講好科學故事，推進研究生專業課思政教學

孔令杰

[關鍵詞]課程思政;研究生專業課;交叉學科;腦科學;光學工程

新時代高校課程思政建設對于加強在知識傳授過程中有機融入課程思政提出了新的任務和要求。在此背景下，近年來清華大學提出了價值塑造、能力培養和知識傳授“三位一體”的教育理念和人才培養模式，并就教學活動中有效落實“三位一體”教育理念展開了深入探討。在研究生專業課教學中如何將課程思政與知識傳授有機融合？本文以清華大學研究生專業課神經光子學為例，介紹作者以講好科學故事為切人點，探討科學研究的精神與方法等方面所做的探索與實踐。

當前世界各國紛紛推出“腦計劃”，積極開展腦科學研究。例如，美國于2013年推出了BRAIN initiative（Brain Research through Advancing Innovative Neurotech-nologies，通過推動創新型神經技術開展腦科學研究）計劃，極大地推動了神經科學與神經技術的發展。“神經光子學”應運而生，并得到迅速發展，成為一門新興的前沿交叉學科。所謂神經光子學，即采用光學技術手段的非侵入性、高空間分辨率等優點開展神經科學研究，神經光子學研究不僅有助于揭示腦認知規律、輔助腦疾病診治，還將推動腦機接口、人工智能等領域的發展。課程負責人對上述前沿內容進行了歸納、梳理，自2018年始開設了研究生專業課神經光子學，講授生物背景知識、相關研究技術，并探討未來發展方向。在介紹相關技術時著重以介紹“科學家”和“科學史”的故事為思政教學切入點，通過課堂講授與討論實現知識傳授、能力培養與價值引領的結合。

一、科學研究的精神

研究生選擇攻讀碩士或博士學位以及將科學研究作為職業追求的初衷應當是什么？歷史上諸多偉大的科學家都給出了答案。

（一）“求真”——探索未知

腦科學被稱為“人類認識自然與自身的終極挑戰”。時至今日，人們對于“兩耳之間重三英鎊的物質”仍知之甚少。這是因為人腦約有860億個神經元，通過數百萬億個突觸建立連接，其復雜度可想而知。然而，正是由于人們一直對大腦的奧秘充滿著“好奇心”，神經科學才得以持續發展。甚至有一些科學家在某些領域獲得諾貝爾獎之后，又轉向腦科學研究，并取得了非凡成就。例如，弗朗西斯·克里克（Francis Crick）于1962年因揭示DNA雙螺旋結構而獲得諾貝爾生理或醫學獎，但他后來繼續把自己的天賦轉移到一個深層次的科學問題的探索之上，研究意識的根源——大腦;利根川進（Tonega-wa Susumu）于1987年因發現抗體多樣性的遺傳學原理而獲得諾貝爾生理或醫學獎，但他近期轉向學習與記憶等認知科學，并取得了多項突破。

當然，尋求真理的道路從來不是平坦的，腦科學的發展歷程也是如此。在學術爭辯中，人們艱難地趨向真理。例如，1906年諾貝爾生理或醫學獎得主卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）和拉蒙·卡哈爾（Santiago Ram6n vCaial）曾對簿諾貝爾獎頒獎典禮，就“神經網狀學說”與“神經元學說”展開爭論。盡管高爾基發明了一種神經組織的稀疏染色方法（其機理至今仍是未知之謎），為人們清晰觀察神經系統結構提供了可能，但是他固執己見，認為神經系統是像血管系統一樣的彌散網絡結構，并在其獲獎演講中對卡哈爾的神經元學說大加抨擊。卡哈爾則發揮其藝術天賦，將經光學顯微鏡觀察得到的圖像通過一幅幅手繪圖（如圖1），向人們揭示了神經系統的結構，建立了神經元學說。上述爭論直到20世紀50年代人們采用更高分辨率的電子顯微鏡進行觀測才終于平息，卡哈爾也因提出正確的“神經元學說”被譽為“現代神經生物學之父”。類似的，在人工智能領域也同樣存在一些爭論。例如，1969年圖靈獎獲得者馬文·明斯基（Marvin Lee Minsky）作為人工智能的倡導者之一，堅信人的思維過程可以用機器去模擬，機器也是可以有智能的。他認為：“大腦無非是肉做的機器而已。”然而，這種觀點遭到了另一位圖靈獎獲得者莫里斯·威爾克斯（Maurice Vincent Wilkes）針鋒相對的抨擊。孰是孰非，我們仍需拭目以待。

