基于煤化學-量子化學交叉學科研究生培養(yǎng)探究*

杜雙利 翟瑞聰 朱 穎

（太原理工大學安全與應(yīng)急管理工程學院）

當今世界，人才競爭力是衡量一個國家綜合國力的重要指標。而碩士教育作為國民教育系統(tǒng)的頂端，是構(gòu)建創(chuàng)新型國家、提升科技競爭力和人才競爭力的重要基石。隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，基礎(chǔ)學科的大廈已經(jīng)建成，以單一學科為主導的傳統(tǒng)研究生教育已逐漸不能滿足新世紀人才培養(yǎng)的要求。而交叉學科相較于知識界限劃分鮮明的基礎(chǔ)學科而言，可以提供更加多元化的理論知識和科學視野，往往成為新科學的生長點和突破點。學科交叉融合順應(yīng)我國當代學科發(fā)展的趨勢，滿足現(xiàn)階段我國教育創(chuàng)新的需求，能夠打破單一學科間的知識界限并達到多個學科知識交融，逐漸成為新一輪科技革命的重要支柱。

以煤科學領(lǐng)域為例，煤炭是我國的主體能源，但煤炭的開采和應(yīng)用所造成的環(huán)境污染與我國當前提倡的綠水青山環(huán)保發(fā)展理念相悖。因此清晰地認識煤分子結(jié)構(gòu)，掌握和了解煤的轉(zhuǎn)化過程及反應(yīng)機理，對合理開發(fā)利用煤炭資源和保護環(huán)境具有重要意義。但由于煤分子官能團的多樣性和煤轉(zhuǎn)化過程的復雜性，單純應(yīng)用現(xiàn)有的儀器分析技術(shù)和實驗方法難以探究其反應(yīng)規(guī)律和本質(zhì)，這就需要通過另一視角和層面來突破這個難題。煤分子的化學反應(yīng)研究主要包括動態(tài)分子間的相互作用和斷鍵成鍵過程，而將量子化學計算方法應(yīng)用于煤化學領(lǐng)域，可以從微觀層面深入研究煤大分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其過渡態(tài)反應(yīng)路徑，對于強化研究生關(guān)于煤化學領(lǐng)域的理論基礎(chǔ)，提升研究生多學科領(lǐng)域認知水平，打破單學科知識壁壘，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力具有十分重要的意義。

1 以學科交融促進復合創(chuàng)新型人才培養(yǎng)

1.1 學科交融現(xiàn)狀

當今時代，學科交叉融合已經(jīng)成為知識發(fā)展和人類社會實踐需要的必然結(jié)果。各國已經(jīng)強烈意識到發(fā)展學科交叉教育對于解決科研前端問題的重要性。目前國內(nèi)外在交叉學科組織建設(shè)與發(fā)展的探索上經(jīng)已取得了初步成果。

早在20世紀30年代，國外開始出現(xiàn)關(guān)于學科交叉融合的科學研究，主要在美國、英國、日本等發(fā)達國家盛行。美國的《促進跨學科研究》中表明學科交叉融合在國外早已不是個別領(lǐng)域的創(chuàng)想，已經(jīng)上升為國家教育發(fā)展戰(zhàn)略。麻省理工和斯坦福等研究型大學大力組建學科交叉研究中心，設(shè)置大比例的交叉學科專業(yè)和研究團體，重大課題組涉及多學科交叉的研究生培養(yǎng)任務(wù)［1］。英國一流大學的交叉學科研究也位于世界前沿，政府設(shè)立大量基金保證研究生教育資金充沛，有足夠的資金流向甚至傾斜于交叉學科人才培養(yǎng)，為多學科交叉研究項目提供有力支持［2］。牛津大學存在著全面的交叉學科學習渠道，對于特定專業(yè)的學生不設(shè)置特定學習科目，根據(jù)學生學習和研究的不同內(nèi)容可選擇不同的學習課程，由不同院系的教師共同完成學生的教學任務(wù)，推動學生跨學科領(lǐng)域?qū)W習，促進學生對多元領(lǐng)域知識的融會貫通［3］。日本的學科交叉培養(yǎng)體系已經(jīng)廣泛建立在各個大學，重點推進學科交叉融合學習，東北大學定位發(fā)展成學科交叉國際研究基地。在眾多大學研究生院進行廣泛的多學科交叉教學，也讓研究組織和科研機構(gòu)具有流動性和共用性［4］。

