本科生科研指南（60）：气体定律之创新精神和知识学习
张宇宁
华北电力大学（北京）
一旦科学插上幻想的翅膀，它就能赢得胜利。拼命去争取成功，但不要期望一定会成功。
----法拉第（Michael Faraday，1791-1867）
作为中学物理中一个普通的知识点，理想气体状态方程对于大部分同学并不陌生。对于部分优秀的同学，学习这个知识点甚至只需要一个小时即可。但人类的对该现象的认识却经历了172年的漫长历程，从1662年波义耳关于气体的思考到1834年克拉伯龙提出理想气体状态方程的最终形式。一个小时的知识学习与172年的知识创新历程间的巨大差异，耐人寻味。
一、存在问题
通常，大部分本科生对于创新即充满了好奇又会犹犹豫豫。一方面，创新对于本科生而言是一个很光鲜的词，也是国家和社会所鼓励的热门字眼，见诸报端。另一方面，本科生又会有非常多的犹豫。
l 创新的本质是什么？
l 创新需要哪些知识呢？需要做哪些准备？
l 创新需要投入非常多的时间吗？是否会影响日常的学习？
l 创新对自己未来人生会产生怎么样的影响？可以获得哪些体验和机会？
l 听说做研究和科研创新，最好有导师的指导，那导师又是什么样的一种人？怎么和导师建立联系？
诸如此类，部分同学经常对这些问题摸不着头脑。询问周边的同学，也经常很难得到有效的解决。因为高等教育以及科研创新的高度专业化，家长也是爱莫能助。可惜的是，犹豫之间，时光流逝，很多想法无从实践，甚为可惜。
二、创新精神
为了方便广大学子能够对科学及创新感兴趣，本期我们重点讨论创新精神与知识学习之间的关系与不同之处。
诚然，具备一定的知识基础对于创新是非常必要的。著名的物理学家、流体力学家朗道曾提出一个“理论最低限度”的说法，并将其用于指导创新人才的选拔和测试。根据朗道的观点，“理论最低限度”指的是从事物理学领域相关研究必须需要具备的若干基础知识，这些知识是研究过程中必不可少的。为了方便学生学习，朗道和他的学生们编著了非常知名、广受欢迎的《理论物理学教程》。该丛书共十卷，前七卷由朗道和他的学生栗弗席兹编写，后三卷因为朗道的意外车祸是由栗弗席兹和皮塔耶夫斯基按照朗道撰写的计划编写。《流体动力学》是该系列教程的第六卷，也是笔者用于指导学生进行创新研究的主要教材之一。关于物理学，其他的一些很有帮助的教科书包括《费曼物理学讲义》等等。毋庸讳言，必要的知识储备是创新的前提。
值得一提的是，只有知识是无法做出创新性工作的，还需要有创新的精神。当学生达到理论最低限度以后，知识上的补充并非核心因素，创新精神的培养和历练才是重中之重。从本质上而言，创新精神和知识学习是两个评价学生能力的不同维度，二者从本质上是完全不同的两回事。
这里试举两个较为极端的例子说明。例如，某位同学知识非常丰富，考试成绩很好，但思维较为僵化，缺少创造力，只会照搬课本进行刻板的学习。后续，当碰到一些棘手的问题之时，没有了教课书，没有了可以参考的资料。问题的解决完全需要其本人通过深入思考并提出有创新性的方案。对于这种情形，此类同学经常表现不佳。需要注意的是，当同学们步入社会以后，大部分问题都属于此类，需要我们自己根据当前形势进行分析、判断并解决，没有模式可以参考。
在另一个例子中，我们假设某位同学思维很活跃，但对于知识的掌握不够扎实。对于很多事物，该类同学通常都能给出与众不同的解决方案和思路，出人意料。但因为知识不够扎实，很多的方案的可执行性和效果会大大折扣。
简而言之，大部分同学并不缺乏知识，缺少的是创新思维和创新精神。以气体定律为例，理想气体状态方程以及笔者提及的各个气体实验定律对于大部分本科生都可以很快掌握。但创新精神和创新能力的培养却需要同学们更为细致地体会各个定律的创新之处以及与前人工作的异同，这些都需要同学们花一些时间方能领会。
三、未来之路
较为理想的情况是培养创新和知识均极佳的人才，但这种人才的培养需要导师们付出极大的耐心和努力，也需要同学们转变思维方式，刻苦努力。我们不妨从各个阶段对二者有所侧重，方是更为可执行的路线。这里以流体物理研究为例，简要列举各个阶段的学习要点，供同学们参考。
l 初高中：打好坚实的基础，注重学习基本的物理、力学概念。
l 大一：注重学习微积分等数学类基础课程，这些课程对于大部分物理类、工程类的学科均至关重要。
l 大二：慢慢尝试给自己加码，可以就感兴趣的某一个小的课外自定主题进行主动学习。主题一定要选取得小一点，可以是某种数学技巧，也可以是某类物理知识等等。数学类学习可以购买《数学指南---实用数学手册》一书，物理类可以看看《费曼物理学讲义》。
l 后续创新：围绕某个科学研究领域进行调研，圈定感兴趣的题目，在导师的指导下进行科学问题的凝练、分析以及技术路线的制定。
注释部分
注一：本文整理自笔者于2020年09月04日在华北电力大学吴仲华学院2019级招生宣讲会上作为导师代表的发言（18:00-21:20，笔者发言时长约28分钟，地点在主楼F座201室）。
