跨学科交叉平台的建设及取得的科研成果

2014-12-25刘源

实验技术与管理 2014年12期

刘源

（清华大学深圳研究生院清洁生产重点实验室，广东深圳 518055）

1 跨学科大平台实验室建设的起因及必要性

随着知识创新理论研究的发展和开放式创新研究的深入，交叉创新、融合创新成为知识创新的重要思维方法［1］。在知识融合的大背景下，交叉学科不断涌现，已逐渐成为知识发展的一种新时代特性。科学的发展史表明，科学的重大突破点往往发生在科学需要和科学内在逻辑的交叉点上，也往往与一门新的交叉学科的诞生相联系［2］。跨学科交叉以及深度融合的思维碰撞方式，是产生创新成果的根源。目前单一学科已经无法有效解决各种科研难题。

物理学家海森堡认为“科学扎根于交流，起源于讨论”。许多国家、大学和学术团体对此都非常重视，采取多种形式并创造条件开展学术交流活动，以此促进学科的交叉［3］。21世纪，科技发展步伐加快，科技进步带动产业转型，而转型需要多学科知识做后盾。因此，科研系统要实现为社会服务的职能，就必须紧跟时代步伐，加快学科的交叉和融合。

目前，我国工业化面临着空前的机遇和挑战。资源“消耗型”工业化进程换来的增长，导致环境污染严重，经济高速发展难以持续，迫切需要探索新型工业化模式。“十二五”期间，我国进一步加大环境保护力度，为从源头减少污染物产生量、尽可能降低末端治理压力、促进国家“十二五”规划纲要提出的各项资源节约和环境保护指标完成，必须进一步加大推行学科交叉的力度，全面提升清洁生产，即工业生态化水平。

我国发展的基础是能源和材料，但是能源短缺和环境污染是我国面临的重大挑战。资源使用的每一步都需要消耗能源，同时排出大量的废水、废气、废渣，污染生存环境，并带来各种环境影响，比如温室效应、臭氧层破坏等。从能源、资源消耗和环境污染的根源分析，材料及其制品的生产是造成能源短缺、资源过度消耗乃至枯竭的主要原因之一。在大量消耗优质资源的同时，材料的生产和使用也给人类赖以生存的生态环境带来了严重的负担。为了解决材料、制造与能源、环境之间的关系，需要努力提高资源的利用和回收率，减少对资源的消耗。

面对日趋强化的资源环境约束，需要增强危机意识，树立绿色、低碳发展理念，以节能减排为重点，健全激励与约束机制，加快构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式，增强可持续发展能力，提高生态文明水平。为从“源头”解决环境问题，预防和控制污染的产生，适应国家进行清洁生产和循环经济战略的需要，为了配合我院“学科交叉，创新创业”的办学理念，完善管理体制和运行机制，建设好新兴交叉融合的大平台，在深圳市政府的支持下，成立了将4个学科融为一体的跨学科大平台：清洁生产重点实验室。

跨学科大平台实验室的建立，在体制与机制上，综合了4个相关学科力量，包括清洁能源、环境材料、绿色制造和环境污染控制等，形成了一体化的交叉运行机制，能够从生态系统角度解决清洁生产和环境污染问题，从根本上预防污染的产生，实现产业清洁生产和生态化，达到节能、降耗、减污、增效的多重目的。

这种运行机制，能够按照城市结构和产业链形态进行学科交叉融合研究，能够建立新型的工程科学与技术体系，对城市化及产业链主要要素，包括能源学科、材料学科、制造学科和环境学科进行交叉融合，形成综合型的学科体系，适应现代社会可持续发展的要求，为我国新型科学发展道路提供理论和技术指导。

2 实验室交叉平台的构建历程

实验室建设和管理的水平直接影响实践教学的效果和学生创新能力的培养，也是高校办学水平的重要标志［4］。先进、完善的实验设备及日常运作、管理的规范化是学科建设和发展的必要条件，这对新兴的交叉学科而言显得更加重要［5］。由于先进的仪器设备是高水平科研成果产生的先决条件，清洁生产重点实验室的初期建设便从高端实验仪器设备的购入开始，因此各学科的交叉融合及各类设备的交叉使用，成为仪器设备购入的前提条件。

