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  • 科研誠信專題

    施一公講科研誠信丨傳道受業

    2021-03-04  

      撰文 | 施一公 

    親愛的各位同學們: 

      大家下午好! 

      你們剛剛開啟自己的科學研究之路,一定對未來充滿了美好的憧憬,也同時有一點點恐慌和不安,因為你們無法預測未來的科學研究是否會一帆風順。 

      今天,我希望和大家談談,我自己作為一個曾經的博士研究生、博士后和已經培養了幾十位博士生博士后的相對資深的科研工作者,對學術品味、學術道德、學術道路的看法。我的觀點都來自于我的切身經歷和感悟,所以個人色彩會非常強烈;根據以往經驗,可能會引起個別人不適,先提前道歉。但也請大家記?。何业挠^點和世界上任何其他人的觀點一樣,都是主觀的,也都是有局限性的,因此未必全然正確、更未必適用于任何一個具有不同成長經歷、來自不同培養環境的你們。所以我下面要講的僅供大家參考,更多的是拋磚引玉,希望能夠由此激發大家的獨立思考。 

      一 

      做一個優秀的研究生,時間的付出是必須的 

      所有成功的科學家有一個共同的特點,那就是他們必須付出大量的時間和心血。實際上,一個人無論從事哪一種職業,要想成為本行業中的佼佼者,都必須付出比常人多的時間和心力。有時,個別優秀科學家在回答學生或媒體的問題時,輕描淡寫地說自己的成功憑借的是運氣,不是苦干。這種客氣的回答避重就輕,只是強調成功過程中的一個偶然因素,常常對年輕學生造成很大的誤導;一些幼稚的學生甚至會因此開始投機取巧、不全力進取而是等待所謂的運氣。說極端一點:如果真有這樣主要憑運氣而非時間付出取得成功的科學家,那么他的成功很可能是攫取別人的成果,而自己十有八九不具備真正在領域內領先的學術水平。 

      神經生物學家蒲慕明先生在多個神經科學領域做出了重要貢獻。十幾年前,身處加州大學伯克利分校的蒲先生曾經有一封電子郵件在網上廣為流傳,這封郵件是蒲先生寫給自己實驗室所有博士生和博士后的,其中的一段翻譯過來是這樣說的:“我認為最重要的事情就是在實驗室里的工作時間,當今一個成功的年輕科學家平均每周要有60小時左右的時間投入到實驗室的研究工作......我建議每個人每天至少有6小時的緊張實驗操作和兩小時以上的與科研直接有關的閱讀等。文獻和書籍的閱讀應該在這些工作時間之外進行?!边@封郵件寫得語重心長,用心良苦。其中的觀點我完全贊同,無論是在普林斯頓還是在清華大學我都把這封郵件的內容轉告實驗室的所有學生,讓他們體會。 

      我從小就特別貪玩,不喜歡學習。但來自學校和父母的教育與壓力迫使自己盡量刻苦讀書,保送進了清華。嘗到了甜頭以后,我在大學階段機械地保持了刻苦的傳統,綜合成績全班第一、提前一年畢業。當然,這種應試和灌輸教育的結果就是我很少真正獨立思考、對專業也提不起興趣。 

      大學畢業后我去美國留學。博士一年級,因為對科研和專業沒有興趣,我內心浮躁而迷茫,無法繼續刻苦,而是花了很多時間在中餐館打工、選修計算機課程。第二年,我開始逐漸適應科研的“枯燥”,對科學研究有了一點兒興趣,并開始有了一點兒自己的體會,有時領會了一些精妙之處后會得意地產生“原來不過如此”的想法,逐漸對自己的科研能力有了一點兒自信。這時,博士學位要求的課程已經全部修完,我每周五天從上午九點做實驗到晚上七八點,周末也會去半天。到了第三年,我已經開始領會到科研的邏輯和奧妙,有點兒躍躍欲試的感覺,在組會上常常提問,而這種“入門”的感覺又讓我對研究增加了更多興趣,晚上常常干到11點多。1993年我曾經在自己的實驗記錄本的日期旁標注“這是我連續第21天在實驗室工作”,以激勵自己。到第四年以后,我完全適應了實驗室的科研環境,再也不會感到枯燥,時間安排則完全服從實驗的需要。其實,這段時期的工作時間遠多于剛剛進實驗室的時候,但感覺上好多了。研究生階段后期,我的刻苦在實驗室是出了名的。 

