新工科視域下長安大學材料科學與工程專業(yè)的學科交叉與融合

何銳 陳華鑫 陳永楠 耿九光 牛冬瑜 李輝

[摘? 要]本文從新工科視域角度出發(fā)，分析了當前材料科學與工程專業(yè)面臨的問題與挑戰(zhàn)，探討了長安大學材料科學與工程專業(yè)圍繞交通基建轉(zhuǎn)型升級所面臨的前沿科學問題，通過特色方向凝練、交通特色與材料共性基礎協(xié)調(diào)和傳統(tǒng)專業(yè)方向與新興交叉學科協(xié)同發(fā)展等一系列改革，在創(chuàng)新型人才培養(yǎng)方面取得了可喜的成績。

[關鍵詞]新工科? 材料科學與工程?? 交叉與融合

前? 言

目前，全球范圍正經(jīng)歷新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，為提高我國在第四次工業(yè)革命中的戰(zhàn)略布局和主動性，國家先后提出了包括創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“一帶一路”“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”等一系列重大決策[1]。這些國家決策以實現(xiàn)中國夢為總目標，旨在建設創(chuàng)新型國家、實現(xiàn)創(chuàng)造強國、推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提高我國在高新技術產(chǎn)業(yè)區(qū)域的話語權等[2]。然而，作為全球?qū)I(yè)齊全、區(qū)域匹配完善的世界最大工程教育供給體系，我國傳統(tǒng)的工程專業(yè)受全球新經(jīng)濟、新產(chǎn)業(yè)和新科技蓬勃發(fā)展的影響正面臨前所未有的挑戰(zhàn)，新興產(chǎn)業(yè)人才、卓越工程師和交叉復合型人才緊缺已逐漸成為一個嚴肅的社會問題。

新工科建設行動計劃是教育部針對當前國際形勢發(fā)展所給出的明確回應，目的是根據(jù)國家決策和發(fā)展目標需要，主動布局、設置、建設和發(fā)展相關新工科專業(yè)。所謂“新工科”是以新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式為特征的新經(jīng)濟產(chǎn)物[3]。與老工科相比，新工科更強調(diào)學科的實用性、交叉性與綜合性，尤其注重材料科學、信息通訊、電子控制和人工智能等新技術與傳統(tǒng)工業(yè)技術的緊密結合，新工科代表的是最新的產(chǎn)業(yè)或行業(yè)發(fā)展方向。因此，如何打破傳統(tǒng)辦學體制，優(yōu)化人才培養(yǎng)模式，改革教育資源供給方式已成為新工科建設的最核心問題。

本文結合長安大學材料科學與工程學院教育改革實踐經(jīng)驗，在新工科視域下，探討當前材料科學與工程專業(yè)所面臨的問題與挑戰(zhàn)，以及長安大學材料科學與工程專業(yè)的學科交叉與融合。

材料科學與工程專業(yè)面臨的問題與挑戰(zhàn)

材料科學與工程是一個涉及材料學、工程學和化學等多學科的寬口徑專業(yè)，學生主要學習材料科學與工程的基礎理論，學習與掌握材料的制備、組成、組織結構與性能之間的基本規(guī)律。隨著人類科學的發(fā)展，無論是在交通運輸、土木建筑、生命醫(yī)學、航空航天還是電子信息等領域，材料科學都是實現(xiàn)重大技術突破和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎。人類文明和科技產(chǎn)業(yè)革命的發(fā)展史也就是一部如何更好發(fā)展和利用材料的歷史，尤其是在技術創(chuàng)新越來越快、產(chǎn)業(yè)更新愈加頻繁的今天[4]。因此，材料科學與工程專業(yè)高層次技術人才的培養(yǎng)對科技行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以及國家發(fā)展目標的實現(xiàn)都具有十分重要的意義。

1.盲目追求新興技術專業(yè)，脫離學校特色與定位

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”經(jīng)濟的發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新興專業(yè)開始大熱。這些熱門專業(yè)在2017年被定義為新工科專業(yè)，新工科大學的建設也隨之提上了日程。據(jù)2019年4月教育部公布的新增專業(yè)顯示，新工科專業(yè)獲批數(shù)量爆棚，新增備案專業(yè)數(shù)量最多的是數(shù)據(jù)科學與大數(shù)據(jù)技術，203所高校獲批該專業(yè)，該專業(yè)最早在2016年獲批設置，2018年就曾以248所高校增開位列新增專業(yè)榜首。緊隨其后的是機器人工程專業(yè)，101所高校獲批該專業(yè)，96所高校獲批“智能科學與技術”專業(yè)，35所高校獲首批“人工智能”新專業(yè)建設資格。眾多高校在脫離學校自身特色與定位的基礎上對新興專業(yè)蜂擁而至，大干快上。

