加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科 創(chuàng)建一流大學(xué)

劉倩 魯志波 鄭治中 文生蘭

摘 要 數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科是各大中專院校都要開設(shè)的公共基礎(chǔ)課程。本文分析了數(shù)學(xué)物理等基礎(chǔ)學(xué)科的重要性，并探討了基礎(chǔ)理論研究和相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科對專業(yè)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的支撐作用，最后對如何加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)研究給出了一些思考和建議。

關(guān)鍵詞 基礎(chǔ)學(xué)科 教學(xué) 一流大學(xué)

中圖分類號：G640 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2018.09.001

Abstract Some fundamental subjects such as mathematics and physics and so on， which are offered by both regular colleges and special colleges. We analyzed the importance of the fundamental subjects such as Mathematics and Physics， and discussed the supporting role of fundamental theoretical research and the relating fundamental subjects to the professional subjects and applied science， finally， gave some thought and suggestion on how to strengthen the teaching and researching of the fundamental subjects.

Keywords the fundamental subjects； teaching； the top-ranking university

0 引言

世界一流大學(xué)指主要學(xué)科有一批大師級人才，能夠批量培養(yǎng)出產(chǎn)生世界一流的原創(chuàng)基礎(chǔ)理論人才的創(chuàng)新型大學(xué)。[1]在2018年1月3日的國務(wù)院常務(wù)會議上，李克強(qiáng)總理突出強(qiáng)調(diào)了理論數(shù)學(xué)和理論物理等基礎(chǔ)學(xué)科對提升原始創(chuàng)新能力的重要意義?！皵?shù)學(xué)特別是理論數(shù)學(xué)是我國科學(xué)研究的重要基礎(chǔ)。我到一些大學(xué)調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，能潛下心來鉆研數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科的人還不夠多。”總理說，“無論是人工智能還是量子通信等，都需要數(shù)學(xué)、物理等基礎(chǔ)學(xué)科作有力支撐。我們之所以缺乏重大原創(chuàng)性科研成果，‘卡脖子就卡在基礎(chǔ)學(xué)科上?！碑?dāng)天會議上即確定加大支持基礎(chǔ)科學(xué)研究的措施?？偫碇赋?，通過深化科技體制改革，加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究，提升原始創(chuàng)新能力，是實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、建設(shè)創(chuàng)新型國家的重要舉措。[2]習(xí)近平總書記更在黨的十九大報(bào)告中明確提出“要瞄準(zhǔn)世界科技前沿，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破。”國家領(lǐng)導(dǎo)人以高瞻遠(yuǎn)矚的眼光深刻揭示了基礎(chǔ)學(xué)科對于原始創(chuàng)新的重要意義。

1 數(shù)學(xué)物理等基礎(chǔ)學(xué)科的重要性

高度的抽象性、廣泛地應(yīng)用性和嚴(yán)密的邏輯性是數(shù)學(xué)這一基礎(chǔ)學(xué)科所具有的特點(diǎn)。其中抽象性是數(shù)學(xué)最基本、最顯著的特點(diǎn)，數(shù)學(xué)中許多概念都是忽略事物的具體形態(tài)和屬性，提取它們共同的特征而得出來的，因此具有超越具體學(xué)科和普遍適用性的特征，對專業(yè)學(xué)科具有普遍指導(dǎo)性的作用。數(shù)學(xué)概念的歸納和整理，定理的證明和推理演繹，理論的形成和運(yùn)用，都遵循邏輯的規(guī)則和思維的規(guī)律，學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的過程就是邏輯思維訓(xùn)練的過程。數(shù)學(xué)不僅限于體現(xiàn)在專業(yè)上，更體現(xiàn)在生活當(dāng)中，人們越來越發(fā)現(xiàn)，在解決實(shí)際問題中，真正起作用的可能不是什么公式和定理，而是曾經(jīng)接受過的數(shù)學(xué)訓(xùn)練，領(lǐng)會過的數(shù)學(xué)思想和培養(yǎng)出來的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，說白了，數(shù)學(xué)就是一種思想方法。做同一件事，有良好數(shù)學(xué)思想的人會考慮如何合理安排順序而達(dá)到充分節(jié)省時(shí)間的目的，如何才能充分利用現(xiàn)有條件，如何做才能更有效率，也就是統(tǒng)籌優(yōu)化。一切社會現(xiàn)象以及自然現(xiàn)象追其根本都是數(shù)學(xué)問題，如怎樣提高數(shù)碼相機(jī)的像素和分辨率，搜索引擎是如何快速搜索出與輸入的關(guān)鍵詞匹配的信息，怎樣安全地瀏覽網(wǎng)頁，距離千里之外的兩個(gè)人為什么可以用手機(jī)通話，如何確定地震的震源和深度等問題，這些都是數(shù)學(xué)問題，基礎(chǔ)、重要、深刻、美的數(shù)學(xué)。