      在紐約做博士后時期則是我這輩子最刻苦的兩年,每天晚上做實驗到半夜三點左右,回到住處躺下來睡覺時常常已是四點以后;但每天早晨八點都會被窗外街道上的汽車喧鬧聲吵醒,九點左右又回到實驗室開始了新的一天。每天三餐都在實驗室,分別在上午9點、下午3點和晚上9點。這樣的生活節奏持續11天,從周一到第二周的周五,周五晚上乘坐灰狗長途汽車回到巴爾地摩的家里,周末兩天每天睡上近十個小時,彌補過去11天嚴重缺失的睡眠,周一早晨再開始下一個11天的奮斗。雖然很苦,但我心里很驕傲,我知道自己在用行動打造未來、在創業。有時我也會在日記里鼓勵自己。我住在紐約市曼哈頓區65街與第一大道路口附近,離紐約著名的中心公園很近,那里也常常有文化娛樂活動,但在紐約工作整整兩年,我從未邁進中心公園一步。 

      我常常把自己的這段經歷告訴我實驗室的學生,新生常常問我:“老師,您覺得自己苦嗎?”我回答,“只有自己沒有興趣的時候覺得很苦,有興趣以后一點也不覺得苦。” 是啊,一個精彩的實驗帶給我的享受比看一部美國大片強多了?,F在回想起當時的刻苦,感覺仍很驕傲、很振奮!我在博士生和博士后階段那七年半的努力進取,為我獨立科研生涯的成功奠定了堅實基礎。 

      二 

      做一個優秀的研究生,必須具備批判性的思維 

      要想在科學研究上取得突破和成功,只有時間的付出和刻苦,是不夠的。批判性分析(critical analysis)是必須具備的一種素質。 

      研究生與本科生最大的區別是:本科生以學習人類長期以來積累的知識為主、兼顧科學研究和技能訓練;而博士生的本質是通過科學研究來發掘創造新的知識,而探索新知識必須依靠批判性的思維邏輯。其實,整個大學和研究生階段教育的很重要一部分就是培養 critical analysis 的能力,養成能夠進行創新科研的方法論。這里的例子非常多,覆蓋的范圍也非常廣,在此舉幾個讓我難忘的例子。 

      01 正確分析負面結果(negative results)是成功的關鍵 

      作為一名博士生,如果每一個實驗都很順利、能得到預期的結果,除個別研究領域外,可能一般只需要6至24個月就可以獲得博士學位所需要的所有結果了。然而,在美國,生命學科的一個博士研究生,平均需要6年左右的時間才能得到PhD學位。這一分析說明:絕大多數實驗結果會與預料不符,或者是負面結果。很多低年級的博士生一看到負面結果就很沮喪,甚至不愿意仔細分析原因。 

      其實,對負面結果的分析是養成批判性思維的最直接途徑之一;只要有合適的對照實驗、判斷無誤的負面實驗結果往往是通往成功的必經之路。一般來說,任何一個探索型研究課題的每一步進展都有幾種、甚至十幾種可能的途徑,取得進展的過程就是排除不正確、找到正確方向的過程,很多情況下也就是將這幾種、甚至十幾種可能的途徑一一予以嘗試、排除,直到找到一條可行之路的過程。在這個過程中,一個可靠的負面結果往往可以讓我們信心飽滿地放棄目前這一途徑;如果運用得當,這種排除法會確保我們最終走上正確的實驗途徑。 