不可否認，在信息技術飛速發(fā)展的今天，我國未來5年對相關技術人才的需求量在百萬以上。然而，專業(yè)的建設和發(fā)展與學校的歷史沉淀和學術氛圍息息相關，如果拋開歷史而盲目追逐新專業(yè)，雖然表面上看似趕上了時代的潮流，但勢必會導致同質(zhì)化辦學的傾向，辦學效果也未必能達到新工科建設的初衷。同質(zhì)化辦學會導致教材的同質(zhì)化，但不同類型的高校應該有不同類型的教材。當前，社會快速發(fā)展，急需大量的復合型、應用型畢業(yè)生，多學科交叉應用型教材的編寫就成為當前的主要任務之一。

新工科的本質(zhì)是創(chuàng)新，根本任務是在新技術、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式蓬勃發(fā)展的環(huán)境下，培養(yǎng)適合當前產(chǎn)業(yè)和行業(yè)急需的各種層次和類型的卓越工程科技人才[5]。因此，這里所說的新并非是指專業(yè)本身，而是重點建設能夠滿足產(chǎn)業(yè)和行業(yè)需求、引領產(chǎn)業(yè)行業(yè)未來發(fā)展的人才培養(yǎng)新模式。根據(jù)路透社每年發(fā)布的全球最具創(chuàng)新力大學百強榜顯示，入選的基本都是美國、德國等老牌高校，這些高校也都是傳統(tǒng)工科的代表。所以，我國傳統(tǒng)工科專業(yè)的轉(zhuǎn)型與發(fā)展也是當前新工科建設的一項重要任務。從廣義上來講，新工科建設可以視為我國工程教育創(chuàng)新的代名詞。

2.材料類專業(yè)人才培養(yǎng)模式與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相脫節(jié)

在全國第四輪學科評估中，材料科學與工程一級學科參評高校達172所，其中一級學科中設置博士點的高校達93所，這些數(shù)字表明材料類專業(yè)人才培養(yǎng)數(shù)量在節(jié)節(jié)攀升。然而，廣大高校一方面面臨的是就業(yè)人數(shù)的膨脹，另一方面卻是眾多企業(yè)紛紛抱怨“招人難，人難招”。根據(jù)麥肯錫全球研究院（MGI）與麥肯錫中國分公司聯(lián)合發(fā)布的研究報告《應對中國隱現(xiàn)的人才短缺》顯示，只有10%～20%的工科畢業(yè)生符合跨國公司的人才要求。

隨著當前經(jīng)濟形勢由粗放型向集約型的轉(zhuǎn)變，我國正處在材料大國向材料強國轉(zhuǎn)型的重要階段，社會對材料類人才的需求已從原來較單一的技術人才轉(zhuǎn)變?yōu)槟苓m應不同生產(chǎn)力水平、不同產(chǎn)業(yè)部門的多層次、多規(guī)格的復合型和創(chuàng)新型人才[6]。嚴峻的就業(yè)形勢可歸結為高校傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式與日益發(fā)展的社會需求相脫節(jié)所造成的。其主要表現(xiàn)在知識陳舊、教材更新緩慢，知識面單一、重視“專業(yè)培養(yǎng)”而非“學科培養(yǎng)”，知識轉(zhuǎn)化效率低、閉門造車式培養(yǎng)，重理論輕實踐、脫離工程實際，創(chuàng)新能力弱、雙師型教師缺失，持續(xù)學習能力不足、填鴨式教育等方面。

長安大學材料科學與工程專業(yè)的學科交叉與融合

長安大學是教育部和交通運輸部、自然資源部、住房和城鄉(xiāng)建設部、陜西省人民政府共建的國家“211工程”重點建設大學，國家“985工程優(yōu)勢學科創(chuàng)新平臺”建設高校，國家世界一流學科建設高校。2000年由始建于20世紀50年代初的原西安公路交通大學、西安工程學院、西北建筑工程學院合并組建而成。隨著我國交通基建浪潮的逐漸衰退，綠色交通和智慧交通快速發(fā)展，在高品質(zhì)與功能性交通基礎設施建設過程中，材料科學的先導與制約作用逐步顯現(xiàn)?；趪抑卮鬀Q策需求，緊跟國際行業(yè)發(fā)展前沿，長安大學在全國率先設立了具有交通行業(yè)特色的材料科學與工程專業(yè)。

