■ 科研选题，坚持“Both Beautiful and Useful”，是一条有效的原则。

　　科学研究：做什么比怎么做更重要

　　从博士毕业至今，我独立做学问的时间也有20余年了。二十多年的经验是，选题比什么都重要。大家都知道What to do和How to do，也就是做什么和怎么做。这两者之间，我的体会是，“做什么”比“怎么做”更重要，前者代表选什么研究题目，后者则代表选什么研究方法（一般指理论和实验方法）。

　　研究者与研究者的区别，或者成名的早晚和名气大小，与从事什么研究课题最重要。做学问，好比挖宝藏，掘金子，有人年少即成名家，而有人到满头白发还默默无闻，并非智商高低不同，或聪明与愚笨之别，主要还是与所研究的方向、领域和题目有关。“怎么做？”，估计人人都会，因为大家受的教育程度和经历，以及智力水平不会相差很大；但是，“做什么”，却可能因为很多其他原因而相差很大。所以，在学术圈，有一句名言，就是“名师出高徒”。其实名师之所以是名师，主要还是他（她）的研究方向、领域、课题和成果的综合影响很大，同行的认可度高，所谓学术领先者，带头人是也。基本上是，如果选一个诺贝尔奖获得者作为导师，你很容易成为一个高徒；选一个院士作导师，也是比较容易出成果的，因为这些导师做的研究课题本身就很容易发表高级别的论文。如今，你要想出Nature、Science级别的学术论文，较好的捷径是找一个发表过Nature和Science论文的科学家做导师。

　　我师从国内化学工程权威陈敏恒和袁渭康两位院士，以及美国孟山都公司的工程师科学家（Fellow），Henry Chien，硕士论文是关于化学和相平衡共存复杂过程的计算方法，属于数学在化工中的应用，是很基础的研究课题，这使得我的学术生涯中的第一篇论文在国际化工同行认可的Top one期刊，AIChE Journal 上发表。据统计，这应该是中国大陆在这个杂志上发表的第一篇论文。同时，另外两篇论文又在国内同行认可的《化工学报》发表。由此，我很快体会到了科学研究的喜悦，同时又培养了良好的学术习惯。

　　1980年代末，整个国际化学工程的发展和热门领域是模型化和计算机仿真。现在很有名的化工流程模拟软件，比如ASPEN，PRO/II都是那时发展起来的。许多国际著名的化工学者都从事数学和模型化方法的研究，尤其化工热力学、反应工程、精馏分离等领域，目前许多其他领域使用广泛的数学方法都是化工学者首先提出的。按照后来发展起来的定义，当时的阶段属于化学工程学科的理论框架构建阶段，即面向过程的研究（Process oriented）。同时，化学工程学科是一个应用性学科，即工科，是以生产过程为研究对象的，而化学品的种类和规格成千上万，枚不胜举。而且不同的产品，以及不同产品的规格，其生产过程不尽相同，甚至大不相同。1990年代后期，出现了面向产品的研究（Product Oriented），有人又把它称为产品工程（与过程工程相对比，Product Engineering，和 Process Engineering）。因此，过程是化学工程的理论框架，属于抽象的层面，同数学联系紧密；而产品则是化学工程的应用或实践平台，属于具体化的层面，和工业实践联系紧密。在上世纪80-90年代，前者属于化学工程专业，后者属于化学工艺专业。作为抽象的理论，有成熟的必然性。到本世纪，过程趋于成熟，但是产品却是丰富的，多样的，成千上万，化学工艺专业也从传统的化学、石化、无机盐工业扩展到许多新型领域，包括能源、材料、生物、医药、食品、电子、航天航空等。因此，为了体现特色与多样性，以及理论与应用的统一，也为了适应新形势下学科的变化和发展，这两个专业合并统称为化学工程与工艺专业，简称化工专业。实际上，大家知道，任何一门学科，其都经历了实践——理论——再实践——再理论的循环，最后趋于成熟。化学工程作为一门学科，其发展历程也是这样的。

