徐光憲科學研究中“學科交叉法”應用探析

史 斌，趙 藝

(浙江工業(yè)大學 馬克思主義學院，浙江 杭州 310023)

徐光憲(1920—2015)，浙江紹興人，1936年考入浙江省立杭州高級工業(yè)職業(yè)學校，抗戰(zhàn)爆發(fā)后杭州高工停辦，轉學到寧波高級工業(yè)職業(yè)學校(浙江工業(yè)大學前身學校)就讀至1939年畢業(yè)，1980年當選為中國科學院學部委員(院士)，被譽為“中國稀土之父”“稀土界的袁隆平”[1]。作為浙江工業(yè)大學的知名校友，徐光憲是我國著名物理化學家、無機化學家、教育家，一生致力于化學研究和教學，研究范圍橫跨物理化學、核燃料化學、配位化學、萃取化學、稀土化學等多個領域。他的研究涉及生物學、神經科學、信息科學、數(shù)學、量子力學、熱力學、電磁學、晶體學、計算機科學與技術等諸多學科，而他個人除了有堅實的化學和化工基礎之外，還有良好的數(shù)學和物理學修養(yǎng)，更重要的是，徐光憲通過學科交叉、滲透和移植，善于將其他學科的方法轉化為一系列化學研究的新方法，做到了他所提出的移花接木[2]。透過徐光憲的成長軌跡，可以發(fā)現(xiàn)其科研取得重大突破的秘訣是在科學研究中一直追求研究方法的創(chuàng)新，通過方法的突破實現(xiàn)科研質的提升，其中，他提出的“學科交叉法”無論是在學界，還是在整個社會，都有較大知名度，影響甚廣。

一、徐光憲“學科交叉法”發(fā)展歷程

總結徐光憲“學科交叉法”形成，離不開他生活時代和成長歷程，良好的家庭啟蒙教育、坎坷的求學經歷、方向多變的研究經歷等造就他對科研工作濃厚興趣和對科研方法孜孜不倦追求。

(一)萌芽期：青少年時期生活經歷培養(yǎng)了愛學習、勤思考習慣

徐光憲“學科交叉法”思想的醞釀可以追溯到青少年時期。他出生在一個中產階層家庭，父親與人合伙開設像“林家鋪子”的布店，后來父親病故，家道衰落。徐光憲對科學研究的熱愛始發(fā)于他在少年時期受父母家庭教育的影響。他年少時學習很努力，每天上學總是第一個到校等著學校開門。他晚年曾回憶，“母親常教導我們說：‘家有良田千頃，不如一技在身’，要我們兄弟用功讀書，學習技術，不要依賴家庭，這對我的一生影響深遠”[3]。他幼時跟父親學習圍棋，對后來從事科研創(chuàng)新探索和研究很有啟發(fā)。比如，在他的教學生涯中，總是堅持在講課之前，將自己的思路理得清清楚楚，這樣就能把學生教懂、讓學生喜歡，這就好比下圍棋前需要早做計算，理清自己的思路[4]。因童年時體弱多病，他到中藥鋪買藥時，受中藥鋪上百個抽屜分類存儲藥材的啟發(fā)，將自己學習知識也進行分類，這種分類歸檔、建立知識框架的思維方法，使他終身受益。作為一個愛思考的有心人，正所謂生活處處有學問，少年時期的啟蒙教育埋下了熱愛科研、勤學好問的種子。

