理工融合：新工科教育改革的新探索

馮亞青 楊光

摘 要：石油與化學工業對人才培養的要求與新工科理念高度契合，新工科更加注重學科交叉與融合。天津化學化工協同創新中心在“理工融合”方面進行了前期實踐，以分子科學與工程專業為抓手，依靠協同創新中心的學科優勢、人才優勢和科研優勢，從“理工融合型本科生培養模塊”“理工協同式研究生培養模塊”和“實踐創新能力培養模塊”三個模塊入手，在本科專業建設、課程建設、師資隊伍建設、育人環境建設，培養模式升級等方面進行了改革和探索。

關鍵詞：新工科；化學化工學科；石油與化工；人才培養；理工融合；創新中心

“新工科”這一概念自2016年提出以來，一年的時間里形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”[1-3]，教育部高教司在今年的重點工作部署中，也明確提出推進“新工科”建設和發展，研究制定關于深化工程教育改革、服務產業轉型升級的指導文件。什么是新工科、為什么要建設新工科、如何建設新工科，成為高等工程教育的新熱點。在“天大行動”中把新工科內涵與特征表示為：新理念——應對變化，塑造未來；新要求——培養多元化、創新型卓越工程人才；新途徑——繼承與創新，交叉與融合，協調與共享。

化學化工學科是國計民生的重要的支撐與基礎，培養的人才在國民經濟建設中發揮了極大的作用。新時期，我國經濟發展面臨動能轉換、方式轉變、結構調整的繁重任務，新技術、新產品、新業態和新模式蓬勃興起，作為傳統學科的化學化工學科，更需要積極開展新工科建設，為新借鑒服務，進一步提高人才培養質量，走出一條創新發展之路。

一、石油與化學工業和新工科

現階段石油與化學工業面臨的挑戰表現在：一是結構性矛盾較為突出。 煉油、電石、燒堿等傳統產品產能過剩；高端產品自給率低，需求量快速增加，預計到2020年，高性能樹脂、高端聚烯烴塑料、特種橡膠、高性能纖維、功能型膜材料、電子化學品目標消耗量和自給率存在著較大差距[4]。二是行業創新能力不足。國際領先核心技術少，科技創新對產業支撐弱。高端氟、硅聚合物、含氟功能型膜材料、電子化學品等新材料的開發與生產能力嚴重不足。

面對這一挑戰，我們的應對策略為：一是行業轉型升級。牢固樹立“創新、協調、綠色、開放、共享”五大發展理念。落實《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》和《中國制造2025》，推動石油和化學工業由大變強。二是全鏈條創新。要努力實現從基礎研究與技術開發、成果轉化與產業化示范到技術推廣與服務的全鏈條創新，其中化學與化工的融合是必然選擇。三是綠色化+智能化。“綠色制造”即從源頭上減少“三廢”產生量，“綠色再造”即構建完善的循環經濟產業鏈，“智能制造”則是與信息技術高度融合。

石油與化學工業對人才的需求與新工科培養理念所強調的內容高度契合。石油與化學工業對人才的需求是能從分子設計、反應路線選擇、工藝流程優化、過程裝備強化等多角度系統性創新的研發工程師；充分了解全球石油與化學工業發展趨勢，能引領行業轉型升級。新工科理念所強調的內容是更加注重學科交叉與融合，打造完整創新鏈條的全過程人才培養模式，與跨界整合等能力與知識融合；更加注重專業和產業對接，注重學生全球視野的開拓。天津化學化工協同創新中心具備“理工融合”得天獨厚的平臺，為理工融合型拔尖創新人才培養提供了體制機制保障，中心在“理工融合”方面進行了前期實踐，取得了顯著的效果。

二、學科交叉與融合是新工科的重要內涵

隨著化學化工學科交叉的日益深化，對理工融合型人才培養的要求逐漸提高，學科交叉平臺和人才培養體系需要進一步完善。2012年由天津大學牽頭，與南開大學、中國科學院過程工程研究所、中國石油化工集團公司和天津渤海化工集團有限公司等多家單位聯合組建了天津化學化工協同創新中心（以下稱協同中心），并于2013年4正式通過教育部認定。協同中心自成立以來，以“人才培養、學科建設、科學研究”三位一體創新能力提升為根本任務，以培養化學化工理工融合型創新人才為持續發展的重要支撐，將協同創新與人才培養緊密結合，發揮協同創新優勢，構建化學化工理工融合型人才培養體系，全面升級人才培養模式。

