原创性研究引领学生创新能力的培养
冯小明 曹伟地 刘小华
摘 要：培养学生的创新能力，要基于学生不同阶段的心理和学习特点、结合教学内容的知识体系，将新的科学前沿成果融入课堂教学，让学生认识科学本质，了解科学起源和进展，激发学生对科学的好奇心和激情。要围绕重要的具有挑战性的科学问题，培养学生提出问题、分析和解决问题的能力，做具有“原创性、创新性、引领性和有用性”的研究。通过原创性科学研究，完善学生的知识体系，强化学生的创新意识、创新能力和责任担当。
关键词：人才培养;原创性研究;创新能力培养
人才是科技创新的关键，是国家发展进步的重要支撑，是建设科技强国的基石。高校是人才培养的重要基地。作为大学教师，在教书育人过程中，教什么？育什么？这是值得思考的问题。我们认为归纳起来就是三点，即培养什么样的学生？怎样培养？优秀学生（人才）具有怎样的特征？
关于培养什么样的学生，教育部、各高校都已提出了明确的培养目标，就是要使本科生具有扎实的基础理论知识和系统的专业知识。现在这个目标放得更开，即大众化的教育。简单地说，就是培养学生的技能和能力，将来既能支撑家庭，也能为国家做贡献。如何培养就成了关键，不同的老师有不同的理念、不同的体会，没有统一的培养模式。但对于优秀学生的特征应该都是一样的，包括智慧、勤奋、诚信、自信、担当等。
一、大学是培养学生创新能力的主要阶段
学生学习一般可以分为两个阶段：一个是接受知识阶段。孩子出生后首先与父母接触，父母是第一任老师，教孩子认识世界，认识周围的环境，学会走路、说话等。在幼儿园里，幼儿园老师初步教他们对人、对自然界形成一些认识，在玩乐中使孩子热爱自然，熱爱他人，享受幼年的乐趣。上小学后开始接受正规的知识，包括语文、数学、自然和艺术等，从简单认字、组词以及加减乘除等，到记录一些对世界的认知认识，以及掌握一些能够用来表述对世界认知的基础知识。在初中阶段，课程有所增加，涵盖了物理、化学、生物、地理以及其他一些课程，开始加深对自然界系统性知识的认识和理解，学习一些规律定律等，并用这些规律定律来理解自然界的一些现象。到了高中阶段，老师加快了知识传授的速度，且在知识的系统化方面进行延伸，引导学生进一步认识自然界。从学前阶段到高中阶段，学生基本上都是处于接受知识的状态。
进入高等教育阶段，尤其是在大学一二年级，仍然是以老师传授知识、学生接受知识为主。在此期间，老师会讲授更广泛也更深入的内容，让学生去领会，去融会贯通。对于理工科学生，老师将指导学生通过一些设计实验验证理论知识，使理论知识和实践教学紧密结合，专业知识得以巩固。到了大学三四年级，学生逐渐从接受知识阶段向创造知识阶段转变，优秀的学生会提前进实验室，进一步学习和拓展实验技能，并阅读专业文献，了解学科前沿进展和社会发展技术需求，并与课本上基础知识结合起来，通过分析总结，思考如何创造知识，将未知变成已知。在这个过程中，学生的思考能力和创新能力得到提高。此外，本科毕业设计是提升学生创新能力的又一个系统训练。进入硕士、博士学习阶段后，与本科阶段相比发生了质的变化，培养学生凝练科学问题的能力和创新意识更为重要。学生在掌握专业基础理论和学科发展状况的前提下，通过分析问题、提出问题并探讨解决问题的途径和方法，从而创造知识，创新能力得到质的飞跃。学生从接受知识阶段到创造知识阶段之间并没有明显的界限，其中还有一个重要的环节，就是将学到的知识融会贯通，利用接受的旧知识创造新知识。
二、原创性研究对学生创新能力的培养具有重要影响
原创性基础研究，即在规律、机理等方面取得首次发现的研究，是技术创新和科技发展的重要基础，是培养和造就科技人才的摇篮，对推动人类社会进步和经济发展有重大影响。尽管现在不少科学知识体系的发展都处于一种比较成熟的阶段，普遍认为只要接受并使用就够了，但要做到真正的创新，就必须突破已有的结论、规律和定律。
2003年美国科学院院士、哈佛大学Jacobsen教授在《科学》上发表的文章[1]和后来大家公认的结论：刚性构象是优势手性催化剂（即能够催化多种反应并取得优异结果的手性催化剂）的重要特征。基于这种认识，我们最初在设计催化剂时也是沿着这个思路，但后来我们设计合成了一类新型手性双氮氧化合物，两边是刚性骨架，中间由一个柔性烷基链连接，类似中国功夫里的双节棍。这类柔性构象手性双氮氧催化剂[2-4]的发现突破了以往优势催化剂刚性骨架要求的理念，为新型手性催化剂的设计提供了新思路，现已成了一类在国际上具有引领性的手性催化剂，被国际同行以中国本土化学工作者姓氏命名为“冯催化剂”[2]。