如果說數(shù)學(xué)重于思想，那么物理則重于應(yīng)用，與生活的聯(lián)系更直接和緊密。物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，從蒸汽機(jī)的發(fā)明，到電燈、電話和汽車的廣泛使用，物理學(xué)的發(fā)展極大地提高了人類的生產(chǎn)力，促進(jìn)了人類文明從農(nóng)業(yè)時(shí)代到工業(yè)時(shí)代再到信息時(shí)代的飛速發(fā)展。正如國際純粹物理和應(yīng)用物理聯(lián)合會第23屆代表大會的決議“物理學(xué)對社會的重要性”所指出的，物理學(xué)是一項(xiàng)國際事業(yè)，它對人類未來的進(jìn)步起著關(guān)鍵性的作用：探索自然，驅(qū)動技術(shù)，改善生活以及培養(yǎng)人才。物理學(xué)的進(jìn)展密切聯(lián)系著工業(yè)，農(nóng)業(yè)等的發(fā)展，從電話的發(fā)明到當(dāng)代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)通信；從瓦特成功發(fā)明蒸汽機(jī)到高鐵的投入運(yùn)行；從飛機(jī)的發(fā)明到載人航天技術(shù)的成熟等等，這都是物理學(xué)對社會進(jìn)步與人類文明的貢獻(xiàn)的證明。

在當(dāng)前這個(gè)非常物質(zhì)化和功利化的社會，基礎(chǔ)課因?yàn)楹苌倌芎徒疱X直接掛鉤而被許多學(xué)生所不屑和遺棄?！独献印分姓f：“三十輻共一轂，當(dāng)其無，有車之用。埏埴以為器，當(dāng)其無，有器之用。鑿戶牖以為室，當(dāng)其無，有室之用。故有之以為利，無之以為用”。意思是說，看不見的空無的東西才是最有用的東西，而基礎(chǔ)科學(xué)就像是這樣的東西，它雖然不能直接轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益，但卻是最基礎(chǔ)、最關(guān)鍵、最重要和最有用的。美國的科技實(shí)力是世界最強(qiáng)的，是因?yàn)樗麄兲貏e注重基礎(chǔ)科學(xué)教育。如果說應(yīng)用科學(xué)創(chuàng)新是一座高樓大廈，那么基礎(chǔ)科學(xué)教育就是水泥、鋼筋等建筑材料，這是應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)?？梢哉f中國實(shí)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)總量上超越美國并不難，但要在科技實(shí)力和創(chuàng)新能力方面真正超越美國并不是一件容易的事，這可能需要幾十年甚至上百年的時(shí)間。

最近熱議的“美國制裁中興”事件無疑給我國的高科技產(chǎn)業(yè)敲響了警鐘。完全依賴于技術(shù)進(jìn)口顯然是沒有出路的，在這些領(lǐng)域中希望借鑒他國經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)彎道超車也是不可能的，只有自己踏踏實(shí)實(shí)地走在基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)步的路上才行，而基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展，是要靠我們耐得住寂寞，板凳要坐得十年冷，甚至一生寂寞。華為公司就是秉承這一信念，在每年的研發(fā)經(jīng)費(fèi)中有20%～0%用于研究和創(chuàng)新，并持續(xù)在數(shù)學(xué)上投資，在俄羅斯數(shù)學(xué)所招聘了數(shù)十名全球頂級的數(shù)學(xué)家、在法國建立了數(shù)學(xué)研究所，因?yàn)樗麄兩钪盒畔⒒鐣诓粩喟l(fā)展中會遇到物理瓶頸和同質(zhì)化，而芯片和軟件的領(lǐng)先、性能、差異化體現(xiàn)在數(shù)學(xué)上，[3]只能在數(shù)學(xué)方法上尋找突破。華為已經(jīng)創(chuàng)造性地用數(shù)學(xué)方法解決了一些重要的實(shí)際問題，雖然在很多方面都有較大差距，但是一直在慢慢追趕之中。只要我們轉(zhuǎn)變觀念，踏踏實(shí)實(shí)去行動，必將為我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展源源不斷的培養(yǎng)和輸送具有扎實(shí)的基礎(chǔ)知識的儲備人才。