　　说起化学工程，由于职业喜好的原因，我很想多说几句。

　　化学工程的重要性

　　说起学科设置，大致总会有：文、理、工、商、医、农六大门类（正规说法是理、工、医、管、法、经、农、文、哲、史、教育、军事等12个门类），以此而论，交大应该是最全了，已有63个一级学科。为了在2020年实现“世界一流大学”目标，学校制定了“巩固工医商，强大理科，力扶文农”的建设方针。交大作为中国历史最悠久的工科特色大学之一，曾享东方MIT之美誉，我认为这一方针是十分正确和明智的，也是能达成意愿的。

　　中国与世界先进国家的发展步伐大不相同，我们还主要处于工业化和城镇化的进程之中，主要靠投资和出口拉动，即主要靠大工业拉动，消费这架马车发挥拉动作用的时代还远没到来（尽管大家都希望它尽快到来），作为与之相适应的高等教育和科学研究也应该主要靠工业驱动。近期出现的美国金融危机和欧洲债务危机大致与过份强调消费驱动有关。他们消费不行了，我们出口也就不行了，因此，我们的经济也就间接受到了拖累。为此，美国政府为了复苏经济，增加就业，发起了“再工业化”和“工业回归”的运动，宣称到2015年，政府投入6000亿美元，在IT、交通、能源和医药等领域，发展引领世界的新技术和新产业（如太阳能、电动车等），创造新的经济驱动引擎。因此，在现阶段，甚至到今后二、三十年间，工科仍将是具有重要地位和重要影响的，尤其在中国。交大不仅应该巩固工科，而且更应该进一步强大工科。工科是交大强校之本。

　　一般认为有五大工科：化工、建筑、电气、机械和计算机。历史上，交大的这五个学科都是很强的。上世纪五十年代，建筑撤消并入同济大学，化工撤消并入华东理工大学，它们分别支撑起了两个在同行中被高度认可的大学。目前，我校的这两个学科（或系）都是新建的，因而相对弱小，尤其化工系，前几年对其建设的必要性还存在认识不足的问题。但是，化工学科对交大的重要性是需要足够和重新认识的。

　　科学意义上，化工是关于物质转化和利用的工程科学，是利用数学、物理，尤其是化学，包括生物学的原理，实现物质规模化和高效化的转化和利用。由于物质转化和利用的重要性在于它是所有生命体（或人类社会）生存和发展的基础，我们总是认为，化学工程是现代社会的一门基础科学，其学科内容包括物质转化（化学反应），物质、能量和力的传递（即三传一反），具有明显普遍性，因此应该成为工科大学的基础课程或通识课程。这对通才和精英的培养也将是具有明显的促进作用的。

　　再通俗一点，化工是研究放大的。什么是放大？就是将实验室的小试成果放大到工业规模的生产，以满足社会或市场的大规模需求，同时获取利润。因此，一般而言，与微观（分子）层次的化学相比，化工是跨越化学到宏观的化学工业的桥梁，或认为属于亚观层次。化学层面是发现或发明某个产品，化工层面则是实现其生产。如果没有化工的知识和技术，即使实验室发明了某个新产品，也难以转化到生产实践中去。这也就是我们常说的成果转化为什么那么不容易的一个主要方面——主要是不具备“放大”的知识和技能。

　　化工不仅是研究放大的，而且也是解决效率问题的能手。现代经济和社会大力提倡绿色技术、清洁生产、低碳经济和可持续发展等新目标，无疑是关于资源和环境的问题，其中最突出的是能源领域。这些问题无不与效率有关。效率低，就会有废物排出，就会造成环境污染，进一步地就会浪费资源。电力生产传统上属于电气和机械学科，将化工学科应用于电力生产，体现在原料清洁化（比如煤气化循环发电），转化过程中的高效化和尾端污染物净化（烟气脱硫脱硝等），实际上，能源生产从头到尾也都是一个典型的化工过程（化学能转化为电能）。