2006年底，深圳市政府批复清洁生产重点实验室建设初步设计和概算，市财政一次性补助3 000万元用于购置设备，资金不足部分由单位自筹解决。

实验室在深圳市政府资金支持下，依托清华大学深圳研究生院，融合了4个不同学科的力量，在学科交叉、仪器共享的理念指导下，筹建成立了交叉型的研究平台。宗旨是以高水平科研、全方位的学科交叉，围绕地方经济、社会发展的重大科学问题和关键技术，开展创新性研究工作。

实验室成立初期，能源、材料、制造和环境4个学科，已经有了一定的基础设施，为了避免重复采购造成仪器的闲置浪费，提高仪器的使用效率，仪器订购前，4个学科密切沟通，相互协调，共同论证，充分考虑到仪器设备的交叉使用，避免不必要的资源浪费。

2007年院务会通过“重点实验室建设经费使用试行办法”，通过“重点实验室设备购置程序”，明确了建设经费使用原则和程序步骤，并召开清洁生产重点实验室领导小组会议，在学科交叉、仪器共享的理念指导下，确认仪器购买清单、安排购买进度、仪器档案管理，重点实验室的交叉平台建设进入到执行阶段。

2008年仪器设备陆续到位，购买的大型仪器设备主要有：场发射扫描电子显微镜、X射线粉末（单晶）衍射仪、电力实时数字仿真器、红外光谱仪、气相色谱-质谱联用仪、电耦等离子发射光谱仪、蓝光光斑评价系统、全自动微生物鉴定系统等，所购入的仪器大部分可以跨学科交叉使用。比如场发射扫描电子显微镜，除了在材料领域对炭材料、高分子材料、电池材料等材料的结构表征进行测试外，在环境领域可对水处理的膜材料（陶瓷膜、生物膜等）进行测试，在能源领域可对硅橡胶、电极表面氧化层、太阳能浆料等进行测试，制造领域可对光刻材料、金属材料等进行测试，该仪器还可以对生物医药、光学等方面材料进行测试。各学科购入的仪器设备及可以交叉使用概况见图1。

随着仪器设备的陆续到位，形成了跨学科大平台运行机制，这种运行机制与建设实验室的目标、方向相吻合，与国家进行清洁生产和循环经济战略的需要相适应，并且适应社会与产业转型的技术和理论需求，解决了城市化进程中清洁生产和环境方面的复杂规律和重大技术问题，为城市化、产业结构升级和产业链的生态化提供技术和理论2个方面的支撑。

清洁生产实验室的交叉平台，目前已经拥有实验室面积3 948m2，已在能源学科、材料学科、先进制造学科和环境学科建立了比较完善的科研平台，并且在这些平台基础上进行交叉和整合，建立了比较综合性的教学与研究体系。平台目前已经开始进行高质量的研究生培养和开展国际国内外尖端的科研活动。

3 实验室仪器设备在学科交叉中的管理

实验室仪器设备采用大型仪器设备交叉共享、小型设备独立使用、既有交叉又有平行的管理模式，全部仪器设备统一建账、统一调配、统一管理协调使用。

3.1 实验室人员

图1 清洁生产重点实验室大型仪器在学科交叉领域的使用情况

培养适应经济建设需要的应用型、复合型的高级工程管理专业人才，必须有一支结构合理的高素质专业师资队伍［6］。实验技术人员的管理建设是实现仪器设备交叉共享的基本要素，也是实验技能传承、开发的重要载体，他们是高等学校科研、教学和人才培养方面最重要的组成部分。在实验室建立以前，这支队伍的培养、建设和管理上存在一定差距，拔尖人才和骨干力量缺乏。随着教学科研装备水平的提升，对仪器操作人员的技术水平和服务质量要求明显提高。因此，要实现仪器设备交叉共享服务，必须加快建设一支高素质、高水平的技术管理队伍。