此外，科學研究的“求真”還意味著實事求是、“不做假”。這是科學研究的底線，是研究生學術規范教育的重要內容。

在神經光子學課程的教學中，通過介紹上述故事啟發學生樹立正確的科研價值觀，使學生以嚴謹、求實的態度從事科學研究。

（二）“求善”——造福人類

人們從事科學研究的目的和意義是什么？顯然，答案之一是為了造福人類，改善人們的生活或保障人們的健康。在教學中，本課程設置了課間五分鐘報告環節，由學生分享各種神經技術的發展及其對于揭示神經系統工作機理、推動腦疾病診治等方面的貢獻。例如，某學生介紹了近年來迅速發展的新型神經調控技術——光遺傳學（Optogenetics）及其應用。光遺傳學克服了傳統電生理技術的諸多缺點，其技術已被成功應用于研究學習記憶、成癮性、運動障礙、睡眠障礙、帕金森癥模型、遺傳性失明、抑郁癥和焦慮癥或解析神經環路等方面。目前，該技術已成功拿到了美國食品與藥品監督管理局（FDA）的臨床試驗批準批準，正走向產業化。

需要指出的是，科學發展史上也曾有一些狂熱造成的血淚史，科研“求善”的初心也可能會非常脆弱。例如，1949年的諾貝爾生理或醫學獎被授予了葡萄牙醫師安東尼奧·埃加斯·莫尼斯（Ant6nio Egas Moniz），以表彰他發明的前腦葉白質切除術。遺憾的是，雖然莫尼斯發現該手術會帶來不可避免的副作用，但他在諾貝爾獎頒獎演講中仍然樂觀地總結道：“前腦葉切除術簡單、高效且毫無危險，很可能是一種高效治療精神錯亂的外科手術。”遺憾的是，此后不到一年，對莫尼斯的批判就超越了贊許，他賴以成名的前腦葉白質切除術也開始在全世界范圍內遭受抵制，成為醫學界的“黑歷史”。

（三）“求美”——追求致美

神經光子學課程內容主要圍繞著光與神經組織的相互作用展開，而這些復雜的過程均可由被譽為“世界上最美的物理公式”——麥克斯韋（Maxwell）方程組進行描述。

1865年，麥克斯韋提出了麥克斯韋方程組，其包含了法拉第電磁感應定律、電場高斯定律、磁通連續性原理及安培環路定律。對應的微分形式如下：

麥克斯韋通過四個方程組成的方程組“非常漂亮地”將電場和磁場統一起來，預測了電磁波的存在及傳輸過程，對現代社會產生了深遠影響。當前，對統一理論的追求仍遠遠沒有結束，科學上追求致美的精神仍驅使著人們用統一化的方法去描述自然的各個層面。

為了描述光在光學系統及神經組織中的傳輸過程、光與組織的相互作用過程（包括吸收、反射、折射、衍射、散射、非線性響應等），可將上述方程聯合起來，從而推導出波動方程。該方程幾乎可涵蓋本課程介紹的所有光學顯微觀測技術，是統一理論在神經光子學領域的具體體現。

除此之外，姚期智先生在《科學家與科學之路》的報告中還指出，科學研究的“求美”也包括在科研過程中享受探索、思考和發現帶來的那種“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”的驚喜——一種別樣的美。

正如體育界所發揚的“更高、更快、更強”的奧林匹克精神，科學研究的追求也永遠是向著最高峰前進。例如，在神經網絡活動觀測領域，當前人們正向著“更深、更快、更廣、更低光毒性”的目標前進（圖2）。以提升觀測深度為例，人們先后發明了激光掃描共聚焦技術、雙光子熒光顯微技術等。近年來，人們將天文學中發展的自適應光學技術應用到顯微成像領域，發展了自適應光學顯微技術，通過補償光在組織中傳輸時所經歷的波前畸變，提高了成像空間分辨率及穿透深度。最近康奈爾大學（Cornell University）的華人科學家Chris Xu教授進一步發展了三光子熒光顯微技術，使得腦皮層以下神經活動觀測首次成為可能。這種“不斷突破，不斷創造新紀錄”的科學精神與薛其坤院士在央視《開講啦》欄目中提出的“追求極致”不謀而合。

二、科學研究的方法

創新能力培養也是研究生課程的教學目標之一。在本課程的教學實踐中，通過引經據典為學生介紹相關技術發明者的經驗總結或“感慨”，為學生提高創新能力提供參考。

（一）“站在巨人的肩膀上”