中國航天之父錢學(xué)森一直特別注重基礎(chǔ)理論教學(xué)。他在時(shí)任中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)力學(xué)和力學(xué)工程系系主任時(shí)制定的課程表就要求數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)等基礎(chǔ)理論學(xué)時(shí)的比重比一般工科學(xué)院要高，雖然基礎(chǔ)理論課的學(xué)時(shí)在各個(gè)專業(yè)里略有不同，但至少要必須占據(jù)總學(xué)時(shí)的三分之一。他曾經(jīng)談過中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)重視基礎(chǔ)理論課的原因，科技大學(xué)的學(xué)生將來要從事于新科學(xué)、新技術(shù)的研究，而這個(gè)過程就是要在尚未完全開辟的領(lǐng)域里去走前人還沒有走過的道路，但在新科學(xué)、新技術(shù)的探索中前人的工作經(jīng)驗(yàn)不會太多，只有更多地依靠人類幾千年以來和自然界作斗爭的經(jīng)驗(yàn)，和從中總結(jié)出來的自然界一般規(guī)律，這個(gè)一般規(guī)律就是我們的基礎(chǔ)學(xué)科的內(nèi)容。[4]因此基礎(chǔ)理論不僅僅為當(dāng)前現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)服務(wù)，還是我們探索未知新技術(shù)的理論依據(jù)。

2 基礎(chǔ)學(xué)科對應(yīng)用學(xué)科的支撐作用

馬克思認(rèn)為：“一種科學(xué)只有在成功地運(yùn)用數(shù)學(xué)時(shí)，才算達(dá)到了真正完善的地步?！睙o論是經(jīng)典學(xué)科還是前沿學(xué)科皆是如此。

以我校的部分優(yōu)勢學(xué)科為例。信號與系統(tǒng)主要研究電信號作用于電子系統(tǒng)所產(chǎn)生的響應(yīng)。要分析一個(gè)系統(tǒng)，首先要建立數(shù)學(xué)模型，描述連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是微分方程，描述離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是差分方程，因此分析響應(yīng)與沖激的關(guān)系在某種程度上就轉(zhuǎn)化成微分方程和差分方程的求解了。高等數(shù)學(xué)中的微分方程求解直接為信號與系統(tǒng)的分析提供基礎(chǔ)性作用。

信息安全的核心密碼學(xué)的歷史大致可以追溯到兩千年前，古羅馬名將凱撒為防止敵方截獲情報(bào)，采用密碼傳送情報(bào)，將二十幾個(gè)羅馬字母建立一張對應(yīng)表，如果不知密碼本就無法破解密碼。從數(shù)學(xué)的角度上講，加密的過程可以看作是一個(gè)函數(shù)的運(yùn)算F，解密的過程是反函數(shù)的運(yùn)算，明文是自變量，密文是函數(shù)值。好的加密函數(shù)不應(yīng)該通過幾個(gè)自變量和函數(shù)值就能推出函數(shù)。[5]

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，特別是云計(jì)算的興起與逐漸普及，計(jì)算機(jī)獲取、存儲和處理數(shù)據(jù)的能力快速提升，人們逐漸從更多更完備且全方位的數(shù)據(jù)中挖掘出很多預(yù)想不到的規(guī)律性，越來越多的人意識到了數(shù)據(jù)的重要性，大數(shù)據(jù)這個(gè)概念就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。有了數(shù)據(jù)之后，如何科學(xué)的使用數(shù)據(jù)，這就要用到一門應(yīng)用學(xué)科——統(tǒng)計(jì)學(xué)了，統(tǒng)計(jì)學(xué)是將樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析來推測甚至預(yù)測對象未來的一門綜合性科學(xué)。如果數(shù)據(jù)具有足夠的代表性統(tǒng)計(jì)量，則從這些數(shù)據(jù)中得到的結(jié)果對工作就有很大的指導(dǎo)意義了，對產(chǎn)品質(zhì)量的提升也大有幫助，很多科學(xué)研究和工程領(lǐng)域（語音識別、自然語言處理、機(jī)器翻譯、生物制藥、醫(yī)療和公共衛(wèi)生）都依賴于大數(shù)據(jù)取得了難以想象的進(jìn)步。

