學科交叉培養計算化學研究生創新能力的探索

張婷婷

（山西師范大學化學與材料科學學院，山西 臨汾 041000）

研究生創新能力是培養研究生的主要工作目標。而很多研究課題僅用一個學科的知識是遠遠不夠的，只有綜合多學科的科學技術才有可能在科學問題上取得突破，因此可以說學科交叉的本質就是創新。我國一直 “鼓勵開展跨學科研究”［1］，多次強調要加強交叉學科群的組建和學科之間協同創新［2］。2020年7月，習近平總書記再次強調研究生教育工作的重要性，指出研究生教育在培養創新人才等方面具有重要作用［3］。因此，探索如何培養具有創新能力的研究生具有十分重要。

1 學科交叉培養計算化學研究生創新能力的重要性

在解決重大科學問題時一定是需要多學科的知識，同時也一定是該領域創新性的成果。近幾年諾貝爾化學獎［4］的研究成果均與學科交叉密切相關。2020年和2018年諾貝爾化學獎的成果與生物領域密切相關，分別是關于 “基因組編輯方法”和“酶”的科學研究；2017年諾貝爾化學獎頒給了與物理學科相關的 “冷凍電子顯微鏡技術”。由此可以看出，化學已經與其他學科相互交叉共同發展，這些重大成果都涉及到多學科的進步［5］。可以說，學科交叉是科研創新的生長點，由此將可能產生重大的科學突破，從而推動科學的發展［6］。

計算化學的核心學科是化學，同時通過計算機利用相關理論方法來計算解決其他學科的科學問題。其優點在于可以解決或是解釋實驗中無法回答的問題，提供具體實驗無法提供的相關數據。所以計算化學可以說是典型的多學科融合的結果。這不僅使人們認識到化學不再是純實驗的科學，而且有助于加快其他學科的快速發展。目前計算化學不僅在化學本學科內得到應用，而且在其他相關學科中也發揮了重要的作用［7］。另外，2013年諾貝爾化學獎授予理論化學的科學家，說明理論計算方法取得了重大成果，同時也說明計算化學的重要性。

從科技發展的前沿可以看出學科交叉是科學研究的大趨勢。在此背景下，研究生作為一支重要科技力量，更應培養其創新思維，激發其創造力，使其科學素養能全面發展和提升。根據計算化學的研究特點，基于學科交叉培養其創新能力有助于提升研究生的科學素質。本文就計算化學研究生的學習現狀提出相應的對策，并在實施過程中總結經驗，探討基于學科交叉的計算化學研究方向的研究生科研創新能力培養問題，希望為此專業的研究生教育質量的提高提供理論和實踐參考。

2 學科交叉培養計算化學研究生的現狀

計算化學中理論方法和計算軟件發展很快，具體應用時可以選擇一種或是幾種方法的進行研究。從理論上說，可以選擇適當的理論方法對任何分子進行計算。因此，計算化學已經應用在生物、材料等領域。這就要求計算化學方向的導師和學生都得具備多學科較寬、較多的知識儲備。我校已經充分認識到交叉型人才培養的重要性，積極進行研究生培養改革。在 《山西師范大學關于落實＜山西省人民政府關于實施 “1331工程”統籌推進 “雙一流”建設的意見＞的實施方案》（晉師黨字 ［2017］23號）中指出，研究生是科學研究的重要力量，要重視并提升培養質量。但是調研發現，本校計算化學研究生目前的綜合性知識能力不足，普遍存在開創性思維不足和開創性工作能力缺乏的現狀。計算化學研究生創新性不足的原因可能有：

1）從課程設置來看，學科交叉融合度較低。目前對計算化學研究方向的研究生開設的課程仍然是傳統模式，必修課程主要是化學類的基礎課，沒有交叉學科的課程。計算化學的相關課程主要體現在選修課上，但上課內容仍是一些計算基礎，沒有涉及其他學科的相關研究內容。造成這種情況可能和目前教師的專業研究背景有關，這樣學生就不能在課程中及時有效的了解其他學科的研究熱點，從而不能有效引導學生的研究興趣。從創新人才培養的理念及體制上看存在明顯的局限性。

2）從教學方式上看，學生的主動性不足。課程教授過程中比較多的還是教師在 “教”，而忽視了 “學”的主體［8］。課程內容有關學科交叉的知識較少，甚至沒有提到學科之間的聯系交叉點，導致課堂主要是書本知識的傳授，使學生不能體會到計算化學與其他專業之間的密切關系。學生在 “學”的過程中，沒有相互交流的機會，不清楚學科交叉對科學研究的重要性，這就必然導致科研視角不開闊。

3）從科研角度上看，創新意識不足。導師在研究生培養過程中起著至關重要的作用，如何啟發學生的創新意識是研究生教育的重點。導師一般對本學科的研究進展比較熟悉，也有比較成熟的研究技能，但對其他專業的了解需要及時更新知識，否則就不能從學科交叉的角度有效的指導學生。目前化學專業的導師與其他學科的導師溝通不足，計算化學研究生與其他專業交流的機會較少［9］。

3 學科交叉培養計算化學研究生創新能力的對策

當下計算化學研究生創新能力的提高主要基于學科交叉，這樣才能具有寬泛的視野學習多學科的專業知識，激發創新意識去研究和解決實際問題。結合一些綜合院校的相關經驗［10］，提高我校計算化學研究生創新能力可以采取的對策有：

