诺贝尔自然科学奖跨学科研究对高等教育教学改革的启示

[摘 要] 通过对诺贝尔自然科学奖研究成果的统计分析，以及对典型诺贝尔自然科学奖得主经历的分析，揭示了跨学科研究在现代科学研究活动中的发展趋势，展示了跨学科研究活动对推动原始创新的巨大作用，由此得到对我国高校教师教学工作及高等教育教学改革的启示。通过对高校典型工科教师科研经历的分析，再次证明跨学科研究对高校科研和教学活动的推动作用。最后，提出通过高等教育教学改革推动原始创新的一些建议和措施。

[关键词] 诺贝尔自然科学奖;跨学科研究;原始创新;教学改革

[基金项目] 2020年度中国运载火箭技术研究院“典型线性火工分离装置分离瞬态过程力学机理及仿真研究”（CALT2020-ZD03）

[作者简介] 王光宇（1985—），男，河南许昌人，博士，南京理工大学机械工程学院讲师，主要从事数值模拟技术、爆炸力学研究。

[中图分类号] G640      [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）32-0051-04    [收稿日期] 2021-02-06

一、引言

原始科学创新，是指前所未有的重大科学发现、技术发明、原理性主导技术等创新成果。原始科学创新是最根本的创新，是一个民族对人类文明进步做出贡献的重要体现。我国在2006年提出，要在2020年建成创新型国家。创新型国家的主要特点是：一是创新投入高，国家的研发投入支出占国内生产总值的比例一般在2%以上;二是科技进步贡献率达70%以上;三是自主创新能力强，国家的对外技术依存度指标一般在30%以下;四是创新产出高。目前，世界上公认的创新型国家仅有20个左右。据统计，2019年我国全社会研发支出达2.17万亿元，占国内生产总值的比重为2.19%;科技进步贡献率达到59.5%;创新指数居世界第14位。创新型国家建设取得了重要进步。但是，我国制造业整体处于全球价值链中低端。在一些重要技术领域，还面临外国“卡脖子”的风险，如对集成电路产业至关重要的光刻机、基础工业软件等。同时，我国还存在着原始创新能力不足的问题，表现在：诺贝尔自然科学奖少、核心技术依赖大、科技论文质量不高、缺乏世界级的科技领军人物等。

作为世界上最具权威和最负盛名的科学奖项，诺贝尔自然科学奖对世界范围内的科学研究和原始创新有着巨大的引领和推动效应。而几乎每位诺贝尔自然科学奖的得主，都有着丰富多彩的研究经历和人生经历。因此，通过对诺贝尔自然科学奖跨学科成果的统计分析，对典型诺贝尔自然科学奖得主经历的分析，或许能对我国高等教育教学改革和推动原始创新的工作，带来一定的启示。

二、诺贝尔自然科学奖跨学科研究成果的统计分析

跨学科研究，是指超越单一学科界限，在两个或多个学科之间的交叉领域进行的研究活动。统计结果显示，20世纪以来，自然科学学科越来越多地呈现出交叉发展的态势[1-3]。1901—2008年间，不同时期诺贝尔自然科学奖中跨学科研究成果所占比例的统计结果如表1所列[3]。出现这种现象的一个可能原因是，随着文明的发展，人类面临的问题越来越复杂，包括社会问题（如贫富差距问题）和技术问题（如气候变暖问题）。同时，解决问题的难度也逐渐上升。在这种情况下，依靠单一学科的知识越来越难以独自解决某一问题，这使得不同学科领域之间的交叉渗透成为必然。

以核磁共振成像技术为例。该技术是目前医院常用的一种疾病影像学检测手段。从核磁共振技术原理的最初发现到其最终发展成为成熟的医用技术手段，经历了半个多世纪。共有10多次诺贝尔自然科学奖颁给了与该项技术相关的科学家，且奖项横跨物理学、化学、生理/医学[4]。由此可见，跨学科基础研究对原始创新的巨大推动作用。在诺贝尔物理学奖中，占有较大比例的跨学科研究成果是物理化学和天体物理学。例如，英国的John Cockcroft和爱尔兰的Ernest Walton因利用人工加速粒子进行原子核衰变的开创性工作而获得1951年物理学奖; 瑞典科学家Kai Siegbahn因开发高分辨率测量仪器及对光电子和轻元素的定量分析而获得1981年物理学奖;日本及美国的三位科学家赤崎勇、天野浩和中村修二因发明蓝色发光二极管而获得2014年物理学奖。这项研究的关键是采用氮化镓器件高效地产生蓝光。在这些研究中，物理学和化学的界限已经变得模糊不清。诺贝尔自然科学奖中另一个出现大量跨学科研究成果的领域是化学和生理/医学领域。例如，美国生物化学家James Sumner因分离并提取出脲酶晶体而获得1946年化学奖;美国生物化学家John Northrop因分离和提纯胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶等获得1946年化学奖;美国华裔科学家钱永健因阐明某些生物中绿色荧光的发光机理，并将这一技术用于追踪生物体中不同种类的蛋白质和生物过程而获得2008年化学奖。

对大量诺贝尔自然科学奖得主的研究表明，大多数诺贝尔自然科学奖得主有广泛的兴趣爱好，以及多领域、深厚的知识储备。以美国华裔科学家钱永健为例。钱永健从小就对化学产生浓厚的兴趣，在其上小学甚至更早的时候，就开始在家中做一些较简单的化学实验。进入高中后，钱永健在美国国家科学基金会夏季研究项目的资助下，进入俄亥俄大学Robert Kline教授的实验室，研究硫氰酸盐与金属的结合性，并凭借这一研究获得西屋科学人才奖的一等奖。在进入哈佛大学后，钱永健选修了很多课程，如艺术史、视觉设计、经济学、法律、心理学等，却因对哈佛大学的化学专业课感到无趣而放弃化学，转而学习分子生物学、海洋学、量子力学和天文物理，试图寻找自己真正的兴趣爱好。钱永健最终选择了神经生物学作为自己的主攻方向。本科毕业后，钱永健申请进入英国剑桥大学，进行神经科学方面的研究。当时中枢神经系统电生理学的研究惯例是：利用细胞外微电极收集麻醉的动物大脑在受刺激情况下的电信号。经过数百次记录，将收集到的电信号数据分类、整理，然后发表一些论文。钱永健对这种传统的电生理学研究不太感兴趣，却对成千上万的神经元之间同时进行的信号传递和信息处理更感兴趣。为了追踪神经元的电活动，需要用染料对神经元进行“染色”，这样神经元发出电信号时，自身就能“点亮”。但是当时市面上的商业染料发出的光强微弱，使用很不方便。钱永健就开始自己设计和制造用于追踪神经元活动的高灵敏度“染料”，最终发明绿色荧光蛋白用于追踪生物体中不同种类的蛋白质和生物过程，获得2008诺贝尔化学奖。由此可以看出，原始创新并不是一帆风顺的，需要长时间的准备，通过多学科的知识积淀才有可能达到。虽然非凡的想象力、突破常规的思维方法是诺贝尔自然科学奖得主取得巨大成就不可或缺的因素，但是如果没有深厚的多學科知识积累，原始创新就成了无源之水、无本之木。