再來看目前全世界范圍內(nèi)都非?；馃岬囊婚T學(xué)科：人工智能（Artificial Intelligence）。人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能理論、方法、技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)的的一門技術(shù)科學(xué)。人類的大腦是宇宙中最復(fù)雜的東西，我們至今都沒有搞清楚人類大腦是如何工作的，而人工智能就是要讓機(jī)器模擬人的各種能力，由于大腦復(fù)雜的結(jié)構(gòu)程度，導(dǎo)致研究人工智能要涉及到計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)、哲學(xué)和語言學(xué)等幾乎包含自然科學(xué)和社會科學(xué)的所有學(xué)科。人工智能是一個(gè)很寬泛的話題，我們現(xiàn)在正在使用的智能手機(jī)，谷歌搜索，汽車上裝載的防抱死系統(tǒng)，垃圾郵件過濾等都屬于人工智能的范疇，更準(zhǔn)確地說是屬于弱人工智能的范疇，強(qiáng)人工智能實(shí)際上是要讓計(jì)算機(jī)解決我們認(rèn)為不需要任何思考就能夠完成的事情，比如視覺識別，語音識別，自動推理，社交能力等，從弱人工智能到強(qiáng)人工智能還有很長很艱辛的路要走。人工智能科學(xué)屬于工程學(xué)，工程學(xué)的最重要的基礎(chǔ)學(xué)科就是數(shù)學(xué)，數(shù)學(xué)被認(rèn)為是多種學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)，因此數(shù)學(xué)也進(jìn)入語言、思維領(lǐng)域，人工智能學(xué)科借助于數(shù)學(xué)工具而得到更快的發(fā)展。

3 加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)的幾點(diǎn)思考

大學(xué)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)教育肩負(fù)的重要任務(wù)之一，不單單是培養(yǎng)一個(gè)人在數(shù)學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)素養(yǎng)，更重要的是讓一個(gè)人在非專業(yè)的前提下最大程度地掌握真正有用的數(shù)學(xué)知識。教育部一項(xiàng)針對“錢學(xué)森之問”的“基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃”已從數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科開始實(shí)施。作為從事基礎(chǔ)教學(xué)多年的一線教師，我們必須針對如何加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)質(zhì)量等問題進(jìn)行深入思考和積極探索。

3.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)，首先需要一本好的教材

雖說教材的內(nèi)容都是經(jīng)過各個(gè)時(shí)期的科學(xué)家們研究出來的經(jīng)典理論，但是教材之間的差別還是很大的，講的是同樣的內(nèi)容，但有的晦澀難懂，內(nèi)容寡癟；有的生動有趣，特色鮮明，有血有肉，理論聯(lián)系實(shí)際，產(chǎn)生了重要的影響。李大潛院士曾經(jīng)指出：“針對某一專業(yè)（例如工科、醫(yī)學(xué)、農(nóng)科等專業(yè)）的數(shù)學(xué)教材，就應(yīng)該密切聯(lián)系該類專業(yè)的實(shí)際，充分針對該類專業(yè)的迫切需求和特殊要求，這就要求教材的編寫者長期深入該專業(yè)，盡可能的挖掘該專業(yè)與數(shù)學(xué)的結(jié)合點(diǎn)。”[6]這一深刻見解為教材的建設(shè)指明了方向。教材的編寫絕不是輕輕松松的，更不是閉門造車，需要付出長期的努力和實(shí)踐才能編寫出一部好的教材。教材不應(yīng)該只是做到知識的傳授，還要確保教材的科學(xué)性，對于學(xué)生來說，一部好的數(shù)學(xué)教材中應(yīng)充分體現(xiàn)出數(shù)學(xué)知識的歷史淵源和現(xiàn)實(shí)背景，讓學(xué)生明白知識從哪里來和為什么這樣發(fā)展以及將來可能會如何發(fā)展，也應(yīng)該將數(shù)學(xué)的精神實(shí)質(zhì)、思想方法和人文內(nèi)涵體現(xiàn)得淋漓盡致。同時(shí)要側(cè)重于培養(yǎng)和提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力?？傊玫慕滩臑榛A(chǔ)學(xué)科教學(xué)質(zhì)量的提高打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2 加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)，其次需要一批優(yōu)秀的教師和后備梯隊(duì)