      非常遺憾的是,大多數學生的負面實驗結果并不可靠,經不起邏輯的推敲!而這一點往往是阻礙科研課題進展的最大阻礙。比如,對照實驗沒有預期結果,或者缺乏相應的對照實驗,或者是在實驗結果的分析和判斷上產生了失誤,從而做出“負面結果”或“不確定”的結論,這種結論對整個課題進展的傷害非常大,常常讓學生在今后的實驗中不知所措、苦惱不堪。 

      因此,我告誡并鼓勵我所有的學生:只要你不斷取得可靠的負面結果,你的課題很快就會走上正路;而在不斷分析負面結果的過程中所掌握的強大的批判性分析能力也會使你很快成熟,逐漸成長為一名優秀的科學家。 

      我對一帆風順、很少取得負面結果的學生總是很擔心,因為他們沒有真正經歷過科研上批判性思維的訓練。在我的實驗室,偶爾會有這樣的學生只用很短的時間(兩年以內,有時甚至一年)就完成了博士論文所需要的結果;對這些學生,我一定會讓他們繼續承擔一個富有挑戰性的新課題,讓他們經受負面結果的磨練。沒有這些磨練,他們不僅很難真正具備批判性思維的能力,將來也很難成為可以獨立領導一個實驗室的優秀科學家。 

      02 耗費大量時間的完美主義阻礙創新進取 

      Nikola Pavletich 是我的博士后導師,對我影響非常大,他做出了一系列里程碑式的研究工作,享譽世界結構生物學界,31歲時即升任正教授。1996年4月,我剛到Nikola實驗室不久,純化一個表達量相當高的蛋白Smad4,兩天下來,蛋白雖然純化了,但結果很不理想:得到的產量可能只有預期的20%左右。見到Nikola,我不好意思地說:“產率很低,我計劃繼續優化蛋白的純化方法,提高產率?!彼磫栁遥骸澳銥槭裁聪胩岣弋a率?已有的蛋白不夠你做初步的結晶實驗嗎?”我回敬道:“我雖然已有足夠的蛋白做結晶篩選,但我需要優化產率以得到更多的蛋白?!彼敛豢蜌獾卮驍辔遥骸安粚?。產率夠高了,你的時間比產率重要。請盡快開始結晶?!睂嵺`證明了Nikola建議的價值。我用僅有的幾毫克蛋白進行結晶實驗,很快意識到這個蛋白的溶液生化性質并不理想,不適合結晶。我通過遺傳工程除去其N端較柔性的幾十個氨基酸之后,蛋白不僅表達量高、而且生化性質穩定,很快得到了有衍射能力的晶體。 

      在大刀闊斧進行創新實驗的初期階段,對每一步實驗的設計當然要盡量仔細,但一旦按計劃開始后對其中間步驟的實驗結果不必追求完美,而是應該義無反顧地把實驗一步步推到終點,看看可否得到大致與假設相符的總體結果。如果大體上相符,你才應該回過頭去仔細改進每一步的實驗設計。如果大體不符,而總體實驗設計和操作都沒有錯誤,那你的假設很可能是有大問題的。這樣一個來自批判性思維的方法論在每一天的實驗中都會用到。 

      過去二十年,我一直告訴實驗室所有學生:切忌一味追求完美主義。我把這個方法論推到極限:只要一個實驗還能往前走,一定要做到終點,盡量看到每一步的結果,之后需要時再回頭看,逐一解決中間遇到的問題。 

      03 科研文獻(literature)與學術講座(seminar) 的取與舍 

      在我的博士生階段,我的導師 Jeremy Berg 非常重視相關科研文獻的閱讀,有每周一次的實驗室文獻討論,討論重要的相關科研進展及研究方法,作為學生我受益匪淺。作為學生,我以為所有的科學家在任何時期都需要博學多讀。 

