跨學(xué)科交叉平臺的建設(shè)及取得的科研成果

劉 源

（清華大學(xué) 深圳研究生院 清潔生產(chǎn)重點實驗室，廣東 深圳 518055）

1 跨學(xué)科大平臺實驗室建設(shè)的起因及必要性

隨著知識創(chuàng)新理論研究的發(fā)展和開放式創(chuàng)新研究的深入，交叉創(chuàng)新、融合創(chuàng)新成為知識創(chuàng)新的重要思維方法［1］。在知識融合的大背景下，交叉學(xué)科不斷涌現(xiàn)，已逐漸成為知識發(fā)展的一種新時代特性?？茖W(xué)的發(fā)展史表明，科學(xué)的重大突破點往往發(fā)生在科學(xué)需要和科學(xué)內(nèi)在邏輯的交叉點上，也往往與一門新的交叉學(xué)科的誕生相聯(lián)系［2］?？鐚W(xué)科交叉以及深度融合的思維碰撞方式，是產(chǎn)生創(chuàng)新成果的根源。目前單一學(xué)科已經(jīng)無法有效解決各種科研難題。

物理學(xué)家海森堡認為“科學(xué)扎根于交流，起源于討論”。許多國家、大學(xué)和學(xué)術(shù)團體對此都非常重視，采取多種形式并創(chuàng)造條件開展學(xué)術(shù)交流活動，以此促進學(xué)科的交叉［3］。21世紀，科技發(fā)展步伐加快，科技進步帶動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，而轉(zhuǎn)型需要多學(xué)科知識做后盾。因此，科研系統(tǒng)要實現(xiàn)為社會服務(wù)的職能，就必須緊跟時代步伐，加快學(xué)科的交叉和融合。

目前，我國工業(yè)化面臨著空前的機遇和挑戰(zhàn)。資源“消耗型”工業(yè)化進程換來的增長，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴重，經(jīng)濟高速發(fā)展難以持續(xù)，迫切需要探索新型工業(yè)化模式。“十二五”期間，我國進一步加大環(huán)境保護力度，為從源頭減少污染物產(chǎn)生量、盡可能降低末端治理壓力、促進國家“十二五”規(guī)劃綱要提出的各項資源節(jié)約和環(huán)境保護指標完成，必須進一步加大推行學(xué)科交叉的力度，全面提升清潔生產(chǎn)，即工業(yè)生態(tài)化水平。

我國發(fā)展的基礎(chǔ)是能源和材料，但是能源短缺和環(huán)境污染是我國面臨的重大挑戰(zhàn)。資源使用的每一步都需要消耗能源，同時排出大量的廢水、廢氣、廢渣，污染生存環(huán)境，并帶來各種環(huán)境影響，比如溫室效應(yīng)、臭氧層破壞等。從能源、資源消耗和環(huán)境污染的根源分析，材料及其制品的生產(chǎn)是造成能源短缺、資源過度消耗乃至枯竭的主要原因之一。在大量消耗優(yōu)質(zhì)資源的同時，材料的生產(chǎn)和使用也給人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重的負擔。為了解決材料、制造與能源、環(huán)境之間的關(guān)系，需要努力提高資源的利用和回收率，減少對資源的消耗。

面對日趨強化的資源環(huán)境約束，需要增強危機意識，樹立綠色、低碳發(fā)展理念，以節(jié)能減排為重點，健全激勵與約束機制，加快構(gòu)建資源節(jié)約、環(huán)境友好的生產(chǎn)方式和消費模式，增強可持續(xù)發(fā)展能力，提高生態(tài)文明水平。為從“源頭”解決環(huán)境問題，預(yù)防和控制污染的產(chǎn)生，適應(yīng)國家進行清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟戰(zhàn)略的需要，為了配合我院“學(xué)科交叉，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”的辦學(xué)理念，完善管理體制和運行機制，建設(shè)好新興交叉融合的大平臺，在深圳市政府的支持下，成立了將4個學(xué)科融為一體的跨學(xué)科大平臺：清潔生產(chǎn)重點實驗室。

