公海555000kk线路检测・(中国)有限公司

不少初涉科学研究的同学以为科研是课堂学习的自然延伸，并且在科研上套用课堂学习的方法；这么做往往事倍功半，甚至南辕北辙。借助“学者笔谈”栏目，我和大家讨论课堂学习和科学研究的不同，再为如何开始科学研究提一些建议。

科学研究的进展有不可预测性

课堂学习的目的是了解已有知识，而科学研究则是以创造新知识为动机；从这个角度讲，两者有本质的不同。课堂学习面对的是已知的世界，我们有严格制定的教学大纲、内容翔实的课本、帮助巩固知识的习题和对课程烂熟于胸的老师，一切都可以井井有条，按部就班的。然而科学研究则是在已有知识和工具的帮助下对未知的世界的探索，有着本质的不可预测性，研究过程中不可避免会有失败和迷茫。众多科学大师对研究的不可预测性有精彩的评论。比如爱因斯坦说过“如果我们知道自己在干什么，那还叫研究吗？（If we knew what it was we were doing, it would not be called research, would it?）”。另外，因提出大肠杆菌中乳糖操纵子模型（lac Operon model）而获得1965年诺贝尔医学奖的雅各布（Fran?ois Jacob）在他的自传《The Statue Within》中对科研中两种状态做了非常准确而有诗意的描述：

Science has in fact two aspects.

Day science involves reasoning as articulated as gears,

results that have the strength of certainty.

Aware of its style, proud of its past, sure of its future,

the science of days advances in the light.

Night Science, on the contrary, wanders in the dark.

It hesitates, stumbles, falls.

Questioning everything, it is searching itself endlessly,

combining, associating myriads of hypothesis,

assumptions still in the form of vague hunches,

projects barely taken shape.

Nothing guarantees its successes,

its ability to survive the tests of logic and experiments,

but sometimes thanks to intuition,

instinct and the will to discover,

as a lightning it illuminates more than a thousand suns。

雅各布认为科学研究有两种不同的模式，可能会有一日千里的突飞猛进（Day Science），也会有在黑暗中艰难的摸索（Night Science）；而他自己认为乳糖操纵子模型的形成要更多归功于后一种模式，在The Statue Within 中他写道：Our breakthrough was the result of “night science”: a stumbling, wandering exploration of the natural world that relies on intuition as much as it does on the cold, orderly logic of “day science”.由此可见，当初涉科研的你发现自己在“独上高楼，望尽天涯路”的状态下不知所措时，请淡定，因为这是科研中的常态，是“蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”般豁然开朗的孕育过程。

科学研究需要多种能力

课堂学习和科研所要求的能力范围不一样。我们的课堂教育偏重知识的记忆和积累，突出训练同学的逻辑推理和公式演算能力；成功的同学一般都有很强的记忆力，注重细节善于避免错误，愿意勤奋的做大量习题。科学研究面对的是一个开放系统，需要若干逻辑推理和公式演算之外的能力，这里我着重讨论其中的三种：

一是科研的第一步是发现和提出问题，这一步往往涉及对现有知识体系的批判，需要有思辨和质疑的习惯和能力。传统的课堂学习过分强调传授知识的量，总是希望同学们学的更多一些，更深一些，忽视了对这一能力的培养。思辨和质疑的能力对科研是至关重要的，如爱因斯坦说“Learn from yesterday, live for today, hope for tomorrow. The important thing is not to stop questioning.” 形成思辨和质疑的能力和习惯的关键是高度的自信，彻底摆脱崇拜权威和迷信书本的心态。当然思辨和质疑前提是对现有知识体系的理解，科研人员必须能够快速且准确地获取相关文献中的主要信息，并且进一步提出和分析文献中可能存在的问题，为研究找到发展方向。

二是确立问题后，要寻找解决问题的方法；对于全新的问题，一般没有现成的方法，需要我们去探索新路子，这就涉及到创新的能力。关于创新能力培养的著述汗牛充栋，这里我只讨论一点自己体会：创新前提是不惧怕犯错。教育学家Ken Robinson说“如果你不打算做失败的尝试，你永远不会创造出新东西。（if you’re not prepared to be wrong, you’ll never come up with anything original）。”科学研究对错误的宽容度要比课堂学习好很多：在考试中错误就意味着扣分，意味着你的GPA下降；科学研究中没有这种对失败的强烈惩罚，相反我们通过失败的尝试一步步了解研究对象，挖掘问题的本质，最终找到解决方案。因此失败是科研中通向成功的必经之路，同学们不能因为惧怕失败而丧失尝试的勇气。

