孔令杰

[關(guān)鍵詞]課程思政;研究生專業(yè)課;交叉學(xué)科;腦科學(xué);光學(xué)工程

新時(shí)代高校課程思政建設(shè)對(duì)于加強(qiáng)在知識(shí)傳授過程中有機(jī)融入課程思政提出了新的任務(wù)和要求。在此背景下，近年來清華大學(xué)提出了價(jià)值塑造、能力培養(yǎng)和知識(shí)傳授“三位一體”的教育理念和人才培養(yǎng)模式，并就教學(xué)活動(dòng)中有效落實(shí)“三位一體”教育理念展開了深入探討。在研究生專業(yè)課教學(xué)中如何將課程思政與知識(shí)傳授有機(jī)融合？本文以清華大學(xué)研究生專業(yè)課神經(jīng)光子學(xué)為例，介紹作者以講好科學(xué)故事為切人點(diǎn)，探討科學(xué)研究的精神與方法等方面所做的探索與實(shí)踐。

當(dāng)前世界各國紛紛推出“腦計(jì)劃”，積極開展腦科學(xué)研究。例如，美國于2013年推出了BRAIN initiative（Brain Research through Advancing Innovative Neurotech-nologies，通過推動(dòng)創(chuàng)新型神經(jīng)技術(shù)開展腦科學(xué)研究）計(jì)劃，極大地推動(dòng)了神經(jīng)科學(xué)與神經(jīng)技術(shù)的發(fā)展?！吧窠?jīng)光子學(xué)”應(yīng)運(yùn)而生，并得到迅速發(fā)展，成為一門新興的前沿交叉學(xué)科。所謂神經(jīng)光子學(xué)，即采用光學(xué)技術(shù)手段的非侵入性、高空間分辨率等優(yōu)點(diǎn)開展神經(jīng)科學(xué)研究，神經(jīng)光子學(xué)研究不僅有助于揭示腦認(rèn)知規(guī)律、輔助腦疾病診治，還將推動(dòng)腦機(jī)接口、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展。課程負(fù)責(zé)人對(duì)上述前沿內(nèi)容進(jìn)行了歸納、梳理，自2018年始開設(shè)了研究生專業(yè)課神經(jīng)光子學(xué)，講授生物背景知識(shí)、相關(guān)研究技術(shù)，并探討未來發(fā)展方向。在介紹相關(guān)技術(shù)時(shí)著重以介紹“科學(xué)家”和“科學(xué)史”的故事為思政教學(xué)切入點(diǎn)，通過課堂講授與討論實(shí)現(xiàn)知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)與價(jià)值引領(lǐng)的結(jié)合。

一、科學(xué)研究的精神

研究生選擇攻讀碩士或博士學(xué)位以及將科學(xué)研究作為職業(yè)追求的初衷應(yīng)當(dāng)是什么？歷史上諸多偉大的科學(xué)家都給出了答案。

（一）“求真”——探索未知

腦科學(xué)被稱為“人類認(rèn)識(shí)自然與自身的終極挑戰(zhàn)”。時(shí)至今日，人們對(duì)于“兩耳之間重三英鎊的物質(zhì)”仍知之甚少。這是因?yàn)槿四X約有860億個(gè)神經(jīng)元，通過數(shù)百萬億個(gè)突觸建立連接，其復(fù)雜度可想而知。然而，正是由于人們一直對(duì)大腦的奧秘充滿著“好奇心”，神經(jīng)科學(xué)才得以持續(xù)發(fā)展。甚至有一些科學(xué)家在某些領(lǐng)域獲得諾貝爾獎(jiǎng)之后，又轉(zhuǎn)向腦科學(xué)研究，并取得了非凡成就。例如，弗朗西斯·克里克（Francis Crick）于1962年因揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，但他后來繼續(xù)把自己的天賦轉(zhuǎn)移到一個(gè)深層次的科學(xué)問題的探索之上，研究意識(shí)的根源——大腦;利根川進(jìn)（Tonega-wa Susumu）于1987年因發(fā)現(xiàn)抗體多樣性的遺傳學(xué)原理而獲得諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，但他近期轉(zhuǎn)向?qū)W習(xí)與記憶等認(rèn)知科學(xué)，并取得了多項(xiàng)突破。

