喬曉艷 董有爾 王宏飛

[摘要]物理學(xué)與生物學(xué)交叉融合日益成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，交叉學(xué)科復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)隨之成為研究生教育中的關(guān)鍵問題。文章從生物物理交叉學(xué)科研究平臺建設(shè)、研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)、跨學(xué)科研究課程設(shè)置、交叉學(xué)科研究生導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)設(shè)立等幾個(gè)方面，系統(tǒng)闡述了生物物理交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)模式以及實(shí)踐中的具體措施與方法，對提高交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)質(zhì)量具有重要指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]生物物理 交叉學(xué)科 研究生培養(yǎng) 創(chuàng)新能力

當(dāng)今，科學(xué)技術(shù)綜合化、整體化的發(fā)展趨勢日益明顯，自然科學(xué)各學(xué)科間相互交叉、滲透，形成了一系列新興的邊緣學(xué)科、交叉學(xué)科和綜合性學(xué)科。學(xué)科交叉融合成為了優(yōu)勢學(xué)科的發(fā)展點(diǎn)、新興學(xué)科的生長點(diǎn)、重大創(chuàng)新的突破點(diǎn)，同時(shí)也是人才培養(yǎng)的制高點(diǎn)。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著生物科學(xué)的飛速發(fā)展，物理學(xué)與生物學(xué)的交叉成為一個(gè)重要趨勢，物理學(xué)中的理論模型、實(shí)驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算方法在生物系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，一些具有創(chuàng)新性、對生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)發(fā)展有重大推動作用的物理新技術(shù)正是在跨學(xué)科研究中發(fā)展起來的[1]。因此，國外許多研究型大學(xué)紛紛成立了生物、物理和工程學(xué)的跨學(xué)科研究組織，并積極開展交叉學(xué)科研究生教育[2]。與發(fā)達(dá)國家相比，我國跨學(xué)科研究和研究生的培養(yǎng)處在一個(gè)起步階段，相關(guān)的教育模式還沒有形成較為完整的體系，存在很大的發(fā)展空間[3]。如何借助跨學(xué)科研究，使研究生教育與現(xiàn)代科技的交叉滲透整體化發(fā)展相適應(yīng)， 是研究生培養(yǎng)工作中一個(gè)亟待解決和加強(qiáng)的課題。因此，本文以生物物理交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)為典型研究范例，對交叉學(xué)科研究生教育模式進(jìn)行深入研究分析，并闡述實(shí)踐中探索的具體方法和措施。開展生物物理交叉學(xué)科研究生教育模式探索，有利于加強(qiáng)學(xué)科建設(shè)，促進(jìn)傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科物理學(xué)、光學(xué)和生物學(xué)的發(fā)展，培育和造就新的優(yōu)勢學(xué)科，催生新的研究方向；有利于培養(yǎng)和提高研究生的創(chuàng)造性，造就具有復(fù)合知識結(jié)構(gòu)、能力與素質(zhì)的創(chuàng)新人才；有利于師資隊(duì)伍建設(shè)，促進(jìn)具有多學(xué)科知識背景的跨學(xué)科帶頭人的迅速成長，為申請國家重大科技課題儲備人才。

一、構(gòu)建交叉學(xué)科研究組織和平臺，發(fā)揮現(xiàn)有學(xué)科優(yōu)勢與特色

成立跨學(xué)科研究中心、交叉學(xué)科研究實(shí)驗(yàn)室等跨學(xué)科組織，以此學(xué)術(shù)組織匯集來自不同學(xué)科、具有不同知識背景的研究生一起開展科學(xué)研究和學(xué)術(shù)活動，促進(jìn)不同學(xué)科間的實(shí)質(zhì)性滲透、交叉和融合。美國許多著名的研究型大學(xué)，如麻省理工大學(xué)、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等擬定了“Bio-X”計(jì)劃，組建了跨物理學(xué)和生物學(xué)的研究中心，把物理學(xué)家和生物學(xué)家集中到共同的生命科學(xué)問題研究中去，以便更好地發(fā)揮物理學(xué)的思想、理論、技術(shù)和方法在生命科學(xué)研究中的作用[4]。北京大學(xué)成立了“前沿交叉學(xué)科研究院”， 開展生物、醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)跨學(xué)科研究，培養(yǎng)交叉學(xué)科的復(fù)合型優(yōu)秀人才，在交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)方面做了有益的嘗試[5]。

