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本科生科研指南(69):坚持问题导向,攀登科学高峰 精选

已有 5746 次阅读 2020-12-11 13:54 |个人分类:本科科研|系统分类:教学心得

 

本科生科研指南(69):坚持问题导向,攀登科学高峰

 

张宇宁、张湘晴

华北电力大学能源动力与机械工程学院

 

科学上没有平坦的大道,真理长河中有无数礁石险滩。只有不畏攀登的采药者,只有不怕巨浪的弄潮儿,才能登上高峰采得仙草,深入水底觅得骊珠。

----华罗庚(1910-1985)

 

提出科学问题并予以解决是科研工作者的必备素质之一,也是科学研究不断向前发展的动力源泉。在此过程中,一些较为知名的、亟待解决的科学问题为科学研究提供了重要的导向。为了引导科研的有序进行并攻克重大难题,世界上的一些知名科研机构和学术杂志也会不定期地发布若干科学难题。2000524日,美国克雷数学研究所公布了七个千禧年数学难题,解题总奖金700万美元,以此引导数学学科的进一步发展。2016年,世界顶级期刊Science为了纪念其创刊125周年,公布了世界最前沿的125个科学问题,涵盖了生命科学、宇宙、能源、计算机等多个未来科学研究的热门方向,以此引导科学家们围绕这些重要科学问题进行探索。为了让本科生能更为深入地了解问题导向在科学研究过程中的作用,本文拟从四个方面入手介绍科学技术史上的例子。

 

以世界科技前沿为导向的例子是人类对火星的持续探测。寻找宜居星球、探索太空资源是当前世界科技的重要前沿。因为火星是太阳系内离地球较近的类地行星,所以它自然而然成为了人类太空探索的重要目标之一。1960年,苏联向火星发射了人类历史上第一枚探测器。此后,世界各国均开始了频繁的火星探测活动,获得了大量珍贵数据和照片。相关数据显示,火星上有水存在过的痕迹,很可能存在过生命。此外,火星探测对于了解地球的演化历史也非常有帮助。2020年7月,我国火星探测器“天问一号”发射升空,开启了人类火星探测的新篇章。面对火星探测这一艰巨任务,经过严密的计算和不断地探索实践,“天问一号”将一次性地完成“绕、落、巡”三大任务,即探测器在火星引力场的作用下环绕火星、成功降落火星、完成自主探巡并返回数据这三大艰巨任务。我国的火星探测活动将使得人类对火星的了解更进一步,在火星探测史上增添浓墨重彩的一笔。

 

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图一 美国“好奇号”火星探测器在火星的自拍照

 

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图二 我国“天问一号”火星探测器发射升空

 

以经济主战场为导向的例子是一位钟表匠解决航海过程中经度精确测量的故事。十八世纪,航海业蓬勃发展的,但由于缺少便捷准确的经度测量方法,远洋航海过程中偏航、触礁等事故频频发生。因此,如何在远洋航海过程中即时确定航船的具体位置成为了全世界航海业的燃眉之急。为了解决经度测量问题,英国国会专门成立了经度委员会,并发出巨额悬赏征集解决方法。经过仔细地思考、研究和实践之后,英国钟表匠约翰·哈里森巧妙地采用钟表解决了此问题。由于地球的自转,每隔经度15度的地区,时间上相差一小时。于是只要能制作出精确保持出发地时间的钟表,将其与当地时间进行对比得到时间差,就能通过计算得到经度差,从而得到当地的经度。基于上述思路,约翰·哈里森先用较为对称的金属结构代替了钟摆,极大程度上减弱了航行过程中摇晃、重力等因素对钟表测量精确度的影响。后续,约翰·哈里森将钟表零件进行了缩小改良,最大程度上摆脱了环境的影响,制造出了精度较高且便于携带的小型航海钟,解决了困扰人们数个世纪之久的航海过程中的定位难题。

 

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图三 约翰·哈里森的一号航海钟

 

以国家重大需求为导向的例子与中国民族工业中“侯氏制碱法”的兴起有关。纯碱是一种在轻工业、化工、食品、冶金、建材等诸多领域都有着十分广泛应用的化学物质。20世纪初,西方资本家们对我国的纯碱制备技术实行技术封锁,导致中国民族工业发展艰难。有鉴于此,年轻的侯德榜先生在学成归国后毅然应邀参与制碱技术的研发工作,并经过一系列的研究、实践攻克制碱难题,优化了制碱的工艺流程,研制出了“侯氏制碱法”。后续,侯德榜进一步简化了生产流程,大大提高了原材料的利用率,并显著减少了废弃物的产生。“侯氏制碱法”的诞生与应用紧密围绕国家建设中的重大需求开展,打破了国外的技术封锁,大幅度降低了国内纯碱的价格,为我国民族工业的兴起与快速发展做出了巨大的贡献。

 

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图四 《中国现代科学家(第二组)》邮票上的侯德榜先生


以人民生命健康为导向的例子是天花疫苗“牛痘”的研发。天花是由于天花病毒引起的疾病,死亡率高、传染性强,曾肆虐数千年之久且一直无法得到有效的治疗。无数医疗从业者都在苦苦探求治疗天花的方法,英国外科医生爱德华·詹纳也是其中一员。在调查研究过程中,詹纳注意到挤牛奶的女工得天花的概率明显比其他人低。经过进一步研究,詹纳发现挤牛奶的女工因频繁与牛接触往往会感染上牛痘,即牛感染天花病毒后再传染给人的一种疾病。值得一提的是,牛痘一般不会致人死亡,但病愈后的人却能获得对天花病毒的免疫。基于此原理,通过反复地开展试验研究,詹纳尝试将把这种低毒性的牛痘接种到人的身上,从而使人体自主产生可以抵抗天花病毒的抗体,并最终成功研制了天花疫苗。天花疫苗的成功研制挽救了无数人的生命,为人类疫苗的研发做出了极大的贡献。

 

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图五 爱德华·詹纳为儿童接种牛痘

 

诚如爱因斯坦所言“提出新的问题、新的可能性,从新的角度去看旧的问题,都需要有创造性的想象力,而且标志着科学的真正进步”,围绕问题导向并坚持以科学问题为科学研究的核心导向是确保科研工作得以顺利进行的核心因素之一。对于科研工作中的难题,本科生不要气馁,只有迎难而上,才能触碰到科学的天空

 





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