学科交叉培养计算化学研究生创新能力的探索

张婷婷

（山西师范大学化学与材料科学学院，山西 临汾 041000）

研究生创新能力是培养研究生的主要工作目标。而很多研究课题仅用一个学科的知识是远远不够的，只有综合多学科的科学技术才有可能在科学问题上取得突破，因此可以说学科交叉的本质就是创新。我国一直 “鼓励开展跨学科研究”［1］，多次强调要加强交叉学科群的组建和学科之间协同创新［2］。2020年7月，习近平总书记再次强调研究生教育工作的重要性，指出研究生教育在培养创新人才等方面具有重要作用［3］。因此，探索如何培养具有创新能力的研究生具有十分重要。

1 学科交叉培养计算化学研究生创新能力的重要性

在解决重大科学问题时一定是需要多学科的知识，同时也一定是该领域创新性的成果。近几年诺贝尔化学奖［4］的研究成果均与学科交叉密切相关。2020年和2018年诺贝尔化学奖的成果与生物领域密切相关，分别是关于 “基因组编辑方法”和“酶”的科学研究；2017年诺贝尔化学奖颁给了与物理学科相关的 “冷冻电子显微镜技术”。由此可以看出，化学已经与其他学科相互交叉共同发展，这些重大成果都涉及到多学科的进步［5］。可以说，学科交叉是科研创新的生长点，由此将可能产生重大的科学突破，从而推动科学的发展［6］。

计算化学的核心学科是化学，同时通过计算机利用相关理论方法来计算解决其他学科的科学问题。其优点在于可以解决或是解释实验中无法回答的问题，提供具体实验无法提供的相关数据。所以计算化学可以说是典型的多学科融合的结果。这不仅使人们认识到化学不再是纯实验的科学，而且有助于加快其他学科的快速发展。目前计算化学不仅在化学本学科内得到应用，而且在其他相关学科中也发挥了重要的作用［7］。另外，2013年诺贝尔化学奖授予理论化学的科学家，说明理论计算方法取得了重大成果，同时也说明计算化学的重要性。

从科技发展的前沿可以看出学科交叉是科学研究的大趋势。在此背景下，研究生作为一支重要科技力量，更应培养其创新思维，激发其创造力，使其科学素养能全面发展和提升。根据计算化学的研究特点，基于学科交叉培养其创新能力有助于提升研究生的科学素质。本文就计算化学研究生的学习现状提出相应的对策，并在实施过程中总结经验，探讨基于学科交叉的计算化学研究方向的研究生科研创新能力培养问题，希望为此专业的研究生教育质量的提高提供理论和实践参考。

2 学科交叉培养计算化学研究生的现状

计算化学中理论方法和计算软件发展很快，具体应用时可以选择一种或是几种方法的进行研究。从理论上说，可以选择适当的理论方法对任何分子进行计算。因此，计算化学已经应用在生物、材料等领域。这就要求计算化学方向的导师和学生都得具备多学科较宽、较多的知识储备。我校已经充分认识到交叉型人才培养的重要性，积极进行研究生培养改革。在 《山西师范大学关于落实＜山西省人民政府关于实施 “1331工程”统筹推进 “双一流”建设的意见＞的实施方案》（晋师党字 ［2017］23号）中指出，研究生是科学研究的重要力量，要重视并提升培养质量。但是调研发现，本校计算化学研究生目前的综合性知识能力不足，普遍存在开创性思维不足和开创性工作能力缺乏的现状。计算化学研究生创新性不足的原因可能有：

1）从课程设置来看，学科交叉融合度较低。目前对计算化学研究方向的研究生开设的课程仍然是传统模式，必修课程主要是化学类的基础课，没有交叉学科的课程。计算化学的相关课程主要体现在选修课上，但上课内容仍是一些计算基础，没有涉及其他学科的相关研究内容。造成这种情况可能和目前教师的专业研究背景有关，这样学生就不能在课程中及时有效的了解其他学科的研究热点，从而不能有效引导学生的研究兴趣。从创新人才培养的理念及体制上看存在明显的局限性。

2）从教学方式上看，学生的主动性不足。课程教授过程中比较多的还是教师在 “教”，而忽视了 “学”的主体［8］。课程内容有关学科交叉的知识较少，甚至没有提到学科之间的联系交叉点，导致课堂主要是书本知识的传授，使学生不能体会到计算化学与其他专业之间的密切关系。学生在 “学”的过程中，没有相互交流的机会，不清楚学科交叉对科学研究的重要性，这就必然导致科研视角不开阔。

3）从科研角度上看，创新意识不足。导师在研究生培养过程中起着至关重要的作用，如何启发学生的创新意识是研究生教育的重点。导师一般对本学科的研究进展比较熟悉，也有比较成熟的研究技能，但对其他专业的了解需要及时更新知识，否则就不能从学科交叉的角度有效的指导学生。目前化学专业的导师与其他学科的导师沟通不足，计算化学研究生与其他专业交流的机会较少［9］。

3 学科交叉培养计算化学研究生创新能力的对策

当下计算化学研究生创新能力的提高主要基于学科交叉，这样才能具有宽泛的视野学习多学科的专业知识，激发创新意识去研究和解决实际问题。结合一些综合院校的相关经验［10］，提高我校计算化学研究生创新能力可以采取的对策有：