當(dāng)然，尋求真理的道路從來不是平坦的，腦科學(xué)的發(fā)展歷程也是如此。在學(xué)術(shù)爭辯中，人們艱難地趨向真理。例如，1906年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）和拉蒙·卡哈爾（Santiago Ram6n vCaial）曾對(duì)簿諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮，就“神經(jīng)網(wǎng)狀學(xué)說”與“神經(jīng)元學(xué)說”展開爭論。盡管高爾基發(fā)明了一種神經(jīng)組織的稀疏染色方法（其機(jī)理至今仍是未知之謎），為人們清晰觀察神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供了可能，但是他固執(zhí)己見，認(rèn)為神經(jīng)系統(tǒng)是像血管系統(tǒng)一樣的彌散網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在其獲獎(jiǎng)演講中對(duì)卡哈爾的神經(jīng)元學(xué)說大加抨擊?？ü杽t發(fā)揮其藝術(shù)天賦，將經(jīng)光學(xué)顯微鏡觀察得到的圖像通過一幅幅手繪圖（如圖1），向人們揭示了神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立了神經(jīng)元學(xué)說。上述爭論直到20世紀(jì)50年代人們采用更高分辨率的電子顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)才終于平息，卡哈爾也因提出正確的“神經(jīng)元學(xué)說”被譽(yù)為“現(xiàn)代神經(jīng)生物學(xué)之父”。類似的，在人工智能領(lǐng)域也同樣存在一些爭論。例如，1969年圖靈獎(jiǎng)獲得者馬文·明斯基（Marvin Lee Minsky）作為人工智能的倡導(dǎo)者之一，堅(jiān)信人的思維過程可以用機(jī)器去模擬，機(jī)器也是可以有智能的。他認(rèn)為：“大腦無非是肉做的機(jī)器而已。”然而，這種觀點(diǎn)遭到了另一位圖靈獎(jiǎng)獲得者莫里斯·威爾克斯（Maurice Vincent Wilkes）針鋒相對(duì)的抨擊。孰是孰非，我們?nèi)孕枋媚恳源?/p>

此外，科學(xué)研究的“求真”還意味著實(shí)事求是、“不做假”。這是科學(xué)研究的底線，是研究生學(xué)術(shù)規(guī)范教育的重要內(nèi)容。

在神經(jīng)光子學(xué)課程的教學(xué)中，通過介紹上述故事啟發(fā)學(xué)生樹立正確的科研價(jià)值觀，使學(xué)生以嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)的態(tài)度從事科學(xué)研究。

（二）“求善”——造福人類

人們從事科學(xué)研究的目的和意義是什么？顯然，答案之一是為了造福人類，改善人們的生活或保障人們的健康。在教學(xué)中，本課程設(shè)置了課間五分鐘報(bào)告環(huán)節(jié)，由學(xué)生分享各種神經(jīng)技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)于揭示神經(jīng)系統(tǒng)工作機(jī)理、推動(dòng)腦疾病診治等方面的貢獻(xiàn)。例如，某學(xué)生介紹了近年來迅速發(fā)展的新型神經(jīng)調(diào)控技術(shù)——光遺傳學(xué)（Optogenetics）及其應(yīng)用。光遺傳學(xué)克服了傳統(tǒng)電生理技術(shù)的諸多缺點(diǎn)，其技術(shù)已被成功應(yīng)用于研究學(xué)習(xí)記憶、成癮性、運(yùn)動(dòng)障礙、睡眠障礙、帕金森癥模型、遺傳性失明、抑郁癥和焦慮癥或解析神經(jīng)環(huán)路等方面。目前，該技術(shù)已成功拿到了美國食品與藥品監(jiān)督管理局（FDA）的臨床試驗(yàn)批準(zhǔn)批準(zhǔn)，正走向產(chǎn)業(yè)化。

需要指出的是，科學(xué)發(fā)展史上也曾有一些狂熱造成的血淚史，科研“求善”的初心也可能會(huì)非常脆弱。例如，1949年的諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)被授予了葡萄牙醫(yī)師安東尼奧·埃加斯·莫尼斯（Ant6nio Egas Moniz），以表彰他發(fā)明的前腦葉白質(zhì)切除術(shù)。遺憾的是，雖然莫尼斯發(fā)現(xiàn)該手術(shù)會(huì)帶來不可避免的副作用，但他在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)演講中仍然樂觀地總結(jié)道：“前腦葉切除術(shù)簡單、高效且毫無危險(xiǎn)，很可能是一種高效治療精神錯(cuò)亂的外科手術(shù)。”遺憾的是，此后不到一年，對(duì)莫尼斯的批判就超越了贊許，他賴以成名的前腦葉白質(zhì)切除術(shù)也開始在全世界范圍內(nèi)遭受抵制，成為醫(yī)學(xué)界的“黑歷史”。

（三）“求美”——追求致美

神經(jīng)光子學(xué)課程內(nèi)容主要圍繞著光與神經(jīng)組織的相互作用展開，而這些復(fù)雜的過程均可由被譽(yù)為“世界上最美的物理公式”——麥克斯韋（Maxwell）方程組進(jìn)行描述。

1865年，麥克斯韋提出了麥克斯韋方程組，其包含了法拉第電磁感應(yīng)定律、電場(chǎng)高斯定律、磁通連續(xù)性原理及安培環(huán)路定律。對(duì)應(yīng)的微分形式如下：