跨學(xué)科大平臺實驗室的建立，在體制與機制上，綜合了4個相關(guān)學(xué)科力量，包括清潔能源、環(huán)境材料、綠色制造和環(huán)境污染控制等，形成了一體化的交叉運行機制，能夠從生態(tài)系統(tǒng)角度解決清潔生產(chǎn)和環(huán)境污染問題，從根本上預(yù)防污染的產(chǎn)生，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)清潔生產(chǎn)和生態(tài)化，達到節(jié)能、降耗、減污、增效的多重目的。

這種運行機制，能夠按照城市結(jié)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)鏈形態(tài)進行學(xué)科交叉融合研究，能夠建立新型的工程科學(xué)與技術(shù)體系，對城市化及產(chǎn)業(yè)鏈主要要素，包括能源學(xué)科、材料學(xué)科、制造學(xué)科和環(huán)境學(xué)科進行交叉融合，形成綜合型的學(xué)科體系，適應(yīng)現(xiàn)代社會可持續(xù)發(fā)展的要求，為我國新型科學(xué)發(fā)展道路提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

2 實驗室交叉平臺的構(gòu)建歷程

實驗室建設(shè)和管理的水平直接影響實踐教學(xué)的效果和學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，也是高校辦學(xué)水平的重要標志［4］。先進、完善的實驗設(shè)備及日常運作、管理的規(guī)范化是學(xué)科建設(shè)和發(fā)展的必要條件，這對新興的交叉學(xué)科而言顯得更加重要［5］。由于先進的儀器設(shè)備是高水平科研成果產(chǎn)生的先決條件，清潔生產(chǎn)重點實驗室的初期建設(shè)便從高端實驗儀器設(shè)備的購入開始，因此各學(xué)科的交叉融合及各類設(shè)備的交叉使用，成為儀器設(shè)備購入的前提條件。

2006年底，深圳市政府批復(fù)清潔生產(chǎn)重點實驗室建設(shè)初步設(shè)計和概算，市財政一次性補助3 000萬元用于購置設(shè)備，資金不足部分由單位自籌解決。

實驗室在深圳市政府資金支持下，依托清華大學(xué)深圳研究生院，融合了4個不同學(xué)科的力量，在學(xué)科交叉、儀器共享的理念指導(dǎo)下，籌建成立了交叉型的研究平臺。宗旨是以高水平科研、全方位的學(xué)科交叉，圍繞地方經(jīng)濟、社會發(fā)展的重大科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，開展創(chuàng)新性研究工作。

實驗室成立初期，能源、材料、制造和環(huán)境4個學(xué)科，已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)設(shè)施，為了避免重復(fù)采購造成儀器的閑置浪費，提高儀器的使用效率，儀器訂購前，4個學(xué)科密切溝通，相互協(xié)調(diào)，共同論證，充分考慮到儀器設(shè)備的交叉使用，避免不必要的資源浪費。

2007年院務(wù)會通過“重點實驗室建設(shè)經(jīng)費使用試行辦法”，通過“重點實驗室設(shè)備購置程序”，明確了建設(shè)經(jīng)費使用原則和程序步驟，并召開清潔生產(chǎn)重點實驗室領(lǐng)導(dǎo)小組會議，在學(xué)科交叉、儀器共享的理念指導(dǎo)下，確認儀器購買清單、安排購買進度、儀器檔案管理，重點實驗室的交叉平臺建設(shè)進入到執(zhí)行階段。