建立交叉學(xué)科研究組織和平臺， 是開展跨學(xué)科學(xué)術(shù)研究的重要保障。在此方面，以我校光學(xué)國家重點(diǎn)學(xué)科和生物工程教育部重點(diǎn)學(xué)科為依托，建設(shè)了生物單分子操縱和光量子生物探測交叉研究中心；依托我校物理電子學(xué)科，建立了生物物理測量交叉研究實(shí)驗(yàn)室；依托信號與信息處理學(xué)科，建立了神經(jīng)生物信息學(xué)交叉研究室。吸引物理學(xué)、生物學(xué)、電子信息等不同學(xué)科的研究人員和技術(shù)力量，引進(jìn)了日本理化研究所蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究方向的科研人員，并以此跨學(xué)科研究組織為基礎(chǔ)，申請國家重大研究課題、國際合作項(xiàng)目以及重大專項(xiàng)課題。以教師的科學(xué)研究項(xiàng)目為導(dǎo)向，組建了三個(gè)交叉研究學(xué)術(shù)平臺：（1）生物光，以生物光子學(xué)與激光醫(yī)學(xué)為重點(diǎn)，開展生物單分子操縱和光量子生物探測交叉研究，利用光學(xué)測量手段探測各種生命信息，研究生命系統(tǒng)中的光效應(yīng)，開發(fā)新型生物光學(xué)材料和光生物傳感器；（2）生物電，主要在細(xì)胞生物電、神經(jīng)生物電以及生理電信號檢測方面進(jìn)行理論和應(yīng)用交叉研究，以電子學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制科學(xué)為背景，以腦-機(jī)交互和腦控機(jī)器人研究為重點(diǎn)突破，進(jìn)行前瞻性、交叉性的基礎(chǔ)應(yīng)用研究；（3）生物磁，進(jìn)行了生物弱磁測量和生物電磁效應(yīng)的交叉研究，以生物弱磁測量方法和磁場對細(xì)胞膜離子通道特性影響的實(shí)驗(yàn)為突破，在理論方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上進(jìn)行生物物理交叉學(xué)科研究。這些學(xué)術(shù)研究組織和平臺的建立，為研究生進(jìn)入交叉學(xué)科前沿技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)，有效提高了研究生培養(yǎng)質(zhì)量和效率。

二、凝練跨學(xué)科研究方向，培育新興交叉學(xué)科生長點(diǎn)

