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师说 | 青年教师系列专访:对话陈默涵 — 找寻科研的意义,坚持热爱的事业
2022.09.20





【编者按】


面向未来的“新工科”建设,核心之一是建立工科人才培养的新理念和新方法。而作为新生代的青年教师,肩负着培养新一代创新引领人才的责任与使命。

澳门威斯尼斯人国际官网特推出“师说 | 青年教师人物”系列专访,对学院青年教师进行一对一访谈,请他们谈谈对“传道、授业、解惑”的理解,并通过分享老师们的成长奋斗经历,从不同侧面感受他们对科学的热爱、教学的热情、研究的执着,开拓进取的科学家精神和拳拳爱国心。通过他们的娓娓道来,看北大人的风骨、使命感、理想和情怀,激励莘莘学子更加热爱北大、热爱科学事业。

煦煦春阳的师教能够影响一个人的一生,希望通过本次系列专访,向工作在教学第一线的老师们表示感谢和敬意。



笔者按:


“人生道路上,每走一步就回头望一眼。不是怕错过什么,只是看看一路走来的脚印,才有勇气走完这漫长的路程”。陈默涵老师喜欢保持思考,喜欢与前辈的交流,了解其他人的生平,思考自己的人生方向——他说,人生最重要的是形成自己的判断,即使沿途有很多评判你的人,但我们仍应坚定自己的想法,在思考中沉淀、在沉淀中前行。希望陈默涵老师的求学生涯经历能为广大学子树立一个榜样,启示人们思考应该怎么走过漫长的人生道路。




读书里捡拾科学的热爱  经历中找寻科研的意义



《科幻世界》这本杂志是陈默涵科学素养的启明星,从小学到大学,像《流浪地球》这样的许多优秀科幻小说给他带来了许多关于时间和空间的朴素思考,是他未来选择物理研究的源头。此外,《平凡的世界》《穆斯林的葬礼》、金庸的武侠世界、周国平的散文等更是启发了他开始思考人生里追求“快乐”与追求“意义”之间的统一和矛盾。陈默涵认为,自己对科学的兴趣不是天生的,而是广泛涉猎、仔细思考后选出的最感兴趣的那一个。即使最开始时自己的物理成绩并不理想,他也保持着学习物理的强烈愿望。中学时代,幸运的遇到了好的老师和同学,他得以坚持学习上的兴趣为导向,不因一时的挫败失去长久的热爱;当然,机遇也同样重要——2003年高考数学的难度给志愿填报以很大的不确定性。因为中科大在物理方向具有较强的实力,陈默涵欣然地接受了中科大招生老师的热情邀约,来到了淝水河畔的中科大物理系。

在亚利桑那州波浪谷徒步旅行

每个人的求学生活都会有那么一刻,意识到自己要开始独立面对这个世界。进入大学生活,陈默涵明白许多问题的答案只能靠自己来回答。第一个问题是应该选择哪个物理专业方向?一开始他也会担心自己适不适合做科研,最终他选择了光学方向,量子光学前沿技术发展迅速,为科学研究带来很多机会,此外光学口的许多应用似乎也更容易找到工作。机缘巧合之下,他进入了刚回国的何力新老师组里从事一些本科生科研项目的研究,在那段期间,他得知了当时国内还缺乏具有自主知识产权的密度泛函理论计算软件。陈默涵认为这是一件非常有挑战的科研项目,就在中科大选择了读博的道路,从此进入了材料计算领域,更系统的学习凝聚态物理知识,并且从此与科学计算结缘。

