原創(chuàng)性研究引領(lǐng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

馮小明　曹偉地　劉小華

摘 要：培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，要基于學(xué)生不同階段的心理和學(xué)習(xí)特點(diǎn)、結(jié)合教學(xué)內(nèi)容的知識(shí)體系，將新的科學(xué)前沿成果融入課堂教學(xué)，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，了解科學(xué)起源和進(jìn)展，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的好奇心和激情。要圍繞重要的具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生提出問(wèn)題、分析和解決問(wèn)題的能力，做具有“原創(chuàng)性、創(chuàng)新性、引領(lǐng)性和有用性”的研究。通過(guò)原創(chuàng)性科學(xué)研究，完善學(xué)生的知識(shí)體系，強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力和責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

關(guān)鍵詞：人才培養(yǎng);原創(chuàng)性研究;創(chuàng)新能力培養(yǎng)

人才是科技創(chuàng)新的關(guān)鍵，是國(guó)家發(fā)展進(jìn)步的重要支撐，是建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)的基石。高校是人才培養(yǎng)的重要基地。作為大學(xué)教師，在教書(shū)育人過(guò)程中，教什么？育什么？這是值得思考的問(wèn)題。我們認(rèn)為歸納起來(lái)就是三點(diǎn)，即培養(yǎng)什么樣的學(xué)生？怎樣培養(yǎng)？?jī)?yōu)秀學(xué)生（人才）具有怎樣的特征？

關(guān)于培養(yǎng)什么樣的學(xué)生，教育部、各高校都已提出了明確的培養(yǎng)目標(biāo)，就是要使本科生具有扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)和系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)?，F(xiàn)在這個(gè)目標(biāo)放得更開(kāi)，即大眾化的教育。簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是培養(yǎng)學(xué)生的技能和能力，將來(lái)既能支撐家庭，也能為國(guó)家做貢獻(xiàn)。如何培養(yǎng)就成了關(guān)鍵，不同的老師有不同的理念、不同的體會(huì)，沒(méi)有統(tǒng)一的培養(yǎng)模式。但對(duì)于優(yōu)秀學(xué)生的特征應(yīng)該都是一樣的，包括智慧、勤奮、誠(chéng)信、自信、擔(dān)當(dāng)?shù)取?/p>

一、大學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的主要階段

學(xué)生學(xué)習(xí)一般可以分為兩個(gè)階段：一個(gè)是接受知識(shí)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(rèn)識(shí)世界，認(rèn)識(shí)周?chē)沫h(huán)境，學(xué)會(huì)走路、說(shuō)話等。在幼兒園里，幼兒園老師初步教他們對(duì)人、對(duì)自然界形成一些認(rèn)識(shí)，在玩樂(lè)中使孩子熱愛(ài)自然，熱愛(ài)他人，享受幼年的樂(lè)趣。上小學(xué)后開(kāi)始接受正規(guī)的知識(shí)，包括語(yǔ)文、數(shù)學(xué)、自然和藝術(shù)等，從簡(jiǎn)單認(rèn)字、組詞以及加減乘除等，到記錄一些對(duì)世界的認(rèn)知認(rèn)識(shí)，以及掌握一些能夠用來(lái)表述對(duì)世界認(rèn)知的基礎(chǔ)知識(shí)。在初中階段，課程有所增加，涵蓋了物理、化學(xué)、生物、地理以及其他一些課程，開(kāi)始加深對(duì)自然界系統(tǒng)性知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，學(xué)習(xí)一些規(guī)律定律等，并用這些規(guī)律定律來(lái)理解自然界的一些現(xiàn)象。到了高中階段，老師加快了知識(shí)傳授的速度，且在知識(shí)的系統(tǒng)化方面進(jìn)行延伸，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)自然界。從學(xué)前階段到高中階段，學(xué)生基本上都是處于接受知識(shí)的狀態(tài)。