1）優化課程設置。建立學科融合課程體系，一方面擴大核心課程的知識寬度，另一方面深化選修課的內容。由不同學科背景的教師組成教師團隊，共同研究上課內容，更新知識體系，將與計算化學相關的學科知識都融入到課程設計中，這將為研究生的創新思維的開發奠定基礎。2）改變課堂教學。在教學實施過程中，改革教學模式，實施翻轉課堂、分組討論、合作完成課題等新型課堂教學模式，激發學生科學研究的興趣，同時加強引導學習其他學科的研究前沿，開拓學習的視野。3）提高創新能力。培養研究生的創新能力，導師要有目的、分步驟的引導，不是命令式或是回答式的和學生交流，而是應該以身作則去影響學生，積極和其他學科專家交流，創造濃厚的學術氛圍。4）增加學術交流的機會。有了學習動力才有可能創新，無論是校內還是國內專業的學術交流都是非常必要的。不同級別的學術交流都將為研究生培養搭建跨學科研究平臺。校內相關學科團隊定期的交流會進一步理解學科交叉的重要性。

4 學科交叉培養計算化學研究生創新能力的實施過程

在學科交叉背景下培養計算化學研究生創新能力的主要實踐內容如下：

1）允許學生跨專業選修課程。目前本校計算化學的研究生，跨專業的課程較少，那么鼓勵學生到化學相關專業去聽課，捕獲科技前沿知識和動態。有機會參與化學相關專業老師的科研當中，將更加激發學生的學習興趣，從而創新思維將會形成。2）設置開放課堂。加強文獻的閱讀，重視交叉學科知識的培養，互教互學，發揚學術民主，允許學生提出批評。面對一個全新研究領域，學生閱讀的文獻多，接受新知識、新技術快，通過討論，無論是學生還是老師，創新能力都將會提升。3）創新能力的培養。導師在培養研究生的過程中，方法是 “導”，把他們引上路，營造公平、公正、良性競爭的創新文化氛圍，讓學生獨立總結科研思路，這樣將開闊學生思維，掌握多學科知識，從而提高創新能力。

首先，要求獨立查閱文獻，在自己研究的相關領域或對自己感興趣的問題，寫一篇綜述，并爭取在有關學術刊物上正式發表。這一步是基礎，是培養學生主動學習的能力，在查閱和撰寫過程中，思維方式、閱讀和分析問題的能力將得到很大提升。

然后，要求獨立選擇研究內容。興趣是進行科研的動力，學生在廣泛查閱文獻的基礎上必然會對某些方面產生疑問，此時引導他們設計研究路線，分析可能存在的困難，鼓勵他們勇敢、堅定的獨立解決問題。作為導師，雖然提前擬定了一些研究題目，但是在與學生商定研究課題時，如果他們提出的課題與自己的想法相同或相近，盡量支持他們的想法，盡可能避免他們被動地執行導師下達的課題。這種做法的好處是，克服了學生的依賴思想，增強了學生自主選擇權的意識，訓練了他們創新思維能力。

再次，培養學生獨立解決問題的能力。前兩步是讓研究生在基礎理論和基本知識方面打好基礎，鍛煉學生的創造性思維能力，下一步應該重點培養學生的創新實踐能力。作為一個研究生，即使他們有豐富的想象力，能夠提出有創意的研究課題，但是他們不具有獨立的操作能力，不能解決研究中的實際問題，那么他們就不能把創意轉變為創造性的成果。這一點對于培養自然科學技術工作者極為重要。

通過研究具有跨學科背景的科研課題，將有可能做出創新性的研究成果。通過與北京師范大學等名校專家的交流學習，結合自身的研究方向，在培養計算化學研究生的過程中，學生獨立確定的研究內容有：

1）計算化學與材料設計相結合。太陽能一直是科學家關注的一種清潔能源。開發新型發光材料成為研究熱點，引導研究生應用計算化學的相關原理，研究太陽能電池中的染料分子的結構和光譜性質，討論其結構與發光機制之間的內在關系，并模擬染料分子在太陽能電池中的光電轉換性能。利用總結的相關規律設計性能更好的染料分子，這將為實驗合成性能更好的新型染料分子提供相關的理論信息［11］。

2）計算化學與生物體系相結合。生物學的相關信息與人的發展密切相關，研究生產生了濃厚的研究興趣。由于生物學數據無論是數量還是復雜性都不斷增長，僅僅通過做實驗已經無法達到預期研究目的，計算化學將發揮重要作用，即通過科學的模擬將推斷出有用信息。例如，研究表明非自然堿基能夠增加基因信息的存儲量進而擴大基因表。然而，目前尚不清楚它們是否和天然堿基一樣具有較高的光穩定性。利用計算方法研究了一些非天然堿基的光物理機理。

3）建立協同培養和學術交流。通過校內、外導師之間的聯合協同培養機制，同時加強國內學術交流活動，例如化學年會、量子化學會議以及和本專業研究方向有聯系的相關學術會議。協同協同培養和學術交流的結果不僅提高了導師自身科學素養，研究生的科研視野也大大開闊了，思維方式也會發生創新。

5 結語

實踐經驗表明，以交叉學科為導向培養計算化學創新的創新能力是有效的。其中，導師對研究內容的引導和提供多學科研究平臺非常重要，這不僅能激勵學生的科研興趣，也會增強和鍛煉學生的創新意識和能力，從而全面提高研究生的科研素質。