諾貝爾自然科學獎跨學科研究對高等教育教學改革的啟示

[摘 要] 通過對諾貝爾自然科學獎研究成果的統計分析，以及對典型諾貝爾自然科學獎得主經歷的分析，揭示了跨學科研究在現代科學研究活動中的發展趨勢，展示了跨學科研究活動對推動原始創新的巨大作用，由此得到對我國高校教師教學工作及高等教育教學改革的啟示。通過對高校典型工科教師科研經歷的分析，再次證明跨學科研究對高校科研和教學活動的推動作用。最后，提出通過高等教育教學改革推動原始創新的一些建議和措施。

[關鍵詞] 諾貝爾自然科學獎;跨學科研究;原始創新;教學改革

[基金項目] 2020年度中國運載火箭技術研究院“典型線性火工分離裝置分離瞬態過程力學機理及仿真研究”（CALT2020-ZD03）

[作者簡介] 王光宇（1985—），男，河南許昌人，博士，南京理工大學機械工程學院講師，主要從事數值模擬技術、爆炸力學研究。

[中圖分類號] G640? ? ? [文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）32-0051-04? ? [收稿日期] 2021-02-06

一、引言

原始科學創新，是指前所未有的重大科學發現、技術發明、原理性主導技術等創新成果。原始科學創新是最根本的創新，是一個民族對人類文明進步做出貢獻的重要體現。我國在2006年提出，要在2020年建成創新型國家。創新型國家的主要特點是：一是創新投入高，國家的研發投入支出占國內生產總值的比例一般在2%以上;二是科技進步貢獻率達70%以上;三是自主創新能力強，國家的對外技術依存度指標一般在30%以下;四是創新產出高。目前，世界上公認的創新型國家僅有20個左右。據統計，2019年我國全社會研發支出達2.17萬億元，占國內生產總值的比重為2.19%;科技進步貢獻率達到59.5%;創新指數居世界第14位。創新型國家建設取得了重要進步。但是，我國制造業整體處于全球價值鏈中低端。在一些重要技術領域，還面臨外國“卡脖子”的風險，如對集成電路產業至關重要的光刻機、基礎工業軟件等。同時，我國還存在著原始創新能力不足的問題，表現在：諾貝爾自然科學獎少、核心技術依賴大、科技論文質量不高、缺乏世界級的科技領軍人物等。

作為世界上最具權威和最負盛名的科學獎項，諾貝爾自然科學獎對世界范圍內的科學研究和原始創新有著巨大的引領和推動效應。而幾乎每位諾貝爾自然科學獎的得主，都有著豐富多彩的研究經歷和人生經歷。因此，通過對諾貝爾自然科學獎跨學科成果的統計分析，對典型諾貝爾自然科學獎得主經歷的分析，或許能對我國高等教育教學改革和推動原始創新的工作，帶來一定的啟示。

二、諾貝爾自然科學獎跨學科研究成果的統計分析

跨學科研究，是指超越單一學科界限，在兩個或多個學科之間的交叉領域進行的研究活動。統計結果顯示，20世紀以來，自然科學學科越來越多地呈現出交叉發展的態勢[1-3]。1901—2008年間，不同時期諾貝爾自然科學獎中跨學科研究成果所占比例的統計結果如表1所列[3]。出現這種現象的一個可能原因是，隨著文明的發展，人類面臨的問題越來越復雜，包括社會問題（如貧富差距問題）和技術問題（如氣候變暖問題）。同時，解決問題的難度也逐漸上升。在這種情況下，依靠單一學科的知識越來越難以獨自解決某一問題，這使得不同學科領域之間的交叉滲透成為必然。

以核磁共振成像技術為例。該技術是目前醫院常用的一種疾病影像學檢測手段。從核磁共振技術原理的最初發現到其最終發展成為成熟的醫用技術手段，經歷了半個多世紀。共有10多次諾貝爾自然科學獎頒給了與該項技術相關的科學家，且獎項橫跨物理學、化學、生理/醫學[4]。由此可見，跨學科基礎研究對原始創新的巨大推動作用。在諾貝爾物理學獎中，占有較大比例的跨學科研究成果是物理化學和天體物理學。例如，英國的John Cockcroft和愛爾蘭的Ernest Walton因利用人工加速粒子進行原子核衰變的開創性工作而獲得1951年物理學獎; 瑞典科學家Kai Siegbahn因開發高分辨率測量儀器及對光電子和輕元素的定量分析而獲得1981年物理學獎;日本及美國的三位科學家赤崎勇、天野浩和中村修二因發明藍色發光二極管而獲得2014年物理學獎。這項研究的關鍵是采用氮化鎵器件高效地產生藍光。在這些研究中，物理學和化學的界限已經變得模糊不清。諾貝爾自然科學獎中另一個出現大量跨學科研究成果的領域是化學和生理/醫學領域。例如，美國生物化學家James Sumner因分離并提取出脲酶晶體而獲得1946年化學獎;美國生物化學家John Northrop因分離和提純胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等獲得1946年化學獎;美國華裔科學家錢永健因闡明某些生物中綠色熒光的發光機理，并將這一技術用于追蹤生物體中不同種類的蛋白質和生物過程而獲得2008年化學獎。

對大量諾貝爾自然科學獎得主的研究表明，大多數諾貝爾自然科學獎得主有廣泛的興趣愛好，以及多領域、深厚的知識儲備。以美國華裔科學家錢永健為例。錢永健從小就對化學產生濃厚的興趣，在其上小學甚至更早的時候，就開始在家中做一些較簡單的化學實驗。進入高中后，錢永健在美國國家科學基金會夏季研究項目的資助下，進入俄亥俄大學Robert Kline教授的實驗室，研究硫氰酸鹽與金屬的結合性，并憑借這一研究獲得西屋科學人才獎的一等獎。在進入哈佛大學后，錢永健選修了很多課程，如藝術史、視覺設計、經濟學、法律、心理學等，卻因對哈佛大學的化學專業課感到無趣而放棄化學，轉而學習分子生物學、海洋學、量子力學和天文物理，試圖尋找自己真正的興趣愛好。錢永健最終選擇了神經生物學作為自己的主攻方向。本科畢業后，錢永健申請進入英國劍橋大學，進行神經科學方面的研究。當時中樞神經系統電生理學的研究慣例是：利用細胞外微電極收集麻醉的動物大腦在受刺激情況下的電信號。經過數百次記錄，將收集到的電信號數據分類、整理，然后發表一些論文。錢永健對這種傳統的電生理學研究不太感興趣，卻對成千上萬的神經元之間同時進行的信號傳遞和信息處理更感興趣。為了追蹤神經元的電活動，需要用染料對神經元進行“染色”，這樣神經元發出電信號時，自身就能“點亮”。但是當時市面上的商業染料發出的光強微弱，使用很不方便。錢永健就開始自己設計和制造用于追蹤神經元活動的高靈敏度“染料”，最終發明綠色熒光蛋白用于追蹤生物體中不同種類的蛋白質和生物過程，獲得2008諾貝爾化學獎。由此可以看出，原始創新并不是一帆風順的，需要長時間的準備，通過多學科的知識積淀才有可能達到。雖然非凡的想象力、突破常規的思維方法是諾貝爾自然科學獎得主取得巨大成就不可或缺的因素，但是如果沒有深厚的多學科知識積累，原始創新就成了無源之水、無本之木。