(二)形成期：求學期刻苦學習和工作后大量實踐為“學科交叉法”形成奠定堅實基礎

在求學時期，由于動蕩的時代，他所受的教育斷斷續(xù)續(xù)。受課程安排的影響，徐光憲大范圍學習數(shù)理化知識，通過大量的習題練習，不斷將課程知識、習題知識、實驗經驗納入自己的知識框架，逐漸形成自己的研究風格。1949年，徐光憲獲得哥倫比亞大學理學碩士學位，隨后師從貝克曼展開量子化學研究，量子化學是應用量子力學的基本原理和方法研究化學問題的一門基礎科學。在證實羅菲爾德的旋光理論實驗中，徐光憲借用物理模型，把量子力學和實驗物理方法配合起來，設想了一個化學鍵三中心模型，首次驗證了羅菲爾德的關于旋光的量子化學理論。新中國成立后，徐光憲熱切回到祖國，為了國家建設需要與研究可行性，這個時期他曾兩次改變研究方向，一是從量子化學轉向絡合物化學。1952年我國院系調整后，徐光憲在編寫《物質結構》教材中，將量子力學、統(tǒng)計力學、結構化學等課程內容添加到教材中，并以物理與化學雙重視角探討物質微觀結構，力求在了解物質的結構和性能的基礎上，借助研究物理學的原理與方法對化學現(xiàn)象及本質進行研究。該書不僅作為化學教材，還被一些高校物理系、金屬物理系作為教材。二是為打破西方列強的核威脅，在錢三強的提議下，他研究方向再轉入核燃料萃取，為我國原子彈的研制作出了重要貢獻。寬廣的國際視野、多崗位歷練、多領域涉足和多學科探究促進了學科交叉思想的形成。

(三)成熟期：改革開放后“學科交叉法”深入到諸多領域并形成理論體系

1978年，徐光憲從北京大學技術物理系調回化學系，研究方向轉為稀土萃取分離。在從事化學科學研究過程中，徐光憲特別注重研究方法，尤其是“學科交叉法”的推廣與使用。他認為，“化學的研究方法和它的研究對象及研究內容一樣，也是隨時代的前進而發(fā)展的。在19世紀，化學主要是實驗的科學，它的研究方法主要是實驗方法。到了20世紀下半葉，隨著量子化學在化學中的應用，化學不再是純粹的實驗科學了，它的研究方法有實驗和理論?，F(xiàn)在21世紀又將增加第三種方法，即模型(Modeling)和計算機模擬的方法”[5]。2009年1月，徐光憲獲2008年度國家最高科學技術獎，其關于科研方法的論述引發(fā)廣泛關注。2009年6月，徐光憲在《功能材料信息》刊物上發(fā)表《科研創(chuàng)新十六法》，系統(tǒng)闡述了“學科交叉法”，標志其理論體系的形成。學科交叉法就是在不同的學科之間，進行“比較”“類比”和“移植”的研究方法，從而產生新的研究領域或新的學科[6]。2013年3月，徐光憲在《考試(高中理科)》雜志發(fā)表《成功的十大要素》，再一次引發(fā)全社會對學習、工作和研究方法的深入探討。

二、徐光憲“學科交叉法”實踐應用

徐光憲學科交叉法的思想源于他早期科研經歷，真正廣泛應用還是在他海外求學歸來之后。尤其是恰逢20世紀中后期信息技術蓬勃發(fā)展之際，密切關注科技領域最新動態(tài)的徐光憲開始將數(shù)學、計算機、信息學等學科知識與化學研究相整合，以此為起點，開發(fā)出眾多交叉方法與交叉學科。

(一)數(shù)學模型與計算機模擬在稀土萃取中的創(chuàng)新

稀土被譽為“工業(yè)黃金”，對于武器裝備制造以及諸多高科技有著重要的戰(zhàn)略意義，我國是世界上最大的稀土資源儲備國，儲量占到了全球已知總量的百分之七十多，稀土金屬提取和加工技術非常重要。在稀土萃取的優(yōu)化工藝中，徐光憲與合作者借用模型將實驗理論和過程數(shù)學化，提出恒定級數(shù)公式，優(yōu)化萃取步驟，縮短試驗周期，使研究結果變得清晰明朗，使數(shù)學計算在萃取優(yōu)化設計中發(fā)揮了靈魂作用，并通過數(shù)學模型，對稀土元素分離的出口進行優(yōu)化和模擬驗證，從只能得到一個純產品元素和一個富集物的兩出口工藝，優(yōu)化至能同時得到兩個純產品元素和一個富集物的三出口萃取工藝，并得出了定量的計算方法，大大提高了稀土元素的產出率和回收率，是我國創(chuàng)新“萃取三出口”工藝的開始。同時，徐光憲與合作者利用計算機模擬萃取中的“搖漏斗”過程，設計計算機模擬動態(tài)程序，將萃取過程逐級逐排模擬出來，同時得到實驗動態(tài)過程與結果，以便監(jiān)查實驗過程。徐光憲與合作者們通過串級萃取動態(tài)過程的數(shù)學模型與計算程序、回流啟動模式等方法的利用，真正做到了稀土萃取理論與工藝的自主研發(fā)與優(yōu)化，構建了全球最強大的稀土產業(yè)鏈，為中國稀土工業(yè)獲取高純度的單一稀土元素作出杰出貢獻。

