以研究路線設計為導向培養(yǎng)研究生系統思維與創(chuàng)新能力

徐秀峰 李文佐 李慶忠

摘? 要：當前，不少研究生被動科研，研究興趣低，研究思路不連貫，方案設計不系統，思維碎片化，創(chuàng)新能力不足。作者發(fā)現，積極發(fā)現和提出科學問題，合理設計研究路線，及時總結實驗結果和調整實驗方案，是培養(yǎng)研究生系統思維和創(chuàng)新能力的有效方法。實踐表明，受這種模式訓練的研究生，研究興趣高，主動性強，思維嚴密，科研進度快，創(chuàng)新能力顯著增強，對他們的后續(xù)發(fā)展起到很好的助力作用。教學相長，也提升導師的創(chuàng)新能力和指導能力。

關鍵詞：研究生;研究路線設計;系統思維訓練;創(chuàng)新能力培養(yǎng);訓練模式

中圖分類號：G643.0? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2023）31-0164-04

Abstract： At present， many graduate students have little interest in passive research， lack of research ideas， unsystematic design of experiments， and fragmented thinking， thus insufficient innovation ability. It is thought that actively raising scientific questions， reasonably designing the research routes， timely summarizing the experimental results and adjusting the research plans are effective methods to train the continuous and systematic thinking， and cultivate the innovative ability of graduate students. The practical results show that the graduate students trained by these modes have strict thinking， high interests， and strong initiative for research， thus can make faster scientific progress and exhibit more sufficient innovation ability than others， which has played a very good role in their follow-up development. Teaching and learning are mutually beneficial， which also improves the innovation ability and guidance ability of tutors.

Keywords： graduate students; designing research route; training systematic thinking; cultivating innovative ability; training mode

研究生教育質量是影響我國科技競爭力的重要因素。隨著我國研究生教育的快速發(fā)展，招生人數增加與培養(yǎng)質量下降的矛盾日漸突出，地方高校尤為嚴重。關于提高研究生培養(yǎng)質量的方法，黎軍等[1]提出要對影響研究生培養(yǎng)質量的各個環(huán)節(jié)（生源、課程教學、導師指導、論文寫作、科研訓練和論文答辯等）進行控制。黃建洪等[2]發(fā)現當前普遍存在的“重科研、輕教學”傾向抑制了研究生培養(yǎng)質量的提升，他們提出了研究生培養(yǎng)的“教學-科研”一體化模式，以教學與科研環(huán)節(jié)的互嵌與融合提高研究生培養(yǎng)質量。

提升研究生培養(yǎng)質量的根本目的，就是要將研究生培養(yǎng)成為創(chuàng)新型人才。創(chuàng)新型人才，是指具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力并能夠取得創(chuàng)新成果的人才。有關研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的具體方向方法，已有多種研究，如：王洪才[3]發(fā)現課程體系不合理、教學方式落后、師生關系異化、考核方式功利化和學術氛圍浮躁等構成了研究生創(chuàng)新能力提升的主要障礙機制，破除這些障礙機制需要從治理功利主義文化根源做起。蘇俊宏等[4]分析了傳統研究生培養(yǎng)存在的問題，通過科研反哺教學、教學科研相長，促進研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。范亞文等[5]對以科研項目為導向培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新能力進行了有益探索。吳曉[6]也認為引導研究生參與科研項目是培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的有效途徑，在培養(yǎng)研究生的問題意識、批判意識等創(chuàng)新思維能力方面具有重要意義。謝日安等[7]多年實踐以研究生團隊為主體開展科研探索活動，研究生獲取了知識，學會了研究和創(chuàng)新，結果表明以創(chuàng)新項目為依托提升了研究生的創(chuàng)新能力。

