徐光宪科学研究中“学科交叉法”应用探析

史 斌，赵 艺

(浙江工业大学 马克思主义学院，浙江 杭州 310023)

徐光宪(1920—2015)，浙江绍兴人，1936年考入浙江省立杭州高级工业职业学校，抗战爆发后杭州高工停办，转学到宁波高级工业职业学校(浙江工业大学前身学校)就读至1939年毕业，1980年当选为中国科学院学部委员(院士)，被誉为“中国稀土之父”“稀土界的袁隆平”[1]。作为浙江工业大学的知名校友，徐光宪是我国著名物理化学家、无机化学家、教育家，一生致力于化学研究和教学，研究范围横跨物理化学、核燃料化学、配位化学、萃取化学、稀土化学等多个领域。他的研究涉及生物学、神经科学、信息科学、数学、量子力学、热力学、电磁学、晶体学、计算机科学与技术等诸多学科，而他个人除了有坚实的化学和化工基础之外，还有良好的数学和物理学修养，更重要的是，徐光宪通过学科交叉、渗透和移植，善于将其他学科的方法转化为一系列化学研究的新方法，做到了他所提出的移花接木[2]。透过徐光宪的成长轨迹，可以发现其科研取得重大突破的秘诀是在科学研究中一直追求研究方法的创新，通过方法的突破实现科研质的提升，其中，他提出的“学科交叉法”无论是在学界，还是在整个社会，都有较大知名度，影响甚广。

一、徐光宪“学科交叉法”发展历程

总结徐光宪“学科交叉法”形成，离不开他生活时代和成长历程，良好的家庭启蒙教育、坎坷的求学经历、方向多变的研究经历等造就他对科研工作浓厚兴趣和对科研方法孜孜不倦追求。

(一)萌芽期：青少年时期生活经历培养了爱学习、勤思考习惯

徐光宪“学科交叉法”思想的酝酿可以追溯到青少年时期。他出生在一个中产阶层家庭，父亲与人合伙开设像“林家铺子”的布店，后来父亲病故，家道衰落。徐光宪对科学研究的热爱始发于他在少年时期受父母家庭教育的影响。他年少时学习很努力，每天上学总是第一个到校等着学校开门。他晚年曾回忆，“母亲常教导我们说：‘家有良田千顷，不如一技在身’，要我们兄弟用功读书，学习技术，不要依赖家庭，这对我的一生影响深远”[3]。他幼时跟父亲学习围棋，对后来从事科研创新探索和研究很有启发。比如，在他的教学生涯中，总是坚持在讲课之前，将自己的思路理得清清楚楚，这样就能把学生教懂、让学生喜欢，这就好比下围棋前需要早做计算，理清自己的思路[4]。因童年时体弱多病，他到中药铺买药时，受中药铺上百个抽屉分类存储药材的启发，将自己学习知识也进行分类，这种分类归档、建立知识框架的思维方法，使他终身受益。作为一个爱思考的有心人，正所谓生活处处有学问，少年时期的启蒙教育埋下了热爱科研、勤学好问的种子。

(二)形成期：求学期刻苦学习和工作后大量实践为“学科交叉法”形成奠定坚实基础

在求学时期，由于动荡的时代，他所受的教育断断续续。受课程安排的影响，徐光宪大范围学习数理化知识，通过大量的习题练习，不断将课程知识、习题知识、实验经验纳入自己的知识框架，逐渐形成自己的研究风格。1949年，徐光宪获得哥伦比亚大学理学硕士学位，随后师从贝克曼展开量子化学研究，量子化学是应用量子力学的基本原理和方法研究化学问题的一门基础科学。在证实罗菲尔德的旋光理论实验中，徐光宪借用物理模型，把量子力学和实验物理方法配合起来，设想了一个化学键三中心模型，首次验证了罗菲尔德的关于旋光的量子化学理论。新中国成立后，徐光宪热切回到祖国，为了国家建设需要与研究可行性，这个时期他曾两次改变研究方向，一是从量子化学转向络合物化学。1952年我国院系调整后，徐光宪在编写《物质结构》教材中，将量子力学、统计力学、结构化学等课程内容添加到教材中，并以物理与化学双重视角探讨物质微观结构，力求在了解物质的结构和性能的基础上，借助研究物理学的原理与方法对化学现象及本质进行研究。该书不仅作为化学教材，还被一些高校物理系、金属物理系作为教材。二是为打破西方列强的核威胁，在钱三强的提议下，他研究方向再转入核燃料萃取，为我国原子弹的研制作出了重要贡献。宽广的国际视野、多岗位历练、多领域涉足和多学科探究促进了学科交叉思想的形成。

