当化学遇到计算机编程:跨专业学霸是怎样炼成的?

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提到“化学”,很多人脑海中首先浮现出的是用瓶瓶罐罐做实验的场景。但在西交利物浦大学应用化学专业毕业生葛雨欣看来,化学研究还有一个有趣的方向——计算化学(Computational Chemistry);在该领域,她的实验室伴侣不是试管,而是计算机。

“计算化学属于交叉性科学,不仅需要扎实的化学功底,还需要计算机编程、数学方面的知识。” 葛雨欣的毕业论文导师、化学系丁理峰博士说。

葛雨欣在本科毕业设计阶段的研究成果于近期发表在了物理化学领域的高水平国际期刊《The Journal of Physical Chemistry C》上。作为论文的第一作者,葛雨欣利用分子模拟技术研究了可对抗干旱和温室效应的新型纳米多孔材料。

目前,葛雨欣作为加拿大女王大学(Queen's University)的全额奖学金获得者,已开始了攻读硕士的新旅程。隔着13个小时的时差,当她接通母校西浦的采访电话时,她正在女王大学的实验室里,工作至深夜。

“葛雨欣是典型的西浦学子,好学、勤奋,且始终保持着对未知领域的好奇心。”丁理峰博士评价道。

从大二暑假加入丁博士带领的SURF(夏季本科生研究基金)项目组开始,葛雨欣迈进了计算化学的大门。

在丁理峰博士看来,“创造更多的机会让学生参与到科研项目中来,注重对学生自主科研能力和跨学科能力的培养”,这正是西浦的育人特色之一。

那么,面对人工智能时代带来的冲击和挑战,西浦如何培养学生的跨学科学习和研究能力?对于选择申研或就业的学生来说,交叉学科的知识累积将为他们带来哪些机遇?像葛雨欣这样懂化学、会编程、数学知识过硬的学子是如何养成的?以下请看来自丁理峰博士的干货分享。

Q1:在培养本科生的过程中,西浦如何引导学生跨学科学习能力的提升?

丁理峰博士:大学教育培养人才,就好像培育一棵大树一样,“树叶”相当于学生获取的知识,“果实”是学生创造的成果,然而最重要的是对“树干”的培养——“树干”就相当于获取知识的能力、创造果实的能力。大学四年是“树干”成长最为重要的阶段。

以化学系的课程设置为例,我们注重的是对学生学习能力的培养、创造能力的培养,而不是对学生进行单一的知识灌溉。众多的化学实验课、课堂小组项目、SURF项目、毕业设计项目……都要求学生对最前沿的科学知识点进行自发的探索和分析。

Q2:在加入您的SURF项目组前,很多同学并不具备计算机编程能力,他们是如何一步步提升的?

丁理峰博士:我们要求所有入组的学生,在实战中学习,边做科研边学习。

葛雨欣参与的我们组的SURF和毕业设计项目,属于计算化学的研究,除了化学功底要扎实外,还需要她利用寒暑假时间,在老师和组里博士生的指导下,学习额外的计算机编程知识和数学知识,有针对性地通过课后自学探索新的知识领域。

我们也会鼓励同学们通过在线的慕课(MOOC)进行学习,线下由老师或博士生进行知识点的反馈和指导。

(图为西浦执行校长席酉民教授在毕业典礼上为葛雨欣拨穗)

Q3:相较于传统的“实验化学”,作为交叉性学科的“计算化学”有哪些优势和特点?

丁理峰博士:计算化学相当于“把实验室装进电脑”。2013年,诺贝尔化学奖颁发给了计算化学领域的学者;当前很多有影响力的科研成果都包含了计算化学的参与。

计算化学的优势和特点主要集中在三个方面:

第一, 计算化学可以预测材料的性能和潜在应用。计算化学不仅可以对现有的材料进行模拟,更有吸引力的是,它还可以对新型材料的潜在应用进行模拟,提供预测。

第二, 随着计算机计算能力的飞速发展,计算化学将加快科学研究的进程,同时能让科学研究变得更绿色、投入的资源更少。比如我们组目前使用的高性能超级计算机,能在一周内完成对上千种不同材料吸附二氧化碳的性能测试,这在传统实验意义上是很难实现的。

第三, 计算化学可以精确解释在传统实验条件下无法捕捉的原子层面发生的化学以及物理现象,由此提供精准可靠的理论基础,为实验科学家提供指导方向。

Q4:对于面临升学或就业的学生,交叉性学科能力的价值是什么?

丁理峰博士:当今社会,知识更迭飞速,无论学术界还是工业界,对于复合型、交叉型人才的需求是巨大的。

在学术界,越来越多的科学成果是基于不同科学领域的覆盖,比如新材料的研发,很多研究项目都需要结合化学、材料学、物理学以及计算机科学等不同领域的知识。工业界的趋势就更明显了,尤其是当前最热门的人工智能领域,是各个学科融合的典型体现。

面对这样庞大的人才需求,拥有交叉性学科学习能力、有过跨学科研究经历的毕业生,就更容易在申研以及求职中获得青睐。

(记者:石露芸 摄影:许源源 其他图片来源:葛雨欣、Shutterstock)

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