强基背景下数学类拔尖创新人才的多维度选培模式探究

张学莹, 高志辉, 杨永富

(河海大学 数学学院, 南京 211100)

0 引 言

实施创新驱动发展战略,攻坚关键核心技术,提高原始创新能力成为国家科技创新发展的侧重点.2019年7月,科技部、教育部等四部委联合颁布了《关于加强数学科学研究工作方案》[1],此方案明确,在国家层面要“持续稳定支持基础数学科学”“加强应用数学和数学的应用研究”“持续推进和深化高层次的国内外交流与合作”,显示出国家对数学研究的高度重视.2020年1月,教育部发布了《关于在部分高校开展基础学科招生改革试点工作的意见》[2],也称“强基计划”,主要是为了选拔培养基础学科拔尖且综合素质优秀的学生,致力于数学、物理、化学和生物等基础学科领域的科学研究,服务国家重大战略需求,为国家重大领域输送后备人才.

国家的创新与数学密不可分[3],数学实力与当代科学技术和国家实力密切相关[4-5].加强数学等基础学科发展,推动跨学科交叉研究是提高原始创新能力,产生引领性重大创新成果和取得重大科学发现的重要途径.因此,采用多渠道的人才选拔形式,依托多层次的人才教育平台、采取多维度的人才培养方案,从而实现跨学科的国家人才培养目标.近年来,许多研究人员从不同角度针对不同学科专业的拔尖创新人才的培养进行了相关研究.比如,文献[6]探讨了地球系统科学专业建设与拔尖创新人才培养,文献[7]研究了人工智能领域研究生的培养路径,文献[8]对跨学科发展及演变进行了探讨,文献[9]探讨了大学数学类课程项目驱动的教学模式,文献[10]对应用数学类研究生创新能力的培养进行了探索.本文从数学类拔尖创新人才的选拔、培养等不同环节以及从学生、教师、学校、企业等不同角度对数学类拔尖创新人才培养渠道和模式进行研究分析,提出了若干合理化的策略和针对性的措施.

1 加强数学跨学科教育的必要性和重要性

1.1 数学作为基础学科的重要性

数学是自然科学的基础,为重大技术创新提供原始动力和源泉,数学的实力影响着国家的实力.毕达哥拉斯说:“数学统治着宇宙.”德国数学家高斯说:“数学是科学的皇后.” 数学强则科技强,科技强则国强,数学实力影响着国家科技进步和经济建设.纵观科学发展的历史,往往数学上的突破,会带动很多其他学科的重大突破.20世纪末,朱松纯将概率统计计算引入计算机视觉研究,为图像识别奠定了基础.1994年,数学家彼得·肖尔提出了一种量子算法,开启了量子计算机的时代.1999年,佩奇发表了PageRank算法,将网格排序转化为矩阵的计算.2008年,师从信息论创始人香农的数学家阿勒坎发表了极化码方案,5G时代因此开启.

1.2 数学与当代科学技术的密切关系

数学在自然科学、社会科学、数据科学、国防技术、国民经济等领域都发挥着重要的作用.近些年,很多学科都与数学密切相关,如信息安全、金融数学、经济数学 、计算机视觉、保险精算、反恐侦破、人工智能、遥测遥感等技术领域都用到了数学理论模型或算法.可以说数学在人类每一次重大的科学进步中都发挥着强有力的支撑作用.

一门科学,只有当它成功地运用数学时,才算达到真正完善的地步.现代经济理论通过建立数学模型探求宏观经济和微观经济的规律.在众多的诺贝尔经济学奖得主中,有很多是运用数学方法解决经济问题的.近年来,大数据科学已经成为人们十分关注的热点,其核心是将数学、计算机科学和统计科学等运用到海量数据上,预测事情发生的可能性.大数据在电子商务、疾病诊断与推荐治疗措施、识别潜在罪犯等方面有着广阔的应用空间.数学在通信技术领域也起着重要的作用.华为总裁任正非表示“其实我们真正的突破是数学,手机、系统设备是以数学为中心.”目前,在芯片、人工智能、材料科学等领域上都遇到了“卡脖子”困境,而数学最有希望能在这些领域取得原始创新和突破.大型水利水电工程,如水坝的设计运用数学中的有限元方法获得设计参数,在石油勘探与开采中涉及到数字滤波、偏微分方程的理论和计算以及反问题等数学方法.

2 数学类拔尖创新人才的选拔和培养路径

基于目前国家科技发展现状中,数学基础学科的重要作用以及对数学领域拔尖人才的需求, 构建了“多渠道、多层次、多维度”的拔尖创新人才的选拔与培养体系.图1为总体框架图.下面针对数学类拔尖创新人才培养和选拔的途径进行详细阐述.