(二)量子化學中的計算機程序創(chuàng)新

20世紀60年代，國際上開始興起對量子化學計算方法的研究，同時隨著我國計算機科學的發(fā)展，計算量子化學受到關注，于是徐光憲在20世紀70年代轉回量子化學領域研究。他注意到量子化學計算對化學過程的重要性，使得量子化學可以通過計算了解化學過程。他與學生黎樂民等合作者在1977年開始研究量子化學從頭計算程序，并最先制作出用從頭計算法編寫出來的程序。為了直觀生動呈現(xiàn)分子的簡正振動，徐光憲與合作者用C語言開發(fā)出分子的圖形顯示程序，以動畫的方式再現(xiàn)分子在各種振動模式下的振動行為，使人們可以從不同角度觀察分子的立體角度，不被視線重疊，極大便利了對分子微觀結構與振動光譜之間關系的研究[7]。同時，他與合作者又用C語言開發(fā)出了用于解決譜帶重疊問題的光譜分峰曲線擬合的Curvefit軟件，并為程序配備了多種功能和一個友好的人機交互界面以方便使用[8]。隨后，基于稀土研究萃取分離技術，徐光憲認為要加強稀土理論部分的研究，以及稀土研究的范式創(chuàng)新，又將量子化學的計算方法繼續(xù)開發(fā)用于解決稀土化學等問題。計算機軟件程序的開發(fā)從量子力學的計算方程出發(fā)，為徐光憲等人在量子化學方面的研究提供了高效便捷的手段。量子化學計算方法的創(chuàng)新和計算機作為研究設備的改善，不僅推動了我國量子化學研究以及化學在微觀領域的深入發(fā)展，也為我國化學學科交叉方法的變革提供了新思路。

(三)化學信息學的方法創(chuàng)新

20世紀中后期，化學數(shù)據(jù)和實驗信息等各種化學信息的積累飛速增長，化學家們逐漸開始利用信息學的優(yōu)勢，開發(fā)化學檢索軟件，并提供資源共享與虛擬環(huán)境，為檢索應用數(shù)據(jù)提供便捷。徐光憲敏銳地注意到了，他提出化學信息學是一門以信息學方法來解決化學問題的科學，并在全國首屆化學信息學研討會上作報告，指明我國開展化學信息學研究的一個可能性的突破口[9]。他認為，化學信息學應是信息科學與化學的交叉，可以用數(shù)學、統(tǒng)計學和計算機科學的理論方法和工具作為研究手段。從科學發(fā)展史看，科學實驗數(shù)據(jù)和信息的大量積累，如果加以認真分析和綜合研究，往往導致重大科學規(guī)律的發(fā)現(xiàn)。徐光憲以分類學的原理和思路來研究海量化學信息庫，就像中藥抽屜柜，分類存儲，不僅有利于便捷獲取有效信息，提高獲取信息速率，更重要的是可以利用各種化學信息庫，總結出規(guī)律，最大限度挖掘、開采和應用信息寶庫，用信息學的原理和經驗來解決化學問題。在他的積極推動下，當前我國化學信息學在高校課程中已有較為詳盡的安排，其廣泛應用于生物學、醫(yī)學、農學以及化學信息檢索等。徐光憲晚年想做的三件事之一就是借鑒信息論、生物進化論和系統(tǒng)生物學，創(chuàng)建化學信息學、化學進化論和系統(tǒng)化學。

三、徐光憲“學科交叉法”現(xiàn)實意蘊

近年來，隨著科學研究與社會變革的需要以及人類對知識規(guī)律的理性認識，學科間通過知識互動、理論互通形成的跨學科研究方法日益受到重視。徐光憲“學科交叉法”不僅在化學研究領域應用廣泛，在我國整個科研領域也有巨大影響力，對于新時代我國高等教育的學科建設、人才培養(yǎng)和科學研究等有重要的借鑒和指向作用。