清華校長梅貽琦指出“大學(xué)者，非有大樓之謂也，有大師之謂也?！奔訌?qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)，需要一批優(yōu)秀的大師，還需要一大批優(yōu)秀的后備梯隊(duì)。對青年教師的培養(yǎng)尤其要注重兩方面能力：一是教學(xué)能力，二是科研能力。在提高教學(xué)能力方面，完善青年教師聽課制度、集體備課制和教學(xué)團(tuán)隊(duì)制，鼓勵(lì)青年教師聽課增長經(jīng)驗(yàn)，組織青年教師觀摩教學(xué)課堂教學(xué)活動，充分發(fā)揮經(jīng)驗(yàn)豐富的教授的傳幫帶作用。為青年教師配備富有經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)教師，組織青年教師參加教學(xué)基本功比賽，鼓勵(lì)廣大教師深入切磋教學(xué)技藝。通過集體備課制，互相交流教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和方法，探討授課內(nèi)容，鼓勵(lì)青年教師多看多想多問。這些做法都是為了培養(yǎng)一批在教學(xué)方面能力突出的青年教師。

在科學(xué)研究方面，在項(xiàng)目申報(bào)與管理、科研團(tuán)隊(duì)建設(shè)、科研基地建設(shè)等各個(gè)環(huán)節(jié)向青年教師傾斜。鼓勵(lì)青年教師申報(bào)“國家自然科學(xué)基金青年基金”和教學(xué)改革等項(xiàng)目，全方位促進(jìn)青年教師專業(yè)化發(fā)展。為了開闊青年教師的視野，學(xué)校要為他們搭建多層次的學(xué)術(shù)平臺。邀請來自國內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者進(jìn)行報(bào)告，有效地開闊教員們的國際化和學(xué)科交叉視野，使大家能夠更好地把握國際國內(nèi)的學(xué)科前沿動態(tài)，為科研工作注入新的能量。良好的學(xué)術(shù)氛圍勢必會推動青年教師提高科研能力。

3.3 加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)，還需要充裕的人才儲備，即知識的受體——學(xué)生

我國在人才方面，盡管從事基礎(chǔ)研究的人員近年來得到飛速發(fā)展，但比例仍然偏低，目前僅僅是韓國的四分之一，日本的十分之一。在財(cái)政投入上，更是遠(yuǎn)不及美國。美國在國家開支的財(cái)政科研投入里，40%都是基礎(chǔ)研究方向。從長遠(yuǎn)發(fā)展考慮，基礎(chǔ)科學(xué)對國家發(fā)展至關(guān)重要。在教學(xué)中，教師要向?qū)W生普及基礎(chǔ)學(xué)科是如何為專業(yè)學(xué)科提供各種支撐和基礎(chǔ)理論的，特別是結(jié)合學(xué)校的優(yōu)勢學(xué)科專業(yè)如通信工程、密碼學(xué)、測繪學(xué)和新興科學(xué)如人工智能、大數(shù)據(jù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等為例說明基礎(chǔ)學(xué)科對于專業(yè)學(xué)科的重要性，讓學(xué)生們確實(shí)認(rèn)識到基礎(chǔ)學(xué)科的重要性，以激勵(lì)學(xué)生學(xué)好基礎(chǔ)學(xué)科，打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也要鼓勵(lì)學(xué)生積極從事基礎(chǔ)科學(xué)研究，以保證我國科技人才的儲備充足。

4 結(jié)束語

基礎(chǔ)學(xué)科是科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新大廈的基石，沒有牢固的基礎(chǔ)就不可能創(chuàng)造出越來越高精尖的技術(shù)。只有重視和加強(qiáng)基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)，才有可能實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和超越，實(shí)現(xiàn)建設(shè)世界一流學(xué)科、世界一流大學(xué)的宏遠(yuǎn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)我國向創(chuàng)新型國家轉(zhuǎn)型成功的目標(biāo)。

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