(三)成熟期：改革开放后“学科交叉法”深入到诸多领域并形成理论体系

1978年，徐光宪从北京大学技术物理系调回化学系，研究方向转为稀土萃取分离。在从事化学科学研究过程中，徐光宪特别注重研究方法，尤其是“学科交叉法”的推广与使用。他认为，“化学的研究方法和它的研究对象及研究内容一样，也是随时代的前进而发展的。在19世纪，化学主要是实验的科学，它的研究方法主要是实验方法。到了20世纪下半叶，随着量子化学在化学中的应用，化学不再是纯粹的实验科学了，它的研究方法有实验和理论。现在21世纪又将增加第三种方法，即模型(Modeling)和计算机模拟的方法”[5]。2009年1月，徐光宪获2008年度国家最高科学技术奖，其关于科研方法的论述引发广泛关注。2009年6月，徐光宪在《功能材料信息》刊物上发表《科研创新十六法》，系统阐述了“学科交叉法”，标志其理论体系的形成。学科交叉法就是在不同的学科之间，进行“比较”“类比”和“移植”的研究方法，从而产生新的研究领域或新的学科[6]。2013年3月，徐光宪在《考试(高中理科)》杂志发表《成功的十大要素》，再一次引发全社会对学习、工作和研究方法的深入探讨。

二、徐光宪“学科交叉法”实践应用

徐光宪学科交叉法的思想源于他早期科研经历，真正广泛应用还是在他海外求学归来之后。尤其是恰逢20世纪中后期信息技术蓬勃发展之际，密切关注科技领域最新动态的徐光宪开始将数学、计算机、信息学等学科知识与化学研究相整合，以此为起点，开发出众多交叉方法与交叉学科。

(一)数学模型与计算机模拟在稀土萃取中的创新

稀土被誉为“工业黄金”，对于武器装备制造以及诸多高科技有着重要的战略意义，我国是世界上最大的稀土资源储备国，储量占到了全球已知总量的百分之七十多，稀土金属提取和加工技术非常重要。在稀土萃取的优化工艺中，徐光宪与合作者借用模型将实验理论和过程数学化，提出恒定级数公式，优化萃取步骤，缩短试验周期，使研究结果变得清晰明朗，使数学计算在萃取优化设计中发挥了灵魂作用，并通过数学模型，对稀土元素分离的出口进行优化和模拟验证，从只能得到一个纯产品元素和一个富集物的两出口工艺，优化至能同时得到两个纯产品元素和一个富集物的三出口萃取工艺，并得出了定量的计算方法，大大提高了稀土元素的产出率和回收率，是我国创新“萃取三出口”工艺的开始。同时，徐光宪与合作者利用计算机模拟萃取中的“摇漏斗”过程，设计计算机模拟动态程序，将萃取过程逐级逐排模拟出来，同时得到实验动态过程与结果，以便监查实验过程。徐光宪与合作者们通过串级萃取动态过程的数学模型与计算程序、回流启动模式等方法的利用，真正做到了稀土萃取理论与工艺的自主研发与优化，构建了全球最强大的稀土产业链，为中国稀土工业获取高纯度的单一稀土元素作出杰出贡献。

(二)量子化学中的计算机程序创新

20世纪60年代，国际上开始兴起对量子化学计算方法的研究，同时随着我国计算机科学的发展，计算量子化学受到关注，于是徐光宪在20世纪70年代转回量子化学领域研究。他注意到量子化学计算对化学过程的重要性，使得量子化学可以通过计算了解化学过程。他与学生黎乐民等合作者在1977年开始研究量子化学从头计算程序，并最先制作出用从头计算法编写出来的程序。为了直观生动呈现分子的简正振动，徐光宪与合作者用C语言开发出分子的图形显示程序，以动画的方式再现分子在各种振动模式下的振动行为，使人们可以从不同角度观察分子的立体角度，不被视线重叠，极大便利了对分子微观结构与振动光谱之间关系的研究[7]。同时，他与合作者又用C语言开发出了用于解决谱带重叠问题的光谱分峰曲线拟合的Curvefit软件，并为程序配备了多种功能和一个友好的人机交互界面以方便使用[8]。随后，基于稀土研究萃取分离技术，徐光宪认为要加强稀土理论部分的研究，以及稀土研究的范式创新，又将量子化学的计算方法继续开发用于解决稀土化学等问题。计算机软件程序的开发从量子力学的计算方程出发，为徐光宪等人在量子化学方面的研究提供了高效便捷的手段。量子化学计算方法的创新和计算机作为研究设备的改善，不仅推动了我国量子化学研究以及化学在微观领域的深入发展，也为我国化学学科交叉方法的变革提供了新思路。