進(jìn)入高等教育階段，尤其是在大學(xué)一二年級(jí)，仍然是以老師傳授知識(shí)、學(xué)生接受知識(shí)為主。在此期間，老師會(huì)講授更廣泛也更深入的內(nèi)容，讓學(xué)生去領(lǐng)會(huì)，去融會(huì)貫通。對(duì)于理工科學(xué)生，老師將指導(dǎo)學(xué)生通過(guò)一些設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論知識(shí)，使理論知識(shí)和實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，專(zhuān)業(yè)知識(shí)得以鞏固。到了大學(xué)三四年級(jí)，學(xué)生逐漸從接受知識(shí)階段向創(chuàng)造知識(shí)階段轉(zhuǎn)變，優(yōu)秀的學(xué)生會(huì)提前進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)一步學(xué)習(xí)和拓展實(shí)驗(yàn)技能，并閱讀專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn)，了解學(xué)科前沿進(jìn)展和社會(huì)發(fā)展技術(shù)需求，并與課本上基礎(chǔ)知識(shí)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)分析總結(jié)，思考如何創(chuàng)造知識(shí)，將未知變成已知。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生的思考能力和創(chuàng)新能力得到提高。此外，本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是提升學(xué)生創(chuàng)新能力的又一個(gè)系統(tǒng)訓(xùn)練。進(jìn)入碩士、博士學(xué)習(xí)階段后，與本科階段相比發(fā)生了質(zhì)的變化，培養(yǎng)學(xué)生凝練科學(xué)問(wèn)題的能力和創(chuàng)新意識(shí)更為重要。學(xué)生在掌握專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論和學(xué)科發(fā)展?fàn)顩r的前提下，通過(guò)分析問(wèn)題、提出問(wèn)題并探討解決問(wèn)題的途徑和方法，從而創(chuàng)造知識(shí)，創(chuàng)新能力得到質(zhì)的飛躍。學(xué)生從接受知識(shí)階段到創(chuàng)造知識(shí)階段之間并沒(méi)有明顯的界限，其中還有一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，就是將學(xué)到的知識(shí)融會(huì)貫通，利用接受的舊知識(shí)創(chuàng)造新知識(shí)。

二、原創(chuàng)性研究對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有重要影響

原創(chuàng)性基礎(chǔ)研究，即在規(guī)律、機(jī)理等方面取得首次發(fā)現(xiàn)的研究，是技術(shù)創(chuàng)新和科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是培養(yǎng)和造就科技人才的搖籃，對(duì)推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有重大影響。盡管現(xiàn)在不少科學(xué)知識(shí)體系的發(fā)展都處于一種比較成熟的階段，普遍認(rèn)為只要接受并使用就夠了，但要做到真正的創(chuàng)新，就必須突破已有的結(jié)論、規(guī)律和定律。

2003年美國(guó)科學(xué)院院士、哈佛大學(xué)Jacobsen教授在《科學(xué)》上發(fā)表的文章[1]和后來(lái)大家公認(rèn)的結(jié)論：剛性構(gòu)象是優(yōu)勢(shì)手性催化劑（即能夠催化多種反應(yīng)并取得優(yōu)異結(jié)果的手性催化劑）的重要特征?；谶@種認(rèn)識(shí)，我們最初在設(shè)計(jì)催化劑時(shí)也是沿著這個(gè)思路，但后來(lái)我們?cè)O(shè)計(jì)合成了一類(lèi)新型手性雙氮氧化合物，兩邊是剛性骨架，中間由一個(gè)柔性烷基鏈連接，類(lèi)似中國(guó)功夫里的雙節(jié)棍。這類(lèi)柔性構(gòu)象手性雙氮氧催化劑[2-4]的發(fā)現(xiàn)突破了以往優(yōu)勢(shì)催化劑剛性骨架要求的理念，為新型手性催化劑的設(shè)計(jì)提供了新思路，現(xiàn)已成了一類(lèi)在國(guó)際上具有引領(lǐng)性的手性催化劑，被國(guó)際同行以中國(guó)本土化學(xué)工作者姓氏命名為“馮催化劑”[2]。