由于生物物理跨學(xué)科研究內(nèi)容十分廣泛，包括：分子生物物理、膜和細(xì)胞生物物理、光生物物理、理論生物物理、神經(jīng)生物物理、生物控制論和生物信息學(xué)、環(huán)境輻射生物物理、生物力學(xué)與流變學(xué)以及生物物理技術(shù)等九大方面[6]。因此，實(shí)踐中需要認(rèn)真提煉科學(xué)問題，凝練研究方向。根據(jù)我們現(xiàn)有物理學(xué)和電子學(xué)的學(xué)科優(yōu)勢和人才隊(duì)伍，將生物物理交叉研究工作主要集中于四個(gè)方面（1）細(xì)胞生物電測量與物理因子的生物效應(yīng)研究；（2）神經(jīng)信息處理與腦-機(jī)交互（BCI）技術(shù)研究；（3）生物信息學(xué)研究（4）生物醫(yī)學(xué)傳感與檢測技術(shù)研究。圍繞腦控機(jī)器人、運(yùn)動過程與大腦認(rèn)知相關(guān)的腦-機(jī)交互中信號的傳輸、處理、控制技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)問題，開展神經(jīng)信息處理與腦-機(jī)交互技術(shù)研究，在運(yùn)動想象BCI信號處理與模式識別方法上取得了顯著成果，研究生提出和完成的基于小波包熵和SVM的識別技術(shù)，獲得了腦機(jī)接口競賽數(shù)據(jù)處理的最優(yōu)水平。圍繞激光和弱磁誘導(dǎo)下，神經(jīng)細(xì)胞膜離子通道門控動力學(xué)特性分析，開展了物理因子（光、電、磁、超聲）作用的細(xì)胞生物效應(yīng)研究。由于此方向研究平臺建設(shè)和隊(duì)伍建設(shè)相對較完善，并針對國內(nèi)外前沿交叉技術(shù)提煉研究問題，結(jié)合我們在物理學(xué)和工程學(xué)科研究積累的優(yōu)勢，該研究方向的成果處于國內(nèi)先進(jìn)水平，培養(yǎng)的研究生被清華大學(xué)等國內(nèi)一流大學(xué)錄用。圍繞生物信息學(xué)，開展重大疾病的蛋白質(zhì)基因序列預(yù)測與識別，研究虛擬細(xì)胞，利用快速增長的生物數(shù)據(jù)庫模擬細(xì)胞，從基因出發(fā)到細(xì)胞再到整個(gè)器官及系統(tǒng)，定量模擬生物體的結(jié)構(gòu)和生理功能，為重大疾病的研究和治療提供必要的信息和依據(jù)。目前，我們這方面工作剛剛展開，但應(yīng)用前景十分廣闊。由于我們根據(jù)現(xiàn)有學(xué)科優(yōu)勢、人才隊(duì)伍、交叉研究前沿問題，凝練研究方向，培育交叉學(xué)科生長點(diǎn)，并制定切合實(shí)際的培養(yǎng)方案。因此，在相對較短的培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)取得了較大的成績，研究生在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表生物物理跨學(xué)科研究論文60余篇，被SCI和EI檢索49篇，研究生申報(bào)科技創(chuàng)新課題，獲得各種獎(jiǎng)勵(lì)數(shù)量明顯增多，使我們的研究生教育和科學(xué)研究實(shí)現(xiàn)了“雙贏”。

三、建立以問題驅(qū)動的跨學(xué)科研究方法，提升交叉學(xué)科研究生創(chuàng)新能力

科學(xué)研究始于問題，科學(xué)問題是科學(xué)探究活動的對象，并貫穿于探究活動的始終。應(yīng)該特別關(guān)注交叉學(xué)科領(lǐng)域中科學(xué)問題的提出，鼓勵(lì)研究生在生物物理學(xué)科交叉點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)問題，訓(xùn)練研究生在文獻(xiàn)閱讀和研究探索中迅速發(fā)現(xiàn)不同學(xué)科邊緣問題并能抓住問題實(shí)質(zhì)的能力。同時(shí)，引導(dǎo)跨學(xué)科研究生與不同學(xué)科研究生之間交流各自領(lǐng)域的前沿問題和熱點(diǎn)問題。這種研究有利于提升交叉學(xué)科研究的整體科研能力，加速交叉學(xué)科科研成果的應(yīng)用。實(shí)踐中，我們要求研究生在第一年學(xué)習(xí)階段，將生物物理交叉領(lǐng)域取得的重大科技成果，如獲得諾貝爾獎(jiǎng)的蛋白質(zhì)晶體衍射技術(shù)、離子通道膜片鉗技術(shù)、核磁共振成像技術(shù)等，通過認(rèn)真學(xué)習(xí)，充分了解交叉研究歷史背景、反思研究過程之精妙，引導(dǎo)研究生拓寬思考問題的角度和解決問題的手段，激發(fā)他們的研究興趣和熱情，進(jìn)而提高創(chuàng)新研究能力。經(jīng)過一年的實(shí)踐鍛煉，我們的研究生在選題和開題時(shí)都能夠非常自如地把握交叉研究問題，并創(chuàng)造性的提出解決問題的思路、方案和方法。

