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施一公:《我对科学研究的体验》
作者:佚名          文章来源:新闻中心     点击数:2836     更新时间:2015/9/6 8:19:11

【编按】读政治之书,以养大气;读专业之书,以养才气;读文化之书,以养元气……正所谓:腹有诗书气自华。习近平总书记说:“中国共产党人依靠学习走到今天,也必然要依靠学习走向未来”,一个组织如此,一个人也是如此。当综合改革推动中国高等教育走向前所未有之变,大学及大学中人均处于不进则退的竞争环境之中,面临不断增强本领的能力提升要求。读书是学习的最基本方式,是解决本领恐慌的最基本途径。为保持思想活力,启迪为学智慧,建设书香校园,金秋九月,党委宣传部特别开设“大家荐读”栏目。邀请“大家”,既是学问之大成者,亦有身边的你、我、他,通过“荐读”,相互交流学习、工作、生活中,那些我们经年以求或偶然得之,洞开思想境界、破冰行事之困、体悟阅读欢愉的哲理之思、方法之论、学习之道与人文之美,以引领校园形成尚读、善读、乐读的文化氛围,不断增强组织与个体的竞争力,增强建设中国特色一流大学的本领。

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首期荐读:《我对科学研究的体验》 推荐人:郑大新

作者:施一公,世界著名结构生物学家,中国科学院院士,美国科学院、美国人文与科学院外籍院士。首批“千人计划”特聘专家,曾受聘普林斯顿大学终身教授,现任清华大学校长助理。

推荐理由:跨入那扇门,科研就是生动而有趣的。科学在西方已有数千年的积淀,而作为一种世界观和方法论传入中国不过百年,我国一流的科学家大都有国外研究的经历。施一公作为学成报国的典型代表,对青年学子讲述的并不仅仅是科研之术,而是在与世界一流科学家共事中体验到的科研之道。任何一位读者,在生活和工作中总会在某一领域有或大或小的规律发现,并享受成功的喜悦。本文作者与大家分享的正是体悟科学方法论之乐趣。


附:

施一公:我对科学研究的体验

 

 

“我现在告诉大家,想真正做拔尖创新、立志将研究做到世界前沿,所有的知识和内容都用得上。2013年夏天,我还在看中学物理,我认为细胞生物学和其中的很多知识都有着强烈的联系。”

 

方法论的转变

我在麻省理工学院面试博士后时,尼古拉的导师(也是美国科学院院士)告诉我,尼古拉特别聪明,能精读26种科学期刊,知识渊博,能力非常强。我听后特别震惊,因为我也读文章,读上两三本期刊就没时间做研究了,觉得读文章很占时间,顾此失彼。

我想,一个人怎么会这么强大,做这么好的研究,读这么多的文章,还什么都懂——这也是我去他的实验室做博士后的原因。

有一天,我看到《自然》上有篇文章非常精彩,它阐述的是结构生物学领域的一项重大发现。我精读了一遍,想证明自己读得很不错。当时,这个成果刚发布一周,我就拿着文章去办公室找尼古拉。

“尼古拉,这篇文章做得很漂亮,我很想和你讨论一下。”我说。

“这个……”他尴尬地笑了笑,“一公,抱歉,这篇文章我还没读。”

我想这可能是他最近太忙。过了一两个月,我又看到一篇很好的文章,又花了几个小时精读一遍,读得很透。我再次敲尼古拉的门,“尼古拉,这篇文章发表两周了,做得很漂亮。我觉得有些东西可以学,和你讨论一下,如何?”

尼古拉再次尴尬一笑,说:“我还没读。”

我突然着急起来,问:“尼古拉你到底读不读文章啊?”

他看了看我,说:“一公,世上最难以复制的是时间。我的时间很有限,真的没多余时间去读这篇文章。”

这对我触动非常大,使我懂得在不同领域、不同课题阶段会有不同的要求。在他当时的阶段,他当然没时间读这样的文章。他是卓越的科学家,要做更高层面、更具创造性的事,并不按传统的说法“一定要怎么做”。

还有一次,我们在尼古拉的实验室做生物学实验,尝试抽放一个蛋白质的蛋白,做了整整两天还没能拿到,我不知道哪里出了问题,很失望。

“结果如何?”尼古拉问我。

“抱歉,还没得到任何结果。”我说,“但不用担心,我会尽全力找到问题出在哪里,再重新做。”

“一公,你为什么一定要找到实验没有成功的原因呢?”尼古拉问我。

我很惊讶,说:“尼古拉,如果不知道失败的原因,怎么能继续工作呢?'

