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    科研團隊如何高質高產?這位世界頂尖科學家如是說

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    本文來源 | 新材料研習社

     

    美國加利福尼亞大學洛杉磯分校教授楊陽口述,記者徐劍梅采寫整理:

     

    1997年,我到美國加州大學洛杉磯分校任教。當時得到的科研啟動經費是十萬美元,加上大約30平方米的實驗室空間。

     

    23年一晃而過,我的研究團隊一直站在有機光電領域的世界前沿。我培養出48名博士、55名博士后,其中約40人成為散布世界各地的高校教師,還有40%的弟子進入蘋果等高科技公司,其他人自行創業或加入創業公司。我發表了超過400篇經過同行評審的論文,引用量超過115000次。在谷歌學術搜索引擎上,截至2020年11月,我的H指數為156。我還擁有80多項正在申請或已授權的專利。2016年,我被湯姆森路透集團評選為全球最具影響力科學家之一。

     

    我經常思考,我的科研團隊高產的秘密是什么?可不可以當成某種小規模試驗加以推廣呢?因此,2018年5月,我應施一公校長的邀請加入西湖大學,希望把培養學生和科學研究緊密結合在一起,為中國未來的高等教育和通識教育提供路徑。

     

    2020年10月,我辭去西湖大學工學院院長、講席教授職務回到加州大學洛杉磯分校,但這些念頭仍在發酵。我想,不妨先把我的科研之路和帶領團隊的經驗如實記錄下來,為年輕科研人員,特別是職業生涯剛剛開始的高校教師,提供一點參考。

     

     

    走出舒適區,人一定要有夢想

     

    我在臺灣出生成長,1982年于臺灣成功大學物理系拿到學士學位,1985年到美國馬薩諸塞大學洛厄爾分校攻讀研究生。

     

    讀本科時,我只是一個平均分不到70分的物理系學生,不會考試,也不知道怎樣拿高分,雖然很努力,卻始終不得其門而入。但到了美國后,盡管就讀的大學排名將近第200名,但老師們個個鼓勵學生討論,就算意見不一樣也很歡迎。我這人天生就喜歡問各種問題,這種鼓勵學生發表看法的科研氛圍,讓我如魚得水,一下子變成一個門門拿A的學生。

     

    在美國讀研,最大感觸是做習題——規規矩矩地做,常常做完就是深夜,有時還會做到天亮,而且老師批改很嚴,不對之處都會挑出來。對學生來講,這就是一個蹲馬步打基礎的過程。因此我當老師后,通常不希望一年級研究生做科研,而要求他們專心修課,因為錯過這個打基礎的時期,對他們今后職業生涯有百害而無一利。

     

    求學期間另一件對我人生影響很大的事,就是當了五年助教,讓我深深體會到教書的樂趣和與學生交流的重要性?,F在很多研究生認為當助教耗費時間,但換個角度看,它幫助我學會如何與學生打交道,鍛煉溝通和講演技巧,同時也讓我認識到自己對教書有股熱情。因為當過助教,我很早就認識到教學之所以令人著迷,就在于它借由人和人的互動,產生對一個人、一個班級或一個學校的重要改變。

     

    1992年取得博士學位后,我拿到多個工作機會。我想將來做教授,所以最后選擇到加州大學河濱分校做博士后。當時博士后薪水只有一年2.2萬美元,不到有家公司給我的一半,也不能拿到綠卡。我那時很窮,很需要一份好的收入,就連導師也勸我留在當地。但我太太非常支持我去加州,我們都認為,人一定要有一些夢想,不能只是為了賺錢。所以我們就租了一輛貨車,從美國東北沿海出發,開了大約五千公里,穿越美國大陸搬到西海岸?;仡^看,這是我人生中一個重要轉折點——我走出生活6年多的“舒適區”,到新的地方重新開始。

     

    到加州大學河濱分校后,我開始從事光學物理研究。實驗非常不順利,我夜以繼日地做,很累,可就是沒有結果。10個月后才發現,我用的激光儀器頭一天就壞了。雖然累慘了,卻也練出一身功夫,知道如何發現和排除故障。我當時的老板布賴恩·科勒教授是德國后裔,十分重視自己動手,訓練出來的學生動手能力也都特別強。

     

    做博士后大概8個月后,有一天我遇到一位讀MBA的朋友,他在幫還有兩年合約的博士后太太找工作。我問他為什么動手這么早,他說,你永遠不知道機會什么時候來,如果沒做準備,機會來了也會錯過。這句話讓我終生難忘,促使我也開始找工作。

     