1.依托行業(yè)特色，凝練專業(yè)發(fā)展方向

長安大學材料科學與工程專業(yè)自2013年開設以來，依托國家重點學科交通運輸工程、省部級重點學科土木工程、機械工程和地質(zhì)工程等優(yōu)勢學科群，加強學科交叉，深化研究層次，致力于培養(yǎng)具有材料科學基礎理論與工程技術雙重知識，系統(tǒng)的材料設計、制備、性能分析與控制等專業(yè)知識，突出的工程應用實踐能力，視野寬、溝通與管理能力強的高水平科學研究、工程技術和高層次管理人才，現(xiàn)已逐步探索出一條具有交通特色的材料科學與工程專業(yè)發(fā)展道路，并于2017年成功入選陜西省“一流專業(yè)”培育項目。

長安大學材料科學與工程專業(yè)基于國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及國家新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃發(fā)展導向，設置了道路與機場工程材料和能源與電子材料兩個特色專業(yè)方向，開展材料基礎理論與交通運輸、土木建筑和電子信息等多學科交叉融合的寬口徑基礎教育和有深度特色的專業(yè)教育。其中，道路與機場工程材料專業(yè)方向以適應傳統(tǒng)交通基建材料產(chǎn)業(yè)升級為目標，辦學歷史可追溯到20世紀50年代建校初，是國家“985工程”優(yōu)勢學科創(chuàng)新平臺、“211工程”和“文化雙一流”學科重點建設專業(yè)方向。能源與電子材料專業(yè)方向是在新能源產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展及新型復合型材料人才緊缺的背景下于2009年6月成立的，并逐漸成為交通產(chǎn)業(yè)功能化和信息化的重要支撐。該專業(yè)自設立以來，為交通運輸、新能源與電子信息行業(yè)培養(yǎng)了大批高級工程技術人才，促進了區(qū)域經(jīng)濟和行業(yè)的發(fā)展。

2.交通材料特色與材料共性基礎的協(xié)調(diào)

如何在夯實材料共性基礎的同時，彰顯交通材料特色，實現(xiàn)二者協(xié)調(diào)發(fā)展，是傳統(tǒng)交通行業(yè)特色大學發(fā)展亟待解決的難題。長安大學材料科學與工程專業(yè)面對國家和重大科研任務中凝練材料共性基礎和交通基建轉(zhuǎn)型升級所帶來的前沿科學問題，將最新科研成果融入教學實踐。如，結合陳華鑫教授所承擔的國家科技支撐計劃等重大項目，組建交通運輸行業(yè)重點領域創(chuàng)新團隊，并開設“水泥與混凝土學”和“混凝土外加劑應用基礎”等特色課程。

在學科建設方面，首先構建了“學科基礎—工程基礎—專業(yè)核心—特色選修”四個層次的理論課程體系。通過開設“材料工程基礎”“材料概論”等課程，強化學科基礎知識培養(yǎng);開設“道路工程檢測技術”“交通功能材料”“新能源汽車概論”“化學儲能材料與器件”等課程，強化工程實踐與材料基礎之間的知識交叉和擴展。同時，依托教育部重點科研平臺打造“課程實驗—創(chuàng)新型綜合實驗—拔尖創(chuàng)新實驗”三個層次多維度的實踐課程體系，實現(xiàn)了實踐課程的梯度推進和個性化教學，避免了驗證性實踐教學所帶來的弊端。比如，對于道路與機場工程材料方向，首先通過課程實驗培養(yǎng)學生掌握材料基本測試的實踐能力。其次通過以工程技術問題為導向的創(chuàng)新性綜合實驗培養(yǎng)學生分析問題、思考問題的能力及實踐動手能力，并將材料領域的專業(yè)理論知識應用于工程實際。最后，通過覆蓋學生總數(shù)80%以上的拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃，確定拔尖創(chuàng)新實驗方向，實現(xiàn)學生的個性化培養(yǎng)，提升學生的綜合能力。