2008年儀器設(shè)備陸續(xù)到位，購買的大型儀器設(shè)備主要有：場發(fā)射掃描電子顯微鏡、X射線粉末（單晶）衍射儀、電力實時數(shù)字仿真器、紅外光譜儀、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、電耦等離子發(fā)射光譜儀、藍光光斑評價系統(tǒng)、全自動微生物鑒定系統(tǒng)等，所購入的儀器大部分可以跨學(xué)科交叉使用。比如場發(fā)射掃描電子顯微鏡，除了在材料領(lǐng)域?qū)μ坎牧稀⒏叻肿硬牧?、電池材料等材料的結(jié)構(gòu)表征進行測試外，在環(huán)境領(lǐng)域可對水處理的膜材料（陶瓷膜、生物膜等）進行測試，在能源領(lǐng)域可對硅橡膠、電極表面氧化層、太陽能漿料等進行測試，制造領(lǐng)域可對光刻材料、金屬材料等進行測試，該儀器還可以對生物醫(yī)藥、光學(xué)等方面材料進行測試。各學(xué)科購入的儀器設(shè)備及可以交叉使用概況見圖1。

隨著儀器設(shè)備的陸續(xù)到位，形成了跨學(xué)科大平臺運行機制，這種運行機制與建設(shè)實驗室的目標、方向相吻合，與國家進行清潔生產(chǎn)和循環(huán)經(jīng)濟戰(zhàn)略的需要相適應(yīng)，并且適應(yīng)社會與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的技術(shù)和理論需求，解決了城市化進程中清潔生產(chǎn)和環(huán)境方面的復(fù)雜規(guī)律和重大技術(shù)問題，為城市化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和產(chǎn)業(yè)鏈的生態(tài)化提供技術(shù)和理論2個方面的支撐。

清潔生產(chǎn)實驗室的交叉平臺，目前已經(jīng)擁有實驗室面積3 948m2，已在能源學(xué)科、材料學(xué)科、先進制造學(xué)科和環(huán)境學(xué)科建立了比較完善的科研平臺，并且在這些平臺基礎(chǔ)上進行交叉和整合，建立了比較綜合性的教學(xué)與研究體系。平臺目前已經(jīng)開始進行高質(zhì)量的研究生培養(yǎng)和開展國際國內(nèi)外尖端的科研活動。

3 實驗室儀器設(shè)備在學(xué)科交叉中的管理

實驗室儀器設(shè)備采用大型儀器設(shè)備交叉共享、小型設(shè)備獨立使用、既有交叉又有平行的管理模式，全部儀器設(shè)備統(tǒng)一建賬、統(tǒng)一調(diào)配、統(tǒng)一管理協(xié)調(diào)使用。

3.1 實驗室人員

圖1 清潔生產(chǎn)重點實驗室大型儀器在學(xué)科交叉領(lǐng)域的使用情況

培養(yǎng)適應(yīng)經(jīng)濟建設(shè)需要的應(yīng)用型、復(fù)合型的高級工程管理專業(yè)人才，必須有一支結(jié)構(gòu)合理的高素質(zhì)專業(yè)師資隊伍［6］。實驗技術(shù)人員的管理建設(shè)是實現(xiàn)儀器設(shè)備交叉共享的基本要素，也是實驗技能傳承、開發(fā)的重要載體，他們是高等學(xué)校科研、教學(xué)和人才培養(yǎng)方面最重要的組成部分。在實驗室建立以前，這支隊伍的培養(yǎng)、建設(shè)和管理上存在一定差距，拔尖人才和骨干力量缺乏。隨著教學(xué)科研裝備水平的提升，對儀器操作人員的技術(shù)水平和服務(wù)質(zhì)量要求明顯提高。因此，要實現(xiàn)儀器設(shè)備交叉共享服務(wù)，必須加快建設(shè)一支高素質(zhì)、高水平的技術(shù)管理隊伍。

目前，實驗室擁有完整的學(xué)科研究梯隊，包括：院士4人（兼職）；專職教授7人，副教授8人，講師6人，博士后9人以及26位雙基地教授；擁有5名專業(yè)的實驗工程技術(shù)人員負責儀器設(shè)備的維護、管理及大型儀器的操作使用；擁有15名以企業(yè)化編制管理的科研人員，負責為社會提供各種檢測服務(wù)。清潔生產(chǎn)重點實驗室每年招收的在校研究生達到180人，其中博士生25人。實驗交叉平臺已經(jīng)形成了一個高水平、高效率的技術(shù)研發(fā)隊伍。

