以研究路线设计为导向培养研究生系统思维与创新能力

徐秀峰 李文佐 李庆忠

摘  要：当前，不少研究生被动科研，研究兴趣低，研究思路不连贯，方案设计不系统，思维碎片化，创新能力不足。作者发现，积极发现和提出科学问题，合理设计研究路线，及时总结实验结果和调整实验方案，是培养研究生系统思维和创新能力的有效方法。实践表明，受这种模式训练的研究生，研究兴趣高，主动性强，思维严密，科研进度快，创新能力显著增强，对他们的后续发展起到很好的助力作用。教学相长，也提升导师的创新能力和指导能力。

关键词：研究生;研究路线设计;系统思维训练;创新能力培养;训练模式

中图分类号：G643.0      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）31-0164-04

Abstract： At present， many graduate students have little interest in passive research， lack of research ideas， unsystematic design of experiments， and fragmented thinking， thus insufficient innovation ability. It is thought that actively raising scientific questions， reasonably designing the research routes， timely summarizing the experimental results and adjusting the research plans are effective methods to train the continuous and systematic thinking， and cultivate the innovative ability of graduate students. The practical results show that the graduate students trained by these modes have strict thinking， high interests， and strong initiative for research， thus can make faster scientific progress and exhibit more sufficient innovation ability than others， which has played a very good role in their follow-up development. Teaching and learning are mutually beneficial， which also improves the innovation ability and guidance ability of tutors.

Keywords： graduate students; designing research route; training systematic thinking; cultivating innovative ability; training mode

研究生教育質量是影响我国科技竞争力的重要因素。随着我国研究生教育的快速发展，招生人数增加与培养质量下降的矛盾日渐突出，地方高校尤为严重。关于提高研究生培养质量的方法，黎军等[1]提出要对影响研究生培养质量的各个环节（生源、课程教学、导师指导、论文写作、科研训练和论文答辩等）进行控制。黄建洪等[2]发现当前普遍存在的“重科研、轻教学”倾向抑制了研究生培养质量的提升，他们提出了研究生培养的“教学-科研”一体化模式，以教学与科研环节的互嵌与融合提高研究生培养质量。

提升研究生培养质量的根本目的，就是要将研究生培养成为创新型人才。创新型人才，是指具有创新意识、创新精神、创新思维、创新能力并能够取得创新成果的人才。有关研究生创新能力培养的具体方向方法，已有多种研究，如：王洪才[3]发现课程体系不合理、教学方式落后、师生关系异化、考核方式功利化和学术氛围浮躁等构成了研究生创新能力提升的主要障碍机制，破除这些障碍机制需要从治理功利主义文化根源做起。苏俊宏等[4]分析了传统研究生培养存在的问题，通过科研反哺教学、教学科研相长，促进研究生创新能力的培养。范亚文等[5]对以科研项目为导向培养研究生的创新能力进行了有益探索。吴晓[6]也认为引导研究生参与科研项目是培养研究生创新能力的有效途径，在培养研究生的问题意识、批判意识等创新思维能力方面具有重要意义。谢日安等[7]多年实践以研究生团队为主体开展科研探索活动，研究生获取了知识，学会了研究和创新，结果表明以创新项目为依托提升了研究生的创新能力。

一  以科学问题的研究路线设计为导向培养研究生创新能力的理念

理工科研究生的科研过程包括确定研究方向、查阅文献、制定研究路线、实验操作、数据总结与分析和论文写作等。当前不少研究生被动科研，创新能力不足。具体表现是，科研兴趣不高，思维碎片化，研究思路不连贯，实验方案设计不系统。如何扭转这类倾向？李红昌等[8]提出将基于问题的学习模式导入研究生各种知识的教与学过程之中。叶必成[9]发现研究生问题意识的缺位现状不容乐观，构建激发他们的内在研究动机、形成问题意识的触发机制，倡导介入问题研究、寻求问题解决的参与机制，引导自我审视问题、自觉评价结果的监督机制，鼓励反思问题全局、引发问题延展的评价机制，将有助于提升研究生的问题意识。居沈贵等[10]提出在科研训练过程中，将发现问题、提出问题、分析问题和解决问题有机统一起来，是激发研究生科研兴趣、提升创新能力的可行路径。

在发现和提出问题的基础上，如何解决问题？这是研究生科研训练的焦点。笔者认为针对发现和提出的科学问题，鼓励、指导研究生合理设计研究路线，有助于训练他们的连续思维和系统思维，是培养研究生创新能力的重要方法。具体来说，以科学问题的提出及其研究路线设计为导向，研究生很清楚自己的研究工作从哪里来，到哪里去，从而有的放矢地查阅和梳理文献，及时总结实验结果，合理设计和调整实验方案，并不断提出新的科学问题，推动相关研究持续进行。在这个过程中，他们的研究兴趣和主动性有望提升，连续思维和系统思维有望形成，创新能力有望加强。