麥克斯韋通過四個(gè)方程組成的方程組“非常漂亮地”將電場(chǎng)和磁場(chǎng)統(tǒng)一起來，預(yù)測(cè)了電磁波的存在及傳輸過程，對(duì)現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。當(dāng)前，對(duì)統(tǒng)一理論的追求仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，科學(xué)上追求致美的精神仍驅(qū)使著人們用統(tǒng)一化的方法去描述自然的各個(gè)層面。

為了描述光在光學(xué)系統(tǒng)及神經(jīng)組織中的傳輸過程、光與組織的相互作用過程（包括吸收、反射、折射、衍射、散射、非線性響應(yīng)等），可將上述方程聯(lián)合起來，從而推導(dǎo)出波動(dòng)方程。該方程幾乎可涵蓋本課程介紹的所有光學(xué)顯微觀測(cè)技術(shù)，是統(tǒng)一理論在神經(jīng)光子學(xué)領(lǐng)域的具體體現(xiàn)。

除此之外，姚期智先生在《科學(xué)家與科學(xué)之路》的報(bào)告中還指出，科學(xué)研究的“求美”也包括在科研過程中享受探索、思考和發(fā)現(xiàn)帶來的那種“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”的驚喜——一種別樣的美。

正如體育界所發(fā)揚(yáng)的“更高、更快、更強(qiáng)”的奧林匹克精神，科學(xué)研究的追求也永遠(yuǎn)是向著最高峰前進(jìn)。例如，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)觀測(cè)領(lǐng)域，當(dāng)前人們正向著“更深、更快、更廣、更低光毒性”的目標(biāo)前進(jìn)（圖2）。以提升觀測(cè)深度為例，人們先后發(fā)明了激光掃描共聚焦技術(shù)、雙光子熒光顯微技術(shù)等。近年來，人們將天文學(xué)中發(fā)展的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用到顯微成像領(lǐng)域，發(fā)展了自適應(yīng)光學(xué)顯微技術(shù)，通過補(bǔ)償光在組織中傳輸時(shí)所經(jīng)歷的波前畸變，提高了成像空間分辨率及穿透深度。最近康奈爾大學(xué)（Cornell University）的華人科學(xué)家Chris Xu教授進(jìn)一步發(fā)展了三光子熒光顯微技術(shù)，使得腦皮層以下神經(jīng)活動(dòng)觀測(cè)首次成為可能。這種“不斷突破，不斷創(chuàng)造新紀(jì)錄”的科學(xué)精神與薛其坤院士在央視《開講啦》欄目中提出的“追求極致”不謀而合。

二、科學(xué)研究的方法

創(chuàng)新能力培養(yǎng)也是研究生課程的教學(xué)目標(biāo)之一。在本課程的教學(xué)實(shí)踐中，通過引經(jīng)據(jù)典為學(xué)生介紹相關(guān)技術(shù)發(fā)明者的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)或“感慨”，為學(xué)生提高創(chuàng)新能力提供參考。

（一）“站在巨人的肩膀上”

談起創(chuàng)新，知識(shí)積累的重要性自然不言而喻，需要學(xué)生通過刻苦努力的學(xué)習(xí)不斷補(bǔ)充新知識(shí)。但是，僅僅“站在巨人的肩膀上”是不夠的，學(xué)生還需要掌握遷移學(xué)習(xí)的本領(lǐng)。1953年，澤尼克（Frederik Zernike）因發(fā)明了相襯顯微鏡而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)演說中坦言相襯技術(shù)起源于他在研究衍射光柵時(shí)用到的方法，最早是由瑞利勛爵（Lord Rayleigh）于1900年描述的。他感慨道：“在所有的干涉現(xiàn)象中，相位的差別都是非常重要的，這是一個(gè)司空見慣的常識(shí)。但是為什么在顯微鏡技術(shù)中，相位從來沒有被考慮過？”“在回顧這些事件時(shí)，我深深地感嘆于人類心智的局限。我們可以很快地學(xué)習(xí)（即模仿他人曾經(jīng)做過的或思考過的），但是理解起來卻很慢（即看到它們的內(nèi)在聯(lián)系），最慢的就是發(fā)現(xiàn)新的聯(lián)系或?qū)⑴f的思想應(yīng)用到新的領(lǐng)域”。