一? 以科學問題的研究路線設計為導向培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的理念

理工科研究生的科研過程包括確定研究方向、查閱文獻、制定研究路線、實驗操作、數據總結與分析和論文寫作等。當前不少研究生被動科研，創(chuàng)新能力不足。具體表現是，科研興趣不高，思維碎片化，研究思路不連貫，實驗方案設計不系統。如何扭轉這類傾向？李紅昌等[8]提出將基于問題的學習模式導入研究生各種知識的教與學過程之中。葉必成[9]發(fā)現研究生問題意識的缺位現狀不容樂觀，構建激發(fā)他們的內在研究動機、形成問題意識的觸發(fā)機制，倡導介入問題研究、尋求問題解決的參與機制，引導自我審視問題、自覺評價結果的監(jiān)督機制，鼓勵反思問題全局、引發(fā)問題延展的評價機制，將有助于提升研究生的問題意識。居沈貴等[10]提出在科研訓練過程中，將發(fā)現問題、提出問題、分析問題和解決問題有機統一起來，是激發(fā)研究生科研興趣、提升創(chuàng)新能力的可行路徑。

在發(fā)現和提出問題的基礎上，如何解決問題？這是研究生科研訓練的焦點。筆者認為針對發(fā)現和提出的科學問題，鼓勵、指導研究生合理設計研究路線，有助于訓練他們的連續(xù)思維和系統思維，是培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的重要方法。具體來說，以科學問題的提出及其研究路線設計為導向，研究生很清楚自己的研究工作從哪里來，到哪里去，從而有的放矢地查閱和梳理文獻，及時總結實驗結果，合理設計和調整實驗方案，并不斷提出新的科學問題，推動相關研究持續(xù)進行。在這個過程中，他們的研究興趣和主動性有望提升，連續(xù)思維和系統思維有望形成，創(chuàng)新能力有望加強。

二? 以科學問題的研究路線設計為導向培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的探索

近年來，筆者的研究方向之一是新型溫室氣體減排（其中涉及的N2O以及CF4、SF6、NF3等廢氣，為1997年通過的《聯合國氣候變化框架公約》京都議定書及其后續(xù)協議限制排放的溫室氣體）。在研究過程中，鼓勵研究生大膽提出科學問題，合理設計研究路線，承前啟后，逐步推進，努力取得創(chuàng)新性的研究結果。現舉例如下。

（一）? N2O分解方法的創(chuàng)新——從N2O催化分解到資源化分解

人為排放的N2O主要來源于己二酸合成和燃料燃燒等，是一種溫室效應潛值較高的氣體，在大氣中存留時間約120年，其過量排放將加劇全球變暖，因而受到社會各界的廣泛關注。

催化分解法（N2O→N2+O2）是消除N2O的有效方法，研制高活性的催化劑是關鍵問題。筆者指導的研究生小劉同學在Co-Al2O3二元復合氧化物基礎上，為了改善催化劑的氧化還原性，擴展催化劑組成制備三元復合氧化物。為了加強催化劑各組分之間的相互作用，他嘗試了不同制備方法（溶膠-凝膠法、沉淀法、水熱合成法等），水熱合成法制得了高活性的Ce-Co-Al2O3催化劑，在接近實際工況條件下N2O可完全分解。

在N2O單獨分解的基礎上，將N2O作為氧化劑引入乙苯（英文名稱縮寫EB）脫氫制苯乙烯（英文名稱縮寫ST）反應體系，使溫室氣體分解與化學品合成相耦合（N2O+EB→ST+N2+H2O），是一條更有前景的N2O資源化分解方法。小劉同學將上述的N2O分解催化劑（Ce-Co-Al2O3復合氧化物）用于催化EB脫氫-N2O分解耦合反應，發(fā)現微孔Ce-Co-Al2O3催化劑很容易積炭而失活。根據發(fā)現的新問題，他放棄了微孔催化劑，轉向去制備介孔催化劑，并優(yōu)化表面組分的負載方法。同時，為了弱化表面酸性以減少積炭量并提高氧化還原性以加快N2O分解，優(yōu)化了表面各組分的含量。他按如圖1所示的設計路線去篩選催化劑：微孔Ce-Co-Al2O3均勻型催化劑（一步水熱合成法制備）→微孔Ce-Co/Al2O3負載型催化劑（浸漬負載法制備）→介孔Ce-Co/Al2O3負載型催化劑（浸漬負載法制備）→介孔Ce-Co/Al2O3負載型催化劑（水熱負載法制備）。最終用水熱負載法制備的介孔Ce-Co/Al2O3催化劑的抗積炭能力和穩(wěn)定性有顯著改善。