以天津大學和南開大學合辦的“分子科學與工程”本科專業為例，2003年起兩校在化學化工理工融合型人才培養方面邁出了第一步。該專業每年在兩校各招收30名學生，實行統一管理和統一授課，前兩年在南開大學學習基礎化學課程，后兩年在天津大學學習工程類課程，符合畢業和學位授予條件的學生同時獲得兩校頒發的畢業證和學位證。至今該專業已為國內外高校、科研機構和大型企業輸送了10屆近600名畢業生，受到用人單位的高度評價。

協同中心以“分子科學與工程”專業為抓手，依靠協同創新中心的學科優勢、人才優勢和科研優勢，從“理工融合型本科生培養模塊”，“理工協同式研究生培養模塊”和“實踐創新能力培養模塊”三個模塊入手，實施了“本科綜合培養方案升級計劃”“教學質量保障計劃”“研究生培養模式升級計劃”“學科交叉平臺拓展計劃”“實踐能力提升計劃”和“國際視野與創新能力培養計劃”等六項計劃，推行了“強化理工融合的專業基礎”等十六項舉措，在本科專業建設、課程建設、師資隊伍建設、育人環境建設，培養模式升級等方面進行了改革和探索。

三、理工融合型人才培養體系的實踐

1.理工融合型本科生培養模塊

（1）本科生綜合培養方案升級計劃

強化理工融合的專業基礎。在化學、化工相關專業培養方案的基礎上對課程有所取舍，削枝強干，在有限的學時中突出無機化學、有機化學、物理化學、分析化學與結構化學等化學類主干課程，以及工程制圖基礎、化工液體流動與傳熱、化工傳質與分離過程、化工熱力學、化工反應工程、化工安全與環保等化工類主干課程的教學，夯實理工融合型人才的專業基礎。同時將高分子化學、化工機械基礎、精細化工工藝學等基礎課程由必修課改為專業選修課，拓展學生的化學、化工專業知識。形成以“五大基礎化學”與“三傳一反”為主干，化學化工分支方向核心課程為拓展的理工融合型專業培養方案。

開設理論與應用結合的前沿課程。協同中心在功能分子構筑的結構效應及其應用、人工生物系統的設計合成與應用、手性物質創造與轉化、能源高效清潔利用、新能源材料與儲能科技、光電分子科學與工程等六個領域具有顯著的科研優勢和雄厚的師資力量，積累了豐富的科研成果。為拓展學生視野，依托協同中心師資力量和科研優勢，開設了分子識別與組裝、納米材料設計學、生物大分子的化學合成、功能材料物理性能、能源材料與化學電源等理論與應用研究相結合的課程，將前沿的科技進展與中心團隊的研究成果融入本科教學中，傳授學生前沿課題的研究內容和方法。

建設理工融合型特色課程。針對理工融合的特點，為“分子科學與工程”專業量身開設綠色化學工藝學、膜科學與技術、分子設計與產品工程、工程設計概論、綜合化學化工實驗等具有專業特色的課程。實現化學與化工知識結構之間有效銜接與過渡，完成知識體系從分子設計向過程控制，再到工藝優化的有效貫穿。將綠色發展的理念融入化學分子設計和化工單元操作的學習和實踐中去，培養學生系統性思維方式和創新能力，使學生具備從分子水平和工程角度綜合解決問題的能力，體現出化學、化工理工融合型人才培養的特色和優勢。

增設專業導論類課程。根據不同年級學生的基礎和特點，有針對性地開設當代化學前沿、改變世界的化學和化學史等專業導論類課程。針對一年級新生，聘請杰出的青年教授主講，在最新的Science和Nature上選取能源、材料、催化、化學生物學、環境五大領域的最新成果進行解讀，讓學生一入學就接觸到真正的學科前沿，在心中埋下科學研究的種子，使學生帶著疑惑、問題和憧憬開始大學的專業課學習；在一年級下學期，邀請院士、長江學者和杰出青年等優秀人才，從二級學科層面介紹各自研究領域的最新前沿進展；對二年級學生，邀請杰出教授介紹化學發展的歷史，通過具體實例和故事展示化學的發展是如何改變世界的，化學在人類文明和社會發展中所起的重要作用，激發學生學習化學的興趣和動力。

