地球科学研究简论

   本科生学习阶段头两年的主要任务是学习基础课，既然如此，为什么要在这个时候谈论地球科学研究的问题呢？有三点理由。首先，"研究"是一种即将伴随我们一生的重要活动，因此应尽早地了解科学研究的特点，在潜移默化之中逐渐掌握它。其次，研究型大学的科研活动是从本科高年级开始的，这类大学的学生起点高，应该比一般高校的学生有更大的作为，世界顶尖大学如哈佛、剑桥、牛津等，他们的高年级本科生已能发表高水平的学术论文。南京大学的理科培养基地得到了国家自然科学基金委员会的资助，再加上其他来源的研究经费，已经能够支持本科高年级同学进行原创性科学研究，对此我们的同学要早做准备。最后，研究型大学的一个重要特点是以研究带动教学，因此，对科研的初步了解有助于我们理解大学教师和他们的教学方法，从而更主动地进行学习。

地球科学研究是以野外工作、实验室分析、数据处理的结合为特征的，在自然科学的体系中具有独特性和典型性。地球科学的许多研究活动是与实际应用紧密相连的，对社会、经济发展起着很大的直接推动作用。因此，本学院的同学应首先了解地球科学研究的基本情况。

1. 地球科学研究的任务
   地球科学是关于地球系统演化的科学，它探索地球的历史和其中的产物。在应用方面，地球的资源应该如何为经济、社会发展服务，地球环境怎样才能保持健康状态，这些也是地球科学所要回答的问题。对地球系统的研究可以相应地划分为基础研究和应用研究。
   地球科学的基础研究大致上有三种类型。第一种类型是区域特征或研究对象的刻画。例如，为了说明长江三角洲的特征，需要叙述长江三角洲的演化历史，从7000年前冰后期海平面上升到现在，三角洲的范围是如何变化的，各个时期岸线的位置在哪里；需要描述长江三角洲的地形特征，平原、河流、湖泊分布在何处；需要了解长江三角洲的沉积物组成，表层、底层是什么类型的物质，不同类型的沉积物分布在什么地方；需要弄清三角洲地区地面沉降的情况，地下水分布的深度和总量，如此等等。为了达到这个目的，要进行现场观测和采样工作，回到实验室还要进行各种分析，最后把所得到的材料绘成图，列成表，并配以一定的文字说明。什么是一篇高质量的有关地区特征刻画的文献？真实性和准确性是第一位的要求。
   第二种类型是关于方法和技术的研究。例如，要想取得不同深度的长江三角洲沉积物样品，就得采用钻孔的手段。如何才能取得连续的不受扰动的钻孔样品？这个问题的解决需要进行取样技术的研究。再如，怎样才能高效率地探测三角洲地区地面以下的沉积物分布和地下水分布？要回答这个问题，可能需要发展地球物理探测方法和相应的计算方法。还有，建立在长江河道上的水文站测得了一些流速和悬沙浓度的数据，怎样才能用这些数据计算出长江每年的径流和沉积物入海通量？这里涉及的是算法问题。总之，在研究中出现或遇到的方法问题和技术环节，都需要进行专门的研究。衡量这类研究水平的高低，要看是否提出了新方法、新技术，与原有方法和技术相比是否具有更多的优越性。
   第三种类型是对过程和机制的研究。按照系统论的观点，如果把我们的研究对象看成是一个有物质和能量输入输出的系统，那么这个系统的行为就取决于物质和能量进出的方式，每一种单一物质或能量运动的方式可称为影响系统行为的一个因素。所谓"过程"的研究，就是考察一个因素的作用和系统的反应。"过程"在英文中是"Process"，它不能理解为只是时间上的先后次序。所谓"机制"，就是不同因素的相互作用以及系统的反应，也可看成是不同"过程"的组合方式。进行过程和机制的研究对于预测来说是十分重要的。例如，我们即便观测了10年的长江入海径流和沉积物通量，也无法仅仅根据这10年的时间序列就给出第11年的数值，但是，如果了解了控制长江入海通量的各种因素和它们的影响方式，我们就可以预测未来一段时间的入海通量。过程和机制的研究成果通常是以数值计算或数学模型的方式来体现的。实测数据和实验室分析结果通常被用于模型计算和输入参数的确定，并且为计算结果提供验证材料。高质量的过程和机制研究的产物是新理论、新假说、新观点、新模型，这些成果往往受到学术界的极大赞赏。年轻的科学工作者思想活跃，易于接受新思想，很有可能做出过程和机制研究的优异成果。
   应用研究的类型很多，其主要特点是，针对一项具体的资源开发、环境保护或其他建设任务，运用基础研究所获的成果，得出明确的结论并用以指导应用项目。与基础研究的不同之处在于，基础研究中产生新方法和新理论是最重要的，对科学问题的结论却通常是少下或不下，而应用研究需要有确定的、可操作性强的结论。