      剛到Nikola實驗室,我試圖表現一下自己讀文獻的功底、也想與Nikola討論以得到他的真傳。1996年春季的一天,我精讀了一篇《自然》周刊上發表的文章,午飯前遇到Nikola,向他描述這篇文章的精妙,同時期待著他的評述。Nikola面色尷尬地對我說:“對不起,我還沒看過這篇文章?!蔽蚁耄阂苍S這篇文章太新,他還沒有來得及讀。過了幾天,我精讀了一篇幾個月前發表于《科學》周刊的文章,又去找Nikola討論,沒想到他又說沒看過。幾次碰壁之后,我不解地問他:“你知識如此淵博,一定是廣泛閱讀了大量文獻。你為什么沒有讀我提到的這幾篇論文呢?”Nikola看著我說:“我閱讀不廣泛?!蔽曳磫枺骸叭绻悴粡V泛閱讀,你的科研怎么會這么好?你怎么能在自己的論文里引用這么多文獻?”他的回答讓我徹底意外,大意是“我只讀與我的研究興趣有直接關系的論文。并且只有在寫論文時我才會大量閱讀”。 

      我做博士后的單位 Memorial Sloan-Kettering Cancer Center 有一個優秀的系列學術講座,常常會請來各個生命科學領域的著名科學家來演講。有一次,一個諾貝爾獎得主來講,并且點名要與Nikola交談。在絕大多數人看來,這可是一個不可多得的好機會去接近大人物、取得好印象。Nikola告訴他的秘書:請你替我轉達我的歉意,講座那天我已有安排。我們也為Nikola遺憾。讓我萬萬想不到的是,諾貝爾獎得主講座的那天,Nikola把自己關在辦公室里,早晨來了以后直到傍晚一直沒有出門,當然也沒有去聽講座。以我們對他的了解,十有八九他是在寫paper或者解結構。后來,我意識到,Nikola常常如此。 

      在我離開Nikola實驗室前,我帶著始終沒有完全解開的謎,問他:如果你不怎么讀文獻,又不怎么去聽講座,你怎么還能做一個如此出色的科學家?他回答說:(大意)我的時間有限,每天只有10小時左右在實驗室,權衡利弊之后,我只能把我的有限時間用在我認為最重要的事情上,如解析結構、分析結構、與學生討論課題、寫文章。如果沒有足夠的時間,我只能少讀文章、少聽講座了。 

      Nikola的回答表述了一個簡單的道理:一個人必須對他做的事情做些取舍,不可能面面俱到。無論是科研文獻的閱讀還是學術講座的聽取,都是為了借鑒相關經驗、更好地服務于自己的科研課題。 

      在博士生階段,尤其是前兩年,我認為必須花足夠的時間去聽各相關領域的學術講座、并進行科研文獻的廣泛閱讀,打好批判性思維的基礎;但隨著科研課題的深入,對于文獻閱讀和學術講座就需要有一定的針對性,也要開始權衡時間的分配了。 

      04 挑戰傳統思維 

      從我懂事開始,就受到教育:但凡失敗都有其隱藏的道理,應該找到失敗的原因后再重新開始嘗試。直到1996年,我在實驗上也遵循這一原則。但在Nikola的實驗室,這一基本原則也受到有理有據的挑戰。 

      有一次,一個比較復雜的實驗失敗了。我很沮喪,準備花幾天時間多做一些對照實驗找到問題所在。沒想到,Nikola阻止了我,他皺著眉頭問我,“告訴我你為什么要搞明白實驗為何失???”我覺得這個問題太沒道理,理直氣壯地回答:“我得分析明白哪里錯了才能保證下一次可以成功?!盢ikola馬上評論道(大意是):“不需要。你真正要做的是把實驗重復一遍,但愿下次可以做成。與其花大把時間搞清楚一個實驗為何失敗,不如先重復一遍。面對一個失敗了的、復雜的一次性實驗,最好的辦法就是認認真真重新做一次。”后來,Nikola又把他的觀點升華(大意是):“是否需要找到實驗失敗的原因是一個哲學決定。找到每一個不完美實驗結果原因的傳統做法未必是最佳做法?!弊屑毾胂?,這些話很有道理。并不是所有失敗的實驗都一定要找到其原因,尤其是生命科學的實驗,過程繁瑣復雜;大部分失敗的實驗是由簡單的操作錯誤引起的,比如PCR忘記加某種成分了,可以仔細重新做一遍;這樣往往可以解決問題。只有那些關鍵的、不找到失敗原因就無法前行的實驗才需要刨根究源。 