三是成功的科学家需要有良好的交流和沟通能力，这种需求来自两个方面。一方面，你需要通过和同事的交流获取信息，包括最新的进展、可以借鉴的方法、对自己工作的评价和建议等。另一方面，当你找到并解决一个有趣的科学问题之后，需要把结果总结成文，介绍给领域里的其他同事，共同推动科研的发展。交流和沟通能力在当今这个不同学科相互结合、彼此渗透的时代尤为重要；我们需要跨出自己的专业与其他领域的同事交流。这种不同学科背景间的交叉有希望孕育出重要的成果，比如发现DNA双螺旋结构而获得1962年诺贝尔奖的三位科学家中，Francis Crick和Maurice Wilkins获得的是物理学位，而James Watson则是一位生物学家。

关于开展科学研究的一些建议

这一部分我想讨论一些对开展科研或有帮助的建议。让我们从课堂学习开始。我的本科和研究生教育都是在物理系完成的，其主干课程有悠久的历史，前人已经把重要的知识系统而简明的归纳进了逻辑严密的教材。这样做固然可以帮助学生理解和接收重要知识，但是也有弊端。比如，这样的教材掩盖了知识积累和演化的过程，忽略了科学史上存在的一些不完整的和部分正确的理论观点；这样做有把知识异化为教条的危险，也可能会把科学发现神秘化和线性化，让同学对未来自己的科学研究产生片面的认识。最早让我意识到这个问题的是复旦大学的金晓峰教授，他给我上“热力学和统计物理”时曾经有“把物理当成历史学”的说法；他认为要透彻的理解关键物理概念，必须花时间去搞清楚这些概念的形成和发展过程。按照他的建议，我去看了玻尔兹曼的传记，了解到他通过发展麦克斯韦的分子运动学说把物理体系的熵和概率联系起来，并利用熵阐明了热力学第二定律的统计性质，同时他的学说备受同事质疑，以至于在与马赫的经验主义和奥斯特瓦尔德的唯能论论战中身心俱疲，最后自杀身亡。这段经历让我第一次在物理理论的背后看到了一个鲜活的人，让我认识到了创造知识的艰辛和曲折，可以说是我在物理学习过程中的第一次“开悟”。鉴于这段经历，我建议同学们课余有空可以看看科学史，应该对正确理解物理概念和科学研究有帮助。

好些同学告诉我他们希望参加科学研究，但是担心自己的掌握知识和技能还不够应付科研工作。每次听到这样的担心时，我总是告诉他们下面两个故事。第一个故事中，25位8-10岁来自布莱考顿小学的学生想知道大黄蜂是否能利用颜色与空间关系的组合来选择觅食的地点。为了回答这个问题，他们在一位大学老师的帮助下，设计和搭建了一个可以改变局部颜色和食物分布的蜂箱，并观察和积累了大黄蜂在不同条件下的觅食行为。通过采集的数据，他们发现大黄蜂的确可以同时利用颜色与空间信息，但是能力在不同个体中有很大的区别；这是一个前人未知的结果，于是布莱考顿小学的学生用自己的语言写了一篇文章报道这一发现，发表在在英国皇家学会发行的《生物学快报》（Biology Letters）上（链接）。另一个没有严格科学训练的人参与科研的例子是叫Foldit（http://fold.it/）的在线游戏。该游戏由华盛顿大学的Zoran Popovic 和David Baker设计，利用人脑对三位空间斑图（Pattern）和对称性（symmetry）天生的敏感性帮助现有的计算机程序寻找蛋白质的自然折叠态。游戏中，玩家的目标是通过改变蛋白质中基团的空间位置来降低蛋白质的能量，获得的状态能量越低，玩家得分就越高。现在Foldit共有240,000 注册玩家，他们的参与弥补了计算机程序的不足，大大提高了计算效率。比如今年自然杂志报道 Foldit玩家帮助将一个重要蛋白质的活性提高了18倍 （链接）。这两个例子都给我留下了非常深刻的印象，它们说明科学是一种探索未知问题的方法，对参与者的能力并没有绝对的要求，只要你愿意就能找到适合发挥自己能力的问题。