(三)化学信息学的方法创新

20世纪中后期，化学数据和实验信息等各种化学信息的积累飞速增长，化学家们逐渐开始利用信息学的优势，开发化学检索软件，并提供资源共享与虚拟环境，为检索应用数据提供便捷。徐光宪敏锐地注意到了，他提出化学信息学是一门以信息学方法来解决化学问题的科学，并在全国首届化学信息学研讨会上作报告，指明我国开展化学信息学研究的一个可能性的突破口[9]。他认为，化学信息学应是信息科学与化学的交叉，可以用数学、统计学和计算机科学的理论方法和工具作为研究手段。从科学发展史看，科学实验数据和信息的大量积累，如果加以认真分析和综合研究，往往导致重大科学规律的发现。徐光宪以分类学的原理和思路来研究海量化学信息库，就像中药抽屉柜，分类存储，不仅有利于便捷获取有效信息，提高获取信息速率，更重要的是可以利用各种化学信息库，总结出规律，最大限度挖掘、开采和应用信息宝库，用信息学的原理和经验来解决化学问题。在他的积极推动下，当前我国化学信息学在高校课程中已有较为详尽的安排，其广泛应用于生物学、医学、农学以及化学信息检索等。徐光宪晚年想做的三件事之一就是借鉴信息论、生物进化论和系统生物学，创建化学信息学、化学进化论和系统化学。

三、徐光宪“学科交叉法”现实意蕴

近年来，随着科学研究与社会变革的需要以及人类对知识规律的理性认识，学科间通过知识互动、理论互通形成的跨学科研究方法日益受到重视。徐光宪“学科交叉法”不仅在化学研究领域应用广泛，在我国整个科研领域也有巨大影响力，对于新时代我国高等教育的学科建设、人才培养和科学研究等有重要的借鉴和指向作用。

(一)有效服务国家重大战略需求，推进多学科交叉会聚和多技术跨界融合

纵观徐光宪一生的科研生涯，情系祖国、服务国家发展是一条清晰的主线，他四次转变科研方向，每次转变都与不同合作者更新跨学科知识产品以解决科研难题，对化学科学未来发展脉络与应对方法做出战略性判断。徐光宪强调，正确敏锐地提出科学问题，本身就是重大的创新，而科学探究问题的选择要符合三个条件：首先必须选择国际学科发展的前沿；第二要结合国内具体情况；第三要注意研究的应用前景，面向国家目标。2020年9月11日，习近平总书记在科学家座谈会上强调“研究方向的选择要坚持需求导向，从国家急迫需要和长远需求出发，真正解决实际问题。”当今世界正处在大发展大变革大调整时期，社会重大科学技术突破越来越依赖不同学科之间的交叉融合，面对纷繁复杂的后疫情时代，多学科交叉会聚与多技术跨界融合解决人类面临的新问题、新挑战将成为新常态，如新冠疫苗研发涉及药理学、药剂学、药物化学、天然药物化学、毒理学、细胞生物学、分子生物学、医学免疫学、医学微生物学等众多学科，需要跨学科开展深度合作。交叉学科作为新学科门类也是一个很好例证。国务院学位委员会、教育部印发《关于设置“交叉学科”门类、“集成电路科学与工程”和“国家安全学”一级学科的通知》(学位〔2020〕30号)，“交叉学科”成为我国第14个学科门类，“集成电路科学与工程”“国家安全学”成为该门类下的一级学科。