2.1 基础教育普及数学科学,提高国民数学素养

国民素质的重要组成部分是数学素养,数学给人创造智慧,开拓人们的视野.在当今信息发达的社会,数学起着引领社会向前发展的关键作用.新中国成立之初,教育的首要任务是扫除文盲,在如今科学技术日新月异的时代,要把扫除‘数学盲’的任务作为当今教育的主要目标.受过较高数学文化熏陶的人在思考和解决问题时一般具有较强的逻辑性.一个决策者、经营者如果具有较高的数学修养,他在面临市场决策、技术路线选择时,可能减少失误.比如,亿万富翁詹姆斯在进入华尔街之前是个优秀的数学家,进入华尔街之后他通过建立良好的数学模型,实现对其旗下的巨额基金进行管理,用电脑进行数据处理,在金融市场捕捉投资机会,做出交易决策,有效降低了金融风险.

教师在数学教学过程中,不仅要给学生讲授教材中的数学概念、定理和证明,也应适当打破传统教材的束缚、增加数学科学的普及,拓展学生知识视野;同时可以借助有关平台,对数学教师进行人工智能、大数据、机器学习等前沿科学知识的培训,让教师教学内容不断与时俱进,勇于创新,向学生传授现代科学基础知识和技能.另外,开展有趣的数学智力游戏和形式多样的数学科普讲座,向公众普及数学基础知识,介绍数学在自然科学和工程技术领域中的应用,可以提高国民的数学素养.

2.2 选拔数学学科拔尖人才,培养富有创新能力的国家领军人才

中国未来发展的根本动力是创新,创新的核心在于人才.在招生改革方面,探索实践“高考、竞赛、强基”三位一体的拔尖创新人才选拔模式是高等教育人才培养的重要内容.高校选拔综合素质优秀的具有扎实的数学基础和数学天赋且具有好奇心和上进心的学生,提供良好的学习和科研环境,由学术水平高超、专业基础知识雄厚、造诣精深、德艺双馨的学者、专家和数学大师担任其指导教师并为其授课,从简单的知识传输型授课模式转变为引领研究型教学方式,有利于学生从学习知识到创造知识的转变,激发学生的创新意识,提升学生的学术研究与创新的能力.学生们在大师引领的教育环境中会迅速成长.

比如,俄罗斯数学家柯尔莫哥洛(A.N.Kolmogorov)是20世纪世界最杰出的数学家之一,是动力系统和现代概率论的创始人,他为14至16岁具有数学天赋的学生提供特殊教育的计划,挖掘学生的数学才能,根据学生的个性特点制订相应的培养方案,他培养的学生在全苏和国际数学奥林匹克竞赛中常常名列前茅,二十世纪苏联伟大的数学家大多是他的弟子.再比如,为发挥数学学术大师育人的引领作用,教育部批准清华大学开展丘成桐数学科学领军人才培养计划的选拔培养工作,称为“数学领军计划”.该计划拟面向全球选拔中学阶段综合优秀且在数学方面具有突出潜质和特长的学生,从本科至博士研究生阶段进行连续一贯制培养教育,目标是培养未来数学及相关领域的领军人才.进入“数学领军计划”的孩子,是经过严格精挑细选的,确实在数学方面具有很高的天赋.通过三年数理基础课程学习,两年的科研训练和三年的职业科学家学习训练,希冀撰写的博士毕业论文将达到世界顶尖水平,学生们在其研究领域内做出原创性的研究成果,在世界顶尖期刊发表学术论文.为了实现这一目标,数学领军计划的重中之重是要设置一流的课程,配备一流的师资,引进先进的教育理念和教学方法,探索书院式培养模式,根据学生的个性特点因材施教,广泛开展学术交流.

普通高校针对数学类强基计划的拔尖学生可以设立专门的数学实验班、数学基地班等平台进行精英培养.提供最优越的学习环境,配备学术水平高、造诣深、成果丰硕的师资.比如南开大学针对数学强基计划学生实行本博衔接培养,学制为“3+5”,从第4年开始按直博生培养方案进行研究生课程学习.在研究生阶段分别由数学科学学院、陈省身数学研究所、组合数学中心、计算机学院、网络空间安全学院和人工智能学院承担培养任务;再如北大数学英才班、中科大少年班、复旦大学数学英才试验班等,都有各具特点的数学拔尖人才培养模式.

2.3 鼓励学生跨专业跨学科学习,严格把关培养质量

培养一流的数学类复合型拔尖创新人才,要以课程教学为着力点,紧抓人才培养质量这个核心环节,实施以学生为中心的教育教学理念,遵循从传授知识到提升学生学习能力、思维能力、创新能力和实践能力为目标的教育教学模式.高等院校要鼓励数学相关专业和理工科对数学需求较强的专业学生跨学期、跨专业、跨班级选课,跨学校修读学分,满足学生自主发展、多样化成才的需要;严格考试管理,严格学业标准,严把出口关.同时各高校要搭建相近专业的“交叉学科课程群”,比如,建立信息与计算、应用数学、大数据与统计、金融数学等交叉学科课程群,并建立与之相适应的教学管理制度,制订相应的学位授予和毕业标准.注重基础,加强应用,因材施教,科学分流.