我國高等院校和研究院所進行學科交叉學習和研究相較于國外起步較晚。國內(nèi)的42所“世界一流大學”在學科交叉培養(yǎng)上領(lǐng)先起跑，目前均已設(shè)立完備的學科交叉研究院和培養(yǎng)機制。如西安交通大學和陜西省科技廳專門成立了醫(yī)學交叉研究項目管理委員會，力爭探索和解決醫(yī)學領(lǐng)域的重大科學難關(guān)，搶占健康中國科技發(fā)展制高點。

1.2 煤化學和量子化學的交叉融合

量子化學是應(yīng)用量子力學的基本原理和方法來研究化學問題的一門基礎(chǔ)學科［5］。近年來，由于實驗方法本身的局限性，無法從本質(zhì)上揭示宏觀現(xiàn)象背后的微觀反應(yīng)機理，且隨著計算技術(shù)和硬件的迅速發(fā)展，量子化學計算已逐步應(yīng)用于煤科學研究領(lǐng)域。

1.2.1 量子化學在煤分子結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，只有從根本上認識煤的分子結(jié)構(gòu)，才能從本質(zhì)上揭示煤的物理化學性質(zhì)，進而實現(xiàn)對煤炭資源的充分合理開發(fā)和利用［6］。煤分子的化學結(jié)構(gòu)復雜，煤種多樣，主要包括含氧官能團和少量的含硫、氮官能團［7］。官能團的種類和數(shù)目以及表面官能團的特征直接關(guān)系到煤分子的反應(yīng)特性，如王懷偉等［8］采用密度泛函理論方法研究了煤自燃過程中-CH2-官能團的反應(yīng)機理，結(jié)果表明硫元素提高了-CH2-官能團的氧化活性。應(yīng)用量子化學計算方法不僅可以準確得到煤大分子結(jié)構(gòu)中化學鍵的鍵長、鍵角和鍵能等信息，還可以通過模擬反應(yīng)確定不同煤結(jié)構(gòu)單元的化學活性位點，為進一步認識煤的微觀反應(yīng)機理奠定理論基礎(chǔ)。

1.2.2 量子化學在煤化學反應(yīng)方面的應(yīng)用

應(yīng)用量子化學方法可以從本質(zhì)上揭示煤分子的微觀化學反應(yīng)過程。何文浩等［9］通過量子化學計算方法研究了硅藻土中2種主要硅醇與瓦斯爆炸過程中間產(chǎn)物的相互作用，結(jié)果表明硅藻土中的連生硅醇結(jié)構(gòu)對甲烷氧化鏈式反應(yīng)具有良好的抑制；安文博等［10］通過密度泛函理論方法研究了表面活性劑對煤體的改性規(guī)律，結(jié)果表明表面活性劑通過靜電相互作用與煤體表面發(fā)生作用，進而導致煤體表面產(chǎn)生孔隙和裂隙，力學強度降低；姜海洋等［11］通過量子化學計算方法研究了CO和H2O對瓦斯爆炸的影響，結(jié)果表明CO和H2O與瓦斯爆炸中間體和自由基結(jié)合，起到了抑制瓦斯爆炸的作用。眾所周知，煤燃燒后會形成大量的一氧化碳、二氧化碳、硫化物和氮氧化物，這些燃燒產(chǎn)物不僅破壞大氣圈中的臭氧層，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大壓力，也嚴重危害動植物生長和人類健康，應(yīng)用量子化學計算方法可以定性和定量地分析煤大分子燃燒時各元素的成鍵斷鍵特征及其在化學反應(yīng)中的變化，從而分析和確定具體反應(yīng)過程，為日后的脫氮和脫硫工程提供理論指導。此外，氣體分子與煤表面發(fā)生的吸附解吸過程、煤層氣表面催化劑催化性能的研究以及煤的裂解等研究都可以通過量子化學計算方法來研究。

由此可見，量子化學在煤科學領(lǐng)域的應(yīng)用不僅可以對實驗技術(shù)不易捕捉的微觀時空結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行補充，為實驗方案的設(shè)計提供理論參考，還可以為研究生提供更多的新思路、新想法，拓展了研究生的研究課題和方向，拓寬了研究生的思維廣度。

