深度 | 整合科学：培养科研领军人才
深 度 专 题
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关键词：跨学科教育 整合科学
编者按
未来的世界复杂多变，新的学术发展和突破往往出现在学科交错的边界，跨学科已成为必然之势。为了培养“引领未来的人才”，北京大学设立了多层次的跨学科本科教育项目，无论是跨院系选课、辅修／双学位，还是跨学科项目、跨学科专业，每个人都在享受着跨学科教育，都可以找到属于自己的成才之路。
这一个专题，教务部与北大官微合作将推出系列报道，对北大的跨学科教育进行介绍。整合科学是什么？文物保护在化学基础上会有什么突破？数据科学与大数据技术的新趋势在哪里？……敬请期待
1944年，著名物理学家薛定谔出版《生命是什么》，奏响了揭示生命进化里遗传微观奥秘的先声。在此之后，生命科学出现了两次革命。如果生命是一部汽车，那么第一次分子生物学的革命使得我们像了解一辆汽车的零部件一样，对蛋白质和基因有了透彻的了解，第二次基因组学的革命则是把“生命天书”拷贝了下来，这好比是汽车的修理手册，出了什么故障，怎么修理，这本书上都有，但是我们对这本天书还没有完全读懂。如果说第一次革命受到物理学家的极大影响，第二次革命是数学、计算机科学和生物学的交叉，那么现在生命科学正在经历的第三次革命的最大特点就是，生命科学和物理、化学、工程不再是简单的交叉，而是我中有你、你中有我，共同发展，共同驱动。[1]
DNA双螺旋结构（图片来源于网络[2]）
在此背景下，2014年，北京大学设立整合科学专业，促进学科之间特别是生命科学与其它定量学科之间的深度交叉融合，培养新一代跨学科创新性科研人才。四年间，整合科学专业正式在教育部注册成立，第一批学生中有一半去了哈佛大学、麻省理工学院等海外名校的实验室做暑期科研。整合科学成为北京大学在探索高水平本科人才培养模式中走出的新的一步。
万丈高楼平地起
整合科学的核心专业课包括“微积分与力学”、“定量分子生物学”、“生物化学”、“定量细胞生物学”、“整合热力学”、“整合化学动力学”、“电磁学”、“概率统计”、“量子力学与光谱基础”等，这些大学前两年的“硬课”使学生对各个学科都有一定的了解，并能从各方面融会贯通。整合的课程更接近科学的本来面貌，对一些前沿交叉科学有很大帮助。例如，牛顿发明微积分，是要给力学系统找一个数学语言，“微积分与力学”这门课就是从问题，而不是工具出发，做到数学与物理的整合。14级叶雅晴回想起这门课时说：“这门课不是那种一步一个台阶地以线性形式进展的课，而是一开始就把整个图景展现在你面前。虽然很多时候有些深的地方会比较晦涩，类似远处的风景看不真切的那种感觉，但是会有那么一个印象，会有一个全局观，后面再学的时候就是把新学的东西填补到里边去，让之前模糊的印象逐渐清晰起来。”
北京大学前沿交叉学科研究院执行院长、定量生物学中心主任汤超教授认为，只要课程设计得好，整合科学方向的学生就能打下既广又深的基础。各学科自成体系与互相融合，这两种教学方法本无所谓哪个更好，哪个不好，只是以前完全强调分开，很少强调整合。现在把一些课程整合起来，可能会对一些有学科交叉思维的新的科学前沿会有更大帮助。“不是说要取代原来各个学科分开的状况，而是说要多样化，这也是北大本科教学改革很大的一个方面。让学生有更多的选择，每个学生都应该想想看自己到底是喜欢什么，自己适合做什么，然后来选择自己以什么方式学习。”
汤超教授
除理论教学外，整合科学专业在第一学年开设了9个大型实验，重点培养学生的实验动手能力，进行物理、化学、电子学、计算机科学基本实验技能的培训，并侧重于相关知识在生命科学经典问题研究中的应用。第二学年让学生进入北京大学从事和生命科学相关的交叉研究的PI实验室（注：principal investigator实验室负责人）进行实验训练，接受来自科研最前沿课题的挑战，着重加深学生对于科学问题的理解，学会设立科学假设，并设计科学实验加以研究探索。这样的实验课程设计是前所未有的，实验现象也是不固定的，甚至会出现老师未曾遇到过的问题。但是做实验最重要的不在于成功与否，而在于如何反思、解决问题，如何分析影响过程的因素，如何从实验数据中获得尽可能多的信息。这正是这些实验课设计的初衷。
