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就像侦探小说一样,科学是有现场的。
爱因斯坦在《物理学的进化》中比喻说,探索世界的人——科学家——更像是侦探小说的读者。因为科学不是既定的事实,科学是探寻、解释、验证,不断自新。
所以,对孟德尔来说,花园是他的现场,他根本不知道DNA为何物,但已经发现遗传规律的曙光。对爱因斯坦来说,追光的思想实验,是他的现场。
对于西湖大学本科生来说,从课堂到科学现场,至关重要。
本科生在化学实验室
从高中到大学,你需要经历这一最关键的转变——从接受知识,到参与知识的产生。这就是本科生科研训练的内在含义。它不是实验课,不会仅仅教会你如何操作仪器,去重复已经有明确结果的实验。
这会完全不一样——
你被推到了科学研究的前沿。你的导师和学长都不会告诉你唯一或确定的答案,你不得不查阅文献补齐短板,去了解一个具体的学术问题在科学源流中的坐标。
你不得不独立思考。所有你过往的总结和经验,不一定能解决你当下遇到的科研问题。面对混杂的实验数据,你更需要小心翼翼,抽丝剥茧。
你需要提出问题的勇气。提出好问题的能力,其实是一种预判力,你需要知道,什么是关键的,重要的,以及有价值的。
当然,你也可以使用当下中国乃至世界科学领域最尖端的科研设备,来助力这一场实战——西湖大学所有国家级、省级重点实验室和公共科研设施平台,均向本科生开放。
“从本质上说,这不是科学技能的训练,而是创新思维的训练。”西湖大学徐益明讲席教授、学术委员会主任、副校长邓力说。
它往往最初看不到结果,只能看到一个轮廓,甚至连轮廓都没有,但你要学会在“黑暗”中摸索、行走,直至找到光亮所在。
这种探索未知的能力,不仅仅适用于科研,当有一天你走上社会以后,它会帮助你应对更多以创新为目的的复杂事务。
毛昇:在编码中“侦破”生命奥义
尽管已经有了大学生物课程作为铺垫,当毛昇进入杨剑实验室,还是经常一头雾水,明显感觉到生物学发展的那种“百年时差”。比如生物课上讲到了RNA,而实验室正在讨论细胞表现出的RNA转录组的数据水平。理论和实战只有一线之隔,科学的源头和入海口,毛昇都得同时接触,这种感觉很特别。
统计遗传学本身是一门交叉学科,在这里,毛昇反过来能感受到学好基本功的重要性,包括数学、计算机等等。新手上路,毛昇最开始的时候,编程语言的设置就花了很多时间。
还有一次,分析结果无法产生,他找遍了原因,最后怀疑原始数据有问题。一查果然如此,但这一趟“侦查”下来,他对这个研究过程已经了然于胸。除了杨剑实验室,毛昇还参加了另一个大学生创新比赛项目,是王雅婕老师指导的,研究一种能“吃掉”特定塑料的消化酶,这被称为“湿实验“,而数据研究被称为“干实验”。
虽然距离科研成果还有距离,但毛昇已经在源与流、干与湿之间游刃有余。
徐达:以亿年作为尺度
徐达自己总结了高中和大学的区别——高中很多知识点只是被提及了一下,但在大学,可以看到这些知识点背后的更广袤的世界。
在去年的暑假前,徐达第一次在郑甲实验室参加科研训练,学习使用R语言处理数据并将数据可视化;而第二次,他选择穿上实验服,尝试亲手去获取数据——学习核酸酶的纯化与酶的活性测试。
郑甲实验室的研究方向,是分子演化和工程。如果从分子的角度来看,蛋白质在数十亿年的时间尺度下,演化出纷繁复杂的结构和功能,期间会受到各种环境因素的影响。
而实验室里,可以“模拟”类似的环境条件,研究蛋白质演化的规律和可能,从而设计、改造和进化适合应用需求的酶蛋白。在实验室里的试管里,也许正在发生亿万年尺度的故事,这正是吸引徐达的地方。
“有点像一个造物者。”徐达说。生物学实验室的各种试管和配件会标记不同颜色,看上去色彩鲜明。对徐达来说,这无异于一部立体彩色的自然之书。
陈浩宇:连接虚拟和现实
小学的时候,陈浩宇就喜欢捣鼓机器人,那个时候参加机器人比赛,焊接电路板,然后让机器人移动到指定位置。中学的时候,参加信息竞赛,玩编程,玩单片机。
