基于煤化学-量子化学交叉学科研究生培养探究*

杜双利 翟瑞聪 朱 颖

（太原理工大学安全与应急管理工程学院）

当今世界，人才竞争力是衡量一个国家综合国力的重要指标。而硕士教育作为国民教育系统的顶端，是构建创新型国家、提升科技竞争力和人才竞争力的重要基石。随着科学技术的迅速发展，基础学科的大厦已经建成，以单一学科为主导的传统研究生教育已逐渐不能满足新世纪人才培养的要求。而交叉学科相较于知识界限划分鲜明的基础学科而言，可以提供更加多元化的理论知识和科学视野，往往成为新科学的生长点和突破点。学科交叉融合顺应我国当代学科发展的趋势，满足现阶段我国教育创新的需求，能够打破单一学科间的知识界限并达到多个学科知识交融，逐渐成为新一轮科技革命的重要支柱。

以煤科学领域为例，煤炭是我国的主体能源，但煤炭的开采和应用所造成的环境污染与我国当前提倡的绿水青山环保发展理念相悖。因此清晰地认识煤分子结构，掌握和了解煤的转化过程及反应机理，对合理开发利用煤炭资源和保护环境具有重要意义。但由于煤分子官能团的多样性和煤转化过程的复杂性，单纯应用现有的仪器分析技术和实验方法难以探究其反应规律和本质，这就需要通过另一视角和层面来突破这个难题。煤分子的化学反应研究主要包括动态分子间的相互作用和断键成键过程，而将量子化学计算方法应用于煤化学领域，可以从微观层面深入研究煤大分子的结构、性质及其过渡态反应路径，对于强化研究生关于煤化学领域的理论基础，提升研究生多学科领域认知水平，打破单学科知识壁垒，培养创新思维能力具有十分重要的意义。

1 以学科交融促进复合创新型人才培养

1.1 学科交融现状

当今时代，学科交叉融合已经成为知识发展和人类社会实践需要的必然结果。各国已经强烈意识到发展学科交叉教育对于解决科研前端问题的重要性。目前国内外在交叉学科组织建设与发展的探索上经已取得了初步成果。

早在20世纪30年代，国外开始出现关于学科交叉融合的科学研究，主要在美国、英国、日本等发达国家盛行。美国的《促进跨学科研究》中表明学科交叉融合在国外早已不是个别领域的创想，已经上升为国家教育发展战略。麻省理工和斯坦福等研究型大学大力组建学科交叉研究中心，设置大比例的交叉学科专业和研究团体，重大课题组涉及多学科交叉的研究生培养任务［1］。英国一流大学的交叉学科研究也位于世界前沿，政府设立大量基金保证研究生教育资金充沛，有足够的资金流向甚至倾斜于交叉学科人才培养，为多学科交叉研究项目提供有力支持［2］。牛津大学存在着全面的交叉学科学习渠道，对于特定专业的学生不设置特定学习科目，根据学生学习和研究的不同内容可选择不同的学习课程，由不同院系的教师共同完成学生的教学任务，推动学生跨学科领域学习，促进学生对多元领域知识的融会贯通［3］。日本的学科交叉培养体系已经广泛建立在各个大学，重点推进学科交叉融合学习，东北大学定位发展成学科交叉国际研究基地。在众多大学研究生院进行广泛的多学科交叉教学，也让研究组织和科研机构具有流动性和共用性［4］。

我国高等院校和研究院所进行学科交叉学习和研究相较于国外起步较晚。国内的42所“世界一流大学”在学科交叉培养上领先起跑，目前均已设立完备的学科交叉研究院和培养机制。如西安交通大学和陕西省科技厅专门成立了医学交叉研究项目管理委员会，力争探索和解决医学领域的重大科学难关，抢占健康中国科技发展制高点。

1.2 煤化学和量子化学的交叉融合

量子化学是应用量子力学的基本原理和方法来研究化学问题的一门基础学科［5］。近年来，由于实验方法本身的局限性，无法从本质上揭示宏观现象背后的微观反应机理，且随着计算技术和硬件的迅速发展，量子化学计算已逐步应用于煤科学研究领域。

1.2.1 量子化学在煤分子结构研究中的应用

结构决定性质，只有从根本上认识煤的分子结构，才能从本质上揭示煤的物理化学性质，进而实现对煤炭资源的充分合理开发和利用［6］。煤分子的化学结构复杂，煤种多样，主要包括含氧官能团和少量的含硫、氮官能团［7］。官能团的种类和数目以及表面官能团的特征直接关系到煤分子的反应特性，如王怀伟等［8］采用密度泛函理论方法研究了煤自燃过程中-CH2-官能团的反应机理，结果表明硫元素提高了-CH2-官能团的氧化活性。应用量子化学计算方法不仅可以准确得到煤大分子结构中化学键的键长、键角和键能等信息，还可以通过模拟反应确定不同煤结构单元的化学活性位点，为进一步认识煤的微观反应机理奠定理论基础。