四、開設(shè)生物物理跨學(xué)科研究課程， 營造良好的交叉學(xué)科學(xué)術(shù)交流氛圍

由于目前專業(yè)學(xué)科間的壁壘， 一些學(xué)生知識面狹窄，這與學(xué)科的縱深發(fā)展、學(xué)科的綜合交叉極不匹配。因此，我們在交叉學(xué)科研究生教育中，根據(jù)交叉研究的方向，精心選擇和開設(shè)跨學(xué)科選修課，已經(jīng)成為提高研究生綜合素質(zhì)的一個(gè)重要舉措。例如：增加了“細(xì)胞生物學(xué)”、“生理學(xué)”等與研究相關(guān)的補(bǔ)修課程，設(shè)置了“生物物理新方法與新技術(shù)”和“生物物理學(xué)前沿進(jìn)展”等交叉課程，開設(shè)了“生物醫(yī)學(xué)檢測與信號處理”、“生物信息學(xué)”等選修課程。這些課程的學(xué)習(xí)，極大地豐富了研究生的跨學(xué)科專業(yè)知識，為交叉學(xué)科課題研究打下了良好的基礎(chǔ)。此外，我們還邀請其他院校、研究所的專家進(jìn)行學(xué)術(shù)講座， 積極參與跨學(xué)科的學(xué)術(shù)交流。同時(shí)，鼓勵(lì)研究生積極參與各種學(xué)術(shù)會議。這些學(xué)術(shù)交流無疑使研究生更加關(guān)注本學(xué)科與其他學(xué)科的交叉發(fā)展及前沿動態(tài)，開闊了他們的視野和研究興趣，提高了跨學(xué)科研究能力。

五、成立跨學(xué)科研究生指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，保證復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量

在研究生培養(yǎng)上， 我國絕大多數(shù)高等院校和科研院所還是采用由一名導(dǎo)師指導(dǎo)若干名研究生的方法?？鐚W(xué)科研究生培養(yǎng)不僅要求橫向意義上的交叉融合，還應(yīng)包含縱向意義的覆蓋，注重基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究的交叉。因此，實(shí)踐中我們采取由導(dǎo)師系統(tǒng)指導(dǎo)與跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)集體培養(yǎng)相結(jié)合的方法， 特別是新興學(xué)科、邊緣學(xué)科由導(dǎo)師和相關(guān)學(xué)科的教師聯(lián)合指導(dǎo)研究生， 使學(xué)生不局限于某一導(dǎo)師的理論、知識，能夠充分了解并運(yùn)用各種新知識和新技術(shù)。在研究生指導(dǎo)中，采取了研究生每周匯報(bào)，由導(dǎo)師系統(tǒng)指導(dǎo)，并有生物學(xué)、物理學(xué)、工程學(xué)領(lǐng)域的跨學(xué)科導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)參與共同指導(dǎo)。經(jīng)過三年多的運(yùn)作，取得了很大成效，不僅為不同知識背景的研究生提供了很好的學(xué)習(xí)交流機(jī)會，而且也為不同學(xué)科背景的教師提供了良好的交流和研討平臺，在討論過程中，不斷有學(xué)科交叉的新思想、新方法和新技術(shù)產(chǎn)生和碰撞，我們的許多科研課題正是在這種集體指導(dǎo)學(xué)生的匯報(bào)討論中形成，研究生也在此過程中獲得了從不同學(xué)科層面分析問題和解決問題的能力，保證了復(fù)合型人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

六、結(jié)束語

實(shí)踐證明，我們的交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)，突出發(fā)揮了現(xiàn)有學(xué)科的特色和多學(xué)科的綜合優(yōu)勢， 有力地推進(jìn)了學(xué)科間交叉融合與創(chuàng)新，促進(jìn)了新的學(xué)科優(yōu)勢和特色形成，全面提升了交叉學(xué)科研究水平，為復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，對生物物理交叉學(xué)科研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)仍然在不斷探索中，由于交叉學(xué)科研究生教育有別于傳統(tǒng)單一學(xué)科研究生教育，而且隨著科技和社會的發(fā)展，交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)呈現(xiàn)越來越重要的地位。因此，對交叉學(xué)科研究生培養(yǎng)模式和方法的改革將會不斷繼續(xù)和完善。

基金項(xiàng)目：山西省研究生教育改革項(xiàng)目（編號：20112011）；國家級物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心重點(diǎn)支持研究項(xiàng)目

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（作者單位：山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院 山西太原）