（二）注重學(xué)科交叉

學(xué)科交叉為創(chuàng)新提供了一條新途徑。1948年，諾伯特·維納（NorbertWiener）在其著作《控制論》中寫道“在科學(xué)發(fā)展上可以得到最大收獲的領(lǐng)域是各種已經(jīng)建立起來的部門之間的被忽視的無人區(qū)……正是這些科學(xué)的邊緣區(qū)域，給有修養(yǎng)的研究者提供了最豐富的機(jī)會(huì)?！钡拇_如此，近年來多項(xiàng)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予了交叉學(xué)科。例如，2014年埃里克·白茲格（Eric Betzig）等人因發(fā)明了超分辨顯微成像技術(shù)而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。白茲格本是一位物理學(xué)家，早在1995年就撰文提出了一種超分辨成像的設(shè)想，但是限于當(dāng)時(shí)可用的熒光材料，直到2006年左右他才得以開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在此期間，他一直關(guān)注著生物科學(xué)的發(fā)展。當(dāng)他了解到生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種可通過激光控制在激發(fā)態(tài)和暗態(tài)之間切換的熒光蛋白時(shí)，立即在簡陋的地下室里開展了光活化定位顯微（PALM）實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了超分辨顯微成像。與此同時(shí)，哈佛大學(xué)（Harvard University）的華人科學(xué)家莊小威教授也進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，提出了隨機(jī)光學(xué)重建顯微鏡（STORM）技術(shù)。顯然，這些變革性突破均得益于多學(xué)科的交叉融合。

如何培養(yǎng)具備交叉學(xué)科背景的創(chuàng)新人才以推動(dòng)科學(xué)發(fā)展、技術(shù)進(jìn)步？首先要明確跨學(xué)科復(fù)合型人才應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)。維納在其《控制論》中描述道：“到科學(xué)地圖上的空白地區(qū)去作適當(dāng)?shù)牟榭惫ぷ鳎荒苡蛇@樣一群科學(xué)家來擔(dān)任：他們每人都是自己領(lǐng)域中的專家，但是每人都對(duì)其臨近的領(lǐng)域有著十分正確和熟練的知識(shí);大家都習(xí)慣于共同工作，互相熟悉對(duì)方的思維習(xí)慣，并且能在同事們還沒有以完整的形式表達(dá)出自己的新想法的時(shí)候就理解這種新想法的意義。數(shù)學(xué)家不需要有領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)的本領(lǐng)，但卻需要有一個(gè)了解生理學(xué)實(shí)驗(yàn)、批判一個(gè)實(shí)驗(yàn)和建議別人去進(jìn)行一個(gè)實(shí)驗(yàn)的本領(lǐng)。生理學(xué)家不需要有證明某個(gè)數(shù)學(xué)定理的本領(lǐng)，但是必須能夠了解數(shù)學(xué)定理中的生理學(xué)意義，能夠告訴數(shù)學(xué)家他應(yīng)當(dāng)去尋找什么東西?！?/p>

神經(jīng)光子學(xué)是光學(xué)工程與神經(jīng)科學(xué)交叉產(chǎn)生的前沿新興學(xué)科。課程的教學(xué)特色之一就是注重學(xué)科交叉，以神經(jīng)科學(xué)為背景，以解決其技術(shù)需求為出發(fā)點(diǎn)，以相應(yīng)的光學(xué)工程技術(shù)、方法為主要內(nèi)容，培養(yǎng)具有交叉知識(shí)背景的復(fù)合型人才，為從事這一前沿交叉學(xué)科的創(chuàng)新研究奠定基礎(chǔ)?？紤]到選課學(xué)生的多學(xué)科背景（目前有來自精儀系、電子系、自動(dòng)化系、生物醫(yī)學(xué)工程系及生命科學(xué)學(xué)院的高年級(jí)本科生及研究生），課程教學(xué)中教師應(yīng)積極創(chuàng)造機(jī)會(huì)供大家利用課內(nèi)外時(shí)間充分交流、互相學(xué)習(xí)。此外，課程還安排了若干次上機(jī)實(shí)驗(yàn)，讓工科生在聽得懂“生物語言”的同時(shí)，能在生物實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作中，發(fā)掘所學(xué)工科知識(shí)的“用武之地”;讓理科（生物學(xué)）生在進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)觀察的同時(shí)，能加深對(duì)所用光學(xué)儀器原理的理解，以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)或參數(shù)設(shè)置。

三、結(jié)語

神經(jīng)光子學(xué)課程教學(xué)中通過講好科學(xué)故事，與學(xué)生積極探討科學(xué)研究中“求真”“求善”“求美”的精神及科學(xué)研究的方法，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)傳授、能力培養(yǎng)與價(jià)值引領(lǐng)的結(jié)合。此外，通過著重介紹華人科學(xué)家的貢獻(xiàn)，增強(qiáng)了學(xué)生的自豪感。盡管研究生專業(yè)課具有很強(qiáng)的專業(yè)化特點(diǎn)，但是每門學(xué)科的發(fā)展都充滿著“科學(xué)家”和“科學(xué)史”的故事。講好科學(xué)故事，將有助于加強(qiáng)新時(shí)代高校課程思政建設(shè)、提升研究生創(chuàng)新能力。