1.2.2 量子化学在煤化学反应方面的应用

应用量子化学方法可以从本质上揭示煤分子的微观化学反应过程。何文浩等［9］通过量子化学计算方法研究了硅藻土中2种主要硅醇与瓦斯爆炸过程中间产物的相互作用，结果表明硅藻土中的连生硅醇结构对甲烷氧化链式反应具有良好的抑制；安文博等［10］通过密度泛函理论方法研究了表面活性剂对煤体的改性规律，结果表明表面活性剂通过静电相互作用与煤体表面发生作用，进而导致煤体表面产生孔隙和裂隙，力学强度降低；姜海洋等［11］通过量子化学计算方法研究了CO和H2O对瓦斯爆炸的影响，结果表明CO和H2O与瓦斯爆炸中间体和自由基结合，起到了抑制瓦斯爆炸的作用。众所周知，煤燃烧后会形成大量的一氧化碳、二氧化碳、硫化物和氮氧化物，这些燃烧产物不仅破坏大气圈中的臭氧层，给生态环境带来巨大压力，也严重危害动植物生长和人类健康，应用量子化学计算方法可以定性和定量地分析煤大分子燃烧时各元素的成键断键特征及其在化学反应中的变化，从而分析和确定具体反应过程，为日后的脱氮和脱硫工程提供理论指导。此外，气体分子与煤表面发生的吸附解吸过程、煤层气表面催化剂催化性能的研究以及煤的裂解等研究都可以通过量子化学计算方法来研究。

由此可见，量子化学在煤科学领域的应用不仅可以对实验技术不易捕捉的微观时空结构和性质进行补充，为实验方案的设计提供理论参考，还可以为研究生提供更多的新思路、新想法，拓展了研究生的研究课题和方向，拓宽了研究生的思维广度。

2 煤化学-量子化学交叉学科研究生培养现存问题

2.1 交叉学科教学师资力量薄弱

现阶段，我国高校人才培养模式大多仍沿袭以单学科主导向纵深发展的传统模式，导致高校教师复合型人才资源稀缺，研究生交叉学科指导教师面临人员困境。其次，学科交叉并非简单的跨学科交流，而是要在这些学科边界的前沿领域开拓新知识，在多学科交叉点上发现新知识并取得重大科研突破，因此需要高校教师付出更多时间和精力进行学习、转型和深造。再者，学科交叉作为新兴领域，其制度和体系尚在起步阶段，发展前景模糊，高校也没有相应的激励政策，导致师资队伍进行学科交叉的积极性不高。以本校煤科学和量子化学两大学科为例，目前同时涉猎2个学科领域的教师较少，大多都是在其一领域向内精研。教师是立教之本，兴教之源。如何培养出具备多学科知识储备和交叉学科教育方法的雄厚师资队伍，是当前开展研究生学科交叉培养的首要重任。

2.2 交叉学科研究生培养体系尚不完善

任何一种教育模式的建立都需要完整的政策机制、管理模式和培养体系。因此，在传统的单学科研究生培养教育大背景下，发展多学科交叉培养模式离不开一套完善的交叉学科教学体系的正确引导。国内某些高校虽已开始设立双学位教育、跨学科课程学习、多学科交叉研究等多种学科交叉学习途径，但并未建立交叉学科知识体系，教学方式依旧单一传统，学生双学位间也未建立知识联系，跨学科的课堂内容缺少交叉学科的知识碰撞和融合。目前，受高校传统院系的影响，煤炭与量子化学交叉学科研究生培养体制尚未建立，2个学科领域间“横向”交流匮乏，没有完全满足煤炭与量子化学交叉学科融合的专业课程，分科教学的方法缺少创新性和知识融合性，不利于增进学生的学科交叉理解。

2.3 交叉学科教学经费与研究条件有待提高

交叉学科培养作为新兴的学科培养方式，与传统单一学科竞争存在弱势。我国高校学科建设经费有限，在目前建设“双一流”学科的竞争下，优先侧重于对传统优势学科的经费支持，最后流向新兴的交叉学科经费较少。现阶段还未建立新兴交叉学科院系，煤化学与量子化学计算交叉学科的研究是在传统的煤炭学院与化学学院两学科的知识交叉地带，相较于单一学科研究条件需求较大，风险与不确定性较高，研究生培养任务相对困难。如果没有先进的计算机软硬件设备和充足的煤化学实验条件，不利于交叉学科研究生的培养，对学生的创新创造力和探索积极性的提高带来很大限制。