尼古拉的回答非常干脆:“再仔细做一遍,就会成功。”

对生物学大型实验来说,两三天的实验有几十个步骤。一个一个步骤做下来,以此弄清哪一步出问题的话,至少得花半个月。尼古拉说“再做一次”,有可能是实验中加错了酶或其他原因,再做一遍的成功性很大。结果果真如此。这让我明白——做科研并非找不出原因就无法进步,而要视情况。一个问题困扰你多年,不找出问题课题无法前进的话,确实需要继续努力;如果是一个技术错误,是不需要花费时间找原因的。这就是尼古拉给我第二个启发。

高中阶段以学习知识为主,那时并不特别注重举一反三的思维能力训练。迈入大学,就要开始自觉转变——从汲取知识到创造知识。读硕士、博士时,就可能创造知识。可以想象,本科阶段的一节课是前人几十年总结出的经验,而你只用50分钟就学完了。等读博时,也许五六年的科研工作也很难成为教科书里的只言片语。这就是其中的艰辛和艰难,成长和转变很不一样,需要在大学伊始尽快转变思维,这就是方法论的转变。

 

挑战学术权威

挑战学术权威对中国学生尤为关键。中国学生常认为老师讲的大部分是对的,或基本上是对的。即使错,也以为自己没有理解好。

有一次我在普林斯顿大学讲课,学生在课堂上提了一个问题,其实我不知道答案,但觉得能推测出一个。我讲了几句后,学生当场就反驳了我:“施老师,这好像不是真正的原因,我觉得你讲得不对。”我满脸通红,虽没在课堂上承认,但我知道的确讲错了。这件事对我的触动很大。但是我在清华课堂上重讲一遍同样的回答,很多同学皱眉思考,他们明明知道有问题,最终还是接受了,觉得施老师不会错。

其实,每个人都会犯错,世上没有绝对的客观观点,敢于质疑特别重要。

我从小就“爱出风头”。下面的故事,和我博士导师杰里米·伯格( Jeremy Berg)有关。

杰里米出生于1958年,我去他实验室读博时他才32岁,是美国比较年轻的终身教授。有一次开组会,杰里米走进来,看样子心情激动,他说:“今天的组会我来讲吧!”他平时是轻易不主讲的。他在黑板上画了一个立体的矩形,中间画了一个隔板,左边标注氧气,右边标注氨气,隔板一拉,里面的气体开始发生物化作用。杰里米由此推导公式,写满了整整一个黑板,最后得出了惊人的结论:热力学第二定律是错的!

这非常有可能,不要小瞧杰里米。有一次开车时,他突然想到了吸脂蛋白(当时美国很多人做这个蛋白的结构,但都没做出来),想到蛋白应该是正四面体的结构。这个结构预测得非常精美,是美国科研史上非常有名的事件,过了两三年大家才用实验验证了这个预测。他是一个天才。

杰里米在黑板上推算时,我发现公式里出现了三处错误,都是概念性的错误,很难察觉。那是1992年的下半年,我在实验室呆了近三年,还是不太敢跟杰里米讲话,因为他不苟言笑,非常严厉。那是我第一次和他正面交流:“杰里米,这其中好像有些错误。”我说。

杰里米瞪眼问我:“错误在哪儿?”

我壮了胆指出了几处错误,我讲时他满脸通红,一句话也不说,看看我,再回头看看黑板。实验室里的美国学生很有意思,七嘴八舌地说:“杰里米的推导一点儿没错,挺好!”“就你有能耐!”那时,我感觉“出错风头”了。

果然,杰里米很不高兴,他说:“今天的组会到此结束。”说完他就走了。实验室里的其他人也没理我,各自做实验,言外之意:你把这个局给搅了!我也很郁闷,吃完饭便默默地回去做实验。

下午两点,杰里米回来了。他一进来就说:“YG(他不叫我一公,叫我名字的缩写),你是哪个学校毕业的?”他居然还不知道我来自哪个大学!我在这个实验室都已呆了近三年。

“我毕业于清华大学。”

“清华大学在哪里?”

我很受刺激,说:“清华是中国最优秀的大学之一。”

“原来如此。”他点点头,又问:“是谁教你《物理化学》这门课?”

“朱文涛教授。”我回答。

“朱教授一定是非常杰出的科学家。”杰里米说,“你们清华真的很卓越(remarkable),一定有很多非常优秀的物理化学家在教你们,这样的概念一般人不懂。”

从此他对我刮目相看,因为他平时实在是太高高在上了,我甚至有些怕他。

这件事让我的心情豁然开朗,下午三点半,系里一位很有权威的教授在走廊里喊我:“YG YG!祝贺你!”我摸不着头脑,

老师告诉我:“听杰里米说,你解决了个重大的问题!”