均衡調整學時分布。化學與化工類專業課程多，課時緊張，對原有培養方案直接整合將導致課程逐漸增多，課時分布不均衡。新的培養方案重新梳理了課程間的邏輯關系，將有機化學與結構化學課程前移，工程概論類課程后移。使學生在大一學年完成無機化學和有機化學的學習，大二學年同時進行物理化學與結構化學的學習，并進入工程設計概論、化工流體流動與傳熱等化工類基礎課程的學習階段。調整后每學期至少有兩門理論專業必修課，學時分布更加均衡，知識體系銜接更加合理。同時與其他專業選課打通，每個學期都有“有機化學”和“結構化學”開課，便于學生選修和重修。

（2）教學質量保障計劃

建設一流的師資隊伍。“分子科學與工程”專業的教學工作由南開大學與天津大學共同完成，集中了南開大學的數學、化學，天津大學的化工等多個優勢學科的師資力量。選聘院士、高等學校教學名師獎獲獎者、長江學者特聘教授、杰出（優秀）青年基金獲得者、知名教授等優秀人才承擔本科生教學，以非凡的個人經歷來激勵學生，以豐富的教學經驗指導學生，以前沿的科研成果啟迪學生，以敏銳的創新思路引導學生。充分發揮優秀教師在科研與教學中的“傳、幫、帶”作用，形成了一支理工融合、業務精湛、結構合理的教學團隊。

建立教學督導與淘汰機制。由專家教師和其他相關人員組成教學督導組，重點從傳授學生知識，培養學生學習興趣、學習主動性，激勵學生自主學習，拓展學生思維，啟發學生求知欲望，增加學生自信，啟迪學生全面發展，以及教學環節設計、教學方法運用、教學內容講解等多個角度對課程進行督導和評價。每2年完成一輪督導，實現所有課程督導評價的全覆蓋。對新講課教師和新開課程，安排督導跟蹤，至少聽課3次。根據督導組的反饋，評出優秀（不超過10%）、良好（不超過30%）、合格（不超過60%），并對教學效果較差的教師限期整改或撤換。

營造理工融合型育人環境。針對學生問卷調查所反映出的學生專業歸屬感不強、發展目標不明確、學習壓力大等問題，實施專業指導與學生工作相結合的育人模式。除學生工作部門配備的年級輔導員外，為“分子科學與工程”專業每個班配備一名專業班導師。選聘南開大學化學學院和天津大學化工學院的專業教師分別擔任專業班導師，為學生提供專業介紹、選修課程、學習方法、壓力緩解、個人發展規劃等方面的幫助和指導。形成了教書育人、管理育人和文化育人相結合的育人環境，使學生充分體驗不同的校園文化、學科特點和學派思想，加深學生對專業發展和知識體系的理解，增強學生的專業歸屬感，激發學生的學習興趣和動力。

2.理工協同式研究生培養模塊

（1）研究生培養模式升級計劃

打通本科與研究生培養。為保證理工融合的特色在研究生培養階段繼續延伸和發展，將本科生與研究生的課程體系打通，將部分研究生課程列為本科生選修課，實現天南大校際互認，本科與研究生階段互認。例如南開大學為“分子科學與工程”專業本科生開設高等有機化學、高等無機化學等課程，天津大學研究生培養過程承認相應學分，允許用其替代相關專業的研究生課程。此外，在碩士研究生錄取階段，兩校共同提高“分子科學與工程”專業本科生保研比例（天津大學40%，南開大學45%），鼓勵學生攻讀化學、化工學科的研究生。對教育部下達的60個博士研究生名額進行統一管理，實施“申請—審核制”，由初審小組依據學生本科及碩士階段學習及科研情況，以及對未來的研究思路及綜合素質進行審核，英語水平測試合格且通過專業面試后方能錄取。

實施研究生導師團隊培養。協同中心圍繞“功能分子構筑的結構效應及其應用”等六個領域組建了33個研究團隊，已具備在某一領域內從不同方向展開協同研究的能力，形成了領域內的團隊集群優勢。為了使研究生培養從團隊協同中受益，根據協同研究的任務和方向成立了導師團隊和專家組，拓展了人才培養的平臺，研究生培養環境更加多元化，有利于研究思路的開拓和研究方法的創新。被錄取的研究生接受學院和中心的雙重管理，研究生學籍設在各學校，由相關學院負責管理，研究生的科研活動主要在協同中心完成，中心主要負責科研活動的過程管理。

實施研究生“雙導師制”。協同中心集地理優勢、人才優勢、學科優勢于一身，匯聚了一大批化學化工領域內的優秀人才，搭建起國內一流的化學化工學科交叉平臺。目前中心共有科研人員385人，其中高級職稱研究人員247人，包括兩院院士15人。為了在研究生培養過程中發揮出師資協同與學科交叉的優勢，實施了研究生雙導師制。每位研究生可同時在工科導師和理科導師的共同指導下完成研究課題，促進了化學、化工及相關學科間的交叉，形成了理工協同式研究生培養的模式。協同中心目前已選出87位天津大學教授和85位南開大學教授協同指導研究生。