2 煤化學-量子化學交叉學科研究生培養(yǎng)現(xiàn)存問題

2.1 交叉學科教學師資力量薄弱

現(xiàn)階段，我國高校人才培養(yǎng)模式大多仍沿襲以單學科主導向縱深發(fā)展的傳統(tǒng)模式，導致高校教師復合型人才資源稀缺，研究生交叉學科指導教師面臨人員困境。其次，學科交叉并非簡單的跨學科交流，而是要在這些學科邊界的前沿領(lǐng)域開拓新知識，在多學科交叉點上發(fā)現(xiàn)新知識并取得重大科研突破，因此需要高校教師付出更多時間和精力進行學習、轉(zhuǎn)型和深造。再者，學科交叉作為新興領(lǐng)域，其制度和體系尚在起步階段，發(fā)展前景模糊，高校也沒有相應(yīng)的激勵政策，導致師資隊伍進行學科交叉的積極性不高。以本校煤科學和量子化學兩大學科為例，目前同時涉獵2個學科領(lǐng)域的教師較少，大多都是在其一領(lǐng)域向內(nèi)精研。教師是立教之本，興教之源。如何培養(yǎng)出具備多學科知識儲備和交叉學科教育方法的雄厚師資隊伍，是當前開展研究生學科交叉培養(yǎng)的首要重任。

2.2 交叉學科研究生培養(yǎng)體系尚不完善

任何一種教育模式的建立都需要完整的政策機制、管理模式和培養(yǎng)體系。因此，在傳統(tǒng)的單學科研究生培養(yǎng)教育大背景下，發(fā)展多學科交叉培養(yǎng)模式離不開一套完善的交叉學科教學體系的正確引導。國內(nèi)某些高校雖已開始設(shè)立雙學位教育、跨學科課程學習、多學科交叉研究等多種學科交叉學習途徑，但并未建立交叉學科知識體系，教學方式依舊單一傳統(tǒng)，學生雙學位間也未建立知識聯(lián)系，跨學科的課堂內(nèi)容缺少交叉學科的知識碰撞和融合。目前，受高校傳統(tǒng)院系的影響，煤炭與量子化學交叉學科研究生培養(yǎng)體制尚未建立，2個學科領(lǐng)域間“橫向”交流匱乏，沒有完全滿足煤炭與量子化學交叉學科融合的專業(yè)課程，分科教學的方法缺少創(chuàng)新性和知識融合性，不利于增進學生的學科交叉理解。

2.3 交叉學科教學經(jīng)費與研究條件有待提高

交叉學科培養(yǎng)作為新興的學科培養(yǎng)方式，與傳統(tǒng)單一學科競爭存在弱勢。我國高校學科建設(shè)經(jīng)費有限，在目前建設(shè)“雙一流”學科的競爭下，優(yōu)先側(cè)重于對傳統(tǒng)優(yōu)勢學科的經(jīng)費支持，最后流向新興的交叉學科經(jīng)費較少?，F(xiàn)階段還未建立新興交叉學科院系，煤化學與量子化學計算交叉學科的研究是在傳統(tǒng)的煤炭學院與化學學院兩學科的知識交叉地帶，相較于單一學科研究條件需求較大，風險與不確定性較高，研究生培養(yǎng)任務(wù)相對困難。如果沒有先進的計算機軟硬件設(shè)備和充足的煤化學實驗條件，不利于交叉學科研究生的培養(yǎng)，對學生的創(chuàng)新創(chuàng)造力和探索積極性的提高帶來很大限制。

3 煤化學-量子化學交叉學科研究生培養(yǎng)模式探究

3.1 規(guī)范交叉學科研究生培養(yǎng)管理體制

高校應(yīng)建立研究生交叉學科培養(yǎng)管理體制，如成立專門的交叉學科管理委員會，完善教師聘用、人才培養(yǎng)規(guī)劃、獎助體系、學位審核等工作；改革學科建設(shè)管理制度，通過強化項目評審標準，規(guī)范交叉學科教師科研評價制度等保證新興交叉學科培育建設(shè)的競爭性。同時給予交叉學科一定的包容性與容錯率，從而促進其健康發(fā)展，推動交叉學科人才培養(yǎng)質(zhì)量的不斷提升；新興交叉學科起步階段需要適當?shù)馁Y源傾斜，可以成立煤化學-量子化學交叉學科專項資金，為相關(guān)人才培養(yǎng)提供大力支持。