3.2 大型設(shè)備專管共用和資源共享

為加強對大型精密貴重儀器設(shè)備的管理，使其更好地為教學(xué)、科研服務(wù)，根據(jù)教育部對大型精密貴重儀器設(shè)備加強管理的要求，結(jié)合實驗室具體情況，編寫了《清潔生產(chǎn)重點實驗室管理手冊》，手冊在規(guī)范實驗室管理、提高實驗室的效率、規(guī)范實驗人員的行為等方面都起到積極的作用，并且為實驗室交叉運行管理奠定了堅實基礎(chǔ)。

實驗室大部分儀器均是進口設(shè)備，要求操作精細，因此，實驗室的大型精密貴重儀器設(shè)備實行“專人管理”，日常使用中由專職人員負責指導(dǎo)學(xué)生操作，盡可能地增加學(xué)生接觸貴重儀器設(shè)備的機會，并進行定期檢查維護，使其處于良好的運行狀態(tài)。

目前，實驗室采取聯(lián)合申請科研項目，建立儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)管理平臺等措施，使實驗室內(nèi)的4個學(xué)科有效地交叉聯(lián)合，也使實驗室的儀器設(shè)備與其他院校乃至社會資源共享，大大提高了儀器設(shè)備的利用率，減少了儀器設(shè)備閑置的現(xiàn)象，避免了資源浪費。由此可見，合理、有效地利用大型精密貴重儀器設(shè)備資源，建立高校大型精密貴重儀器設(shè)備開放服務(wù)體系，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)資源共享是十分必要的［7］。

3.3 預(yù)約使用與合理收費

使用大型精密貴重儀器設(shè)備之前要預(yù)約登記。實驗室規(guī)定每周五預(yù)約下周儀器設(shè)備的使用時間。預(yù)約登記加強了儀器設(shè)備的使用效率，使儀器設(shè)備的使用更加規(guī)范有序。

共享平臺的構(gòu)建應(yīng)秉承開放性原則、共享性原則和成本核算有償使用原則［8］。儀器設(shè)備收費分2種：院內(nèi)（大學(xué)城內(nèi)）的一切科研協(xié)作只收取儀器設(shè)備正常運行的維護管理費和材料消耗等費用，院外（大學(xué)城外）的收費則包括折舊費、消耗費、測試費、維修費、管理費等，收取的費用在院財務(wù)辦單獨設(shè)立費用收入賬戶。收入的費用主要用于儀器設(shè)備的運行、維護、維修等。

4 學(xué)科交叉取得的成果

實驗室自成立以來，承擔了大量高水平跨學(xué)科、交叉聯(lián)合的科研項目，包括國家重大專項、國家“973”、國家“863”、國家自然科學(xué)基金重點和面上項目，科技部國際合作、廣東省和深圳市科研基金項目以及各種與企業(yè)合作的橫向研究項目等，主要成果可以從以下幾個方面概述。

4.1 人才培養(yǎng)

創(chuàng)新人才培養(yǎng)需要個性化教學(xué)、差異化培養(yǎng)，最大限度地激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和發(fā)展?jié)撃埽?］。所以，不同學(xué)科的交叉已成為培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的一種重要的渠道和方式，而打破各學(xué)科之間的壁壘，并使其交叉和融合也已成為當代科學(xué)發(fā)展的必然趨勢［10］。學(xué)科交叉前，由于各個學(xué)科單一的思維方式，人才培養(yǎng)存在局限性，無法拓展學(xué)生的視野，因此學(xué)科交叉平臺的建立不僅利于資源整合，更利于培養(yǎng)知識面寬廣、能適應(yīng)社會需求的復(fù)合型人才。