還有一個(gè)例子，有機(jī)化學(xué)課程中關(guān)于手性1，3-二羰基化合物性質(zhì)的介紹，現(xiàn)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(shí)，很容易發(fā)生烯醇化而導(dǎo)致不能得到光學(xué)純的1，3-二羰基化合物”;牛津大學(xué)出版的《有機(jī)化學(xué)》教材中對(duì)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(gè)羰基之間的光學(xué)活性β-酮酯是愚蠢的”[5]。我們課題組的一個(gè)大三學(xué)生在上了“有機(jī)立體化學(xué)”課程后，對(duì)這個(gè)內(nèi)容很好奇，也很感興趣，就想挑戰(zhàn)這個(gè)難題。我們?cè)O(shè)想，如果能找到合適的分離手段，避免消旋化，這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該就能解決，于是考察了重氮化合物與醛反應(yīng)（即Roskamp反應(yīng)[6]，得到的產(chǎn)物是1，3-二羰基化合物）。前期的研究結(jié)果表明，這類(lèi)化合物確實(shí)容易發(fā)生消旋化。我們通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的分析和討論，確認(rèn)了影響數(shù)據(jù)波動(dòng)的因素，并通過(guò)低溫柱層析或快速抽濾的方式解決了消旋化問(wèn)題，從而得到了光學(xué)活性的1，3-二羰基化合物，且重現(xiàn)性很好[7]。該《有機(jī)化學(xué)》教材主編Clayden教授在了解這個(gè)研究工作后給我們來(lái)信說(shuō)，“之前關(guān)于無(wú)法得到光學(xué)純的1，3-二羰基化合物的說(shuō)法是基于哈佛大學(xué)的Evans教授在10多年前發(fā)表的工作”。他表示，將把我們的工作寫(xiě)入下一版教材，糾正之前的結(jié)論。這一工作也被編入美國(guó)愛(ài)思唯爾（Elsevier）出版社的人名反應(yīng)專(zhuān)著“Organic Synthesis Based on Name Reactions”（基于人名反應(yīng)的有機(jī)合成），并被冠名為Roskamp-Feng反應(yīng)（Feng即馮小明）[8]。

這是第一個(gè)以中國(guó)本土研究工作命名的有機(jī)人名反應(yīng)。在完成這項(xiàng)研究工作后，這個(gè)學(xué)生又實(shí)現(xiàn)了一系列創(chuàng)新性的工作，為世界同行在該研究領(lǐng)域打開(kāi)了一個(gè)方向。

抗瘧性藥物青蒿素挽救了全球萬(wàn)千生命。但是，這個(gè)藥物已被發(fā)現(xiàn)在巴西和柬埔寨等地產(chǎn)生了抗藥性，因此要尋找新的抗瘧疾藥物。一個(gè)具有新作用機(jī)制和低毒性的手性抗瘧疾候選藥物KAE609已經(jīng)由美國(guó)諾華公司研發(fā)并開(kāi)始了二期臨床試驗(yàn)，因而我們關(guān)注這個(gè)化合物的合成。文獻(xiàn)方法是，先合成消旋體，再經(jīng)手性拆分，獲得單一構(gòu)型的光學(xué)純分子，理論收率不會(huì)超過(guò)25%，實(shí)際收率只有約2%[9]。我們課題組的學(xué)生基于對(duì)手性藥物的好奇心和對(duì)發(fā)展綠色高效合成方法重要性的認(rèn)識(shí)，通過(guò)分析已有方法并合理設(shè)計(jì)，利用我們的特色催化劑，發(fā)展了一個(gè)簡(jiǎn)單、高效、高選擇性的合成該手性藥物分子的不對(duì)稱(chēng)催化新方法[10]。

這些實(shí)例表明，通過(guò)開(kāi)展原創(chuàng)性研究工作，并融入課堂教學(xué)，會(huì)引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象中凝練問(wèn)題、分析問(wèn)題并尋求解決方案，形成系統(tǒng)化的知識(shí)。經(jīng)過(guò)這樣的過(guò)程和訓(xùn)練，能夠使學(xué)生突破已有的知識(shí)，創(chuàng)造新的知識(shí)，創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力得到顯著提高。