談起創新，知識積累的重要性自然不言而喻，需要學生通過刻苦努力的學習不斷補充新知識。但是，僅僅“站在巨人的肩膀上”是不夠的，學生還需要掌握遷移學習的本領。1953年，澤尼克（Frederik Zernike）因發明了相襯顯微鏡而獲得諾貝爾物理學獎。他在諾貝爾獎頒獎演說中坦言相襯技術起源于他在研究衍射光柵時用到的方法，最早是由瑞利勛爵（Lord Rayleigh）于1900年描述的。他感慨道：“在所有的干涉現象中，相位的差別都是非常重要的，這是一個司空見慣的常識。但是為什么在顯微鏡技術中，相位從來沒有被考慮過？”“在回顧這些事件時，我深深地感嘆于人類心智的局限。我們可以很快地學習（即模仿他人曾經做過的或思考過的），但是理解起來卻很慢（即看到它們的內在聯系），最慢的就是發現新的聯系或將舊的思想應用到新的領域”。

（二）注重學科交叉

學科交叉為創新提供了一條新途徑。1948年，諾伯特·維納（NorbertWiener）在其著作《控制論》中寫道“在科學發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的被忽視的無人區……正是這些科學的邊緣區域，給有修養的研究者提供了最豐富的機會。”的確如此，近年來多項諾貝爾化學獎被授予了交叉學科。例如，2014年埃里克·白茲格（Eric Betzig）等人因發明了超分辨顯微成像技術而獲得諾貝爾化學獎。白茲格本是一位物理學家，早在1995年就撰文提出了一種超分辨成像的設想，但是限于當時可用的熒光材料，直到2006年左右他才得以開展相關實驗。在此期間，他一直關注著生物科學的發展。當他了解到生物學家發現了一種可通過激光控制在激發態和暗態之間切換的熒光蛋白時，立即在簡陋的地下室里開展了光活化定位顯微（PALM）實驗，實現了超分辨顯微成像。與此同時，哈佛大學（Harvard University）的華人科學家莊小威教授也進行了類似的實驗，提出了隨機光學重建顯微鏡（STORM）技術。顯然，這些變革性突破均得益于多學科的交叉融合。

如何培養具備交叉學科背景的創新人才以推動科學發展、技術進步？首先要明確跨學科復合型人才應達到的標準。維納在其《控制論》中描述道：“到科學地圖上的空白地區去作適當的查勘工作，只能由這樣一群科學家來擔任：他們每人都是自己領域中的專家，但是每人都對其臨近的領域有著十分正確和熟練的知識;大家都習慣于共同工作，互相熟悉對方的思維習慣，并且能在同事們還沒有以完整的形式表達出自己的新想法的時候就理解這種新想法的意義。數學家不需要有領導一個生理學實驗的本領，但卻需要有一個了解生理學實驗、批判一個實驗和建議別人去進行一個實驗的本領。生理學家不需要有證明某個數學定理的本領，但是必須能夠了解數學定理中的生理學意義，能夠告訴數學家他應當去尋找什么東西。”

神經光子學是光學工程與神經科學交叉產生的前沿新興學科。課程的教學特色之一就是注重學科交叉，以神經科學為背景，以解決其技術需求為出發點，以相應的光學工程技術、方法為主要內容，培養具有交叉知識背景的復合型人才，為從事這一前沿交叉學科的創新研究奠定基礎。考慮到選課學生的多學科背景（目前有來自精儀系、電子系、自動化系、生物醫學工程系及生命科學學院的高年級本科生及研究生），課程教學中教師應積極創造機會供大家利用課內外時間充分交流、互相學習。此外，課程還安排了若干次上機實驗，讓工科生在聽得懂“生物語言”的同時，能在生物實驗的實際操作中，發掘所學工科知識的“用武之地”;讓理科（生物學）生在進行生物實驗觀察的同時，能加深對所用光學儀器原理的理解，以優化實驗設計或參數設置。

三、結語

神經光子學課程教學中通過講好科學故事，與學生積極探討科學研究中“求真”“求善”“求美”的精神及科學研究的方法，實現了知識傳授、能力培養與價值引領的結合。此外，通過著重介紹華人科學家的貢獻，增強了學生的自豪感。盡管研究生專業課具有很強的專業化特點，但是每門學科的發展都充滿著“科學家”和“科學史”的故事。講好科學故事，將有助于加強新時代高校課程思政建設、提升研究生創新能力。