刚进大学,他加入了AI交叉学科社,认识了做智能无人系统的赵世钰老师。很自然地,他开始在赵世钰实验室开始新的探索。
第一次科研训练,陈浩宇正在着手开发基于大语言模型的机器控制。通俗地讲,也就是把人的语音指令,“喂”给大语言模型,例如ChatGPT,然后再由大语言模型对机器给出控制指令,比如驱动小车的运动。
如果换一个角度讲,可能会更有意思——大语言模型能接收到来自现实世界的信息,并把指令返回给现实世界的终端。陈浩宇说,这可以叫做具身智能,这样的系统通常具备感知、认知、决策和行动的能力。
不变的是,陈浩宇还有着小时候捣鼓机器人玩耍的热情。
李嘉和:大自然是顶级的化学家
陆海华实验室特别忙,很多化学实验不能中断。陆海华自己也在忙实验,包括用洗碗机一样的仪器来清洗试管。做化学的人,就会要求试管干干净净,他说。
大一新生李嘉和就在这样的环境里,开始了自己的化学之旅。
和李嘉和的聊天,是在他等实验结果时进行的。在通风橱里,他不断用石油醚作为洗脱剂,来提取反应的产物。有机反应的难点在于提取产物,这些产物就像是躲在山间的溪流的石缝里,需要不断加入洗脱剂,让产物顺流而下,然后用一个个试管收集,再检测和提纯。
这个过程中,有等待,有意外,也有惊喜。有时候,也许会收集到意想不到的反应产物。天然产物合成,这个化学研究方向,其实和普通人一点不远,比如人类掌握的酿酒技术,就是掌握了乙醇(酒精)的“制造技术”。再比如,明星抗癌药物紫杉醇,最初来源于紫杉树的树皮。
大自然是顶级的化学家,在李嘉和看来,这是他喜欢化学的重要原因。在实验室的等待中,李嘉和无疑也感受到了大自然的神秘之美。
本科生进入西湖大学后,就会进行分学期、分阶段的科研训练。科研训练一般由学术导师负责,但学生也可以重新选择感兴趣的实验室或研究课题。需要划重点的是,西湖大学六大校级公共服务平台全部向本科生开放,本科生可以根据科研训练需求提出申请。
生物医学实验技术中心由显微成像、冷冻电镜、质谱、细胞流式、高通量、基因组、定制化技术服务等10个核心平台组成,现有100余台套大型设备,覆盖从原子、分子到细胞、组织多尺度的全方位表征及机理研究所需要的尖端工具。这里,不仅为你提供观察生命活动的“明镜”,也能为你提供探索生命科学奥秘的“钥匙”。
实验动物中心是集饲养、科研、开发及应用一体化的实验动物技术服务平台,目前已建立多项专业技术服务。这里,是对洁净程度要求最高的地方,是生命研究的“净”地。
先进微纳加工与测试平台由图案化、刻蚀、镀膜、表征四个核心模块组成,现有电子束曝光机、反应等离子刻蚀机、物理气相沉积系统、透射电镜等50余台套大型微纳加工和表征设备,加工能力和表征能力分别可达5nm和亚纳米。这里,能够为你打开探索微观世界的大门。
高性能计算中心提供高质量、高可靠性、高定制化的科学计算和数据分析解决方案。通过超高速网络将海量的计算服务器连接成为一个整体,汇集起数万个CPU和数千个GPU的算力,通过PB级的海量存储共同进行复杂纷繁的科学计算和人工智能计算;从小到生物体内蛋白质的三维空间结构,大到宇宙中数不尽的星球运动,以及对语言图像视频的理解和重构,都能在这个西湖大学“算力大脑”中用优美计算数学语言描绘给我们的科研工作者。
物质科学平台面向最新物质科学前沿研究,探索极致的微观结构和物理世界。这里,最新球差电镜让原子微观世界展无遗;这里,一簇簇X射线衍射斑,炫耀着晶体的完美无极;这里,有一个“极寒”之地,撕去了热的外衣,让量子世界奇特的物理现象显露无遗;这里有条超高真空互联管道,“空空如也”,却孕育出了世界首个相干性光阴极量子材料的重大发现。
分子科学平台,着力于发展原位条件下的磁共振波谱、色质谱、光谱及X射线谱等高分辨谱学技术,与分子、电子、原子核同频共振,偕光场、热场、电磁场交相辉映,探化学变化、能量转移之机制,解结构、互作、动力学之谜题,与君共“谱”创新科研的乐章。
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