(一)有效服務國家重大戰(zhàn)略需求，推進多學科交叉會聚和多技術跨界融合

縱觀徐光憲一生的科研生涯，情系祖國、服務國家發(fā)展是一條清晰的主線，他四次轉變科研方向，每次轉變都與不同合作者更新跨學科知識產品以解決科研難題，對化學科學未來發(fā)展脈絡與應對方法做出戰(zhàn)略性判斷。徐光憲強調，正確敏銳地提出科學問題，本身就是重大的創(chuàng)新，而科學探究問題的選擇要符合三個條件：首先必須選擇國際學科發(fā)展的前沿；第二要結合國內具體情況；第三要注意研究的應用前景，面向國家目標。2020年9月11日，習近平總書記在科學家座談會上強調“研究方向的選擇要堅持需求導向，從國家急迫需要和長遠需求出發(fā)，真正解決實際問題?！碑斀袷澜缯幵诖蟀l(fā)展大變革大調整時期，社會重大科學技術突破越來越依賴不同學科之間的交叉融合，面對紛繁復雜的后疫情時代，多學科交叉會聚與多技術跨界融合解決人類面臨的新問題、新挑戰(zhàn)將成為新常態(tài)，如新冠疫苗研發(fā)涉及藥理學、藥劑學、藥物化學、天然藥物化學、毒理學、細胞生物學、分子生物學、醫(yī)學免疫學、醫(yī)學微生物學等眾多學科，需要跨學科開展深度合作。交叉學科作為新學科門類也是一個很好例證。國務院學位委員會、教育部印發(fā)《關于設置“交叉學科”門類、“集成電路科學與工程”和“國家安全學”一級學科的通知》(學位〔2020〕30號)，“交叉學科”成為我國第14個學科門類，“集成電路科學與工程”“國家安全學”成為該門類下的一級學科。

(二)深度對接國家“雙一流”建設，通過學科交叉融合培育新的學科生長點

徐光憲強調“學科建設要‘超’，通過‘超’可以在較短的時間里達到國內一流，甚至世界一流，一流大學不在于面面俱到，而在于有特點”[10]。其觀點對于引領我國高等教育面向未來發(fā)展的“雙一流”建設有很好的啟發(fā)。2018年，教育部、財政部、國家發(fā)展改革委印發(fā)《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》，強調“打破傳統(tǒng)學科之間的壁壘，以‘雙一流’建設學科為核心，以優(yōu)勢特色學科為主體，以相關學科為支撐，整合相關傳統(tǒng)學科資源，促進基礎學科、應用學科交叉融合，在前沿和交叉學科領域培植新的學科生長點”?？刂普摰牡旎逳.維納曾說：“在科學發(fā)展上可以得到最大收獲的領域是各種已經建立起來的部門之間被忽視的無人區(qū)”。2016年，習近平總書記在全國科技創(chuàng)新大會、兩院院士大會、中國科協(xié)第九次全國代表大會上提出“厚實學科基礎，培育新興交叉學科生長點”。2018年，在北京大學考察時指出“要下大氣力組建交叉學科群”。通過對很多著名大學世界一流學科的成長軌跡梳理，發(fā)現(xiàn)基本路徑：一是將已有的特色學科、優(yōu)勢學科做大做強，“高原”上成就“高峰”；二是積極融入國家、區(qū)域和行業(yè)的重大發(fā)展戰(zhàn)略，在滿足社會發(fā)展重大需求的過程中成長、壯大，實現(xiàn)“彎道超越”；三是立足新的科學技術和學科發(fā)展前沿，在學科的交叉融合中培育出新的學科，異軍突起。當前，我國高等院校在傳統(tǒng)學科建設的基礎上，將多學科融合納入高校專業(yè)設置的發(fā)展脈絡，集文理合流、學科群建設、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與專業(yè)學科融合為一體的學科群設置，以培養(yǎng)創(chuàng)新型學科生長點。如廈門大學作為綜合性一流大學，在“雙一流”建設2018年度進展報告中對學科交叉融合進展做出了詳細闡釋，重點建設化學與物質基礎、海洋資源環(huán)境與生態(tài)文明、生命科學與人類健康、統(tǒng)計與數(shù)據(jù)科學等11個交叉融合的學科群，推進學科集群發(fā)展。南京大學蘇州校區(qū)著力打造化生醫(yī)藥、材料能源與工程、電子與信息、地球系統(tǒng)與環(huán)境、人文與社會等五大學科群，其戰(zhàn)略意圖是強化“新工科”，通過多學科交叉融合，培育新的學科生長點。在特色型高校的“雙一流”建設中，以哈爾濱工業(yè)大學為例，在2018年度“雙一流”進展報告公示中，將發(fā)展新興交叉學科作為“雙一流”建設成效，支持國際一流基因組測序、量子信息科學與技術等前沿交叉方向建設；成立醫(yī)工交叉創(chuàng)新研究院、人工智能研究院等交叉平臺；在司法領域獲批國家重點研發(fā)計劃項目2項和課題6項，文工交叉也初見成效。