还有一个例子，有机化学课程中关于手性1，3-二羰基化合物性质的介绍，现有教材都明确指出：“1，3-二羰基化合物的α-碳上连接有氢原子时，很容易发生烯醇化而导致不能得到光学纯的1，3-二羰基化合物”;牛津大学出版的《有机化学》教材中对于1，3-二羰基化合物是这样描述的：“尝试制备手性中心位于两个羰基之间的光学活性β-酮酯是愚蠢的”[5]。我们课题组的一个大三学生在上了“有机立体化学”课程后，对这个内容很好奇，也很感兴趣，就想挑战这个难题。我们设想，如果能找到合适的分离手段，避免消旋化，这个问题应该就能解决，于是考察了重氮化合物与醛反应（即Roskamp反应[6]，得到的产物是1，3-二羰基化合物）。前期的研究结果表明，这类化合物确实容易发生消旋化。我们通过对实验细节的分析和讨论，确认了影响数据波动的因素，并通过低温柱层析或快速抽滤的方式解决了消旋化问题，从而得到了光学活性的1，3-二羰基化合物，且重现性很好[7]。该《有机化学》教材主编Clayden教授在了解这个研究工作后给我们来信说，“之前关于无法得到光学纯的1，3-二羰基化合物的说法是基于哈佛大学的Evans教授在10多年前发表的工作”。他表示，将把我们的工作写入下一版教材，纠正之前的结论。这一工作也被编入美国爱思唯尔（Elsevier）出版社的人名反应专著“Organic Synthesis Based on Name Reactions”（基于人名反应的有机合成），并被冠名为Roskamp-Feng反应（Feng即冯小明）[8]。
这是第一个以中国本土研究工作命名的有机人名反应。在完成这项研究工作后，这个学生又实现了一系列创新性的工作，为世界同行在该研究领域打开了一个方向。
抗疟性药物青蒿素挽救了全球万千生命。但是，这个药物已被发现在巴西和柬埔寨等地产生了抗药性，因此要寻找新的抗疟疾药物。一个具有新作用机制和低毒性的手性抗疟疾候选药物KAE609已经由美国诺华公司研发并开始了二期临床试验，因而我们关注这个化合物的合成。文献方法是，先合成消旋体，再经手性拆分，获得单一构型的光学纯分子，理论收率不会超过25%，实际收率只有约2%[9]。我们课题组的学生基于对手性药物的好奇心和对发展绿色高效合成方法重要性的认识，通过分析已有方法并合理设计，利用我们的特色催化剂，发展了一个简单、高效、高选择性的合成该手性药物分子的不对称催化新方法[10]。
这些实例表明，通过开展原创性研究工作，并融入课堂教学，会引导学生从现象中凝练问题、分析问题并寻求解决方案，形成系统化的知识。经过这样的过程和训练，能够使学生突破已有的知识，创造新的知识，创新意识和创新能力得到显著提高。
三、如何培养学生的创新能力
培养学生的创新能力，关键的一点就是激发学生对知识、对科学的渴望与好奇。爱因斯坦曾说过“兴趣是最好的老师”，这句话非常有道理。美国的诺贝尔奖获得者为什么这么多？科技创新能力为什么这么强？实际上与他们的教育模式是密不可分的。他们的学生若想进入美国一流高校，从中小学就要开始忙碌，甚至在中午吃饭的时候，端个盒饭去做公益，这样就可以利用更多的时间拿到更多的积分，为自己进入大学积累砝码。尽管学习过程和国内一样辛苦，但是他们的学生能乐在其中，主要原因就是对自己所学习的内容感兴趣，满怀激情地投入进去。国内的家长和学校在教育和培养学生过程中，没能对“兴趣是最好的老师”这句话足够的重视和真正地实践，从小学到大学，甚至到研究生阶段，很多时候仅仅把它当作一句口号，教学过程中照本宣科，不能激发学生的学习热情和主观能动性，并主动去理解原理和本质，使学生缺乏创新意识和创新能力。因此，我们老师在授课、指导学生或科普过程中，应引入一些自然现象和一些科学问题激发学生的好奇心，用好奇心驱动学生的学习激情，促使学生主动探索，对自己的学习科研产生主人翁意识。比如，我们给学生讲授“有机立体化学”课程时，会涉及一个基本概念——“手性”，这个时候让学生观察自己的双手有什么异同，为什么是镜面对称但又不能完全重叠？组成生命体的天然手性氨基酸为什么都是L构型而不是D构型的？藤缠树为什么都是沿同一个旋转方向缠绕？这些问题都会促使学生主动思考“手性”的意义和手性化学的重要性[11]。
除了好奇心驱动学习激情，责任和担当意识的融入能够使学生认识到专业知识学习的意义和科学研究的价值，进一步激发和坚定学生的学习兴趣和激情。比如，我们在给学生讲授含膦化合物性质时，引入科学研究中的实例：治疗丙肝药物索菲布韦和治疗新冠候选药物瑞德西韦等含膦化合物是造福人类的，而另一类含膦化合物却被某位诺贝尔奖得主用于开发致命的神经毒剂。
在教学内容上，除了教学大纲要求的内容，老师要不断地融入新知识、新进展，包括学科前沿、学科进展、发展趋势，尤其是一些原创性研究，引领学生融会贯通，将专业知识进行创新用于解决问题。要提出有重要意义的挑战性问题，启发学生去思考解决。比如“啃骨头”的问题，就像数学中的百年猜想，经历很多学者不断探索、最终解决的问题。还要注重培养学生利用多种手段、多种方式、多个途径去解决问题的能力。现在已有的一些手段、方式、途径是可用的，也很重要，但更重要的是使学生深入理解，举一反三，进而创新创造。
此外，每一位学生都有各自的思想、性格和特点。作为老师，要有宽广的胸怀，要关爱每一位学生，对每一位学生都非常了解，对不同的學生采用不同的教学模式，做到有教无类、因材施教，这样才能培养出更多的有责任担当、有创新能力和创造能力的人才。
四、关于学生综合素质的培养