（二）? NF3分解脫氟劑的設計——從實心形貌到薄殼形貌

NF3是電子工業(yè)使用的一種新型蝕刻氣和清洗氣，其溫室效應潛值（GWP）為17 200，壽命約740年。為了引起世界各國對NF3危害性的認識，2008年聯合國環(huán)境大會將NF3增列為限制排放的溫室氣體。因此，有效消除工業(yè)過程排放的NF3廢氣是一件十分迫切的工作。

本課題組早期進行了NF3催化分解（NF3+H2O→NO+NO2+HF）研究，在催化劑作用下400 ℃時NF3完全分解，不足之處是HF產物對反應器有強腐蝕性。為此，研究生小牛同學開展了NF3無水分解研究，即在無水條件下NF3與某些金屬氧化物（脫氟劑）直接反應而分解（如NF3+Al2O3→NO+NO2+AlF3），生成的金屬氟化物（如AlF3）是有用的化學品，可實現氟資源的回收。他發(fā)現，在Al2O3、MgO、CaO、SrO、BaO、Fe2O3、Co3O4和NiO等單一金屬氧化物中，Al2O3的反應活性較高。但在Al2O3與NF3發(fā)生氣-固反應時，表層Al2O3與NF3反應生成了表面積很低、孔容很小的AlF3，脫氟劑的孔道逐漸變窄，限制了NF3氣體的擴散及其與深層Al2O3的反應，導致Al2O3的利用率不高。

為了加快NF3氣體的擴散，使用薄殼型脫氟劑，以減小脫氟劑的厚度，可能是有效措施。為此，研究生小王同學以自制碳球為模板劑制備了薄殼形貌Al2O3，代替實心型Al2O3，顯著提高了脫氟劑的反應活性和利用率。在此基礎上，調變沉淀劑（尿素、六亞甲基四胺）和基體（AlOOH、Al2O3）類型，水熱負載法制備薄殼形貌的Al2O3負載Mn2O3復合脫氟劑（Mn2O3/Al2O3），進一步提高了反應活性。薄殼形貌脫氟劑的制備路線設計如圖2所示。

（三）? CF4分解方法用于SF6分解——獲得了令人振奮的研究結果

CF4被廣泛用作半導體工業(yè)的蝕刻氣和清洗氣，鋁生產過程也產生大量CF4。CF4的GWP值為6 500，壽命約50 000年。SF6具有阻止高溫熔化態(tài)的鋁鎂被氧化的特性，大量應用于鋁鎂冶煉，在電力行業(yè)SF6作為氣體絕緣體及高壓轉換器。SF6的GWP值為23 900，壽命約3 200年。因此，CF4、SF6均是《聯合國氣候變化框架公約》京都議定書限制排放的主要溫室氣體。

