作者:张宇宁 来源: 中国科学报 发布时间:2019-12-23
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成功始于好想法

 

■张宇宁

科学研究的想法是决定科研能否最终顺利开展并取得重要成果的必要环节。具体而言,一个成功的科研项目一般先从一个初步的想法出发,经过不断的论证促使其成熟,然后逐步落实、实践,最终得以获得重要的发现和结论。一般而言,科学研究重要的创新性想法主要源自以下几个方面。

第一种方法是通过引入新的方法或者工具实现创新。在科研过程中,很多重要问题的研究及其形成的结论依赖于其所采用的方法及工具的先进程度。随着科学技术的快速进步,更高级的工具甚至全新的工具不断地被发明并广泛应用。在条件允许的情况下,若能够将这些最前沿的方法引入到研究工作中,必然会给相关领域带来全新的认识。

例如,结构生物学家一直渴望能够获得完整的生物蛋白质的解析结构,但苦于一直没有很好的研究手段。后来,冷冻电镜的发明使得在不破坏样品结构的前提下实现了蛋白质溶液的迅速冷却,经过后续的筛选、成像、重构等流程,科学家最终得以解析以前完全无法获取的重要复杂生物体若干部分的三维结构。再比如,以前对于水电站机组内部材料因低压区域空化气泡引起的破坏机理一直存在很大争议,但一直缺少相关工具进行详细研究。后来,随着高速摄影成像技术的发展,可以实现每秒钟几百万甚至几十亿张图片的拍摄速度,完全可以满足相关研究的需求。基于这些高端设备,科学家已经可以清晰地观察单个气泡尺度完整的生长和引起材料破坏的过程,并实现了压力等重要参数的精确测量,从而得到了一大批新的证据并形成了新的观点,由此学界关于此现象的认识日渐统一。

第二种方法是围绕新的需求场景实现创新。针对不断涌现的新需求,该方法将科研相关想法紧密围绕该需求所要达到的核心目标开展科研工作,并逐步解决该需求所涉及的核心问题。

我国甘肃省境内敦煌莫高窟的壁画精美绝伦,经过千年后依然部分保存完好,色彩艳丽,是古人留下的重要遗产之一。遗憾的是,这些壁画极其容易受到周围环境的影响,从而导致严重的破坏。比如,洞窟内岩体中的可溶解性盐随着外部微环境内温度、湿度的频繁变化形成溶解膨胀、结晶收缩、再溶解的恶性循环,从而破坏了壁画的结构。因此,迫切需要研发能够有效加固壁画的材料,防止因岩石中含盐水的不断迁移造成的壁画损坏。在这一领域,很多化学家和材料学家所积累的宝贵知识大有用武之地。

再比如,研究埃及木乃伊的传统方法一般需要将其打开进行观察和拍摄等操作,但打开后的木乃伊很难进行后续的保护,对文物的损害极大。随着高精度成像技术的发展,现在可以通过高能量的X射线等高精度成像方法,在不损伤木乃伊本体的情况下,实现其内部结构及特征精确、详实的研究,从而既促进了相关学科的进一步发展,又对文物进行了很好的保护。

第三种方法是通过已有技术的高度集成实现创新。该方法将相关的核心技术围绕拟解决的关键科学问题集成在一起,从而实现重大的科学突破。

例如,很多流动现象的数值模拟一般需要首先将整个计算区域进行离散化,然后在计算过程中用计算机生成的网格和节点代替拟开展的真实计算区域,从而实现科学计算。在计算机发展的早期,大部分计算一般采用几十万到几百万左右的网格进行计算,其数值模拟的精度有限。随着计算机领域的快速发展,无论是计算机的计算速度、存储容量还是并行计算能力均得到了大幅度的提高,并且新型高效率的计算方法更是层出不穷。具体而言,最近十几年,并行计算方面更是由传统的基于中央处理器的计算方式向并行能力更强的基于显卡图像处理器的计算方式转变。将上述众多技术进行有效集成,便可实现几个亿甚至几百亿网格的数值计算,从而极大幅度地提升重要流动现象的数值模拟精度,并可能为相关领域带来一批新的认识和见解。类似的想法也适用于分子动力学模拟、计算化学等领域。

在提出具体、可执行的科研想法之前,本科生应该注意以下一些事项。

1.扎实的基本功。科研想法的提出需要本科生首先具备较为扎实的基本功,对于基本的概念要深刻领会、牢固掌握。只有基于这些扎实的工作和学习,所提出的想法才是科学的、可行的。

2.重视假设及适用条件。在学习的过程中,尤其是数学、物理领域的知识,本科生应该高度重视所学习的公式、方程推导过程中所采用的基本假设以及相关的适用条件。学习过程中,可以尝试多问问自己一些问题:为何要采用这个假设?不用的话,会给求解带来哪些困难或是否能够实现求解?基于这些假设得到的结论会有哪些不足?结论有无拓展的可能?通过不断思考这些问题,本科生不但能够将已有的知识领会得更为透彻,而且能在后续开展科学研究的过程中提炼出创新性的想法。

3.经常性地阅读文献。关于科研想法,本科生不妨尝试注重阅读文献中关于本文不足之处的讨论,详细学习知名学者在逻辑思维方面的严谨性。另外,如果论文中有提及的话,未来工作的展望部分也值得一读。

4.重视原创。在文献选择的过程中,本科生最好以原创性重要论文的阅读为主,从而培养科学领域内的大局观,把宝贵的时间有效地加以利用。

5.了解相关领域的研究进展。在想法和知识的积累过程中,本科生可以尝试从不同领域、不同学科的视角去审视重要科学问题,而不应只是局限于本领域内的视野、知识和问题。实际上,通过与其他学科高效的交叉融合,本科生亦有机会形成顶级的研究思路和原创性成果。

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《中国科学报》 (2019-12-23 第8版 博客)
 
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