1）优化课程设置。建立学科融合课程体系，一方面扩大核心课程的知识宽度，另一方面深化选修课的内容。由不同学科背景的教师组成教师团队，共同研究上课内容，更新知识体系，将与计算化学相关的学科知识都融入到课程设计中，这将为研究生的创新思维的开发奠定基础。2）改变课堂教学。在教学实施过程中，改革教学模式，实施翻转课堂、分组讨论、合作完成课题等新型课堂教学模式，激发学生科学研究的兴趣，同时加强引导学习其他学科的研究前沿，开拓学习的视野。3）提高创新能力。培养研究生的创新能力，导师要有目的、分步骤的引导，不是命令式或是回答式的和学生交流，而是应该以身作则去影响学生，积极和其他学科专家交流，创造浓厚的学术氛围。4）增加学术交流的机会。有了学习动力才有可能创新，无论是校内还是国内专业的学术交流都是非常必要的。不同级别的学术交流都将为研究生培养搭建跨学科研究平台。校内相关学科团队定期的交流会进一步理解学科交叉的重要性。

4 学科交叉培养计算化学研究生创新能力的实施过程

在学科交叉背景下培养计算化学研究生创新能力的主要实践内容如下：

1）允许学生跨专业选修课程。目前本校计算化学的研究生，跨专业的课程较少，那么鼓励学生到化学相关专业去听课，捕获科技前沿知识和动态。有机会参与化学相关专业老师的科研当中，将更加激发学生的学习兴趣，从而创新思维将会形成。2）设置开放课堂。加强文献的阅读，重视交叉学科知识的培养，互教互学，发扬学术民主，允许学生提出批评。面对一个全新研究领域，学生阅读的文献多，接受新知识、新技术快，通过讨论，无论是学生还是老师，创新能力都将会提升。3）创新能力的培养。导师在培养研究生的过程中，方法是 “导”，把他们引上路，营造公平、公正、良性竞争的创新文化氛围，让学生独立总结科研思路，这样将开阔学生思维，掌握多学科知识，从而提高创新能力。

首先，要求独立查阅文献，在自己研究的相关领域或对自己感兴趣的问题，写一篇综述，并争取在有关学术刊物上正式发表。这一步是基础，是培养学生主动学习的能力，在查阅和撰写过程中，思维方式、阅读和分析问题的能力将得到很大提升。

然后，要求独立选择研究内容。兴趣是进行科研的动力，学生在广泛查阅文献的基础上必然会对某些方面产生疑问，此时引导他们设计研究路线，分析可能存在的困难，鼓励他们勇敢、坚定的独立解决问题。作为导师，虽然提前拟定了一些研究题目，但是在与学生商定研究课题时，如果他们提出的课题与自己的想法相同或相近，尽量支持他们的想法，尽可能避免他们被动地执行导师下达的课题。这种做法的好处是，克服了学生的依赖思想，增强了学生自主选择权的意识，训练了他们创新思维能力。

再次，培养学生独立解决问题的能力。前两步是让研究生在基础理论和基本知识方面打好基础，锻炼学生的创造性思维能力，下一步应该重点培养学生的创新实践能力。作为一个研究生，即使他们有丰富的想象力，能够提出有创意的研究课题，但是他们不具有独立的操作能力，不能解决研究中的实际问题，那么他们就不能把创意转变为创造性的成果。这一点对于培养自然科学技术工作者极为重要。

通过研究具有跨学科背景的科研课题，将有可能做出创新性的研究成果。通过与北京师范大学等名校专家的交流学习，结合自身的研究方向，在培养计算化学研究生的过程中，学生独立确定的研究内容有：

1）计算化学与材料设计相结合。太阳能一直是科学家关注的一种清洁能源。开发新型发光材料成为研究热点，引导研究生应用计算化学的相关原理，研究太阳能电池中的染料分子的结构和光谱性质，讨论其结构与发光机制之间的内在关系，并模拟染料分子在太阳能电池中的光电转换性能。利用总结的相关规律设计性能更好的染料分子，这将为实验合成性能更好的新型染料分子提供相关的理论信息［11］。

2）计算化学与生物体系相结合。生物学的相关信息与人的发展密切相关，研究生产生了浓厚的研究兴趣。由于生物学数据无论是数量还是复杂性都不断增长，仅仅通过做实验已经无法达到预期研究目的，计算化学将发挥重要作用，即通过科学的模拟将推断出有用信息。例如，研究表明非自然碱基能够增加基因信息的存储量进而扩大基因表。然而，目前尚不清楚它们是否和天然碱基一样具有较高的光稳定性。利用计算方法研究了一些非天然碱基的光物理机理。

3）建立协同培养和学术交流。通过校内、外导师之间的联合协同培养机制，同时加强国内学术交流活动，例如化学年会、量子化学会议以及和本专业研究方向有联系的相关学术会议。协同协同培养和学术交流的结果不仅提高了导师自身科学素养，研究生的科研视野也大大开阔了，思维方式也会发生创新。

5 结语

实践经验表明，以交叉学科为导向培养计算化学创新的创新能力是有效的。其中，导师对研究内容的引导和提供多学科研究平台非常重要，这不仅能激励学生的科研兴趣，也会增强和锻炼学生的创新意识和能力，从而全面提高研究生的科研素质。