2. 地球科学方法论与技术路线
   一般而言，现场工作、实验室分析和数据处理是地球科学研究的基本方法，是否采用这些方法，是区分"研究"和"学习"的标准。在英语中，"Study"一词既代表研究，又代表学习，但这仅限于不至于混淆的情形，当容易引起误解时，通常用"Research"和"Learn"这类词汇来替代，以示两者的区别。下面举一个例子来说明研究和学习在实际操作层面上有什么不同。
   设想我们的科学问题是长江三角洲海岸今后的围垦潜力有多大。为了回答这个问题，我们可以向专家请教，去图书馆查阅科技文献，上网搜索有关的信息，然后将所获的数据和信息加以综合，形成一个对上述问题的答案。这是"学习"的方式。"研究"是不同的，它要求我们设计野外工作，明确回答诸如取什么样、观测什么数据、在哪里、何时进行的问题。野外工作的要点是取得影响三角洲岸线冲淤的各种因素如长江入海物质通量、潮汐与潮流、波浪状况、岸外水深等的第一手材料。对所获的样品，要在实验室进行各种分析，如化学元素分析、矿物分析、粒度分析、微体古生物化石分析等，必要时辅之以模拟实验。最后，"研究"还要求我们建立各种算法和模型，利用所获的数据，结合前人研究资料，进行计算，得出针对上述问题的答案。经过研究，我们不仅得到了科学问题的答案，而且还获得了基础研究和应用研究的成果，积累了新经验，提高了学术水平。
   要注意的是，研究"长江三角洲海岸土地围垦潜力"这样的问题，虽然总的手段是野外、实验、计算三部分，但如何进行每一项工作，其途径并不一定是唯一的，这就提出了一个"技术路线"的问题。在野外工作中是否要打钻、潮流观测点选在哪里，等等，这些问题由于研究者思路的不同可以有不同的解决方法。"条条大路通罗马"，解决问题的方案可以多种多样，这对于学术的繁荣和思路的开阔是很有益的。尽管如此，对一个具体的问题而言，技术路线还是有优劣之分的，那些符合逻辑、节省精力和经费的技术路线是好的，我们应该追求构思巧妙的技术路线。

3. 研究活动的流程和时间安排
   从事地球科学研究要有计划。地球系统是十分复杂的，涉及到许多个因素，任何一个重要的科学问题都可能花费多年的时间。因此，要制定一个能够分阶段实施的研究计划。例如，我们想要研究长江三角洲的形成演化。这个问题很大，首先，我们可以预计将在15年内完成研究工作。接下来，我们可以把这个大问题分解为一系列的次一级的科学问题，如全新世高海面初期的长江河口环境特征、长江流域的自然地理特征、长江入海通量及其变化、长江三角洲的沉积物组成和来源、长江河口水动力条件、长江河口水下三角洲的地球物理探测、等等，每个问题相当于一篇论文的工作量。最后，我们可确定这些工作的先后次序，把15年的时间分为5段，每段3年，每个工作时段以解决一个或若干个次级科学问题为目标，分别设计一套研究的技术路线。每个工作时段要进行那些工作，要做那些类型的研究（即基础研究和应用研究），要产生那些成果，应有全面的安排。
   有了工作计划，还要制定完成任务的时间表。时间管理的能力是一名科研人员所应该努力培养的，时间表可以对研究的进程起到督促的作用，使研究更加富有成效。时间表的制作并不复杂：首先确定一项任务所需的总时间长度，例如18个月，在横坐标上标注第一个月、第二个月、等等；再将完成该任务所对应的事项，如野外采集样品、文献阅读、实验室分析等，按照每一事项开始时间的先后标注在纵坐标上，最后将每个事项的工作时间段以水平线段的方式标注于坐标系内。在工作中，要经常检查时间表，确保工作完成的进度。当然，在熟练之后，时间表也可以记在脑子里，不一定要实际的地下来。对每一项任务都设定一个时间表，就能督促整个研究计划的实施。
   研究计划和时间表的制定要符合个人的情况。对于南大人来说，研究计划应体现出"志存高远、脚踏实地"的精神，应以优秀科学家的标准严格要求自己。根据科学社会学和科学史的研究，优秀科学家的第一个创作高峰平均在37_{45岁之间出现，过了45岁之后，他们往往除科研外还承担了科研管理、学术评价、人才培养等任务，因此科研产出会有所下降。在55}65岁之间，他们又从繁重的行政工作中解脱出来，因此出现了学术生涯中的第二个创作高峰。我们应以优秀科学家的成长轨迹作为自己的参考标准，要对37岁之前的学术发展道路进行详尽的设计，明确本科阶段、研究生阶段和年轻学者阶段的目标，使自己在37岁到来的时候能够处于起飞线位置。