(三)打破學科壁壘，厚植跨學科培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才的沃土

徐光憲認為：“方法比知識更重要，學生要把學到的知識納入自己頭腦中的化學知識框架，經過消化、吸收、分析、整理，變成自己的東西。畢業(yè)后能夠把所需知識調出來，創(chuàng)新研究，解決實際問題。教師就要‘授人以漁’，教會學生方法”[11]。徐光憲除了在我國的稀土工業(yè)、萃取理論、科技政策等有著獨到見解和貢獻，他也將“學科交叉法”運用到人才培養(yǎng)上，培養(yǎng)近百名博士生和研究生，曾出現(xiàn)“師徒一門四院士”現(xiàn)象，即使在世界范圍內也并不多見。以中山大學校長高松院士為例，他碩士階段在徐光憲指導下從事稀土配合物研究，完成碩士學位論文后，出于興趣，他有意轉變研究方向，徐光憲鼓勵他的選擇，開始多核稀土簇合物與分子磁性方面的研究，通過學科交叉實現(xiàn)新領域突破，取得諸多創(chuàng)新性成果。徐光憲“學科交叉法”人才培養(yǎng)模式為培養(yǎng)高素質創(chuàng)新人才提供了新思路。近年來，眾多高校打破學科壁壘，通過學科交叉融合，積極探索復合型人才培養(yǎng)改革新路徑。2020年，教育部印發(fā)《未來技術學院建設指南(試行)》(教高廳函〔2020〕6號)，強調主動打破傳統(tǒng)專業(yè)學科壁壘，推動專業(yè)學科交叉融合，促進理工結合、工工交叉、工文滲透、醫(yī)工融合等，鼓勵各高校依據(jù)學科優(yōu)勢特色，聚焦一個或多個未來技術領域，構建協(xié)調可持續(xù)發(fā)展的專業(yè)學科體系，主動應對經濟社會發(fā)展變化，主動引領前沿技術發(fā)展趨勢，探索人才培養(yǎng)新模式。

(四)靈活運用“學科交叉法”，推動科研工作高質量發(fā)展

徐光憲認為，“不同學科有上、中、下游之分。數(shù)學、物理學是上游學科；化學是中游，生物、醫(yī)學和社會科學等式下游學科。上游學科的研究對象比較簡單，下游學科的研究對象復雜。移上游科學之花，可以接下游科學之木。科學研究者若具有廣博和堅實的基礎，把上游科學移植到下游科學，往往能取得突破性的成就”[12]。在物理化學方面，徐光憲以編寫學科教材為起點，將不同學科知識有目的整合，引入多學科認知視角，積累化學學科以外的知識，將量子力學原理同實驗物理相結合，促使讀者發(fā)現(xiàn)學科間隙中的交叉點和聯(lián)結點。徐光憲通過不同學科的研究理論與研究方法，在量子化學和理論化學領域，特別是在物理學、數(shù)學和化學學科交叉領域，取得重要成就。這種將多學科融合的思維，為科學研究者開動腦筋，發(fā)現(xiàn)新研究方法、提升科研創(chuàng)造力提供了新視角。2019年，教育部、中央政法委、科技部等13個部門聯(lián)合啟動“六卓越一拔尖”計劃2.0，全面推進新工科、新醫(yī)科、新農科、新文科建設，其核心在于強化學科專業(yè)的交叉融合，推動科研工作高質量發(fā)展，與新一輪科技革命和產業(yè)變革實現(xiàn)深度互動和有效引領支撐，大幅提升高校服務經濟社會發(fā)展能力。