加强基础学科 创建一流大学

刘倩 鲁志波 郑治中 文生兰

摘 要 数学、物理等基础学科是各大中专院校都要开设的公共基础课程。本文分析了数学物理等基础学科的重要性，并探讨了基础理论研究和相关基础学科对专业学科和应用科学的支撑作用，最后对如何加强基础学科教学研究给出了一些思考和建议。

关键词 基础学科 教学 一流大学

中图分类号：G640 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2018.09.001

Abstract Some fundamental subjects such as mathematics and physics and so on， which are offered by both regular colleges and special colleges. We analyzed the importance of the fundamental subjects such as Mathematics and Physics， and discussed the supporting role of fundamental theoretical research and the relating fundamental subjects to the professional subjects and applied science， finally， gave some thought and suggestion on how to strengthen the teaching and researching of the fundamental subjects.

Keywords the fundamental subjects； teaching； the top-ranking university

0 引言

世界一流大学指主要学科有一批大师级人才，能够批量培养出产生世界一流的原创基础理论人才的创新型大学。[1]在2018年1月3日的国务院常务会议上，李克强总理突出强调了理论数学和理论物理等基础学科对提升原始创新能力的重要意义。“数学特别是理论数学是我国科学研究的重要基础。我到一些大学调研时发现，能潜下心来钻研数学等基础学科的人还不够多。”总理说，“无论是人工智能还是量子通信等，都需要数学、物理等基础学科作有力支撑。我们之所以缺乏重大原创性科研成果，‘卡脖子就卡在基础学科上。”当天会议上即确定加大支持基础科学研究的措施。總理指出，通过深化科技体制改革，加强基础科学研究，提升原始创新能力，是实施创新驱动发展战略、建设创新型国家的重要举措。[2]习近平总书记更在党的十九大报告中明确提出“要瞄准世界科技前沿，强化基础研究，实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。”国家领导人以高瞻远瞩的眼光深刻揭示了基础学科对于原始创新的重要意义。

1 数学物理等基础学科的重要性

高度的抽象性、广泛地应用性和严密的逻辑性是数学这一基础学科所具有的特点。其中抽象性是数学最基本、最显著的特点，数学中许多概念都是忽略事物的具体形态和属性，提取它们共同的特征而得出来的，因此具有超越具体学科和普遍适用性的特征，对专业学科具有普遍指导性的作用。数学概念的归纳和整理，定理的证明和推理演绎，理论的形成和运用，都遵循逻辑的规则和思维的规律，学习数学的过程就是逻辑思维训练的过程。数学不仅限于体现在专业上，更体现在生活当中，人们越来越发现，在解决实际问题中，真正起作用的可能不是什么公式和定理，而是曾经接受过的数学训练，领会过的数学思想和培养出来的数学素养，说白了，数学就是一种思想方法。做同一件事，有良好数学思想的人会考虑如何合理安排顺序而达到充分节省时间的目的，如何才能充分利用现有条件，如何做才能更有效率，也就是统筹优化。一切社会现象以及自然现象追其根本都是数学问题，如怎样提高数码相机的像素和分辨率，搜索引擎是如何快速搜索出与输入的关键词匹配的信息，怎样安全地浏览网页，距离千里之外的两个人为什么可以用手机通话，如何确定地震的震源和深度等问题，这些都是数学问题，基础、重要、深刻、美的数学。

如果说数学重于思想，那么物理则重于应用，与生活的联系更直接和紧密。物理学是一门以实验为基础的自然科学，从蒸汽机的发明，到电灯、电话和汽车的广泛使用，物理学的发展极大地提高了人类的生产力，促进了人类文明从农业时代到工业时代再到信息时代的飞速发展。正如国际纯粹物理和应用物理联合会第23届代表大会的决议“物理学对社会的重要性”所指出的，物理学是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键性的作用：探索自然，驱动技术，改善生活以及培养人才。物理学的进展密切联系着工业，农业等的发展，从电话的发明到当代互联网络实现的实时通信；从瓦特成功发明蒸汽机到高铁的投入运行；从飞机的发明到载人航天技术的成熟等等，这都是物理学对社会进步与人类文明的贡献的证明。

在当前这个非常物质化和功利化的社会，基础课因为很少能和金钱直接挂钩而被许多学生所不屑和遗弃。《老子》中说：“三十辐共一毂，当其无，有车之用。埏埴以为器，当其无，有器之用。凿户牖以为室，当其无，有室之用。故有之以为利，无之以为用”。意思是说，看不见的空无的东西才是最有用的东西，而基础科学就像是这样的东西，它虽然不能直接转化为经济效益，但却是最基础、最关键、最重要和最有用的。美国的科技实力是世界最强的，是因为他们特别注重基础科学教育。如果说应用科学创新是一座高楼大厦，那么基础科学教育就是水泥、钢筋等建筑材料，这是应用的前提和基础。可以说中国实现在经济总量上超越美国并不难，但要在科技实力和创新能力方面真正超越美国并不是一件容易的事，这可能需要几十年甚至上百年的时间。

