科技启明星︱​刘可伋——既静心专注学术,又不失济世情怀的数学研究者

上海财经大学的刘可伋是本期的启明星,虽然在此之前来自上海财经大学的启明星并不多见。2020年,刘可伋参加了共青团上海财经大学委员会与上海财经大学学生联合会共同推出的战“疫”云团课直播讲座,主题是“疫情变化的传播过程数学分析与模型设计”,这个话题无疑与当下的抗疫现状紧密关联。

刘可伋当时做的课题是数学模型与疫情变化的传播关系,他说这是在2020年冬春疫情蔓延最快最严重的时候,他所在的数学学院青年研究团队根据实时公布的疫情数据,通过数学模型模拟推演,提前几周得出疫情走势曲线,且与实际的数据吻合度相当高。这个结果一方面起到疫情防控的预警作用,另一方面解决了大众关心的“疫情拐点”问题。

子承父业,离不开和顺的家庭环境

1987年,刘可伋出生于湖北荆州的一个知识分子家庭。父亲是华中师范大学数学专业78级大学生,也是“文革”后恢复高考首批考入大学的应届高中生。

刘可伋的母亲曾在当地知名国企有一份稳定的工作,为了更好地陪伴与培养孩子,她在刘可伋读初中时辞去了工作,专心在家照顾儿子的生活起居与日常学习。

“父母为我创造了良好的家庭学习氛围,我特别感谢母亲,如果没有她的付出与奉献,当我遇到同龄人多半会经历的叛逆、厌学等问题时,我可能很难安然应对,更无从说形成正确的学习习惯了。”

刘可伋在读书期间,父亲并未给他太大的学习压力,只是在学习习惯上对他严格要求。后来小可伋渐渐对数学产生了兴趣,愿意在数学上多花时间。遇到难题时,向父亲虚心请教,父亲也会耐心解答,这样的学习氛围无形中使小可伋在学习数学中总是自信满满。

在高中阶段,刘可伋的各门成绩一直都很稳定,并且保持了稳中求进的状态。2005年,刘可伋考入华中科技大学数学系,选择了数学与应用数学专业。子承父业,瓜熟蒂落。

香港五年求学奠定研究基础,向反问题方向扬帆起航

2009年,刘可伋顺利拿到了香港中文大学硕博连读的录取通知。当时香港中文大学拥有全亚洲最好的数学专业,数学大师丘成桐教授也是学成于此。

回忆5年的在港求学时光,刘可伋很是感慨,正是这5年奠定了刘可伋作为数学研究者的根基,让他将“反问题”确立为自己的研究方向。关于反问题的研究,刘可伋很钦佩并视为榜样的复旦大学教授陆帅曾经也做出过回应:

“反问题从应用层面来理解,最典型的是无损探测,这类不知道被观测物体内部结构,仅从外部观测数据来推测的研究方法就可称之为反问题研究。更通俗地说,反问题就是从结果来反推,告知黑箱内部变化的原因。”

刘可伋在博士论文中提出了一系列高性能的数值方法以解决海洋探测、医学成像等实际中的反问题。后来基于博士阶段的研究成果,他先后在行业内受关注的《反问题》(Inverse Problems)、《SIAM科学计算》(SIAM Journal on Scientific Computing)等期刊上发表了3篇文章。

这些工作中与医学成像相关的反问题研究也成了刘可伋现在科研方向的重要部分,如:最近他与上海胸科医院的研究团队合作,基于医院临床数据,通过数学建模和数值模拟,刻画不同肿瘤结节的性态,帮助提高临床诊断的准确率等。

2014年,刘可伋完成在港全部学业后,恰逢上海财经大学着重建设上海市金融信息技术研究重点实验室,当时实验室亟需数学人才,在收到他的简历后,很快向他伸出了橄榄枝。

在该实验室5年期间,刘可伋参与了很多上海市科学技术委员会设立的金融信息类重大课题,这些经历拓宽了他的研究视野和领域。为了更好地与数学同行进行学术交流,2019年,刘可伋加入了上海财经大学数学学院。

2020年,刘可伋在上海高校青年教师教学竞赛总结表彰会

疫情暴发之初,数模助力抗“疫”