第二个问题是以何种方式在物理世界中进行探索。凝聚态物理是理论性非常强的科学领域,他也时常困惑于深奥的物理理论,坦言许多课程的内容其实并没有学透彻,他亟待寻找一种可以按照自己的节奏和方式去“亲自动手”从而理解物理世界的方法。陈默涵发现通过编写和运行程序去深入理解物理规律是一种有效且有趣的方式。在编程求解方程的动手实践中,他找到了自己在物理世界中一个安心的栖处,那就是科学计算构成的数字空间。但更多的时候,程序充当了他的压力调节阀。陈默涵说道:“编程时我仿佛进入了一种心流的状态,会暂时忘记现实世界的烦恼。”这种实践主导的学习观也引起了陈默涵对学习方法的更多思考,他认为上课只是学习方式的一种,成绩高只是对某一类学生的优秀定义,而科研所需要的其它优秀品质,需要别的标准来定义。因此,需要有更合适的引导方法让这部分学生释放出他们的才能,也能有效避免“内卷”。因此,他更在乎的是学生做一件事情背后的动机(motivation)是什么,这也是现有的评价体系中较难体现的。幸运的是,陈默涵在读博期间找到了最适合他的科研方式。

办公室一角


寻找适合自己的科研道路


人生路上,从最初的兴趣爱好到最终选择的职业道路中间存在着一段距离,而几年的读博士和博士后工作经历让陈默涵考虑清楚了这二者间的联系。对于科学计算的具体内涵,陈默涵说道,他所从事的计算机模拟就是在求解物质的性质,预测某些未知的物理现象,例如小到原子层面的物理化学反应,大到宇宙中星体的内核状态,这些问题的求解都离不开基于量子力学的科学计算工具。因此,选择了这个职业,也是选择了给充满好奇心的自己留下了一扇窥探世界奥秘的窗口。

在读博期间,陈默涵所从事的科研工作是发展自主可控的密度泛函理论软件,一开始只是觉得这个项目很有挑战,随着研究的逐渐深入,他才更充分认识到了这件事背后的意义:客观上,科学计算加速了人们发现和认识物质世界的节奏,甚至可以从最开始解释实验转变为预测实验结果,从而指导实验。而科学计算软件则是这种强大的科学能力体现的载体。然而,对于不具备软件工程方面知识的学生,现实却是残酷的。代码之间错综复杂的关系,在代码量堆叠后愈发严重。缺乏软件工程知识往往使得事倍功半,经常性的挫败使得项目的推进异常艰难。例如,他曾花了两周时间寻找一处bug。最后发现原本应该是16的数值结果由于数值误差,算出来是15.999999……,取整后程序将其归为15,这一小错误引发了程序的段错误,而源头却难以追踪。

2015年在普林斯顿导师家聚会

由于程序上有较多的经验积累,陈默涵先后去到了不同的地方做交流学习,2012年他来到普林斯顿大学读博后,从事另外一款密度泛函理论软件的研发。然而只做软件却难以发文章——2015年对于陈默涵来说是个关键的时间点,30岁的他只有5篇一作的小文章,不管在哪个学术领域竞争力都不足。他思考着梦想是否要与现实和解,转身也许是一片人生的新天地。某国际大型企业在美国建立了一个新的研发部门需要招收材料计算方面的人才,向他抛来了橄榄,并且承诺可以在移民签证方面大力支持。有那么连续好几天,他不断问自己是否要放弃吗?他想起刚进入大学的时候,他意识到自己要独自寻找问题的答案,而现在的他,需要负责任的告诉未来的自己,自己做了一个不会后悔的决定。最后,他决定在学术道路上再试一次,来到了天普大学做了第二任博后。

当一个人坚定了自己方向的时候,机会也许会悄无声息的到来。在一次学术会议上,陈默涵偶然结识了发展机器学习方法的张林峰,开始关注起人工智能可能给原子模拟方法带来的革命性变化。此外,北大澳门威斯尼斯人国际官网的康炜老师关注到了这位年轻人,并且主动邀请他到北大来交流。2017年他来到北大交流,老一辈科学家对于密度泛函理论科学计算方法发展高度重视极大的坚定了陈默涵回国从事相关工作的决心。在澳门威斯尼斯人国际官网许多老师的大力帮助下,陈默涵于2018年底全职加入了北大。