二  以科学问题的研究路线设计为导向培养研究生创新能力的探索

近年来，笔者的研究方向之一是新型温室气体减排（其中涉及的N2O以及CF4、SF6、NF3等废气，为1997年通过的《联合国气候变化框架公约》京都议定书及其后续协议限制排放的温室气体）。在研究过程中，鼓励研究生大胆提出科学问题，合理设计研究路线，承前启后，逐步推进，努力取得创新性的研究结果。现举例如下。

（一）  N2O分解方法的创新——从N2O催化分解到资源化分解

人为排放的N2O主要来源于己二酸合成和燃料燃烧等，是一种温室效应潜值较高的气体，在大气中存留时间约120年，其过量排放将加剧全球变暖，因而受到社会各界的广泛关注。

催化分解法（N2O→N2+O2）是消除N2O的有效方法，研制高活性的催化剂是关键问题。笔者指导的研究生小刘同学在Co-Al2O3二元复合氧化物基础上，为了改善催化剂的氧化还原性，扩展催化剂组成制备三元复合氧化物。为了加强催化剂各组分之间的相互作用，他尝试了不同制备方法（溶胶-凝胶法、沉淀法、水热合成法等），水热合成法制得了高活性的Ce-Co-Al2O3催化剂，在接近实际工况条件下N2O可完全分解。

在N2O单独分解的基础上，将N2O作为氧化剂引入乙苯（英文名称缩写EB）脱氢制苯乙烯（英文名称缩写ST）反应体系，使温室气体分解与化学品合成相耦合（N2O+EB→ST+N2+H2O），是一条更有前景的N2O资源化分解方法。小刘同学将上述的N2O分解催化剂（Ce-Co-Al2O3复合氧化物）用于催化EB脱氢-N2O分解耦合反应，发现微孔Ce-Co-Al2O3催化剂很容易积炭而失活。根据发现的新问题，他放弃了微孔催化剂，转向去制备介孔催化剂，并优化表面组分的负载方法。同时，为了弱化表面酸性以减少积炭量并提高氧化还原性以加快N2O分解，优化了表面各组分的含量。他按如图1所示的设计路线去筛选催化剂：微孔Ce-Co-Al2O3均匀型催化剂（一步水热合成法制备）→微孔Ce-Co/Al2O3负载型催化剂（浸渍负载法制备）→介孔Ce-Co/Al2O3负载型催化剂（浸渍负载法制备）→介孔Ce-Co/Al2O3负载型催化剂（水热负载法制备）。最终用水热负载法制备的介孔Ce-Co/Al2O3催化剂的抗积炭能力和稳定性有显著改善。

（二）  NF3分解脱氟剂的设计——从实心形貌到薄壳形貌

NF3是电子工业使用的一种新型蚀刻气和清洗气，其温室效应潜值（GWP）为17 200，寿命约740年。为了引起世界各国对NF3危害性的认识，2008年联合国环境大會将NF3增列为限制排放的温室气体。因此，有效消除工业过程排放的NF3废气是一件十分迫切的工作。

本课题组早期进行了NF3催化分解（NF3+H2O→NO+NO2+HF）研究，在催化剂作用下400 ℃时NF3完全分解，不足之处是HF产物对反应器有强腐蚀性。为此，研究生小牛同学开展了NF3无水分解研究，即在无水条件下NF3与某些金属氧化物（脱氟剂）直接反应而分解（如NF3+Al2O3→NO+NO2+AlF3），生成的金属氟化物（如AlF3）是有用的化学品，可实现氟资源的回收。他发现，在Al2O3、MgO、CaO、SrO、BaO、Fe2O3、Co3O4和NiO等单一金属氧化物中，Al2O3的反应活性较高。但在Al2O3与NF3发生气-固反应时，表层Al2O3与NF3反应生成了表面积很低、孔容很小的AlF3，脱氟剂的孔道逐渐变窄，限制了NF3气体的扩散及其与深层Al2O3的反应，导致Al2O3的利用率不高。

为了加快NF3气体的扩散，使用薄壳型脱氟剂，以减小脱氟剂的厚度，可能是有效措施。为此，研究生小王同学以自制碳球为模板剂制备了薄壳形貌Al2O3，代替实心型Al2O3，显著提高了脱氟剂的反应活性和利用率。在此基础上，调变沉淀剂（尿素、六亚甲基四胺）和基体（AlOOH、Al2O3）类型，水热负载法制备薄壳形貌的Al2O3负载Mn2O3复合脱氟剂（Mn2O3/Al2O3），进一步提高了反应活性。薄壳形貌脱氟剂的制备路线设计如图2所示。

