009年,我們做了個(gè)分子,本來沒有磁性,最后做出來一個(gè)有磁性的分子。對(duì)量子力學(xué)的量子信息來說,2009年有個(gè)非常有名的科普雜志出了一個(gè)特刊,名叫《中國(guó)崛起》,認(rèn)為中國(guó)的量子學(xué)技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的水平。下一步,在中國(guó)科學(xué)院的支持下,我們準(zhǔn)備做量子通訊衛(wèi)星,有了量子通訊衛(wèi)星,可以進(jìn)行全球保密的量子通訊,能夠?qū)崿F(xiàn)覆蓋全球的保密的量子通訊技術(shù)。還有實(shí)現(xiàn)新能源的夢(mèng)想——人造太陽。我們知道能源是全世界關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn),大家可以看到各種能源的剩余使用年限——石油不到50年,天然氣60年,煤200年,鈾也不到50年。同時(shí),大量的二氧化碳的排放造成溫室效應(yīng)。

    三、如何培養(yǎng)科技創(chuàng)新人才

    美國(guó)在1983年的時(shí)候提出,如果不提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成果,將失去國(guó)際領(lǐng)先的地位。三十年過去了,美國(guó)依然是科技領(lǐng)域最強(qiáng)大的國(guó)家,但是他們的學(xué)生是否學(xué)習(xí)好呢,單說考試成績(jī)的話,他還不如中國(guó)的學(xué)生。我們?cè)倏粗袊?guó)自己培養(yǎng)的一些比較年輕的創(chuàng)新人才,他們是怎么來看科學(xué)研究,怎么來看創(chuàng)新的。我以兩個(gè)人為例,每?jī)赡曛袊?guó)科學(xué)院、中國(guó)工程院都評(píng)選院士。2009年,中國(guó)工程院最年輕的院士鄧中翰,他41歲,是從美國(guó)回到中國(guó)科技大學(xué)的畢業(yè)生。他回到中國(guó)后,研究出了首枚具有自主產(chǎn)權(quán)的數(shù)字芯片。他在畢業(yè)典禮上說,在中國(guó)科技大學(xué)的那段日子生活很單純,我一直覺得從事研究這個(gè)職業(yè)是有幸的,不管最后得出什么樣的結(jié)果,但是過程中的激情都是令人享受的。還有一個(gè)是量子科學(xué)的專家潘建偉,他曾經(jīng)在這個(gè)領(lǐng)域中創(chuàng)造出6個(gè)世界第一。他說智力沒有太大差別,成功與否就看耐心,有耐心就不怕失敗,失敗可以再來一次。當(dāng)然最終成功還是需要細(xì)膩,但是細(xì)膩也來自于耐心。許多人問我什么是你的夢(mèng)想?夢(mèng)想不是你想要得到什么東西,而是你發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很美妙的事情。

    他們把做研究做學(xué)問這個(gè)過程看成一種享受,始終保持一種好奇心和激情。在中國(guó),不得不承認(rèn)我們現(xiàn)在還是應(yīng)試教育,中國(guó)的中學(xué)要不斷嘗試素質(zhì)教育,但是總體上說我們學(xué)生的壓力還是挺大。好奇心是取得成功的第一步。我覺得中國(guó)學(xué)生在好奇心上弱一些,可能跟中國(guó)的傳統(tǒng)文化有關(guān)系。但在外國(guó),學(xué)生往往不會(huì)對(duì)師長(zhǎng)、長(zhǎng)輩的東西完全認(rèn)同。他們對(duì)一些問題會(huì)尋根問底,不斷地去提問。在這方面,相對(duì)于外國(guó)學(xué)生,中國(guó)學(xué)生有些欠缺。去年的一個(gè)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者,提出了一個(gè)新的結(jié)構(gòu),在許多科學(xué)家的嘲笑下,他卻最終取得了成功。

    最后我們?cè)僬務(wù)撘幌轮袊?guó)科技大學(xué)的教育是如何改革的。中國(guó)科大和南開中學(xué)相比,是一個(gè)年輕的學(xué)校,創(chuàng)立于1958年,是中國(guó)科學(xué)院所屬的唯一一所大學(xué)。中國(guó)科大創(chuàng)建的目標(biāo)是比較明確的,就是為“兩彈一星”培養(yǎng)尖端的科技人才。當(dāng)時(shí)錢學(xué)森親自擔(dān)任系主任,親自為學(xué)生授課,建校以來形成了自己的人才培養(yǎng)創(chuàng)新特點(diǎn)。錢學(xué)森1959年在《人民日?qǐng)?bào)》發(fā)表了一篇《談中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》的文章,說到科技大學(xué)要為我國(guó)培養(yǎng)尖高技術(shù)干部,因此學(xué)生必須在學(xué)校里打下研究工作的基礎(chǔ)。就是說,在中國(guó)科大里,技術(shù)理論的比重比高等技術(shù)院校要高,科學(xué)技術(shù)的比重較一般的專業(yè)要高。這是錢學(xué)森為中國(guó)科大培養(yǎng)學(xué)生提出的模式。如何培養(yǎng)出能夠解決問題的學(xué)生?如何針對(duì)90后大學(xué)生的特點(diǎn),激勵(lì)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣?是當(dāng)前面臨的突出問題。所以我們提出怎么樣打破傳統(tǒng)的培養(yǎng)方式,實(shí)行真正的人才施教和個(gè)性化服務(wù),如何激發(fā)學(xué)生的興趣、激情與活力,如何培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力??傊覀円吲囵B(yǎng)具有扎實(shí)的素質(zhì)基礎(chǔ)、具有理性思維的科學(xué)創(chuàng)新人才之路。

    (以上是侯建國(guó)校長(zhǎng)于2012年3月1日在南開公能講壇上所作的報(bào)告,本刊登載時(shí)有刪節(jié)。)

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