最近热议的“美国制裁中兴”事件无疑给我国的高科技产业敲响了警钟。完全依赖于技术进口显然是没有出路的，在这些领域中希望借鉴他国经验实现弯道超车也是不可能的，只有自己踏踏实实地走在基础科学进步的路上才行，而基础科学的发展，是要靠我们耐得住寂寞，板凳要坐得十年冷，甚至一生寂寞。华为公司就是秉承这一信念，在每年的研发经费中有20%～0%用于研究和创新，并持续在数学上投资，在俄罗斯数学所招聘了数十名全球顶级的数学家、在法国建立了数学研究所，因为他们深知：信息化社会在不断发展中会遇到物理瓶颈和同质化，而芯片和软件的领先、性能、差异化体现在数学上，[3]只能在数学方法上寻找突破。华为已经创造性地用数学方法解决了一些重要的实际问题，虽然在很多方面都有较大差距，但是一直在慢慢追赶之中。只要我们转变观念，踏踏实实去行动，必将为我国科学技术的发展源源不断的培养和输送具有扎实的基础知识的储备人才。

中国航天之父钱学森一直特别注重基础理论教学。他在时任中国科学技术大学力学和力学工程系系主任时制定的课程表就要求数学、物理和化学等基础理论学时的比重比一般工科学院要高，虽然基础理论课的学时在各个专业里略有不同，但至少要必须占据总学时的三分之一。他曾经谈过中国科学技术大学重视基础理论课的原因，科技大学的学生将来要从事于新科学、新技术的研究，而这个过程就是要在尚未完全开辟的领域里去走前人还没有走过的道路，但在新科学、新技术的探索中前人的工作经验不会太多，只有更多地依靠人类几千年以来和自然界作斗争的经验，和从中总结出来的自然界一般规律，这个一般规律就是我们的基础学科的内容。[4]因此基础理论不仅仅为当前现有的科学技术服务，还是我们探索未知新技术的理论依据。

2 基础学科对应用学科的支撑作用

马克思认为：“一种科学只有在成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步。”无论是经典学科还是前沿学科皆是如此。

以我校的部分优势学科为例。信号与系统主要研究电信号作用于电子系统所产生的响应。要分析一个系统，首先要建立数学模型，描述连续系统的数学模型是微分方程，描述离散系统的数学模型是差分方程，因此分析响应与冲激的关系在某种程度上就转化成微分方程和差分方程的求解了。高等数学中的微分方程求解直接为信号与系统的分析提供基础性作用。

信息安全的核心密码学的历史大致可以追溯到两千年前，古罗马名将凯撒为防止敌方截获情报，采用密码传送情报，将二十几个罗马字母建立一张对应表，如果不知密码本就无法破解密码。从数学的角度上讲，加密的过程可以看作是一个函数的运算F，解密的过程是反函数的运算，明文是自变量，密文是函数值。好的加密函数不应该通过几个自变量和函数值就能推出函数。[5]

随着互联网的发展，特别是云计算的兴起与逐渐普及，计算机获取、存储和处理数据的能力快速提升，人们逐渐从更多更完备且全方位的数据中挖掘出很多预想不到的规律性，越来越多的人意识到了数据的重要性，大数据这个概念就是在这样的背景下应运而生的。有了数据之后，如何科学的使用数据，这就要用到一门应用学科——统计学了，统计学是将样本数据进行整理、分析来推测甚至预测对象未来的一门综合性科学。如果数据具有足够的代表性统计量，则从这些数据中得到的结果对工作就有很大的指导意义了，对产品质量的提升也大有帮助，很多科学研究和工程领域（语音识别、自然语言处理、机器翻译、生物制药、医疗和公共卫生）都依赖于大数据取得了难以想象的进步。

再来看目前全世界范围内都非常火热的一门学科：人工智能（Artificial Intelligence）。人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能理论、方法、技术和应用系统的的一门技术科学。人类的大脑是宇宙中最复杂的东西，我们至今都没有搞清楚人类大脑是如何工作的，而人工智能就是要让机器模拟人的各种能力，由于大脑复杂的结构程度，导致研究人工智能要涉及到计算机科学、心理学、哲学和语言学等几乎包含自然科学和社会科学的所有学科。人工智能是一个很宽泛的话题，我们现在正在使用的智能手机，谷歌搜索，汽车上装载的防抱死系统，垃圾邮件过滤等都属于人工智能的范畴，更准确地说是属于弱人工智能的范畴，强人工智能实际上是要让计算机解决我们认为不需要任何思考就能够完成的事情，比如视觉识别，语音识别，自动推理，社交能力等，从弱人工智能到强人工智能还有很长很艰辛的路要走。人工智能科学属于工程学，工程学的最重要的基础学科就是数学，数学被认为是多种学科的基础科学，因此数学也进入语言、思维领域，人工智能学科借助于数学工具而得到更快的发展。