（2）學科交叉平臺拓展計劃

研究生跨學科基礎理論系列講座。跨學科基礎理論系列講座旨在增強學生的科研興趣，拓寬知識面和科研思路，促進知識共享，為學生的科研提供理論支撐和研究方法、思維方式的借鑒，從而為科研創新奠定基礎。自2014年3月起，中心邀請院士、長江學者、特聘教授、杰出（優秀）青年基金獲得者、國內外知名教授為研究生做跨學科基礎理論講座，據不完全統計，參加基礎理論講座的學生達到1 500余人次。

跨學科博士生學術論壇。2015年起，協同中心、南開大學化學學院與天津大學化工學院聯合舉辦“天南大化學化工博士生學術論壇”，為兩校博士生營造了濃厚的學術氛圍，提供了學習交流的平臺。通過報告展示與互動討論，學生們開闊視野、啟迪創新，切實提升了博士生的培養質量、科研水平與綜合素質。論壇根據研究主題設立分會場，除專家特邀報告外，還有兩校博士生的專題研究報告。會議論文集收錄的學術論文涉及化學、化工學科的多個領域，反映了兩校博士生的科研進展，呈現了最新的研究成果，促進了校際間的學術交流與學科間的交叉與協同。

3.實踐創新能力培養模塊

（1）實踐能力提升計劃

調整實踐教學環節。將本科生實驗課程分為基礎化學實驗（包括無機化學、有機化學、物理化學與分析化學實驗），化工技術基礎實驗與理工綜合性實驗（綜合化學化工實驗）。基礎實驗課每個班安排兩名實驗教師，增大師生比，加強對實驗細節的具體指導，幫助學生打下良好的實驗基礎，養成良好的實驗素養，鍛煉培養良好的動手能力。改進實驗教學內容，將最新科研成果引入實驗教學，減少驗證性實驗數量，增加綜合性、設計性實驗比例，開發研究性實驗內容，引導學生自主設計實驗方案。

梯度實驗和科研能力培養。設立專項基金，實行梯度實驗和科研能力培養。對一年級本科生，組織實驗室體驗活動，讓學生走進科研實驗室，切實感受科研氛圍；在一年級暑期開展本科生暑期科研訓練，重在培養基本科研素質、常識和基本訓練。在二年級下學期組織、鼓勵學生參加國家大學生創新計劃、南開大學“百項工程”創新項目，鼓勵學生獨立或以團隊形式完成研究項目，培養學生團隊合作能力，幫助學生積累實踐經驗。

（2）國際視野與創新能力培養計劃

走出去，引進來。為開拓學生國際視野，提高學生創新能力，協同中心積極發揮學術交流平臺的作用，為本科生與研究生提供前往牛津大學、劍橋大學、麻省理工學院、加州大學伯克利分校和洛杉磯分校、曼徹斯特大學、普渡大學等世界知名大學交流訪學的機會，并推薦學生前往某些領域內在世界上具有權威性的課題組進行聯合培養。協同中心還設立專項經費資助本科生與研究生多種形式的出國交流與訪學，包括暑期學校、學術會議、聯合培養、國際比賽、本科畢業設計等。在夏季學期聘請國外教授進行全英文教學，定期邀請國際國內著名專家學者為學生做學術報告等。有效地拓展了學生的國際視野，提高了學生的創新能力。

隨著新工科建設的不斷深入，需要繼續深化化學、化工學科間的交叉與協同，促進理工融合背景下的新興領域發展；加強化學、化工與信息技術的融合，為智能化發展培養人才；將綠色發展理念滲透到核心課程的教學過程中，探索并完善本、碩、博一體化培養機制，為培養石油化學工業需要的創新人才做出貢獻。

參考文獻：

[1] 焦以璇，李薇薇. 新工科建設形成“北京指南”[N]. 中國教育報，2017-06-12.

[2] 張大良. 新工科建設的六個問題導向[N]. 光明日報，2017-04-18.

[3] 劉曉艷，馬曌堃. 聆聽“新工科”建設春雷[N]. 中國教育報，2017-04-17.

[4] 工業與信息化部. 石化和化學工業發展規劃（2016-2020年）[Z]. 工信部規〔2016〕318號.

[責任編輯：余大品]