(二)深度对接国家“双一流”建设，通过学科交叉融合培育新的学科生长点

徐光宪强调“学科建设要‘超’，通过‘超’可以在较短的时间里达到国内一流，甚至世界一流，一流大学不在于面面俱到，而在于有特点”[10]。其观点对于引领我国高等教育面向未来发展的“双一流”建设有很好的启发。2018年，教育部、财政部、国家发展改革委印发《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》，强调“打破传统学科之间的壁垒，以‘双一流’建设学科为核心，以优势特色学科为主体，以相关学科为支撑，整合相关传统学科资源，促进基础学科、应用学科交叉融合，在前沿和交叉学科领域培植新的学科生长点”。控制论的奠基者N.维纳曾说：“在科学发展上可以得到最大收获的领域是各种已经建立起来的部门之间被忽视的无人区”。2016年，习近平总书记在全国科技创新大会、两院院士大会、中国科协第九次全国代表大会上提出“厚实学科基础，培育新兴交叉学科生长点”。2018年，在北京大学考察时指出“要下大气力组建交叉学科群”。通过对很多著名大学世界一流学科的成长轨迹梳理，发现基本路径：一是将已有的特色学科、优势学科做大做强，“高原”上成就“高峰”；二是积极融入国家、区域和行业的重大发展战略，在满足社会发展重大需求的过程中成长、壮大，实现“弯道超越”；三是立足新的科学技术和学科发展前沿，在学科的交叉融合中培育出新的学科，异军突起。当前，我国高等院校在传统学科建设的基础上，将多学科融合纳入高校专业设置的发展脉络，集文理合流、学科群建设、创新创业与专业学科融合为一体的学科群设置，以培养创新型学科生长点。如厦门大学作为综合性一流大学，在“双一流”建设2018年度进展报告中对学科交叉融合进展做出了详细阐释，重点建设化学与物质基础、海洋资源环境与生态文明、生命科学与人类健康、统计与数据科学等11个交叉融合的学科群，推进学科集群发展。南京大学苏州校区着力打造化生医药、材料能源与工程、电子与信息、地球系统与环境、人文与社会等五大学科群，其战略意图是强化“新工科”，通过多学科交叉融合，培育新的学科生长点。在特色型高校的“双一流”建设中，以哈尔滨工业大学为例，在2018年度“双一流”进展报告公示中，将发展新兴交叉学科作为“双一流”建设成效，支持国际一流基因组测序、量子信息科学与技术等前沿交叉方向建设；成立医工交叉创新研究院、人工智能研究院等交叉平台；在司法领域获批国家重点研发计划项目2项和课题6项，文工交叉也初见成效。

(三)打破学科壁垒，厚植跨学科培养高素质创新人才的沃土

徐光宪认为：“方法比知识更重要，学生要把学到的知识纳入自己头脑中的化学知识框架，经过消化、吸收、分析、整理，变成自己的东西。毕业后能够把所需知识调出来，创新研究，解决实际问题。教师就要‘授人以渔’，教会学生方法”[11]。徐光宪除了在我国的稀土工业、萃取理论、科技政策等有着独到见解和贡献，他也将“学科交叉法”运用到人才培养上，培养近百名博士生和研究生，曾出现“师徒一门四院士”现象，即使在世界范围内也并不多见。以中山大学校长高松院士为例，他硕士阶段在徐光宪指导下从事稀土配合物研究，完成硕士学位论文后，出于兴趣，他有意转变研究方向，徐光宪鼓励他的选择，开始多核稀土簇合物与分子磁性方面的研究，通过学科交叉实现新领域突破，取得诸多创新性成果。徐光宪“学科交叉法”人才培养模式为培养高素质创新人才提供了新思路。近年来，众多高校打破学科壁垒，通过学科交叉融合，积极探索复合型人才培养改革新路径。2020年，教育部印发《未来技术学院建设指南(试行)》(教高厅函〔2020〕6号)，强调主动打破传统专业学科壁垒，推动专业学科交叉融合，促进理工结合、工工交叉、工文渗透、医工融合等，鼓励各高校依据学科优势特色，聚焦一个或多个未来技术领域，构建协调可持续发展的专业学科体系，主动应对经济社会发展变化，主动引领前沿技术发展趋势，探索人才培养新模式。

(四)灵活运用“学科交叉法”，推动科研工作高质量发展

徐光宪认为，“不同学科有上、中、下游之分。数学、物理学是上游学科；化学是中游，生物、医学和社会科学等式下游学科。上游学科的研究对象比较简单，下游学科的研究对象复杂。移上游科学之花，可以接下游科学之木。科学研究者若具有广博和坚实的基础，把上游科学移植到下游科学，往往能取得突破性的成就”[12]。在物理化学方面，徐光宪以编写学科教材为起点，将不同学科知识有目的整合，引入多学科认知视角，积累化学学科以外的知识，将量子力学原理同实验物理相结合，促使读者发现学科间隙中的交叉点和联结点。徐光宪通过不同学科的研究理论与研究方法，在量子化学和理论化学领域，特别是在物理学、数学和化学学科交叉领域，取得重要成就。这种将多学科融合的思维，为科学研究者开动脑筋，发现新研究方法、提升科研创造力提供了新视角。2019年，教育部、中央政法委、科技部等13个部门联合启动“六卓越一拔尖”计划2.0，全面推进新工科、新医科、新农科、新文科建设，其核心在于强化学科专业的交叉融合，推动科研工作高质量发展，与新一轮科技革命和产业变革实现深度互动和有效引领支撑，大幅提升高校服务经济社会发展能力。