實驗室跨學(xué)科大平臺自組建以來，使得各學(xué)科通過聯(lián)合申請項目，整體考慮跨學(xué)科的教學(xué)計劃，在人才培養(yǎng)方面有了全新的培養(yǎng)思路。通過不同學(xué)科實驗條件的整合，儀器設(shè)備交叉使用，帶來了全新的人才培養(yǎng)環(huán)境，培養(yǎng)出更加適應(yīng)社會需求的高端人才。目前，已經(jīng)培養(yǎng)研究生1 000人以上。期間，多學(xué)科教師共同制訂培養(yǎng)方案，共同開題，交叉指導(dǎo)學(xué)生研究，儀器交叉使用，交叉評估進展，教師低頭抬頭交流，學(xué)生同苦同樂，形成了獨特的交叉創(chuàng)新生態(tài)機制和環(huán)境。

4.2 科研成果

通過學(xué)科交叉，給科研活動的各個環(huán)節(jié)帶來全新的提升。教師打破傳統(tǒng)的學(xué)科界限，活躍和開拓了學(xué)術(shù)思想，為產(chǎn)生新的理論、觀點和創(chuàng)造性研究成果創(chuàng)造條件，實現(xiàn)實驗室、大型儀器設(shè)備等硬件科研資源的共享，實現(xiàn)科技資料、科研手段、學(xué)術(shù)交流等軟科研資源的互通，進而擴大了科研活動的空間［11］。實驗室自成立以來所取得的成果如下：

（1）共承擔科研項目287項，從各種渠道爭取到位的科研經(jīng)費超過了億元。這些科研項目絕大多數(shù)是2個或多個學(xué)科聯(lián)合開展的，其中16%是由4個學(xué)科聯(lián)合申請，23%是由3學(xué)科聯(lián)合申請，35%是由2個學(xué)科聯(lián)合申請，其余的是單一學(xué)科申請。

（2）發(fā)表論文435篇，其中SCI收錄268篇，EI收錄149篇。

（3）發(fā)表學(xué)術(shù)專著5部。

（4）共申請專利144項（發(fā)明117項、實用新型26項、外觀設(shè)計1項），獲得專利授權(quán)82項（發(fā)明66項、實用新型15項、外觀設(shè)計1項）。

（5）獲得各種獎項23項，其中包括獲2010年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、2011年獲第六屆國家教師名師獎1項，其他年度省部級科學(xué)技術(shù)特等獎1項、一等獎1項、二等獎7項、三等獎4項以及大量其他獎項。

（6）組織和參加的國際國內(nèi)會議上百余次，參加人數(shù)達上千余人次。

4.3 服務(wù)社會經(jīng)濟

科研和服務(wù)相輔相成，應(yīng)該是相互促進，而不是相互制約［12］。從社會發(fā)展的角度，高校辦學(xué)能力和水平越來越體現(xiàn)在為地方經(jīng)濟和社會發(fā)展服務(wù)的力度和程度上。實驗室在清潔生產(chǎn)實施方面經(jīng)過幾年的運作，已形成了對社會經(jīng)濟開放的模式：

（1）成立了工業(yè)生態(tài)與環(huán)境檢測中心。檢測中心采用企業(yè)化管理和市場化運作，服務(wù)于科研，服務(wù)于社會，取得了巨大的成功，不僅獲得了經(jīng)濟效益，而且獲得了社會效益。該中心2013年4月通過中國合格評定國家認可委員會（CNAS）復(fù)評審，2013年6月通過廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的資質(zhì)認定計量認證證書（CMA）復(fù)評審。該中心已經(jīng)成為綜合性、專業(yè)型、全國性的工業(yè)生態(tài)與環(huán)境檢測的第三方測試、檢驗與驗證機構(gòu)。