　　化工也是解决纯洁性问题的高手。材料领域追求高纯度，只有利用化工分离技术才能实现。比如太阳能发电用的多晶硅材料，要求纯度超过7个9，即99.99999%；制约氯碱工业的电解隔膜的原材料也是高纯度的；制约大型飞机、大型风力发电机的碳纤维材料也要求原料高纯度；药品的纯度也有很高的要求。这些都有赖于化工的基础知识和技术。

　　传统意义上的化工行业主要是指酸、碱、盐、化肥、农药和炼油、石化等。如果关注全球500强中的前10名，就会发现大部分都是化工领域或者和化工密切相关的。现代化工，或称广义上的化工还包括冶金、能源、环保、材料、医药和食品，也涉足汽车、电子、信息、海洋和航空航天。这些领域目前统称为战略性新型产业，是我国乃至国际上重点竞争的新领域，也是容易产生重大科研成果的新领域。无疑地，交大都希望在这些领域产生明显影响，那么，我们就应该重视化工学科在交大的建设和发展问题，使其能够担当支撑其他战略性新型学科的重任。这对交大确保能够处于领先地位，实现世界之一流大学目标至关重要。一个可以借鉴的典型是，作为世界工科大学之首冠的MIT，其化工学科在美国是排名第一的，当然，其他工科学科也是排名第一的。

　　科研选题二、三事

　　科学研究的意义一般在于两个方面，应用的和理论的，基础性（理科）的学科，比如数学、物理、化学和生物学，往往会偏重于理论，但是目的也大多是应用的，除非是关于宇宙起源和物种进化这样的课题。在现阶段，工科的研究基本上都以应用为目的，其基础性研究往往都与数学有关。

　　我的硕士研究课题是关于相平衡（分离）和化学平衡（反应）共存过程的研究，是一个典型的应用数学课题，具体为非线性方程组和非线性规划的求解。我当时的数学基础是可以胜任这个课题的。但是，我似乎更感兴趣于它的应用背景，发现有两个应用很适合这个理论（数学问题），一是离子反应体系，比如酸性废气的碱吸收净化，包括电厂锅炉烟气的脱硫，属于环保领域；二是高温反应体系，比如涂层材料的化学沉积镀膜，属于材料领域。这样，一篇理论，两篇应用，硕士工作发表三篇论文。当时的感觉是，通过数学和计算机就可以设计一个很有用的化工过程，不仅有理论，可以发表高水平的学术论文，还可以发明一个有实用价值的技术，既好看又中用（Both beautiful and useful），从此对科学研究变产生了浓厚的兴趣。

　　博士期间，袁渭康院士也建议我选一个很有理论挑战的课题，继续硕士的论文发表势头，多写论文。当时，非定态问题是国际化工界的一个研究热点，许多知名的化学工程权威都涉足其间。该领域包括两个课题：偏化学的非均相催化反应的暂稳中间态研究，和偏化工的时变反应器研究，分别关于催化剂和反应器中的反应，称为非定态反应和非定态反应器。前者为纯反应过程，目的是研究反应机理，属于理论的范围，后者为包括传热、传质的反应过程，目的是开发新型反应器，既理论也实用。

　　人们在思维习惯上，或体现在生产过程（或设备）的设计和操作运行上，都主要是定态的，即不变的。但是，变化才是规律，才是正常的行为，是自然的，和常情的。为了最求稳定，就有了控制，再结合计算机，就变成了自动控制。稳定的目的是最求产量和质量的稳定，还有就是安全的保证，所谓“维稳”是也。但是，对于催化剂或反应器而言，恒定的操作条件往往不能发挥其最佳效能。操作条件的适当的，或控制性即周期性的变化，可以强化反应和反应器的效率，这正式非定态问题研究在应用上的意义。

　　经过广泛收集和分析文献，我对前人的每一篇文献都进行了分析，写成了近万字的综述报告，发现国内当时还没人研究这两个课题，还发现非定态反应器对我国具有现实的应用价值。当时，我国有色金属工业产生大量二氧化硫废气，浓度低且波动大，未经回收治理直接排入大气，每年上100万吨，造成了严重的大气污染和资源浪费。有感于此，也是一种使命感使然，我便选择了非定态反应器作为我的博士研究课题。