（三）  CF4分解方法用于SF6分解——获得了令人振奋的研究结果

CF4被广泛用作半导体工业的蚀刻气和清洗气，铝生产过程也产生大量CF4。CF4的GWP值为6 500，寿命约50 000年。SF6具有阻止高温熔化态的铝镁被氧化的特性，大量应用于铝镁冶炼，在电力行业SF6作为气体绝缘体及高压转换器。SF6的GWP值为23 900，寿命约3 200年。因此，CF4、SF6均是《联合国气候变化框架公约》京都议定书限制排放的主要温室气体。

研究生小范同学将上述的NF3无水分解方法（NF3+Al2O3→NO+NO2+AlF3）用于分解CF4（CF4+Al2O3→CO2+AlF3），发现CF4分解率很低，这是因为CF4的C-F键能远高于NF3的N-F键能。所以，必须寻求高活性的脱氟剂。她广泛查阅文献，发现了相关报道——金属Na与CF4反应（Na+CF4→C+NaF）的活性很高，700 ℃下CF4转化率超过90%。但金属Na太活泼，实验有危险。如能在反应过程中原位产生Na，再与CF4反应，可操作性将大大改善。她继续查阅文献，发现了有关报道——NaF-Si-CaO三元混合物可相互反应生成Na（NaF+Si+CaO→Na）。于是，她先用NaF-Si-CaO与CF4反应，反应活性很高。她再将三元混合物中的CaO扩展至Al2O3、MgO、SrO和BaO等其他金属氧化物，与CF4反应的活性均很高，且没有危险性。但遗憾的是，单质炭（CF4分解产物之一）与其他固体产物混在一起而无法分离。

研究生小殷同学设想，如果将CF4的这一分解路径（式（1））用于分解SF6（式（2）），初生成的单质硫是气体，容易与固体产物分离。他主动投入了试验，在尾气的冷却瓶中收集到了高纯度的硫磺，获得了令人振奋的研究结果，研究兴趣极大提升。

NaF-Si-MO三元混合物+CF4→单质炭，     （1）

NaF-Si-MO三元混合物+SF6→单质硫。     （2）

以上所述的NF3、CF4、SF6废气分解路线设计，如图3所示。

（四）  以科学问题的研究路线设计为导向培养研究生创新能力的成效

在科研过程中，鼓励研究生积极提出科学问题，学会理顺研究思路，合理设计研究路线。要求他们及时总结实验结果，把前后各部分数据连接起来，不仅要明白每个部分的作用，更要清楚各部分之间的联系。并根据实际结果，及时调整实验方案，少走弯路。实践表明，受这种模式训练的研究生，思维严密，主动性强，科研进度快，创新能力显著增强，推动了课题组的相关研究工作。举例如下。

1）笔者指导的2013—2019级硕士研究生全部获得了烟台大学研究生科技创新基金项目资助（该项目的资助人数低于全体研究生的15%），在实施过程中，他们认真设计实验方案，主动科研，取得了较好的研究结果，发表了一系列研究论文。

2）文中提到的小刘同学积极提出科学问题，合理设计研究路线，主动科研，取得了较好的研究结果，发表4篇SCI论文。2022年5月，顺利考取了某985高校化工学科博士研究生，而且考博成績在同方向的考生中排名第一。说明受到科学问题研究路线设计为导向训练的研究生，对他们的后续发展起到了很好的助力作用。

3）研究生们不断发现和提出新的科学问题，推动了相关研究深入进行，也推动笔者在“新型温室气体减排”方向确立了明确的研究路线，形成了鲜明的研究特色。在该方向上获得了十多项科研项目资助，充足的科研经费为持续开展研究提供了保障，也提升了导师的创新能力和指导能力。

三  结束语

综上所述，笔者发现积极提出科学问题，广泛查阅参考文献，及时理顺研究思路，合理设计研究路线，是训练研究生连续思维和系统思维，培养他们的科研兴趣、主动性和创新能力的有效方法。受到这种模式训练的研究生，思维严密，主动性强，科研进度快，创新能力显著增强，对他们的后续发展起到了很好的助力作用。教学相长，也提升了导师的创新能力和指导能力。

参考文献：

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[9] 叶必成.“问题导向”视域下研究生能力素养在场刍议及路径延展[J].现代教育科学，2020（6）：130-135.

[10] 居沈贵，王晟.基于“问题导向”提升研究生科研训练和创新能力的探索实践[J].化工高等教育，2018（4）：24-26.

基金项目：山东省优质研究生课程建设项目“催化原理”（SDYKC2022159）;烟台大学研究生教育教学改革研究项目“以系列科学问题的研究路线设计为导向培养研究生的系统思维和创新能力”（2021）

第一作者简介：徐秀峰（1968-），男，汉族，山东平度人，博士，教授，硕士研究生导师，学院学术委员会主任。研究方向为催化与环境化工。