（2）成立了深圳市先進金屬材料科技創(chuàng)新與檢測研發(fā)公共技術(shù)服務(wù)平臺。該平臺成立以來對外服務(wù)數(shù)量達到上百余次，已經(jīng)具備先進金屬材料及其關(guān)鍵制備技術(shù)研發(fā)、金屬材料檢測分析的科研條件和研究生培養(yǎng)的基本條件，同時通過平臺搭橋，近3年來實現(xiàn)了與企業(yè)合作進行科研課題立項10余項。

（3）牽頭組建成立了先進電池與材料、無源元器件與集成、中國高清攝放像產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟3個省部產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，實驗室教師擔任聯(lián)盟秘書長。

（4）實驗室參加籌建“生物化工材料”和“中國高清攝放相產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新”2個產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，實驗室教授分別擔任2個聯(lián)盟的技術(shù)委員會負責人之一。

（5）對深圳市100余家企業(yè)開展技術(shù)服務(wù)和提供技術(shù)咨詢，包括比亞迪、華為、長園新材、貝特瑞等大公司和許多發(fā)展中的中、小企業(yè)，如深圳溫騰熱控電子公司、鑫承諾化工公司等。

4.4 典型交叉創(chuàng)新項目——“智能微電網(wǎng)系統(tǒng)教學(xué)示范項目”

當前，能源已經(jīng)成為國際社會共同關(guān)注的重大問題，太陽能等新能源由于其可再生和清潔等特點越來越受到重視，光伏發(fā)電是開發(fā)利用太陽能的一種重要形式。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)正在從邊遠無電地區(qū)不斷向城市擴展，因此在系統(tǒng)造型、功能等方面出現(xiàn)了新問題。清潔生產(chǎn)重點實驗室通過多個學(xué)科的交叉，建立了包括新能源（風(fēng)光互補分布式）發(fā)電接入、汽車電網(wǎng)、儲能電站（液流電池、超級電容器、鋰離子電池）、智能變電站、智能用電、LED等在內(nèi)的微電網(wǎng)教學(xué)示范工程。

該示范工程圍繞各種新能源在民居社區(qū)中的應(yīng)用和生態(tài)環(huán)境改善，針對性地開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)和聯(lián)用設(shè)備，形成產(chǎn)業(yè)鏈條和調(diào)控系統(tǒng)，主要研發(fā)內(nèi)容包括：

（1）基于芯片設(shè)計的太陽能控制裝置；

（2）基于新材料的高效儲能裝置；

（3）綜合能效數(shù)據(jù)自動采集裝置系統(tǒng)；

（4）“太陽樹”社區(qū)水環(huán)境綜合處理系統(tǒng)。

目前已經(jīng)在清華大學(xué)深圳研究生院校區(qū)建立了一個示范基地。圖2為校園智能微電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖。

圖2 校園智能微電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

實驗室創(chuàng)建的獨特開放模式，將自身優(yōu)勢與區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟和社會發(fā)展趨勢緊密結(jié)合，全面為國內(nèi)外企業(yè)用戶提供有附加值的服務(wù)，并結(jié)合科研成果，為企業(yè)的發(fā)展提供創(chuàng)新型服務(wù)，促進區(qū)域內(nèi)產(chǎn)業(yè)群的健康發(fā)展，同時也為實驗室跨學(xué)科大平臺的科學(xué)研究提供了有力的保障。

5 結(jié)束語

清華大學(xué)深圳研究生院圍繞清潔生產(chǎn)領(lǐng)域，通過重點實驗室建設(shè)形成了大型交叉平臺，研究課題交叉創(chuàng)新，擴大了研究生的視野、拓寬了研究生的專業(yè)范圍、克服了現(xiàn)有的傳統(tǒng)專業(yè)狹窄的缺點，從而形成針對研究生特點的新型高層次工程教育體系和高素質(zhì)人才的培養(yǎng)體系，科研領(lǐng)域在跨學(xué)科大平臺發(fā)展的基礎(chǔ)上，取得了可喜的研究成果。

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