　　这个课题使我受益匪浅，从中形成了迄今屡试见效的科学研究方法，包括四个步序：模型化或仿真研究——实验室小试研究——工厂中试研究——工业化示范研究。实际上，这也是关于“放大”问题的研究方法。理论先行，建立模型，实验室测定模型参数，工厂中试验验证新工艺和设备的技术可行性，工业化示范实现从研究到生产的跨越，不仅检验技术可行性，还检验经济可行性。只有同时满足技术和经济上的竞争优势，才能最终实现创新目标。什么是真正的创新？比较客观的标准是，没有社会和经济效益的创新，没有竞争优势的创新，不是真正的创新。

　　在研究过程中，我发现，实验室建立的反应装置尺寸过小，很难反映非定态反应器的真实行为，与理论预测相去甚远，需要在工厂建立较大规模的中试装置。面临的首要问题是资金。幸运的是，我以我的初步研究成果参加了一个行业会议，还获得了优秀论文奖，结识了一些工业界的专家，包括上海华谊集团的领导，很快得到了他们的认可和支持，同意支持我在企业建立中试装置。我在工厂前后用了一年半时间，得到了领导和工人的密切配合，获得了满意的结果。不久，又很幸运的得到了河南豫光金铅股份公司的信任，在其新建的一个冶炼装置上采用我的研究成果，从而实现了从研究到生产的质的跨越。我的这项研究在化工权威期刊Chemical Engineering Science上先后发表了5篇论文，参加了在欧美俄举办的三次国际学术会议，获得了一项发明专利金奖，并使我能在不足30岁即成为千万级的国家科技攻关项目负责人。这项成果先后在国内被多次实际应用，我由此获得了包括“长江学者”在内的多项奖励和荣誉，使我确立了在同行学术界和工业届的较好的学术地位。

　　这个课题给我的另一个收获是世界观和认识论上的。非定态反应器的理论框架，即数学模型是非线性分布参数的动力系统问题，即包括时空变化的非线性偏微分方程组。这是一个很有普遍性意义的数学问题，在电路设计、电力输送、天气预报、人口分析、股票预测、环境预报等方面都具有价值。在以后的研究岁月中，我甚至体会到这个理论可以解决一些长期令人费解的自然现象，一般称为“维小扰动”问题。这类问题是实际存在的，但是却无法设计实验来验证，因为其时变性（比如温度、浓度和压力随时间变化），所以无法重复。科学实验的方法和目的都是，相同的条件必然有相同的结果。人们熟悉的例子，就是天气或气候，人们永远无法证实今天的天气与过去或今后的某天是完全一样的。但是，它却是完全可以建立严格的数学模型，通过高速计算机模拟和仿真的。过去人们对一些生命科学现象存在争论，比如蝴蝶效应、气功、特异功能等，并被认为是伪科学的，因为无法靠重复实验来证明。某种程度上，这个数学理论可以解释这些现象，它告诉人们，可以相信但不要迷信，因为理论上，它们并非每次实验都是有效的或成功的。

　　总结我的学术生涯，总是不会忘记我的研究生生活。应该说，经过硕士和博士阶段的学习，我在数学、计算机和化学工程的理论方面得到了严格和透彻的训练，在实验技能和方法方面也形成了深厚的经验，最重要的是，树立了工程科学的思维方法，尤其在选题上的方法和经验，使我终生受益。