有不少同学为选择研究专业犯愁。我认为专业选择的最重要的考虑是自己的兴趣和爱好。科学探索之路往往都不是平坦的阳光大道，如果没有对自己研究工作的热爱要在这条路上坚持下去是不容易的。相反如果在别人看来枯燥无比的科研是你的兴趣爱好所在，你往往能抛开他人的看法，静下心来做他人没有尝试的事情，找到一条通向成功之路。同学们也许会问，我也不知道自己对什么感兴趣，那怎么办？我建议你尽早选一个专业尝试一下，如果你喜欢这个专业，那最好；否则再换另一个专业尝试，直到你找到感兴趣的为止。你可能会觉得这么做很浪费时间，其实不然，因为兴趣对做好的科研工作，或者其他任何工作，都无比重要，如乔布斯在2005年斯坦福大学毕业典礼上说的：作出伟大工作的惟一方法就是去热爱这份工作（And the only way to do great work is to love what you do）。另外在这个探索的过程中，你还可以学到很多东西。黑泽明在他的自传《蛤蟆的油》中说过一段他年轻时的经历，他刚刚进入电影圈的时候不知道自己要干什么，他尝试过几乎所有与电影有关的行当，如编剧、美术、摄影等，发现自己都不太喜欢；最后他发现自己喜欢做导演，而他之前的那些非导演的经历给了他丰厚的积累，让他充分了解了电影制造的整个流程，对他做好导演有莫大的帮助。

在这篇小文的最后，我想和喜欢自己动手做实验的同学聊一聊开源硬件。作为一个实验物理学家，我花很多的时间搭建仪器设备。十余年的工作经验让我认识到使用开源硬件可以大大降低设备开发周期和制作成本。什么是开源硬件呢？与大家熟悉的开源软件（如火狐浏览器、OpenOffice、Linux等）类似，开源硬件的设计是公开，任何人都可以改进现有设计并产生成品，同时将自己改进的设计公布给其他用户。以2005年问世的开源单片机控制器Arduino（链接）为例，围绕Arduino已经形成一个活跃的开发社区，积累了对众多基本问题的软硬件解决方案和函数库，包括信号采集，硬件驱动和反馈回路等。在此基础上，不同背景的科学家、工程师甚至艺术家把Arduino应用到广泛的领域，驱动众多的开源项目，比如开源示波器（Xoscillo）、射线探测器（Arduino Geiger）、聚合酶链式反应器（OpenPCR）、旋翼直升机（Arducopter）、植物灌溉系统（Garduino）等等。Arduino驱动的系统中最具影响的是开源三维打印机Reprap及其演化产品。Reprap根据用户提供的三维模型逐层沉积融化的塑料构造任意三维的物体，从玩具汽车到飞行器附件等；用户可以自行设计，也可以在网络社区（http://thingiverse.com/）中找到众多的开源模型。由于使用开源部件，Reprap的造价（4000人民币）远远低于功能和精度类似的商业机器（60万人民币左右），极大的推动了三维打印的普及化。在我们实验室，现在搭建设备的电子控制基本都是由Arduino完成，需要的机械部件大都由Reprap打印。这两种开源硬件非常有效的帮助我们提高效率、降低成本， 因此我想推荐给对搭建设备有兴趣的同学，希望它们能对你有帮助。

学者小传

张何朋，上海交通大学自然科学研究院和物理系特别研究员、博士导师。在交大的科研工作依托自然科学研究院和物理系开展，以非线性动力学为主线，通过精确实验和理论模型相结合的方法，开展三方面研究：一是生物系统中的集群运动，二是生物推进力学，三是非定常涡量动力学。

2000年复旦大学物理系本科毕业后，到纽约城市大学物理系从事软物质和玻璃相变的研究并于2004年获得博士学位。同年到得克萨斯大学奥斯丁分校开始博士后研究工作。

研究领域为生物和流体物理，主要成果包括：实验验证大洋环流驱动机理的假说；发现邻近细菌菌落的竞争机制；首次在生物系统中观察到“巨密度涨落”现象；在细菌集群运动中发现涨落的尺度无关性。研究工作在众多重要国际学术期刊发表，包括Proceedings of the National Academy of Sciences、Physical Review Letters等，成果受到各国学者广泛关注，并被知名媒体报道，如纽约时报等。应邀在多个国际学术会议做邀请报告，包括万人参加的美国物理学会三月会议；应邀访问十余所知名大学，包括Georgia Institute of Technology、New York University、香港中文大学等。研究工作获得美国国家自然科学基金、中国国家自然科学基金和上海市科委资助。获得国际理论物理中心 (The Abdus Salam International Centre for Theoretical Physics)支持，于2102年在上海交大组织召开第四届复杂系统国际暑期学校。