    當時,加州有家公司叫UNIAX,剛研發出柔性高分子有機發光二極管(OLED),老板阿蘭·黑格教授后來成為諾貝爾獎得主。黑格教授邀請我去面試,但正式面試時,他直截了當告訴我,公司已決定錄用一位來自英國劍橋的科學家,對我的面試只是走過場,因為美國移民局規定如從海外招聘,必須先面試當地3名同類人員。我聽后,沒有沮喪和放棄,而是想,我一定要表現最好的自己,讓他們沒有辦法拒絕。兩周后,黑格教授打電話通知我被錄用,我高興得不得了。

     

    這是我人生另一個重要轉折點。我在這家公司工作四年出頭,是學到東西最多的時期。公司雖然不大,但聘請的科學家非常優秀,有物理學家、化學家、材料科學家,就像小型貝爾實驗室。在世界一流的研究團隊里,和外面的世界一流科學家競爭,好像加入職業棒球大聯盟一樣樂趣無窮?,F在回頭想想,人生這么有趣,就因為充滿了不確定性。

     

    不過,我跳槽第一年也相當不順,雖然日夜努力,卻幾乎什么實驗都做不出來,直到第二年,才總算熬過低潮期。在《科學》和《自然》雜志上發表一些文章后,我便開始投履歷應征教授職位,但一年都沒有下文。追究原因,我發現是自己就讀的大學排名不佳。像我這種“出身”不夠好的情況,必須有出色的研究成果,才有機會找到中意的工作。這一年我又做出些還算不錯的實驗成果,這對后來再找工作幫助很大。

     

    1996年,機緣巧合之下,加大洛杉磯分校材料系主動找到我,給我兩個選擇,一是10個月后入職,直接擔任有終身教職的副教授;二是立刻上班,先當沒有終身教職的助理教授。我選擇了后者,導師說我頭腦不清楚,連送上門的終身教職都不要,但我覺得時機就是一切,有機光電領域正在起飛階段,等不了我10個月。假如錯過這個窗口,我也許會徹底錯過在有機光電領域施展拳腳的大好機會。

     

    1997年元旦,我終于到加大洛杉磯分校任教,當時待遇其實不太好——10萬美元啟動基金加30平方米的小實驗室?,F在,我很多學生去做助理教授,動不動都有幾十萬或近百萬美元啟動基金,相比之下,這筆啟動經費實在少得可憐。

     

    因為經費有限,只能爭取一次成功。我花了半年時間構思新課題,堅持探索新的研究方向。第一個項目是用噴墨式方法打印有機高分子材料OLED,我說服日本精工益普生公司送了一臺可以直接在玻璃上印出有機高分子材料的特制噴墨打印機,非常幸運地印出了高分子聚合物OLED標識。這個實驗結果及后續創新讓我們拿到項目基金,還獲得美國國家科學基金會的獎項,算是站穩了腳跟。次年,我被提名為終身副教授,2002年成為終身教授。

     

    從那時起,我陸續開拓了新的研究方向,如有機內存記憶體和有機垂直晶體管。2004年,我開始進行有機太陽能電池研究,之后15年間在這個領域發表了100余篇重要論文,多篇都被多次引用。從2013年開始,我們又進入新的領域——鈣鈦礦太陽能電池研究,不到一年,就實現了將近19%的光伏效率。2014年,我們在《科學》雜志上報告了這個令人興奮的結果。到2020年,全世界鈣鈦礦太陽能電池最高效率已經超過25%,我們的課題組也達到24.5%的效率。

     

    回頭看,是否名校畢業、啟動資金多少,都不能決定未來。我始終覺得,一個人的創造力和將科研堅持到底的精神和態度,才是決定成敗的關鍵。

     

    高產秘密之一:基本訓練

     

    60歲生日時,我問幾個以前的學生,在加大洛杉磯分校求學時,什么經歷改變了他們的一生?

     

    黃勁松老師說,他印象最深的是“楊式罵”。他說,剛到加大洛杉磯分校讀博時心高氣傲,把考試成績等同于將來的研究成就,覺得能拿獎學金加入楊陽團隊已經證明了自己的能力,結果被批評得“從云端掉到地上”,這才靜下心來扎扎實實做科研。

     

    竇樂添老師說,他的最大收獲就是我給他畫了一個大餅——提出一個沒人做過的方向:研究用于在有機光伏器件中專門吸收紅外光的高分子。他花了將近一年時間追求這個夢,結果夢想成真。憑借這個研究成果及其一系列衍生物,我們團隊兩度打破有機光伏的世界紀錄。

     

    這兩位弟子談到的,其實不是單一事例,而是我們科研團隊高產的秘密之一——重視從頭訓練學生,培育師生互動文化。

     