4. 本科阶段科研准备的对策
   南京大学的本科生应充分意识到在不久的将来他们就会进入研究领域并逐渐担负起科研主力军的任务，因此，从现在开始就要着手准备。现阶段要着重做好三件事，一是打好专业基础，二是努力提高科学素养和人文素养，三是有意识地培养研究能力。
   本科生学习的任务十分繁重，一个人很难像在中学生阶段那样全面出击，每门课都取得高分数，况且在大学阶段，是否取得高分是一回事，能否从内涵上掌握一门课的精髓则是另一回事。在这种情况下，抓住重点才是学习的良策。从未来研究能力的培养上看，数学、英语和计算机是最基本的课程。数学的应用对于地球科学的各个研究领域都是十分重要的，不掌握数学，就像战士不能打枪一样；英语是当今科学世界用于学术交流的主要语言，因此要在英语口语和科技写作上狠下功夫，早日过关，不掌握英语，将会对研究造成极大的妨碍，信息不灵，动作比别人慢半拍；计算机是科学研究中不可缺少的工具，分析数据、制作图表、文字处理、对外通讯联络等都要靠它，因此我们不仅要学会如何操作计算机，而且应当熟练地掌握至少一种计算机语言。在学好这三门课的前提下，还要认真学习其他各门主课，力求弄懂弄通，从内涵上加以把握。
   在课余时间有重点地阅读一些科学哲学、科学史和科学社会学的名著，对于提高我们的科学素养和人文素养是很有帮助的。科学素养是与尊重事实、讲究逻辑的理念是相联系的，科学素养高的人士崇尚科学精神，善于用科学方法处理各种事务。关于什么是科学精神和科学方法，在科学哲学的专著中有许多论述，经常阅读可以促使我们思考科学方法论中的许多问题，如归纳法与演绎法的关系、科学证据的类型、人类知识的获取途径等。科学史则告诉我们科学活动实际上是如何进行的，科学家实际上是如何工作的。历史是一面镜子，从中可以让我们看到科学事业是如何取得进步的，科学家是如何获得学术成就的，这对我们今后的工作具有指导意义。科学社会学研究科学活动和科学家工作的社会环境及其影响，无疑，社会对一项科学研究的重视程度、科研评价体系、科研资源的分配方式、学术圈子内的伦理道德体系等因素都会对科研产生影响。阅读这些著作对于提高我们的人文素养也是很有益的。人文素养是一种把握全局、在待人接物中做到行为得体的能力，了解科学的历史和科学家所处的社会，可以使我们在应对各种情况时有办法、有实效。
   研究能力的培养是一个过程，本科生正处在"学习知识"和"产出知识"这两个阶段之间的过渡时期，他们如果与高年级同学、外系同学、研究生乃至老师交朋友，尽量扩大生活圈子，将产生潜移默化的效果。研究是一种美好的境界。本科生在认识到自己的使命之后，还要发挥自己在研究上的主动性，遇事多从研究的角度来开动脑筋。比如，在课程学习中，可变换一下读书的方法，在掌握定义和概念的同时，经常想想要是我们来研究教科书上提出的问题，我们会怎样解决问题、教科书提供的答案是否是最完美的、是否还有其他的替代方法。另外，对于社会生活中经常接触到的资源、环境问题，如江苏海岸带资源开发和太湖环境污染的治理，可以在研究方案上作些思考：应该采用什么方法？怎样设计研究的技术路线？最终能得到什么预期成果或收获？此类模拟研究可以帮助我们逐渐地接近科学研究，最终在高年级阶段形成实际的研究能力。