三、如何培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，關(guān)鍵的一點(diǎn)就是激發(fā)學(xué)生對(duì)知識(shí)、對(duì)科學(xué)的渴望與好奇。愛(ài)因斯坦曾說(shuō)過(guò)“興趣是最好的老師”，這句話非常有道理。美國(guó)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者為什么這么多？科技創(chuàng)新能力為什么這么強(qiáng)？實(shí)際上與他們的教育模式是密不可分的。他們的學(xué)生若想進(jìn)入美國(guó)一流高校，從中小學(xué)就要開(kāi)始忙碌，甚至在中午吃飯的時(shí)候，端個(gè)盒飯去做公益，這樣就可以利用更多的時(shí)間拿到更多的積分，為自己進(jìn)入大學(xué)積累砝碼。盡管學(xué)習(xí)過(guò)程和國(guó)內(nèi)一樣辛苦，但是他們的學(xué)生能樂(lè)在其中，主要原因就是對(duì)自己所學(xué)習(xí)的內(nèi)容感興趣，滿懷激情地投入進(jìn)去。國(guó)內(nèi)的家長(zhǎng)和學(xué)校在教育和培養(yǎng)學(xué)生過(guò)程中，沒(méi)能對(duì)“興趣是最好的老師”這句話足夠的重視和真正地實(shí)踐，從小學(xué)到大學(xué)，甚至到研究生階段，很多時(shí)候僅僅把它當(dāng)作一句口號(hào)，教學(xué)過(guò)程中照本宣科，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和主觀能動(dòng)性，并主動(dòng)去理解原理和本質(zhì)，使學(xué)生缺乏創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。因此，我們老師在授課、指導(dǎo)學(xué)生或科普過(guò)程中，應(yīng)引入一些自然現(xiàn)象和一些科學(xué)問(wèn)題激發(fā)學(xué)生的好奇心，用好奇心驅(qū)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情，促使學(xué)生主動(dòng)探索，對(duì)自己的學(xué)習(xí)科研產(chǎn)生主人翁意識(shí)。比如，我們給學(xué)生講授“有機(jī)立體化學(xué)”課程時(shí)，會(huì)涉及一個(gè)基本概念——“手性”，這個(gè)時(shí)候讓學(xué)生觀察自己的雙手有什么異同，為什么是鏡面對(duì)稱(chēng)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(gòu)型而不是D構(gòu)型的？藤纏樹(shù)為什么都是沿同一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向纏繞？這些問(wèn)題都會(huì)促使學(xué)生主動(dòng)思考“手性”的意義和手性化學(xué)的重要性[11]。

除了好奇心驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)激情，責(zé)任和擔(dān)當(dāng)意識(shí)的融入能夠使學(xué)生認(rèn)識(shí)到專(zhuān)業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)的意義和科學(xué)研究的價(jià)值，進(jìn)一步激發(fā)和堅(jiān)定學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和激情。比如，我們?cè)诮o學(xué)生講授含膦化合物性質(zhì)時(shí)，引入科學(xué)研究中的實(shí)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(lèi)的，而另一類(lèi)含膦化合物卻被某位諾貝爾獎(jiǎng)得主用于開(kāi)發(fā)致命的神經(jīng)毒劑。

在教學(xué)內(nèi)容上，除了教學(xué)大綱要求的內(nèi)容，老師要不斷地融入新知識(shí)、新進(jìn)展，包括學(xué)科前沿、學(xué)科進(jìn)展、發(fā)展趨勢(shì)，尤其是一些原創(chuàng)性研究，引領(lǐng)學(xué)生融會(huì)貫通，將專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行創(chuàng)新用于解決問(wèn)題。要提出有重要意義的挑戰(zhàn)性問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生去思考解決。比如“啃骨頭”的問(wèn)題，就像數(shù)學(xué)中的百年猜想，經(jīng)歷很多學(xué)者不斷探索、最終解決的問(wèn)題。還要注重培養(yǎng)學(xué)生利用多種手段、多種方式、多個(gè)途徑去解決問(wèn)題的能力。現(xiàn)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(xué)生深入理解，舉一反三，進(jìn)而創(chuàng)新創(chuàng)造。

此外，每一位學(xué)生都有各自的思想、性格和特點(diǎn)。作為老師，要有寬廣的胸懷，要關(guān)愛(ài)每一位學(xué)生，對(duì)每一位學(xué)生都非常了解，對(duì)不同的學(xué)生采用不同的教學(xué)模式，做到有教無(wú)類(lèi)、因材施教，這樣才能培養(yǎng)出更多的有責(zé)任擔(dān)當(dāng)、有創(chuàng)新能力和創(chuàng)造能力的人才。

四、關(guān)于學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)