目前，实验室拥有完整的学科研究梯队，包括：院士4人（兼职）；专职教授7人，副教授8人，讲师6人，博士后9人以及26位双基地教授；拥有5名专业的实验工程技术人员负责仪器设备的维护、管理及大型仪器的操作使用；拥有15名以企业化编制管理的科研人员，负责为社会提供各种检测服务。清洁生产重点实验室每年招收的在校研究生达到180人，其中博士生25人。实验交叉平台已经形成了一个高水平、高效率的技术研发队伍。

3.2 大型设备专管共用和资源共享

为加强对大型精密贵重仪器设备的管理，使其更好地为教学、科研服务，根据教育部对大型精密贵重仪器设备加强管理的要求，结合实验室具体情况，编写了《清洁生产重点实验室管理手册》，手册在规范实验室管理、提高实验室的效率、规范实验人员的行为等方面都起到积极的作用，并且为实验室交叉运行管理奠定了坚实基础。

实验室大部分仪器均是进口设备，要求操作精细，因此，实验室的大型精密贵重仪器设备实行“专人管理”，日常使用中由专职人员负责指导学生操作，尽可能地增加学生接触贵重仪器设备的机会，并进行定期检查维护，使其处于良好的运行状态。

目前，实验室采取联合申请科研项目，建立仪器设备网络管理平台等措施，使实验室内的4个学科有效地交叉联合，也使实验室的仪器设备与其他院校乃至社会资源共享，大大提高了仪器设备的利用率，减少了仪器设备闲置的现象，避免了资源浪费。由此可见，合理、有效地利用大型精密贵重仪器设备资源，建立高校大型精密贵重仪器设备开放服务体系，实现优质资源共享是十分必要的［7］。

3.3 预约使用与合理收费

使用大型精密贵重仪器设备之前要预约登记。实验室规定每周五预约下周仪器设备的使用时间。预约登记加强了仪器设备的使用效率，使仪器设备的使用更加规范有序。

共享平台的构建应秉承开放性原则、共享性原则和成本核算有偿使用原则［8］。仪器设备收费分2种：院内（大学城内）的一切科研协作只收取仪器设备正常运行的维护管理费和材料消耗等费用，院外（大学城外）的收费则包括折旧费、消耗费、测试费、维修费、管理费等，收取的费用在院财务办单独设立费用收入账户。收入的费用主要用于仪器设备的运行、维护、维修等。

4 学科交叉取得的成果

实验室自成立以来，承担了大量高水平跨学科、交叉联合的科研项目，包括国家重大专项、国家“973”、国家“863”、国家自然科学基金重点和面上项目，科技部国际合作、广东省和深圳市科研基金项目以及各种与企业合作的横向研究项目等，主要成果可以从以下几个方面概述。

4.1 人才培养

创新人才培养需要个性化教学、差异化培养，最大限度地激发学生的创造力和发展潜能［9］。所以，不同学科的交叉已成为培养研究生创新能力的一种重要的渠道和方式，而打破各学科之间的壁垒，并使其交叉和融合也已成为当代科学发展的必然趋势［10］。学科交叉前，由于各个学科单一的思维方式，人才培养存在局限性，无法拓展学生的视野，因此学科交叉平台的建立不仅利于资源整合，更利于培养知识面宽广、能适应社会需求的复合型人才。

实验室跨学科大平台自组建以来，使得各学科通过联合申请项目，整体考虑跨学科的教学计划，在人才培养方面有了全新的培养思路。通过不同学科实验条件的整合，仪器设备交叉使用，带来了全新的人才培养环境，培养出更加适应社会需求的高端人才。目前，已经培养研究生1 000人以上。期间，多学科教师共同制订培养方案，共同开题，交叉指导学生研究，仪器交叉使用，交叉评估进展，教师低头抬头交流，学生同苦同乐，形成了独特的交叉创新生态机制和环境。