这些实验课大致可以分成三类。第一类注重技能培养，例如“SARS 3CL 蛋白酶的克隆、表达、纯化、结晶与活性测试”，从分离提纯，到结晶衍射，再到检测酶活性、热力学参量，训练了学生一整套对蛋白质操作、整理的实验技能。第二类强调实验思路的设计，例如“Luria–Delbrück 实验和计算模拟”，逻辑性较强，包含建模、数据处理等过程，贴近真实的科学研究过程。第三类开拓兴趣，例如“心肌细胞的钙火花记录”，许多同学第一次接触共聚焦显微镜，纷纷为得到的图像兴奋不已。
同学们在实验中
兴趣是最好的老师
整合科学有着课业繁重的名声，坊间也流传着这样一句话，“整科是一个传说中学术大牛和大神扎堆出没的地方”，但几乎每位同学都在兴趣的引导下接受磨砺、提升自我。每次综合实验课他们几乎都从早八点到下午四五点一直沉浸在实验的乐趣之中。有时项目没完成，他们还会工作到更晚，甚至向老师申请别的时间作为补充。前两年的整合课程为他们打下了牢固的基础，在大二大三同学们开始按兴趣去选修其他专业的课程，其中不乏难度颇高的统计学习，平衡态统计物理，微分几何等课程。现在14级的同学大多已经找到了感兴趣的方向，其中涵盖系统生物学，凝聚态物理，计算神经生物学，生物医学工程等多个前沿领域。他们在相关课题组开展研究，并准备之后的深造。14级的姜家隆同学笑着说：“我喜欢根据兴趣不断尝试新的方向，就算需要花很多时间去补充相关知识也乐此不疲。”
15级李倩怡同学印象最深刻的一次作业是电磁课上做的展示，她自己选择的题目是“导体表面的电荷密度和曲率之间的定量关系”。她查了很多资料，从历史上第一次提出这个问题，到该领域的最新文献，从中获得很多知识，体会到自己整合不同学科知识的过程。更令她高兴的是，通过她的整理、演绎，同学们在短时间内听懂并初步掌握了这部分内容。
心肌细胞全细胞钙瞬变（图片由叶雅晴同学提供）
16级林咏婕同学大一寒假时给整合科学专业负责人汤超教授发了一封邮件，表达自己对该专业的兴趣。大一下学期她同时选修了整合科学与本专业的课程，“我第一次去听他们的课的时候说实话真的没有听懂。那时候我觉得是自己主动尝试的兴趣方向，又得到了很好的机会，再坚持一下吧，然后就恶补各种基础知识，慢慢也就适应了这样的节奏了。”后来她顺利转入整合科学。
虽然同为整合科学专业，但各位同学的选课方式、研究方向都有很大不同：有人选修了多门物理学院高年级的专业课，有人专注于计算机科学，也有人选修基础数学方向的专业课。他们不是完全意义上的同行者，但隔着不远就能看到彼此一起前进。兴趣给予他们学习的动力和乐趣，也使他们在面对多元选择与无限可能时不会迷茫。
整科专业的学生还会定期自发组织读书会、讨论会。在学习“物理化学的整合III”时，14级王彬同学曾自愿为大家补了一节数学课。16级同学们的某一门专业课要用到还没学到的电磁学知识，于是他们每周固定两小时讨论相关问题。“一起赶过pre（课堂展示）、完成作业，在这种事上同甘共苦，友谊总是增长得很快，”林咏婕说。
大一时学院每学期会定期举办导师交流会，请授课老师给同学们解答课程的疑惑、指点学习方法、强调学习重点，也可以回答大家关于大学、关于科研的问题，帮助同学们适应大学生活、发现科研兴趣。
导师交流会
既见树木，也见森林
整合科学由北京大学数、理、化、生、前沿交叉学院等院系从事生命科学跨学科研究的优秀教师参与课程设计与教学，其中包括多名中国科学院院士、国家千人计划专家、长江学者、国家杰出青年基金获得者。特别是近几年，北京大学前沿交叉学科研究院吸引了一批优秀的年轻学者回国。他们在国外学到最先进的技术，接触到最前沿的问题；回国后很快就要走上讲台，在课上、课下与本科生交流、给他们指导。
齐志老师2016年1月回到国内，9月便新开了“定量分子生物学”。回国时他带上了自己在美国学习“定量分子生物学”时用过的所有讲义和笔记，他试图让学生一开始就学会用定量的观点研究生物学问题。他每周还会挑一两篇最新的CNS（《Cell》，《Nature》，《Science》，目前生命科学领域最权威的三本学术期刊）文章，带领学生阅读。