    早在1997年進入加大洛杉磯分校后,除了尋找未來科研方向,我就在思考應該打造什么樣的科研團隊文化。起初,我在實驗室手把手一步步教學生,但隨后發現,假如樣樣都管,不但自己會累死,學生也很難獨立。要想成為高產團隊,必須從一開始就好好培養學生,形成團隊文化的傳承。

     

    我對學生的第一個要求,就是打好基礎并養成良好的科研習慣。對新來的研究生,我通常要求他們第一年專心修課、做習題、好好準備博士生基礎考試。美國的博士生基礎考試,從解題到備考模式等,都要求學生對基礎知識有非常深入的理解和獨立思考能力,對學生基本功的培養相對扎實很多。如果讓研一學生從事大量科研工作,未免有點拔苗助長。

     

    在習慣養成上,我很強調學生要誠實、謹慎、詳盡地寫實驗工作記錄本,教導他們把記錄實驗過程當成科研的“命根子”和個人研究生涯的觀照。養成記個人實驗記錄本的習慣后,萬一實驗結果有問題,方便回過頭來查找是什么步驟出了差錯。更重要的是,實險記錄本很難造假,因為數據本身會說話。

     

    我的個人實驗記錄本現在有20本左右,從1986年學生時代開始,進實驗室的記錄都在上面。我不僅記錄研究過程和結果,也把研究心得和想法,甚至一些日常事情也寫在上面。此外,我把和人吃飯時在餐巾紙上寫的討論筆記、隨手寫在小紙片上的即興創意,也都貼在記錄本里。這些都是基本功訓練。我后來發現居里夫人有同樣的習慣,她甚至把煮意大利面的配方都寫在實驗記錄本里。

     

    我對學生的另一個基本要求,是閱讀儀器的使用說明書,而且要讀紙質版,這樣可以寫閱讀筆記。學生往往對儀器如何運作不甚了解,這實際上是很危險的,有時儀器出問題,假如學生不知道儀器工作的基本原理,就會被故障誤導。我在西湖大學時,有一天一個課題組老師帶著學生和我討論實驗中電流信號常有雜音的問題,我就問實驗儀器有沒有接地,他們說墻上三孔插座有一個孔是“接地”的孔,我就又問,“接地”的孔接到哪里、真的接地嗎?后來發現,雜音正是接地不良、插座互相干擾造成。

     

    培養學生很重要的一點,就是以身作則,走正道。

     

    美國國家可再生能源實驗室是美國能源部下屬實驗室,可以測試認證光伏電池的效率,但測試結果會把實驗室數據拉低很多,所以很多研究人員都回避和他們打交道。2005年,我把光伏器件送到這個實驗室,結果原本效率達5.2%的光伏器件認證后只剩4.0%?;匦:笪倚冀窈笠捎霉夥袠I認可的標準方法作為測量標準,團隊成員就擔心這會妨礙發表論文和申請經費,但我堅持。我認為對的事,我會堅持下去,不會退讓。

     

    最后,團隊不但采用了美國國家可再生能源實驗室的標準,還與實驗室的基思·埃默里博士共同促成有機太陽能電池測量的標準化。這項成果迄今已被引用600余次,當今有機太陽能電池領域的研究仍遵循這些測試標準。

     

    高產秘密之二:臨別秋波

     

    2002年前后,我開始嘗試一種獨特的學生培養模式,那就是在學生完成畢業論文之后、正式離開科研團隊之前,鼓勵他們提出異想天開的“點子”,既必須是以前沒做過的,也不能完全偏離課題組的核心工作。討論之后,我會提供一筆小小的“啟動基金”來研究這些“點子”。

     

    我把這種培養模式戲稱為“臨別秋波”,實際就是使用有限資源建立課題小組,培養學生勇于冒險、敢于創造的精神,和學生一起開創并發展課題組新的研究方向。后來,我的團隊實驗設備越來越好,學生不再需要這筆基金,但“臨別秋波”作為重要的團隊文化,一直傳承到現在。

     

    這些“臨別秋波”帶來很多創意,甚至是神來之筆。比如陳方中老師跟我讀研時,提議在有機太陽能電池中利用三線態分子摻雜進行深入研究,并申請3萬美元資金購買相關設備。我覺得這個點子很有趣,于是向加州州政府提出經費申請。

     

    有趣的是,同行評審時一名光伏專家坦率地說,他不相信有機光伏技術能成功,但他相信楊陽的科研記錄,為此他支持加州提供經費,來證明他的觀點錯誤。這位評審專家的思維方式,折射了美國科研常能產生革命性觀念的某種奧秘。

     

    雖說拿到資金,但研究結果不如預期,我們開始深入研究其他材料,而這筆經費剛好夠聘請李剛博士(現為香港理工大學教授)作為博士后研究員,研究高分子形貌及其對電子學特性的影響。相關研究結果于2005年發表,成為這一領域的重要里程碑,其后15年間被引用超過6000次。