这个故事引发很多思考,首先想到的就是“挑战学术权威”。其实,我很怕这位导师,但他讲错后我还是指了出来。请不要忘记,他的初衷亦是挑战一个更加不可思议的学术权威——公认的热力学第二定律。

 

科研四阶段

对我来说,做研究有四个阶段。

第一个阶段是博士毕业之际。之前,我还不知道“研究”为何物,因为生命科学的道路漫长,我以数理见长,对生命科学领域的入门比较慢,很难找到自己的方向。博士毕业前一两年,我突然觉得找到方向了,开始有好的表现。首先,我听讲座时能听得明明白白,即使不是自己的研究方向,也能理解得很好。其次,我意识到做研究不过如此,知道该怎么做,开始有自信了。

第二个阶段是博士后期间。我感觉眼界突然放宽了,从一个领域跳到了另一个截然不同的领域,从一个实验室风格换成另外一个实验室风格,这种感觉让我敞开心扉——原来课题是这么选择的!尤其当我再进入一个新实验室,能看到别人是如何选择课题的,并逐渐意识到科学家的课题要通过批判性思维进行。我开始思考该怎样选择重要的课题,怎样选择研究,怎样才能做得不错。

不过,我把第三个阶段称作“变形”( metamorphosis),这个词很有意思。200212月之前,也就是我在普林斯顿大学拿到终身教授的前后,那时我的自信心膨胀,曾有一段时间很得意,觉得自己的科研很出色。是的,那时我就是这种感觉。我为什么要这么说?是为了与第四个阶段对比。

2007年,我在清华建立了实验室,2009年以后,我开始思考做更大的规划——应该在哪些地方布局?怎样把研究做到极致?

那时,有几个有利因素起了作用。我第一次感觉到做研究的“极大快感”:把中学时学到的物理化学知识应用到研究上,首次用跨学科的思维方式和以前的知识来理解我所研究的细胞。同时,我开始意识到以前学习基础知识的态度是错误的。为什么?读本科时,常说的一个词是“学以致用”。但“学”并不是为了“用”,学基础知识的目的并不是将来就要在工作中用,这是一个极端错误的观点。我认为“学”是为了打开思维方式,为了变得更聪明,学会方法论从而进行研究( the method of investigation)

我读大学时曾经很苦恼,总觉得学这门课没用,学那门课以后的工作也用不上——这是我的第一个误区。工作后做独立实验,我确实有这种感觉,甚至还告诉学生:95%甚至99%的基础课程内容用不上(当时我已是普林斯顿的终身教授了)——这是我的第二个误区。毕竟当时的我还只在那个层次上,只能看到这样的观点。我现在告诉大家,想真正做拔尖创新、立志将研究做到世界前沿,所有的知识和内容都用得上。2013年夏天,我还在看中学物理,我认为细胞生物学和其中的很多知识都有着强烈的联系。

2009年,我得到一个科研发现,让我突然觉得中学的物理、数学,以及大学的微积分知识其实与细胞、生化实验和结构实验有很大关联。所以,2009年之后我在清华的工作让我进入了第四个阶段:脱胎换骨。

我不知道将来还会不会有第五个阶段,我很期待。

 

科学家的“脾气”

科学家是需要脾气的。你可以“外圆”,但一定要“内方”。

我的一名博士后非常有“脾气”,他的“脾气”听起来更像是缺点——固执( stubborn)。他固执到不愿学新东西。听起来不可思议,却值得肯定。他来实验室的第一天,做了有关APEC One蛋白的研究,实验过程需要添加还原剂,我让他用二巯基苏糖醇( DTT)试一试。我讲了很多次,他总是点点头。但是,第二天实验并不成功,我询问细节,他的回答躲躲闪闪。

一年半后,他特别开心地跟我说  “一公,这个实验我终于完成了,APEC ONE蛋白的表达很好,refold也很好。”

“你怎么做成的?”

“一公,我真的该在一年半前听你的建议用DTT,但是如今我才使用,得以成功。”他红着脸说。

实在不可思议,他居然足足固执了一年半,历经无数次试验。“可是一公,我就这个毛病,太固执,从小就这样。”他笑着说。不要小看他的脾气,我曾问他为什么来我这儿做博士后,他的一番话令我很受感动。有一次,我给他打电话,说:“以你发表的文章,完全可以到美国的公司工作,而且会有一份很不错的工作,为什么一定要做博士后,一定要到我这儿来呢?”