研究生小范同學將上述的NF3無水分解方法（NF3+Al2O3→NO+NO2+AlF3）用于分解CF4（CF4+Al2O3→CO2+AlF3），發(fā)現CF4分解率很低，這是因為CF4的C-F鍵能遠高于NF3的N-F鍵能。所以，必須尋求高活性的脫氟劑。她廣泛查閱文獻，發(fā)現了相關報道——金屬Na與CF4反應（Na+CF4→C+NaF）的活性很高，700 ℃下CF4轉化率超過90%。但金屬Na太活潑，實驗有危險。如能在反應過程中原位產生Na，再與CF4反應，可操作性將大大改善。她繼續(xù)查閱文獻，發(fā)現了有關報道——NaF-Si-CaO三元混合物可相互反應生成Na（NaF+Si+CaO→Na）。于是，她先用NaF-Si-CaO與CF4反應，反應活性很高。她再將三元混合物中的CaO擴展至Al2O3、MgO、SrO和BaO等其他金屬氧化物，與CF4反應的活性均很高，且沒有危險性。但遺憾的是，單質炭（CF4分解產物之一）與其他固體產物混在一起而無法分離。

研究生小殷同學設想，如果將CF4的這一分解路徑（式（1））用于分解SF6（式（2）），初生成的單質硫是氣體，容易與固體產物分離。他主動投入了試驗，在尾氣的冷卻瓶中收集到了高純度的硫磺，獲得了令人振奮的研究結果，研究興趣極大提升。

NaF-Si-MO三元混合物+CF4→單質炭，? ? ?（1）

NaF-Si-MO三元混合物+SF6→單質硫。? ? ?（2）

以上所述的NF3、CF4、SF6廢氣分解路線設計，如圖3所示。

（四）? 以科學問題的研究路線設計為導向培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力的成效

在科研過程中，鼓勵研究生積極提出科學問題，學會理順研究思路，合理設計研究路線。要求他們及時總結實驗結果，把前后各部分數據連接起來，不僅要明白每個部分的作用，更要清楚各部分之間的聯系。并根據實際結果，及時調整實驗方案，少走彎路。實踐表明，受這種模式訓練的研究生，思維嚴密，主動性強，科研進度快，創(chuàng)新能力顯著增強，推動了課題組的相關研究工作。舉例如下。

1）筆者指導的2013—2019級碩士研究生全部獲得了煙臺大學研究生科技創(chuàng)新基金項目資助（該項目的資助人數低于全體研究生的15%），在實施過程中，他們認真設計實驗方案，主動科研，取得了較好的研究結果，發(fā)表了一系列研究論文。

2）文中提到的小劉同學積極提出科學問題，合理設計研究路線，主動科研，取得了較好的研究結果，發(fā)表4篇SCI論文。2022年5月，順利考取了某985高?；W科博士研究生，而且考博成績在同方向的考生中排名第一。說明受到科學問題研究路線設計為導向訓練的研究生，對他們的后續(xù)發(fā)展起到了很好的助力作用。

3）研究生們不斷發(fā)現和提出新的科學問題，推動了相關研究深入進行，也推動筆者在“新型溫室氣體減排”方向確立了明確的研究路線，形成了鮮明的研究特色。在該方向上獲得了十多項科研項目資助，充足的科研經費為持續(xù)開展研究提供了保障，也提升了導師的創(chuàng)新能力和指導能力。

三? 結束語

綜上所述，筆者發(fā)現積極提出科學問題，廣泛查閱參考文獻，及時理順研究思路，合理設計研究路線，是訓練研究生連續(xù)思維和系統思維，培養(yǎng)他們的科研興趣、主動性和創(chuàng)新能力的有效方法。受到這種模式訓練的研究生，思維嚴密，主動性強，科研進度快，創(chuàng)新能力顯著增強，對他們的后續(xù)發(fā)展起到了很好的助力作用。教學相長，也提升了導師的創(chuàng)新能力和指導能力。

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基金項目：山東省優(yōu)質研究生課程建設項目“催化原理”（SDYKC2022159）;煙臺大學研究生教育教學改革研究項目“以系列科學問題的研究路線設計為導向培養(yǎng)研究生的系統思維和創(chuàng)新能力”（2021）

第一作者簡介：徐秀峰（1968-），男，漢族，山東平度人，博士，教授，碩士研究生導師，學院學術委員會主任。研究方向為催化與環(huán)境化工。