在普林斯顿做博后期间

回国后,北大给予了陈默涵各方面的大力支持,他紧锣密鼓的展开了积累在心中很久的各项科研工作,并且和张林峰以及九所的王涵老师合作,一同将机器学习方法结合高性能的计算新方法应用到原子尺度模拟,鄂维南院士对这一想法也颇为支持。随后,他们发展了基于深度学习的大规模并行分子动力学模拟方法和软件,这一成果也荣获了20年国际高性能计算领域的最高奖ACM戈登·贝尔奖,同时也入选了2020年两院院士评选的中国十大科技进展新闻。沿着这条道路,陈默涵和他的团队成员以及合作者正在继续朝着新的目标继续前进。

2018年路过诺贝尔物理学奖得主费米故居

求学生涯,陈默涵在淝水河畔起步,先后在劳伦斯伯克利实验室、普林斯顿大学、天普大学都留下了求学的印记。陈默涵选择北大,也是再一次选择了挑战,他所加入的应用物理与技术研究中心关注核聚变研究领域,“人造太阳”的建设是解决人类未来能源危机的一种可行方案,然而核聚变过程所涉及到的极端环境,依靠实验手段很难获取物质的性质,使得基于第一性原理的计算物理方法格外重要。陈默涵加入北京大学应用物理与技术研究中心,与相关领域最优秀的学者展开合作,希望结合人工智能和高性能计算的计算物理程序能真正应用到国家需求中。


如何为新工科建设添砖加瓦?



谈到新工科建设,陈默涵认为发展科学计算软件以及满足相应的国家需求是一个很重要的方向。然而只有完全掌握一个科学计算软件的所有细节,才能够谈得上更好的创新和超越,而这是需要长期的积累和沉淀的。新工科的发展可以让科学家们有更好地发展科学计算软件的科研生态环境。

对于新工科所面向的国家需求,陈默涵认为这往往需要多学科交叉的团队合作攻关。例如,随着实验技术和科学计算的持续发展,两者的相互验证愈发重要。随着人工智能和高性能计算的发展,科学计算的重要性也逐渐凸显。例如,高能量密度物质实验难以探测,量子力学计算则可预测物质在极端条件下的性质;药物的研发每年耗费巨资,自由能微扰计算则提供了一种低成本的初筛工具;国家新型装备需要新一代半导体器件和合金,量子输运计算和分子动力学模拟可提供更多的原理解释甚至设计方案。陈默涵希望能在北大不断发展相关的微观模拟科学计算软件,他的团队可以为国家需求提供新型的科学计算软件支持。若现有软件不适用于具体需求,他的团队可以持续改进算法,在基础领域实现突破的同时,也能更好应用到国家需求中。

2021年秋天带领课题小组游玩慕田峪长城

对于新工科的人才培养,陈老师认为需要培养有创造力的年轻人才,大学教育也要持续改革,通过设计新的课程体系将真正具有创造力的人才筛选出来。此外,应更多的鼓励同学们参与到科研实践中。对于北京大学的本科生,陈默涵有自己的期待,他希望大家在本科阶段学好数学物理计算机等基础知识,通过阅读更多书籍、寻找更多实践、对话更多大师来更深入地认识自己的能力边界和兴趣爱好,从而选择一条最适合自己的道路。

“当我第一次接触编程时,我就觉得非常感兴趣”。陈默涵至今还记得在中科大第一堂C++程序语言设计课后他的直接想法。追求“快乐”还是“意义”这个长期困扰他的问题,就像二维空间里的两个垂直向量,似乎是不相关的,但当一个人找到属于自己的那组线性组合系数后,就找到了属于自己的人生方向。


访谈对象简介:

陈默涵,2003年考入中国科学技术大学物理系并获得本科和博士学位,2012-2018先后在普林斯顿大学和天普大学从事博士后研究工作。2018年11月起任北大澳门威斯尼斯人国际官网助理教授。 

主要研究方向是结合人工智能和高性能计算的原子尺度模拟方法发展和应用。




采访 | 金继东、葛书闻

撰稿 | 付家琪

责编 | 李咏梅、葛书闻

审核 | 陈威

策划 段慧玲、陈正、李咏梅



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