他讲了他的成长背景。他出生在农村,中专毕业后在陕西农村做了三年高中教师,才考上了北大的博士生。他还说:“一公,我从小就有一个梦想:做洋人的老师。”这句话朴实,我听了很感动,“你来我这儿可以帮你实现梦想吗?”我问。

“可以。”他说,“到你这儿做研究,发表两篇好文章,也许就能成为洋人的老师了。”

我曾一度放弃了他,觉得他做不了,因为他不够聪明,也不够机灵,太固执。他做博士后,家里一贫如洗,我去过他的家,三个孩子,爱人没工作,住房也不好,但他什么也不多想,只牢记梦想。我相信他能成功,因为他时刻都在追求。七年前,他获得了美国生物领域排名前25的一所大学的助理教授资格,2012年底,他拿到这所学校的终身教授。

如今有这样“脾气”的人并不多,我们很难坚持自己的一些东西,难成大器,没有自主和自我意识。所以,任何时候都能保持自己的“脾气”,坚持自己的理想。

 

研究体系的重要性

这是一个新概念。

我认为科研有三大要素。第一个要素是技术,指的是细节,比如学会灌胶、做曲线,不懂基本技术没办法做研究。技术,只是研究的一个工具,对初学者极为重要,前期大家所学的知识多数是技术。遗憾的是,有的博士生毕业时掌握的还只是技术。这样的话,仅仅是技术员(technician),而不是哲学博士(doctor of philosophy)。对数学、物理、化学和生物来说,应该强调研究方法,不能用知识的多少和技术的高低衡量。等研究的领域越深越多时,会发现技术所占的比例越小。我们应根据研究课题决定用什么技术,而不是从懂得什么技术出发找问题。

第二个要素是提问。尽管我们强调多提问,却极少教学生该怎样提问,什么样的问题才算是好问题。高中时的提问没太大区别,多数是举一反三。真正的好问题非常关键,甚至可以创建一个全新的领域,可以让科研人员进入学术的黄金期,它不只是技术或实验研究方法上的问题,涉及的范围非常宽广。2001年诺贝尔生理学或医学奖获得者蒂姆·亨特( Dr.Tim Hunt)曾说:“在研究过程中,也许最重要的是选择一个什么样的问题。最能区分科学家们能力的不在于他们所掌握的技术技能,而在于他们真正所感兴趣的问题。”

第三个要素就是教育经常忽视的,也就是研究体系。什么是体系?体系是研究所有科学问题的载体,研究时没有体系或体系出错,是做不出东西的。那么,技术、提问和体系三者是什么关系?技术,是装饰,比如汽车的门、座位或车身上喷的漆,本科生对于这些很感兴趣。为什么?因为这些是本科生首先能看到的。提问就像“引擎”,没有“引擎”的“火车”跑不起来。体系是载体,提出的问题和体系不一致时,做不出东西。即使问题很重要、正确,但问题的“引擎“是给“汽车”使用的,硬要装在“飞机”上,还是无法飞起来。

正确的研究体系可以发现关键问题,这就如同看到“飞机”才知道它的“引擎”该做多大,该怎样设计,怎样最适合“飞机”。所以,并不全是通过问题才能建立体系。

1964年,诺奖获得者蒂姆·亨特开始读博,这时的他发现了什么问题吗?没有。但他已有一个强大的科研体系——兔子的红细胞。蒂姆·亨特在红细胞没完全成熟时将它们收集起来,把它们打开,把膜、油脂离心掉上清,发现了大量的核糖体合成蛋白,有很多养分,他用这个体系发现了巨大的“商机”。他觉得这其中肯定有很多重大发现,也许可以获诺贝尔奖,于是他用这个体系做蛋白的合成。

1964-1977年,蒂姆·亨特一无所成。他的体系很强大,凭此可以拿诺奖,可他还在找问题,在找“引擎”。此外,他开始关注其他体系——海胆卵。海胆卵是新的研究体系,对科学发现很重要。19827月的一天下午,蒂姆·亨特做了一个实验,就是这个实验让他既发现了问题也找到了答案,而且还获得了诺贝尔奖。一般来说,诺奖的获得不来自于问题,而是研究体系的建立。体系的建立来源于综合的经验,建立一种直觉,目前还没有明确、可以学习的方法让大学建立科学体系,能做的就是不断理解、思考科学史,看看前人是怎么做到的,我们自然会有灵感。

 

(根据施一会院士在清华大学“基础学科拔尖学生培养试验计划”学生学术交流舍上的报告整理,有删减。转载自:清华大学新闻网)

 

【责任编辑】:肖飞、赵琳琳

【栏目联办】:图书馆“读者协会”、素质教育基地“博雅书堂”、人文学院“聊斋书社”。

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