3 加强基础学科建设的几点思考

大学基础数学教育肩负的重要任务之一，不单单是培养一个人在数学领域的专业素养，更重要的是让一个人在非专业的前提下最大程度地掌握真正有用的数学知识。教育部一项针对“钱学森之问”的“基础学科拔尖学生培养实验计划”已从数学、物理、化学等基础学科开始实施。作为从事基础教学多年的一线教师，我们必须针对如何加强基础学科的教学质量等问题进行深入思考和积极探索。

3.1 加强基础学科的教学，首先需要一本好的教材

虽说教材的内容都是经过各个时期的科学家们研究出来的经典理论，但是教材之间的差别还是很大的，讲的是同样的内容，但有的晦涩难懂，内容寡瘪；有的生动有趣，特色鲜明，有血有肉，理论联系实际，产生了重要的影响。李大潜院士曾经指出：“针对某一专业（例如工科、医学、农科等专业）的数学教材，就应该密切联系该类专业的实际，充分针对该类专业的迫切需求和特殊要求，这就要求教材的编写者长期深入该专业，尽可能的挖掘该专业与数学的结合点。”[6]这一深刻见解为教材的建设指明了方向。教材的编写绝不是轻轻松松的，更不是闭门造车，需要付出长期的努力和实践才能编写出一部好的教材。教材不应该只是做到知识的传授，还要确保教材的科学性，对于学生来说，一部好的数学教材中应充分体现出数学知识的历史渊源和现实背景，让学生明白知识从哪里来和为什么这样发展以及将来可能会如何发展，也应该将数学的精神实质、思想方法和人文内涵体现得淋漓尽致。同时要侧重于培养和提高学生的学习能力、实践能力和创新能力。总之，好的教材为基础学科教学质量的提高打下坚实的基础。

3.2 加强基础学科的教学，其次需要一批优秀的教师和后备梯队

清华校长梅贻琦指出“大学者，非有大楼之谓也，有大师之谓也。”加强基础学科的教学，需要一批优秀的大师，还需要一大批优秀的后备梯队。对青年教师的培养尤其要注重两方面能力：一是教学能力，二是科研能力。在提高教学能力方面，完善青年教师听课制度、集体备课制和教学团隊制，鼓励青年教师听课增长经验，组织青年教师观摩教学课堂教学活动，充分发挥经验丰富的教授的传帮带作用。为青年教师配备富有经验的指导教师，组织青年教师参加教学基本功比赛，鼓励广大教师深入切磋教学技艺。通过集体备课制，互相交流教学经验和方法，探讨授课内容，鼓励青年教师多看多想多问。这些做法都是为了培养一批在教学方面能力突出的青年教师。

在科学研究方面，在项目申报与管理、科研团队建设、科研基地建设等各个环节向青年教师倾斜。鼓励青年教师申报“国家自然科学基金青年基金”和教学改革等项目，全方位促进青年教师专业化发展。为了开阔青年教师的视野，学校要为他们搭建多层次的学术平台。邀请来自国内外高校和研究机构的专家学者进行报告，有效地开阔教员们的国际化和学科交叉视野，使大家能够更好地把握国际国内的学科前沿动态，为科研工作注入新的能量。良好的学术氛围势必会推动青年教师提高科研能力。

3.3 加强基础学科的教学，还需要充裕的人才储备，即知识的受体——学生

我国在人才方面，尽管从事基础研究的人员近年来得到飛速发展，但比例仍然偏低，目前仅仅是韩国的四分之一，日本的十分之一。在财政投入上，更是远不及美国。美国在国家开支的财政科研投入里，40%都是基础研究方向。从长远发展考虑，基础科学对国家发展至关重要。在教学中，教师要向学生普及基础学科是如何为专业学科提供各种支撑和基础理论的，特别是结合学校的优势学科专业如通信工程、密码学、测绘学和新兴科学如人工智能、大数据、计算机科学等为例说明基础学科对于专业学科的重要性，让学生们确实认识到基础学科的重要性，以激励学生学好基础学科，打下坚实的理论基础，同时也要鼓励学生积极从事基础科学研究，以保证我国科技人才的储备充足。

4 结束语

基础学科是科学技术创新大厦的基石，没有牢固的基础就不可能创造出越来越高精尖的技术。只有重视和加强基础学科教学，才有可能实现科学技术的创新和超越，实现建设世界一流学科、世界一流大学的宏远目标，实现我国向创新型国家转型成功的目标。

参考文献

[1] 陈世清.世界一流大学就是创新型大学.求是网，2016.12.27.

[2] 国务院关于全面加强基础科学研究的若干意见. 国发〔2018〕4号.

[3] 任正非.为祖国百年科技振兴而奋斗[J].红旗文摘，2016（7）.

[4] 钱学森.中国科学技术大学里的基础课.人民日报，1959-05-26：006.

[5] 吴军.数学之美[M].人民邮电出版社，2012.

[6] 李大潜.院士谈大学数学教材建设[J].教育部高等学校教学指导委员会通讯，2013（10）.