4.2 科研成果

通过学科交叉，给科研活动的各个环节带来全新的提升。教师打破传统的学科界限，活跃和开拓了学术思想，为产生新的理论、观点和创造性研究成果创造条件，实现实验室、大型仪器设备等硬件科研资源的共享，实现科技资料、科研手段、学术交流等软科研资源的互通，进而扩大了科研活动的空间［11］。实验室自成立以来所取得的成果如下：

（1）共承担科研项目287项，从各种渠道争取到位的科研经费超过了亿元。这些科研项目绝大多数是2个或多个学科联合开展的，其中16%是由4个学科联合申请，23%是由3学科联合申请，35%是由2个学科联合申请，其余的是单一学科申请。

（2）发表论文435篇，其中SCI收录268篇，EI收录149篇。

（3）发表学术专著5部。

（4）共申请专利144项（发明117项、实用新型26项、外观设计1项），获得专利授权82项（发明66项、实用新型15项、外观设计1项）。

（5）获得各种奖项23项，其中包括获2010年度国家技术发明二等奖1项、2011年获第六届国家教师名师奖1项，其他年度省部级科学技术特等奖1项、一等奖1项、二等奖7项、三等奖4项以及大量其他奖项。

（6）组织和参加的国际国内会议上百余次，参加人数达上千余人次。

4.3 服务社会经济

科研和服务相辅相成，应该是相互促进，而不是相互制约［12］。从社会发展的角度，高校办学能力和水平越来越体现在为地方经济和社会发展服务的力度和程度上。实验室在清洁生产实施方面经过几年的运作，已形成了对社会经济开放的模式：

（1）成立了工业生态与环境检测中心。检测中心采用企业化管理和市场化运作，服务于科研，服务于社会，取得了巨大的成功，不仅获得了经济效益，而且获得了社会效益。该中心2013年4月通过中国合格评定国家认可委员会（CNAS）复评审，2013年6月通过广东省质量技术监督局颁发的资质认定计量认证证书（CMA）复评审。该中心已经成为综合性、专业型、全国性的工业生态与环境检测的第三方测试、检验与验证机构。

（2）成立了深圳市先进金属材料科技创新与检测研发公共技术服务平台。该平台成立以来对外服务数量达到上百余次，已经具备先进金属材料及其关键制备技术研发、金属材料检测分析的科研条件和研究生培养的基本条件，同时通过平台搭桥，近3年来实现了与企业合作进行科研课题立项10余项。

（3）牵头组建成立了先进电池与材料、无源元器件与集成、中国高清摄放像产业创新联盟3个省部产学研联盟，实验室教师担任联盟秘书长。

（4）实验室参加筹建“生物化工材料”和“中国高清摄放相产业创新”2个产学研联盟，实验室教授分别担任2个联盟的技术委员会负责人之一。

（5）对深圳市100余家企业开展技术服务和提供技术咨询，包括比亚迪、华为、长园新材、贝特瑞等大公司和许多发展中的中、小企业，如深圳温腾热控电子公司、鑫承诺化工公司等。

4.4 典型交叉创新项目——“智能微电网系统教学示范项目”

当前，能源已经成为国际社会共同关注的重大问题，太阳能等新能源由于其可再生和清洁等特点越来越受到重视，光伏发电是开发利用太阳能的一种重要形式。目前，光伏发电系统正在从边远无电地区不断向城市扩展，因此在系统造型、功能等方面出现了新问题。清洁生产重点实验室通过多个学科的交叉，建立了包括新能源（风光互补分布式）发电接入、汽车电网、储能电站（液流电池、超级电容器、锂离子电池）、智能变电站、智能用电、LED等在内的微电网教学示范工程。

该示范工程围绕各种新能源在民居社区中的应用和生态环境改善，针对性地开发关键技术和联用设备，形成产业链条和调控系统，主要研发内容包括：

（1）基于芯片设计的太阳能控制装置；

（2）基于新材料的高效储能装置；

（3）综合能效数据自动采集装置系统；

（4）“太阳树”社区水环境综合处理系统。

目前已经在清华大学深圳研究生院校区建立了一个示范基地。图2为校园智能微电网系统示意图。