3.傳統(tǒng)專業(yè)方向與新興交叉學科協(xié)同發(fā)展

隨著科學技術的發(fā)展，材料科學與工程技術之間的界定越來越模糊，各材料之間有了更多的內(nèi)在聯(lián)系和共性，材料與工程之間的融合也越來越明顯，多學科交叉已經(jīng)成為當代材料科學與工程專業(yè)發(fā)展的一個重要特點。學校積極探索如何在傳統(tǒng)交通運輸優(yōu)勢學科基礎上，大力發(fā)展新興交叉學科，以適應新技術、新產(chǎn)業(yè)和新經(jīng)濟對材料類人才培養(yǎng)的新需求。

（1）優(yōu)化培養(yǎng)方案，明確創(chuàng)新能力本質(zhì)

學校通過調(diào)研第四輪學科評估中材料類排名前十高校以及兄弟院校，全面分析國家決策及行業(yè)動態(tài)和需求，跟蹤調(diào)研學生成長與發(fā)展規(guī)律，確定了學生創(chuàng)新能力本質(zhì)三要素：專業(yè)競爭能力、實踐動手能力和終身學習能力。其中，專業(yè)競爭能力表現(xiàn)為能夠運用工程基礎和材料理論解決復雜工程技術問題的能力，實踐動手能力表現(xiàn)為能夠獨立從事材料研究、應用和開發(fā)，以及跨文化合作與競爭的能力，終身學習能力表現(xiàn)為能夠通過獨立思考和自主學習實現(xiàn)持續(xù)進步。

（2）深入需求導向，構建多元教學體系

學校遵循“需求導向、突出應用、服務行業(yè)”的原則，基于學生創(chuàng)新能力本質(zhì)三要素，建立了包含多元知識結構的學科交叉課程群，按照市場需求設置課程，通過課程保證技能的實現(xiàn)。將課程體系分為理論教學、實踐教學和第二課堂教學活動三個層次。理論教學以基礎性必修課程為根本、以研究性和拓展性專業(yè)選修課程為輔助，全面挖掘?qū)W生的發(fā)展?jié)撃?實踐教學根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標和基本要求安排課程實驗課、課程綜合實習和專業(yè)綜合實習，提高學生的實踐能力;第二課堂教學活動以培養(yǎng)創(chuàng)新型拔尖人才為目的，提高學生的綜合素質(zhì)。

（3）踐行科教融合，創(chuàng)立協(xié)同培養(yǎng)機制

學校通過組建課程教學團隊，實現(xiàn)了80%以上的課程由教授或副教授主講。推行本科生學術導師制，遴選優(yōu)秀中青年教師及企業(yè)導師從大一開始對學生進行專業(yè)與職業(yè)規(guī)劃指導。推進科研平臺統(tǒng)籌管理，實現(xiàn)教育部工程研究中心和學校材料分析測試中心等實驗平臺100%向本科生開放。通過拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃、大創(chuàng)項目和學科競賽吸納學生提前進入專業(yè)實驗室，激發(fā)學生自主學習和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的積極性，其中90%以上的選題來自國家或省部級課題研究成果。

學校針對行業(yè)實踐性強的特點，與西安華澤道路材料有限公司、廣西交通科學研究院、陜西有色光電科技有限公司、西安創(chuàng)聯(lián)宏晟電子有限公司、青海省交通科學研究院等單位建立了穩(wěn)定的生產(chǎn)研究與實訓基地，與中國石化大連石油化工研究院、昆山交通發(fā)展控股集團有限公司共建了新材料研究院，每年選派2～3名教師任企業(yè)顧問或技術咨詢參與企業(yè)生產(chǎn)和技術改造，推動了“雙師雙能型”教師隊伍的發(fā)展。

結? 語

深化產(chǎn)教融合，提升特色專業(yè)建設和學科交叉與融合，促進工程教育供給側(cè)結構改革，把工匠精神培育融入專業(yè)教育，是當前傳統(tǒng)工科專業(yè)向新工科建設轉(zhuǎn)型的迫切要求，也是服務國家人才培養(yǎng)大局，實現(xiàn)與國家重大策略保持“同頻共振”的唯一出路。長安大學材料科學與工程專業(yè)經(jīng)過多年的探索和發(fā)展，已建設成特色鮮明的優(yōu)勢專業(yè)。

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作者單位：長安大學材料科學與工程學院? 陜西西安