3.2 成立交叉學科導師組

目前國內(nèi)高校師資隊伍大多處于單一學科背景，針對這一困境，組建高學歷、年輕化、創(chuàng)新能力強的高素質(zhì)交叉學科師資隊伍是重中之重。高校首先應(yīng)設(shè)置煤科學-量子化學交叉學科教師崗，通過人才引進、項目激勵、獎助評審等舉措快速聚攏多學科領(lǐng)域人才。其次，通過開展跨學科科研、教研，參加多學科生產(chǎn)攻堅等活動，提升教師的跨學科人才培養(yǎng)能力。此外，從煤科學和量子化學學科中抽調(diào)具有優(yōu)秀研究成果、有創(chuàng)新精神、敢于實踐的骨干教師成立交叉學科導師組，吸引不同學科領(lǐng)域的教師開展交叉學科項目研究，促進多學科知識結(jié)構(gòu)和體系的碰撞。建立跨學科甚至跨院系的公共研究平臺，以科研項目帶動平臺建設(shè)，加大交叉學科師資隊伍的培養(yǎng)和整合。

建立交叉學科導師組激勵機制和評價機制也是重中之重，因為從事跨學科協(xié)同教學對很多教師而言，需要承擔極大的風險。其一，協(xié)同教學需要耗費大量時間，勢必減少交叉學科導師從事科研的時間；其二，協(xié)同教學啟動階段需要投入大量精力而結(jié)果未知，對導師的職業(yè)生涯可能幫助不大；其三，初期階段交叉學科研究生在科研方面的進步成效如何無法預測，這使得導師的教學效果很難評價，往往可能得不到足夠的認可和獎勵。如：一直鼓勵教師跨學科交叉的密歇根大學曾引進了一批從事跨學科研究的老師。但當這些教師晉升職稱時，便遭遇其研究成果屬于哪個專業(yè)，該由哪個專業(yè)、哪個學院組織評價這種困境［12］。

3.3 建立交叉學科研究生科研創(chuàng)作和交流創(chuàng)新平臺

高?？梢酝ㄟ^整合不同院系煤化學和量子化學相關(guān)學科的教學資源，或聯(lián)合其他高校，建立交叉學科研究生創(chuàng)新平臺。依托平臺，借助高校自身優(yōu)勢，對接企業(yè)資源，以校企合作項目的形式為交叉學科研究生提供良好的課題資源和實踐平臺；優(yōu)化資源配置，完善公用試驗設(shè)備，解決交叉學科研究生在科研創(chuàng)作時的硬件設(shè)施短板；邀請在煤科學和量子化學領(lǐng)域有深入研究的院校、科研機構(gòu)和專家舉辦論壇，開展學術(shù)交流會，豐富交叉學科研究生進行知識交流和學習的路徑，開拓交叉學科研究生的學術(shù)視野和思想創(chuàng)新；提出具有前沿性、符合國家重大需求的科學問題或工程問題，如國家政策高呼的“碳達峰、碳中和”等課題，引導學生選題并給予相應(yīng)經(jīng)費支持，激發(fā)研究生的創(chuàng)新活力。2022年1月23日，由四川大學牽頭，聯(lián)合電子科技大學、中國國防科技大學共同組建了新型冠狀病毒大數(shù)據(jù)交叉學科研究平臺。該平臺由大學牽頭，行政支撐，企業(yè)支持，涉及大數(shù)據(jù)、人工智能、臨床流行病學和循證醫(yī)學等多個學科領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。通過不同維度的海量數(shù)據(jù)信息，進行綜合建模和分析，研究新型冠狀病毒的傳播路徑、危險期、致死性以及發(fā)病趨勢，并在此過程中逐步積累研究基礎(chǔ)、培育一流的研究團隊［13］。南開大學細胞應(yīng)答交叉科學中心于2020年1月10日揭牌，以重大科學問題和國家重大需求為牽引，集所有學科之力聯(lián)合攻關(guān)，旨在打造國際一流前沿基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的交叉科學研究基地［14］。

4 結(jié)語

任何科學研究都是以問題為導向的，而學科交叉可以從多個視角和多元領(lǐng)域來認識并探究問題的本質(zhì)，從而打破思維局限性，培養(yǎng)人才的創(chuàng)造力和創(chuàng)新性。在煤科學領(lǐng)域引入量子化學研究進行交叉學科培養(yǎng)已經(jīng)得到師生的廣泛認可，但現(xiàn)階段交叉學科培養(yǎng)不成熟，還存在著交叉學科師資力量薄弱、研究生培養(yǎng)體系尚不完善、教學經(jīng)費與研究條件有待提高等問題，仍需要進一步加強交叉學科師資隊伍建設(shè)，規(guī)范交叉學科研究生培養(yǎng)管理體制，建立相關(guān)科研交流平臺。高校應(yīng)發(fā)揮自身優(yōu)勢，以其前瞻視角和超前思維推進多學科交叉匯聚，為實現(xiàn)中華民族偉大復興的中國夢貢獻更多智慧和力量。