      我選擇的這些例子多少有點“極端”,但只有這樣才能更好地起到震蕩大家思維的作用。其實,在我自己的實驗室里,這幾個例子早已經給所有學生反復講過多次了,而且每次講完之后,我都會告訴大家打破迷信、懷疑成規,而關鍵的關鍵是:Follow the logic 跟著邏輯走!這句話,我每天在實驗室里注定會對不同的學生重復講上幾遍。嚴密的邏輯是批判性思維的根本。 

      三 

      科學家往往需要獨立人格和一點點脾氣 

      對社會人而言,科學研究是個苦差事;對真正的科學家而言,科學研究實在是牽腸掛肚、茶飯不思、情有獨鐘、妙不可言??縿e人的勸說和宣講來從事科學研究不太可行,真正自己從心里感興趣直至著迷、一心一意持之以恒地探奇解惑,才有可能成為一流的科學家,正所謂“不瘋魔、不成活”。在這個過程中,獨立人格和脾氣顯得格外重要。所謂獨立人格,就是對世界上的事物有自己獨立的看法。恰恰是一些有脾氣的人不會輕易隨波逐流,可以保持自己的獨立人格。因為時間關系,這里就不舉例了。 

      四 

      不可觸碰的學術道德底線 

      做學問的誠實反映在兩方面。首先是有一說一,實事求是,尊重原始實驗數據的真實性。在誠實做研究的前提下,對具體實驗結果的分析、理解有偏差甚至錯誤是很常見的,這是科學發展的正常過程??梢哉f,絕大多數學術論文的分析、結論和討論都存在不同程度的瑕疵或偏差,這種學術問題的爭論往往是科學發展的重要動力之一。越是前沿的科學研究,越容易出現錯誤理解和錯誤結論。 

      比較有名的例子是著名物理學家費米1938年獲得諾貝爾獎,獲獎的重要原因之一是他發現了第93號元素。實際上,盡管費米在1934年曾報道用中子轟擊第92號元素鈾可以產生第93號元素,德國的化學家哈恩在1939年1月發表論文,證明產生的元素根本不是93號元素,而是56號元素鋇!但這個錯誤并沒有改變費米是杰出的物理學家的事實,也沒有影響他繼續在學術上的進取。費米很快提出后來用于制造原子彈的鏈式反應理論并于1941年在芝加哥大學主持建成世界上第一座原子反應堆。 

      再舉一個生命科學領域的例子,Edmond Fischer和Edwin Krebs因為發現蛋白質的磷酸化于1992年獲得了諾貝爾生理學或醫學獎,但如果仔細閱讀他們發表于二十世紀五十年代的幾篇關鍵學術論文,你會發現他們當時對不少具體實驗現象的理解和分析與我們現在的理解有一定差距,用今天的標準可以說不完全正確;但瑕不掩瑜,這些文章代表了當時最優秀最有創意的突破。 

      舉這兩個例子是希望大家區分 error 與 misconduct 的區別。比如一個實驗由于條件有限,做出了一個結論,后來別人用更高級的實驗手段、更豐富的實驗數據推翻這個結論,那么第一篇只要詳實地報道了當時的實驗條件,更重要的是基于這些描述其他實驗室都可以重復出其報道的實驗結果,就情有可原,無須撤稿。但如果明知實驗證據不足,為了支持某個結論而編造實驗條件或實驗證據,這就是造假了,視為學術不端。 