刚加入数学学院不久,可伋在程晋院长和学院的支持下组建了大数据融合反演建模研究团队。面对2020年初突如其来的疫情,在程晋院长带领下,这个研究团队马上投入到疫情传播的数学建模工作中。

疫情暴发之初发病率一直在增加,大家都很紧张,不知道疫情新发率的拐点何时出现。为了解决该问题,一方面要用数学建模,另一方面更需要反问题研究的支撑。

具体来说,数学模型帮助刻画新冠疫情,包括累计确诊人数、累计隔离人数、疫情拐点等重要信息,而影响新冠疫情发展的感染率、隔离率等关键指标需要准确反演。

于是他们基于国家卫健委每日的公开数据,结合病毒具有潜伏期的特征,建立了带时滞项的数学模型,通过反演新冠疫情的感染率、隔离率等疫情关键指标,计算防控再生数(传染数)并预测疫情的拐点。他们模拟的走势曲线几乎可准确预测一周左右的疫情发展情况。

回首往事,刘可伋及其团队应该是国内数学界最早用数学模型刻画新冠疫情并预测疫情走势的团队。他们的部分成果和政策建议,在2020年2月初就以专报形式上报了上海市主要领导,为应对疫情提供了材料、数据支持和政策建议,其中的关键建议就是谨防外部输入。这些成果在疫情防控工作中均体现了重要的价值和作用,获得了学术界和相关领导的肯定和赞扬。

比如,可伋及其团队当时就预测出湖北累计感染人数的峰值可能是4~6万人左右,并给出了走势图,而当时当地官方认为最多将有2~3万人确诊感染。该结果当时是顶着压力在《中国科学:数学》杂志上发表的,也是国内数学界第一篇新冠疫情防控的中文文章。

以上对疫情的预测结果被袁亚湘院士在3月14日全国性报告“数学漫谈”中专门提及。他们后续在《反问题与不适定问题》(Journal of Inverse and Ill-posed problems)与《应用分析》(Applicable Analysis)等期刊发表的疫情文章也备受关注,并有文章被《科学》引用。

此外,他们后期对日本、欧洲和美国各国的预测也受到了国外各界的关注和认可,其中意大利记者通过网络电话的形式向他们咨询了疫情预测、疫情拐点、防控建议等信息,“这些说明我们的工作在国际上也获得了广泛关注和认可,产生了良好的国际影响。”基于以上成果,部分团队成员还获得了上海市自然科学奖二等奖。

正是认识到数学建模在实际问题中的广泛应用,2021年,刘可伋作为主要组织者主办了全国第二届研究生工业与金融大数据建模与计算邀请赛。邀请赛聚焦当前应用数学的发展和研究,旨在鼓励学生运用所学的数学知识解决工业与金融数据建模中的关键问题。来自北京大学、复旦大学、山东大学等国内46所高校的百余支队伍踊跃参赛,在建立模型、数据处理和数值模拟的过程中提升学生的研究能力、创新能力与综合素质。

坚持科研反哺教学,做教学中的佼佼者

以上反问题的研究工作是应用数学研究惠及实际生活的典型范例,也再次证明数学研究之于经济和社会发展的基础作用。刘可伋作为大学教师,十分热爱和重视教学工作,他一直致力于在教学中引入研究性的理念,把着力点放在学生创新精神与科研能力的培养上。

“上海财经大学第三届青年教师教学竞赛暨上海市第四届高校青年教师教学竞赛参赛教师表彰大会”上,刘可伋老师代表获奖教师进行发言

基于卓越的教学理念、教学模式与思路,刘可伋的本科教学效果排序常年位于全校前5%。在2020年荣获上海高校青年教师教学竞赛一等奖的同时,还被授予“上海市教学能手”称号。此外,他还作为主要研究者参与了国家教育部第二批新工科研究与实践项目的研究,积极探索与完善数学新本科专业“数据计算及应用(070104T)”的建设。

值得一提的是,刘可伋是2019年启明星计划中唯一一位应用和计算数学方向的入选者。2021年7月,1987年出生的他被上海财经大学破格评聘为教授。让我们祝福这位既能静心专注学术,又不失济世情怀的优秀数学工作者的科研之路越走越宽!