3 煤化学-量子化学交叉学科研究生培养模式探究

3.1 规范交叉学科研究生培养管理体制

高校应建立研究生交叉学科培养管理体制，如成立专门的交叉学科管理委员会，完善教师聘用、人才培养规划、奖助体系、学位审核等工作；改革学科建设管理制度，通过强化项目评审标准，规范交叉学科教师科研评价制度等保证新兴交叉学科培育建设的竞争性。同时给予交叉学科一定的包容性与容错率，从而促进其健康发展，推动交叉学科人才培养质量的不断提升；新兴交叉学科起步阶段需要适当的资源倾斜，可以成立煤化学-量子化学交叉学科专项资金，为相关人才培养提供大力支持。

3.2 成立交叉学科导师组

目前国内高校师资队伍大多处于单一学科背景，针对这一困境，组建高学历、年轻化、创新能力强的高素质交叉学科师资队伍是重中之重。高校首先应设置煤科学-量子化学交叉学科教师岗，通过人才引进、项目激励、奖助评审等举措快速聚拢多学科领域人才。其次，通过开展跨学科科研、教研，参加多学科生产攻坚等活动，提升教师的跨学科人才培养能力。此外，从煤科学和量子化学学科中抽调具有优秀研究成果、有创新精神、敢于实践的骨干教师成立交叉学科导师组，吸引不同学科领域的教师开展交叉学科项目研究，促进多学科知识结构和体系的碰撞。建立跨学科甚至跨院系的公共研究平台，以科研项目带动平台建设，加大交叉学科师资队伍的培养和整合。

建立交叉学科导师组激励机制和评价机制也是重中之重，因为从事跨学科协同教学对很多教师而言，需要承担极大的风险。其一，协同教学需要耗费大量时间，势必减少交叉学科导师从事科研的时间；其二，协同教学启动阶段需要投入大量精力而结果未知，对导师的职业生涯可能帮助不大；其三，初期阶段交叉学科研究生在科研方面的进步成效如何无法预测，这使得导师的教学效果很难评价，往往可能得不到足够的认可和奖励。如：一直鼓励教师跨学科交叉的密歇根大学曾引进了一批从事跨学科研究的老师。但当这些教师晋升职称时，便遭遇其研究成果属于哪个专业，该由哪个专业、哪个学院组织评价这种困境［12］。

3.3 建立交叉学科研究生科研创作和交流创新平台

高校可以通过整合不同院系煤化学和量子化学相关学科的教学资源，或联合其他高校，建立交叉学科研究生创新平台。依托平台，借助高校自身优势，对接企业资源，以校企合作项目的形式为交叉学科研究生提供良好的课题资源和实践平台；优化资源配置，完善公用试验设备，解决交叉学科研究生在科研创作时的硬件设施短板；邀请在煤科学和量子化学领域有深入研究的院校、科研机构和专家举办论坛，开展学术交流会，丰富交叉学科研究生进行知识交流和学习的路径，开拓交叉学科研究生的学术视野和思想创新；提出具有前沿性、符合国家重大需求的科学问题或工程问题，如国家政策高呼的“碳达峰、碳中和”等课题，引导学生选题并给予相应经费支持，激发研究生的创新活力。2022年1月23日，由四川大学牵头，联合电子科技大学、中国国防科技大学共同组建了新型冠状病毒大数据交叉学科研究平台。该平台由大学牵头，行政支撑，企业支持，涉及大数据、人工智能、临床流行病学和循证医学等多个学科领域的交叉应用。通过不同维度的海量数据信息，进行综合建模和分析，研究新型冠状病毒的传播路径、危险期、致死性以及发病趋势，并在此过程中逐步积累研究基础、培育一流的研究团队［13］。南开大学细胞应答交叉科学中心于2020年1月10日揭牌，以重大科学问题和国家重大需求为牵引，集所有学科之力联合攻关，旨在打造国际一流前沿基础研究和应用研究的交叉科学研究基地［14］。

4 结语

任何科学研究都是以问题为导向的，而学科交叉可以从多个视角和多元领域来认识并探究问题的本质，从而打破思维局限性，培养人才的创造力和创新性。在煤科学领域引入量子化学研究进行交叉学科培养已经得到师生的广泛认可，但现阶段交叉学科培养不成熟，还存在着交叉学科师资力量薄弱、研究生培养体系尚不完善、教学经费与研究条件有待提高等问题，仍需要进一步加强交叉学科师资队伍建设，规范交叉学科研究生培养管理体制，建立相关科研交流平台。高校应发挥自身优势，以其前瞻视角和超前思维推进多学科交叉汇聚，为实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献更多智慧和力量。