     

    李剛博士回憶說,從無到有的創業從來就不容易。當時,全球在這一領域研究都很膚淺,加大洛杉磯分校資源也非常有限,課題小組只能利用一臺非常簡陋、光斑不均勻的太陽光模擬器開展實驗。在這種情況下,楊陽教授始終在各方面予以支持鼓勵,“帶著敢為領域先的強烈責任感”。最終,研究團隊為全球有機太陽能電池領域作出了引領性貢獻。

     

    在不利條件下如何破局,李剛博士的答案是:不唯上、不唯書、只唯學,要敢于探索,走出領域的邊緣。

     

    疊層電池研發則來自洪自若博士開啟的另一場“臨別秋波“。洪自若認為,從物理角度,疊層電池可以更有效地運用陽光能量,能效一定會高于單層電池。他堅持自己的看法,我也相當鼓勵和支持他做這樣的嘗試。兩年后,研究團隊運用疊層電池結構,第一次打破了有機電池10%效率的世界紀錄。

     

    “臨別秋波”的時間窗口很理想。完成畢業論文的學生都有四五年的課題組工作積累,有很多很棒的想法。在離開前的幾個月里,沒有工作壓力和論文壓力,可以說是最高效的時候。但高產的關鍵原因不是時間窗口,而在于我們實驗室始終堅持“每一個學生都是平等個體”,可以也應該有自己的意見,學生的創意和嘗試得到鼓勵。只要學生有能說服我的研究理由,我就會支持他們走下去。如果是我不熟悉的領域,我就和學生一起學習,請相關專家來共同評估學生的想法。

     

    高產秘密之三:團隊文化

     

    我們團隊還有這樣幾個特色:

     

    一是經過我們訓練的學生,都有相當強的獨立性。我要求學生必須能夠自己想出新點子、在一流期刊上發文章,甚至必須能寫出簡單的研究計劃,向政府機構申請基金,并能進行很好的自我陳述。

     

    與此同時,我也要求學生一定要當助教,因為當助教是訓練人和人溝通的最好方法。特別是將來到高校任教或自行創業,都需要有能夠說服別人的能力。

     

    另一個特色是,允許由學生主導研究方向。一個課題組有二三十人,來自不同領域,僅僅學生間的交流就可以產生一些跨領域的想法。我還會送學生參加學術會議,了解新的研究方向,他們往往會因此想出更多的新點子。

     

    在教研中,我還不斷強調要跳出框框思考,不要害怕探索舒適區以外的世界。我見過很多優秀的人,但并不是每個優秀的人都能成功。若問什么樣的資質是一個人成功的關鍵,在天賦、勤奮、溝通技巧等選項里,我把積極的態度列為第一要素。

     

    學生薛晶晶回憶說:“楊老師始終鼓勵我們去接觸不同領域,讓思維保持新鮮。剛進課題組時,高度自由的課題選擇方式對我真是艱難,但回過頭看,正因為這樣的經歷,我才有廣泛涉獵不同領域并獨立思考的機會。成功也好,碰壁也罷,這樣的過程讓我淘洗到屬于自己的金子。也正因如此,我畢業后愿意走出舒適區,去涉獵完全不同的生物醫學領域。”

     

    師者,首要任務是把學生教好。其實,觀察學生成長、引導他們表達內心真實想法,是當老師的一大樂趣。這其中,最重要的是建立師生之間的互信和默契,發現學生“亮點”,鼓勵他們找到自己的課題方向。這個過程并非一朝一夕,作為老師需要有耐心,因為研一學生要修基礎課程,保守估計需要兩年。

     

    我是一個一次只能專注于一件事的人,曾經很羨慕有些同事可以又搞科研又開公司甚至于還做行政,而我只能在自己的一畝三分地上專心耕耘。但正因如此,我才能把時間和精力放到學生身上,在引導學生腳踏實地一步步去做的同時,相信他們,鼓勵他們挑大梁,給他們更大的愿景。當學生發現未來可期,他們就會拼命向前。

     

    這些,就是我在加大洛杉磯分校的大部分經驗??傊?,我過去20多年觀察到的現象是:當我們把學生當勞動力來使喚,學生將來就是個勞動力。當我們把學生當人才來栽培,激發他們的潛力,學生就很可能成為千里馬。學生各有不同,需要因材施教,但對師者而言,道理千變萬化,原則存乎一心,那就是力求培養出能成為社會棟梁的人才。

     

    人人皆知,教育是一件大事。改良教育制度、打造高產的科研團隊,可以從根本上改變一個國家的未來。

     

     



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