立德樹(shù)人是教師的根本任務(wù)。對(duì)于學(xué)生的培養(yǎng)，不僅僅是文化知識(shí)的傳授、創(chuàng)新能力的提高，綜合素質(zhì)的培養(yǎng)同樣非常重要。我們課題組20年來(lái)培養(yǎng)了100多名碩士、博士畢業(yè)生，形成了“智慧、勤奮、誠(chéng)信、自信，抓住機(jī)遇，走向成功”的課題組文化，以及“堅(jiān)定信念，敢于創(chuàng)新，實(shí)事求是，強(qiáng)化責(zé)任”的育人理念?！皥?jiān)定信念”就是執(zhí)著追求，人能走多遠(yuǎn)，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(dǎo)學(xué)生在大學(xué)之初就樹(shù)立遠(yuǎn)大的目標(biāo)和理想，并沿著這個(gè)目標(biāo)腳踏實(shí)地、努力奮進(jìn)。“敢于創(chuàng)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(shí)候都會(huì)被“卡脖子”，而如果自己做出“從0到1”的原創(chuàng)性成果，再利用原創(chuàng)性研究產(chǎn)生原創(chuàng)性技術(shù)，就能開(kāi)辟新領(lǐng)域，發(fā)展新方向，引領(lǐng)學(xué)科發(fā)展?！皩?shí)事求是”是指做人做事要嚴(yán)守底線，經(jīng)得起時(shí)間的檢驗(yàn)，尤其是科學(xué)研究，不能有半點(diǎn)虛假。最后是“強(qiáng)化責(zé)任”，大到為國(guó)家、為民族，小到為家庭、為個(gè)人，都應(yīng)盡到自己的責(zé)任，回報(bào)父母，回報(bào)社會(huì)，為國(guó)家富強(qiáng)和民族復(fù)興做出貢獻(xiàn)。

總之，優(yōu)秀學(xué)生的成長(zhǎng)過(guò)程是復(fù)雜的，會(huì)受到各種因素的影響。學(xué)生首先要明確自己的目標(biāo)和理想，然后制定計(jì)劃，按照計(jì)劃行動(dòng)，在這過(guò)程中要克服各種困難，最終才能取得成功。作為老師，在培養(yǎng)學(xué)生過(guò)程中要將新的知識(shí)、新的科學(xué)前沿成果，尤其是原創(chuàng)性研究融入課堂教學(xué)，讓學(xué)生了解科學(xué)、認(rèn)識(shí)科學(xué)，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的好奇心和激情，從而熱愛(ài)科學(xué)，愿意從事科學(xué)研究，探索科學(xué)的奧秘;要引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感;要強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，使之成為有德有才的社會(huì)精英。讓創(chuàng)新成為一種素質(zhì)，伴隨著學(xué)生的成長(zhǎng)，為引領(lǐng)人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展

領(lǐng)跑！

參考文獻(xiàn)：

[1] YOON T P， JACOBSER E N. Privileged chiral catalysts [J]. Science， 2003（299）： 1691-1693.

[2] WANG Z， LIU X H， FENG X M. Asymmetric catalysis enabled by chiral N，N′-dioxide–nickel（II） complexes [J]. Aldrichimica ACTA， 2020（53）： 3-10.

[3] 曹偉地，劉小華，馮小明. 手性雙氮氧配體及其金屬配合物不對(duì)稱(chēng)催化 [J]. 科學(xué)通報(bào)，2020（65）：2941-2951.

[4] WANG M-Y， LI W. Feng ligand： privileged chiral ligand in asymmetric catalysis[J]. Chin. J. Chem.， 2021（39）： 969–984.

[5] CLAYDEN J， GREEVES N， WARREN S. （eds） Oxford University Press： Organic Chemistry [C]， 2012： 459-460.

[6] HOLMQUIS C R， ROSKAMP E J. A selective method for the direct conversion of aldehydes into β-keto esters with ethyl diazoacetate catalyzed by tin（II） chloride [J]. The Journal of Organic Chemistry， 1989（54）： 3258-3260.

[7] LI W， WANG J， HU X L， et al. Catalytic asymmetric Roskamp reaction of α-alkyl-α-diazoesters with aromatic aldehydes： Highly enantioselective synthesis of α-alkyl-β-keto esters [J]. Journal of the American Chemical Society， 2010（132）： 8532-8533.

[8] HASSNER A， NAMBOOTHIRI I. （eds） Elsevier： Organic Synthesis Based on Name Reactions， Third Edition [C]， 2011： 408.

[9] WINZELER E A， DIAGANA T T， et al. Spiroindolones， a potent compound class for the treatment of malaria[J]. Science， 2010（329）： 1175-1180.

[10] ZHENG H F， LIU X H， XU C R， et al. Regio- and enantioselective aza-Diels–Alder reactions of 3-vinylindoles： A concise synthesis of the antimalarial spiroindolone NITD609 [J]. Angewandte Chemie International Edition， 2015（54）： 10958-10962.

[11] 林國(guó)強(qiáng)，李月明，陳耀全，等. 手性合成——

不對(duì)稱(chēng)反應(yīng)及其應(yīng)用：第5版[M]. 北京：科學(xué)出版社， 2013.

[責(zé)任編輯：夏魯惠]