　　工作后，延续我的博士研究课题，同时又偶得一信息，就是关于我国的酸雨问题。当初在争取国家发改委和教育部支持我的非定态反应器在有色金属冶炼烟气治理方面的科技攻关时，得知我国电力工业存在烟气治理和酸雨污染问题，国外技术对我国封锁，国内长期没有好的技术。我当即查阅资料，由于有硕博科研的基础，很快提出了一个结合我国国情回收二氧化硫废气生产硫酸和化肥的技术路线，而当时传统的包括国外的技术都是抛弃二氧化硫产生石膏渣。没想到这个方案很快得到上级的批示，与冶炼烟气治理项目合并为一个大的项目，列为国家九五重点科技攻关，我当时博士毕业4年，刚好30岁。这项研究属于清洁能源领域，具有很好的应用价值，是一项偏应用的研究，但有意思的是，我的硕士工作正好是其理论基础。我国每年燃煤近25亿吨，每年产生废气二氧化硫5000万吨，但是我国又是硫资源缺乏的国家，每年大量进口硫磺折合二氧化硫2000万吨，经济效益、社会和环境效益十分巨大。因此，这项研究又先后得到国家自然基金会的重点基金和科技部的十五863计划支持，在能源行业领域确立了较好的学术影响，成果在国内已被普遍应用。

　　科学选题中的哲学思维

　　有人形容，科学研究好比攀登高峰，收获美丽之风光，它建立一个完整和优美的理论体系，如诗如画，赏心悦目。工程科学的研究也有艳如画，但它还有黄金屋，研究成果好似挖到了宝藏淘到了金子，最后建设一个工厂，产生切实的效益，收获甜蜜的果实。

　　科研选题，坚持“Both Beautiful and Useful”，是一条有效的原则。最近几年，我们接触到能源领域的一些课题，深有感触。人们对低碳概念已经津津乐道，不讲低碳就落伍了。低碳的理论依据是二氧化碳是温室气体，是气候变暖的主因，这是化学家提出的理论（实际是假设）。很多人怀疑这个理论，因为它无法用实验加以验证，而且基于数学模型的理论计算也不可靠。但是，这个假设如今却被作为一种政治，一种信仰，为此，许多国家政府和一大帮杰出的科学家都在研究二氧化碳封存技术。但是，从化学工程学的观点，这是一种毫无意义的研究，Neither useful nor beautiful。

　　很显然，科学研究也是有遗憾的。它的遗憾就是，梦想难以实现。科学需要想象，甚至梦想。现在关于宇宙起源的大爆炸理论，关于人类起源的达尔文进化论估计永远也不能得到证实，因为现实的科学永远也无法设计可以满足要求的实验条件。但是，人们必须要有一种理论，而且代代相传。正如从我的关于非定态反应器研究中的启示，有些现象是无法用实验验证的，但是理论是正确的，符合现实的科学原理的。这也是一种关于理论和实践的问题，在实证科学（或可理解为一般意义上的科学）领域，它们是必须统一的，在思辨科学（或可理解为哲学）领域，它们可以不一致。因此，这在某种程度上，科学研究也能触及到哲学命题，即世界观和方法论的问题。

　　学者小传

　　肖文德，上海交通大学特聘教授，“长江学者”特聘教授，化工系主任，博士。1981-1991年华东理工大学获煤化工学士，化学工程硕士和博士学位，1992-2009在国家重点联合化学工程实验室（反应工程）工作。1995年入选教育部“跨世纪优秀人才计划” 和上海市科技“启明星”，2001年评为上海市优秀科技“启明星”，1999入选教育部“长江学者”特聘教授计划，2000年享受国务院特殊津贴。 　　

    主要研究方向是化工、能源、环境和材料的交叉领域，利用催化、反应工程和系统工程的原理和方法研究洁净煤技术、绿色化学技术、C1化学技术、新能源材料和生物化工技术。重点课题包括可资源化脱硫脱硝制化肥技术，被多家大型企业使用，最大应用规模达35万kW电厂；替代石油路线的煤制乙二醇技术，已建成千吨级中试装置，计划放大到30万吨级工业装置；太阳能多晶硅低能耗、无污染和低投资、低成本新技术进入千吨级工业装置，新课题包括煤制烯烃，煤制乙醇，和低成本大型储能电池组堆技术。 　　

    曾分别主持了国家计委“九五”重点科技攻关计划项目，国家科技部“十五”863计划项目，国家自然科学基金“九五”重点基础研究项目，研究成果2000年获教育部科技进步二等奖发表论文100余篇，专利30余项，出版专著一本，兼任《石油化工》，《化学工程》和《催化学报》编委。