立德树人是教师的根本任务。对于学生的培养，不仅仅是文化知识的传授、创新能力的提高，综合素质的培养同样非常重要。我们课题组20年来培养了100多名硕士、博士毕业生，形成了“智慧、勤奋、诚信、自信，抓住机遇，走向成功”的课题组文化，以及“坚定信念，敢于创新，实事求是，强化责任”的育人理念。“坚定信念”就是执着追求，人能走多远，不能看双脚，而是看志向;人能攀多高，不能看双手，而是看意志。要教导学生在大学之初就树立远大的目标和理想，并沿着这个目标脚踏实地、努力奋进。“敢于创新”就是要做真正的原始性研究，如果始终跟着别人的研究走，只能是证明别人的好，在任何时候都会被“卡脖子”，而如果自己做出“从0到1”的原创性成果，再利用原创性研究产生原创性技术，就能开辟新领域，发展新方向，引领学科发展。“实事求是”是指做人做事要严守底线，经得起时间的检验，尤其是科学研究，不能有半点虚假。最后是“强化责任”，大到为国家、为民族，小到为家庭、为个人，都应尽到自己的责任，回报父母，回报社会，为国家富强和民族复兴做出贡献。
总之，优秀学生的成长过程是复杂的，会受到各种因素的影响。学生首先要明确自己的目标和理想，然后制定计划，按照计划行动，在这过程中要克服各种困难，最终才能取得成功。作为老师，在培养学生过程中要将新的知识、新的科学前沿成果，尤其是原创性研究融入课堂教学，让学生了解科学、认识科学，激发学生对科学的好奇心和激情，从而热爱科学，愿意从事科学研究，探索科学的奥秘;要引导学生树立正确的世界观、人生观、价值观，培养学生的科学精神和勇攀科学高峰的责任感;要强化学生的创新意识和创新能力，使之成为有德有才的社会精英。让创新成为一种素质，伴随着学生的成长，为引领人类社会的发展
领跑！
参考文献：
[1] YOON T P， JACOBSER E N. Privileged chiral catalysts [J]. Science， 2003（299）： 1691-1693.
[2] WANG Z， LIU X H， FENG X M. Asymmetric catalysis enabled by chiral N，N′-dioxide–nickel（II） complexes [J]. Aldrichimica ACTA， 2020（53）： 3-10.
[3] 曹伟地，刘小华，冯小明. 手性双氮氧配体及其金属配合物不对称催化 [J]. 科学通报，2020（65）：2941-2951.
[4] WANG M-Y， LI W. Feng ligand： privileged chiral ligand in asymmetric catalysis[J]. Chin. J. Chem.， 2021（39）： 969–984.
[5] CLAYDEN J， GREEVES N， WARREN S. （eds） Oxford University Press： Organic Chemistry [C]， 2012： 459-460.
[6] HOLMQUIS C R， ROSKAMP E J. A selective method for the direct conversion of aldehydes into β-keto esters with ethyl diazoacetate catalyzed by tin（II） chloride [J]. The Journal of Organic Chemistry， 1989（54）： 3258-3260.
[7] LI W， WANG J， HU X L， et al. Catalytic asymmetric Roskamp reaction of α-alkyl-α-diazoesters with aromatic aldehydes： Highly enantioselective synthesis of α-alkyl-β-keto esters [J]. Journal of the American Chemical Society， 2010（132）： 8532-8533.
[8] HASSNER A， NAMBOOTHIRI I. （eds） Elsevier： Organic Synthesis Based on Name Reactions， Third Edition [C]， 2011： 408.
[9] WINZELER E A， DIAGANA T T， et al. Spiroindolones， a potent compound class for the treatment of malaria[J]. Science， 2010（329）： 1175-1180.
[10] ZHENG H F， LIU X H， XU C R， et al. Regio- and enantioselective aza-Diels–Alder reactions of 3-vinylindoles： A concise synthesis of the antimalarial spiroindolone NITD609 [J]. Angewandte Chemie International Edition， 2015（54）： 10958-10962.
[11] 林國强，李月明，陈耀全，等. 手性合成——
不对称反应及其应用：第5版[M]. 北京：科学出版社， 2013.
[责任编辑：夏鲁惠]