同学们自己设计、焊接的电路
类似的课程还有很多。李倩怡根据自己的兴趣，选修了本研合上课“系统生物学选讲”，这门课的形式是大家在课前阅读文献，课上一起讨论，这让性格内向的她第一次主动和大家讨论各种问题，得到很多收获。另外通过这门课她对系统生物学也有了比较深入的了解，在阅读文献中，她逐渐发现了自己的科研兴趣，也提高了科研能力。
定量生物学中心的午餐会、happy hours等活动会邀请整合科学专业的本科生。他们在这样的场合有机会接触到如13年诺贝尔化学奖得主Micheal Levitt等知名学者，或者相关研究领域的学长学姐，开拓了视野，也获得了有用的信息。
“我们希望其中有相当一部分同学能成为各方面的领军人物，让他有一个比较高远和宽泛的视野，也有比较扎实的一个基础，”汤超教授说，“我们要培养他们独立思考、提出问题、进行科研的能力。所以我们很鼓励学生进入实验室，也鼓励他们到国外的实验室去实习。第二年的实验基本上都在实验室做，那个时候就开始接触到各种不同的科研方面的一些东西。”
同学们与Micheal Levitt教授在午餐会后合影
为有源头活水来
黄岩谊老师设想将实验课的讲授部分做成慕课，学生根据自己的知识水平、时间安排，自行在网上学习。这样实验课上就可以更有效地利用课堂时间动手做实验。而汤超老师设计“Luria–Delbrück 实验和计算模拟”时将组里所有人召集在一起，对实验做了改进。在原理不变的前提下改进素材和流程，让学生能在有限的时间内体验这个经典实验的全部流程。
今年是齐志老师第二年讲授“定量分子生物学”，但他每周上课前仍要给自己组里的研究生试讲一遍，从而能更好地把握时间。他不断根据学生的反馈调整讲授内容，高中讲过的知识就讲快一点，一开始遇到英文专业术语就适当放慢一些。他还自己找来去年选修过这门课的一名二年级学生做助教，并经常与他讨论课程内容，因为一方面他有学习这门课的经验，另一方面他的知识结构、思维方式更接近一年级新生。“我希望他们坐在这的五十分钟能真正听到一些东西。”
齐志老师书柜中的笔记
汤超教授回顾过去三年的经历时说：“经验就是说要认真做，教整科班的老师要非常认真，花很多时间。保持一个开放的心态，新的东西总是会发生各种各样的问题，及时改正就可以不断改进。”三年来，整合科学的培养方案不断被修改、优化。老师们根据学生的反馈，调整各门专业课的比例、顺序，使其更符合认知规律；新开设的“定量分子生物学”、“定量细胞生物学”等课程使学生更接近科学前沿；学生的自由度进一步增大：他们不再选修培养方案中某方向要求的全部课程以达到毕业要求，而可以根据兴趣和科研的需要，实现自己课程的最优配置。未来，培养方案还会进一步改革。
整合科学能让学生接触最前沿的科研、享受最优质的资源，是一个很好的机会；但对学生来说也是一个艰苦的过程，因为这要求他们有更强的自主学习的技巧，尽量高效地梳理出知识体系。“机遇与挑战并存”，这是黄岩谊教授对整合科学专业的评价。
受访者
北京大学讲席教授、前沿交叉学科研究院执行院长、定量生物学中心主任汤超
北京大学工学院教授、生物动态光学成像中心研究员、北京未来基因诊断高精尖创新中心研究员黄岩谊
北京大学定量生物学中心研究员齐志
北京大学前沿交叉学科研究院13级博士生徐小婵
北京大学元培学院整合科学方向14级本科生刘波、王彬、姜家隆、叶雅晴、方睿
北京大学元培学院整合科学方向15级本科生李倩怡
北京大学元培学院整合科学方向16级本科生林咏婕
参考资料
[1]《汤超：从物理学理解生命的奥秘》（原载于2016年1月12日微信公众号“知识分子”）
[2]http://www.swwy.com/shengmingkexue.php?action=&cid=52&sort=videoId&free=2&page=3
采访 宋德英、罗琳山
撰稿 宋德英
编辑 | 邓倩如
图文 | 宋德英
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