      但誠實的學問還有另外一層重要含義:只有自己對具體實驗課題做出了相應的貢獻(intellectual contribution)后,才應該在相關學術論文中署名。這一點,很多人做不到。大老板強勢署名的事情屢見不鮮;更有甚者,利用其學術地位和影響力,使一些年輕學者不得不在文章里掛上自己的名字,有時還以許諾未來的科研基金來換取論文署名。這種做法不僅有失學術道德,更是會嚴重阻礙創新,對整個學術界風氣的長遠惡劣影響更甚于一般的造假。 

      五 

      你不習慣的常識 

      01 我們有限的認知不足以支撐一成不變的真理 

      你們在課堂里學到的所有定律、公理等等,都是前人對自然現象的歸納總結,是現狀下最好的歸納總結,可以有效解釋這些現象、甚至預測一些還未發現的現象。也許這些定律和公理可以非常接近真理;但是,這些定律和公理僅僅是對現實的近似描述,都不是永恒的真理;隨著人類對周圍環境和宇宙認識的加深,這些定律和公理都會有失效的時候。這里最有代表性的例子應當是強大的牛頓萬有引力定律;它可以解釋太陽系行星圍繞太陽的公轉,但它無法完美解釋水星近日點進動的問題,而需要引入愛因斯坦的廣義相對論。所以,請同學們牢記:科學研究中沒有絕對的真理,只有不斷改進的人類對自然的認識! 

      02 科學和民主是兩個概念 

      科學研究是探尋未知,其結果是科學發現和規律定理;而民主通常是指在決策過程中每個人都有發言權的現象和過程。很遺憾,但也許是很幸運,在科學研究的過程中,從來沒有“少數服從多數”這一原則。實際上,在前沿和尖端的科學研究領域,常常是極少數人孤獨地探索,做出一些有違常規的意外發現,這些發現也常常被大多數人排斥甚至攻擊。但最終,極少數的這些科學探索者的發現還是會被學界和社會所接受。從蘇格拉底到布魯諾、哥白尼,這里的例子不勝枚舉。雖然科學真理最初往往被極少數人發現的道理人人知曉,但到了日??茖W研究中,在各種噪音中,真正能夠全力探索、冷靜辨別真偽的又有多少人能真正做到呢? 

      其實,真正優秀的科學評價也不是簡單的一人一票。我從霍普金斯大學讀博士到普林斯頓大學做教授的這18年間,常??吹揭粋€有趣的現象,那就是在一場激烈的學術討論過程中,初始階段大多數人堅持的觀點逐漸被少數幾個人的觀點說服,成了實實在在的多數服從少數。這些少數人制勝的法寶就是精準的學術判斷力和嚴密的邏輯。這種現象,在基金評審、科學獎項評審、重大科研課題討論及評審等等過程中也常常出現。 

      03 科學是高尚的,但科學家未必高尚 

      走上科研的道路,每個人的動力都不同。有人可能是基于興趣,有人可能是因為成就感,也有人就是把科研當成了追求名利、甚至僅僅是謀生的手段。所以,大家沒有必要盲目崇拜所謂學術權威、盲目崇拜教授專家。 

      然而,在科學評價中,卻是“論跡不論心”。也許以名利為手段的會最終心想事成,做出重大科學成果名利雙收;也有清高淡泊醉心學術卻因為種種原因一事無成的。這都是實實在在會發生的。 

      但不論每一個個體是以什么目的、什么動力在做科研,科學的本質就是求真,科研的目標是不斷拓展人類知識的邊界、推動技術進步。而哪怕你的初衷只是把科研當成一份普通的工作、當成謀生的手段,如果你堅持走下去了,我也祝福你能夠慢慢從日復一日的重復、無路可走的焦灼,到柳暗花明、靈光乍現的起伏中逐漸體會到從事科研的幸福感、滿足感和成就感。真正的科研動力來自于內心的認同!真正的學術道德在完善科研管理體制之外,也有賴于每一個個體對于科研之道的認同而實現的自律。 

      謝謝大家! 

      來源:中國生物技術網 返樸 

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