2.4 加强国内外学术交流,建设跨学科创新平台

高校在数学学科建设中要加强与国内外同行的及时有效地交流与合作.一方面,通过“请进来”的方式邀请科研院校和企业的学术造诣深厚、知识渊博、德才兼备的权威专家学者和工程师做学术讲座,使学生们对当前科研热点及时和深入地了解.聘请知名专家教授担任学生的指导教师、为学生开课.另一方面,资助和鼓励学生与海外一流大学师生之间开展交流学习.开展多种形式的国际交流活动,拓宽学生的国际视野.此外,高等院校成立中外合作办学机构,引进国外课程、师资、教材、教学理念与方法等优质教学资源,与国外名校联合培养适应科技发展和经济社会需求,具有国家视野与创新意识,高层次、复合型、国际化人才.中外合作办学采用双校园办学模式,满足毕业要求者可授予中外双方学历证书.

在科技创新方面,高校建立创新创业和协同创新的教育体系,鼓励学生参加创新创业训练和各类创新创业大赛[11],培养学生创新创业能力并将比赛成绩都纳入奖学金评定.深化校校协同、校地协同、校企协同的育人机制.搭建交叉学科协同创新平台,使科研设备和学术资源的共享得到有效实现.学生使用该平台可提高学习效率,为培养学生的实践能力和创新精神奠定良好的基础.

2.5 建设数学交叉科学中心,培养面向国家重大战略需求的应用数学人才

中国现代数学发展起步较晚,学科地域发展都不太平衡,全国数学工作者很多,但是跟风研究较多,专注原创性研究较少,我国的数学基础研究依然很薄弱.近几年,数学科学研究的发展已经得到了国家相关部门的高度重视,四部委发布的《关于加强数学科学研究工作的方案》[1]中提出在国家重点研发计划中,设立“数学与交叉科学”重点专项,建设应用数学中心.支持应用数学中心解决具有重大社会经济意义的发展问题以及服务于国家战略需求的应用研究.为充分发挥应用数学学科的原始创新驱动作用,科技部批准成立了十三个国家应用数学中心,这些应用数学中心都坐落于经济相对发达和科研院校、高等院校比较集中的地区,具备丰富的建设资源,实现服务社会的需求.加强应用数学学科建设已经成为国家战略的重要组成部分.

2.6 加强数企开放合作,开展问题驱动的数学交叉研究,实现产学研联合

企业是我国创新驱动发展战略的重要载体.企业的创新活动离不开数学作为创新驱动发展战略的动力源泉.数学可以为解决企业的核心和关键问题,提供基础理论和原创新思想.

高校和科研院所要建设校外培养实践基地和企业导师.实践基地依托工程技术和科研项目提供对数学及相关专业需求的合适的实践岗位.企业导师应是通信、投资、金融、统计等科技领域具有丰富经验的技术、管理专家,能对大学生的创新和创业提供导向性、专业性、实践性服务.育人单位要加大应用数学人才的培养力度,输送更多的数学人才到企业中进行创新研发.企业也要积极培养应用数学人才,在企业中组建应用数学人才队伍,数学人才可以将企业在设计、研发、生产、销售等环节中遇到的工程技术难题进行抽象,提炼应用场景的关键科学和数学问题,研究和创新解决问题的“卡脖子”技术.让数学人才在解决企业具体问题的过程中产生有价值的科研成果,推动企业向原始创新驱动的发展模式转型升级,满足国家战略需求、促进企业的创新发展.

国外知名的大公司和企业,比如谷歌、微软、雅虎、朗讯等信息技术行业的领袖,专门设立了较大规模的数学研究部门,高薪聘请大量的数学专业的博士、硕士到相关部门工作.为了保持持久的核心竞争力,对数学家开展纯粹数学理论研究予以支持.在华尔街金融、证券机构和一些发达国家的证券公司、大银行,有相当数量的数学博士从事资产定价、套利、风险评估、期货定价等方面的工作.国内一些数学专家学者也对数企合作模式进行了有益的探索.比如中科院院士马志明和他的研究团队,根据与华为合作的经验,提出了开放、全面的研讨范式,围绕华为公司提出的“后香农时代,数学领域的十大挑战问题”进行研究,以期取得进展或突破.

3 结 论

数学在人类前几次的科技大革命中都发挥着创新驱动的先导和推动作用.新一轮的世界科技革命和产业变革正处于进行时中,中国在新的国际发展与变革的潮流中,如何实现创新驱动的发展战略,如何解决多个领域发展中的“卡脖子”现象,数学学科的发展显得尤为重要,因为数学对科技的发展具有根本性意义,数学是一切学科的基础.在这种背景下,培养数学专业跨学科创新型高层次人才迫在眉睫.我们要在数学与多学科交叉的复合型创新人才培养中进一步创新体制机制.实现“多渠道、多层次、多维度”的数学拔尖人才选拔和培养体系.

要针对自然科学、工程技术与社会经济中重大任务与需求,提炼关键科学和数学问题,加深数学与多学科的交叉融合.要立足以人才为基础的战略目标,开辟引领学科发展的新的研究领域,加速建设数学强国,为解决关键核心科学问题夯实基础,为科技创新提供强大原始动力.

致谢作者非常感谢相关文献对本文的启发和审稿专家对本文疏漏和不足的指正.