依托物理學科培養新工科高層次人才

劉德全，劉奇明，王建波，羅洪剛，邊盼盼

(1.蘭州大學 物理科學與技術學院，蘭州 730000；2.蘭州大學第二醫院，蘭州 730000)

自黨的十九大以來，國家發展進入一個新的歷史時期，社會經濟發展也達到一個新的發展水平，以人工智能、量子計算、量子通訊、新能源和新材料等為代表的第四次產業革命呼之欲出，對科學技術發展提出了新的挑戰。產業轉型升級與新舊動能轉換，新工科教育體系建設勢在必行。馬克思在《德意志形態》中指出，生產力水平發展到一定程度時，更高級的分工形式也就呼之欲出?，F階段，人類社會進入新一輪科技創新活躍期，世界范圍內新工業革命的興起，使產業變革不斷加速。大量新興領域的涌現與產生促使人們需要對產業格局進行重整，對社會分工進一步細化并重新劃分[1]。

產業變革的核心在于人才。習近平同志指出“我們對高等教育的需要比以往任何時候都更加迫切，對科學知識和卓越人才的渴求比以往任何時候都更加強烈?！蹦芊褡プ〉谒拇喂I革命帶來的新一輪發展機遇、搶占人才培養的制高點是一個國家是否能構筑先發優勢、占據世界經濟和工業戰略制高點的決勝關鍵。現有的教育體系針對原有的社會分工進行設置，可以滿足當時條件下的人才需求。但當大量的新興產業出現，人們發現現有的教育體系很難培養出適應、甚至是能夠推動新興產業發展的高素質人才。因此，需要針對未來工業體系提前布局，對現有教育體系進行改革，重新規劃、劃分教育領域內的社會分工，建立能夠適應未來工業體系發展、適應未來生產力發展水平的教育教學體系。

在這樣的大背景下，2017 年2-6 月教育部先后在復旦大學、天津大學和教育部密集召開了3 次會議，并分別形成了“復旦共識”“天大行動”“北京指南”等新工科建設指導性文件，確立了探索實施工程教育人才培養的新模式，打造具有國際競爭力的工程教育新質量，建立完善中國特色工程教育的新體系，實現我國從工程教育大國走向工程教育強國的新工科建設目標，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育強國建設，開啟了新工科建設的熱潮。2017 年6月教育部發布了《新工科研究與實踐項目指南》，并于2018 年3 月公布了獲批項目，正式進入新工科建設項目的實施階段。2019 年2月，由教育部高等教育司指導、復旦大學承辦的新工科建設與發展高峰論壇暨綜合性高校新工科研究與實踐項目進展交流會在復旦大學舉辦，進一步確立了新工科建設思路與方法。隨后，天津大學、重慶大學和華南理工大學等高校相繼發布了自己的新工科建設方案，標志著新工科建設進入一個新階段。

經教育部批準并公布的新工科建設項目共計612個，其中大部分項目為基于原有工科院系和專業創建新工科?；跀祵W、物理學等基礎學科建設新工科的建設項目數僅為個位數，蘭州大學物理科學與技術學院牽頭申請的“依托物理學科培養新工科高層次人才”位列其中。學院依托該項目，圍繞人才培養這一中心任務，啟動了以“教學改革”為牽引的綜合改革。秉承“分級教學、分類培養、厚實基礎、寬泛出口”的原則，積極探索“拔尖人才2.0”“新工科人才”和多層次專業人才培養模式，致力于基于物理學的新工科建設。本文就蘭州大學物理科學與技術學院在基于物理學教育實踐過程中所做的探索和思考進行探討，希望促進新工科建設。

一 物理學與工科互為因果、相互促進

幾乎每一名工科院系的學生都要學習物理學，物理學所揭示的自然界的運行規律和相關知識廣泛地應用于各種工程體系中。從物理學和工程技術的發展歷史可以看出它們的關系密不可分，相互依存。

物理學是一個古老的學科，最早出現于古巴比倫時期。物理學的進步不斷推動著人類社會的發展，是自然科學中的基礎學科。物理和工科的關系在之前的三次工業革命中完美地展現。工業革命前，科學和技術尚未真正結合[2]。18 世紀中葉，依靠工匠的實踐經驗人們發明了機器，生產效率大大提升，推動了社會的快速發展，催生了第一次工業革命。特別在蒸汽機發明之后，機器逐步開始取代手工成為主要的生產方式。工人-生產者在生產過程中的作用不再是直接制造而是操作機器。這時，物理學中的力學開始起作用。從而，開始了利用科學原理、規律去指導生產的時代。起初還只是單個的現象，以后，日積月累，形成了一整套系統的原理和理論，從而產生了叫工程的學科[3]。

19 世紀中葉以后，物理學中的熱學、電學、力學、磁學、光學和聲學的原理也被應用于生產，標志著人類進入了第二次工業革命。出現了許多與物理學中各分支學科有關的工程學科，如電機工程、采礦工程、冶金工程和航空工程等，從事生產的各種工程學科與物理學緊密地結合，共同推動了生產力的發展，對人類的經濟、政治、文化、軍事、科技產生了深遠影響[3]。20 世紀50 年代，以計算機技術、原子能技術、航天技術為代表的第三次科技革命再一次推動了人類文明的發展。科學和技術密切結合，相互促進[2]，互為因果，相得益彰。

縱觀這三次科技革命，物理學及其衍生學科在推動生產力的發展方面發揮越來越重要的作用。它的基本原理大量地運用到了工業體系中，促進了技術的發展。以史為鑒，我們有理由相信物理學的發展與第四次工業革命也必然息息相關，第四次工業革命離不開物理學的鼎力支持。同時，物理學的發展離不開高度發達的工程技術的支持。經過了數千年的發展，易于測量、觀察和總結的基本物理現象、定律早已研究透徹。當代的物理學為了探究物質相互作用的一般規律，追求“引力波”“黑洞”“暗物質”“暗能量”等更難捕捉的物理現象的測量。而這些現象的測量，無不依賴龐大的測試工程、精準的測試技術。可以說，沒有精準的測量就沒有現代物理學的發展。

物理學與工程技術的相互合作促進了各自的發展，同時也促進了科學的發展。

二 工科和物理學教育的發展

工科專業開始作為單獨的大類是在1909年，美國東部的賓夕法尼亞大學創立了工業工程學科，并設置了工程學院。中華民國時期的北洋大學是我國的第一所工科大學。之后，綜合性大學也相繼開始創辦自己的工科。新中國成立以后，我國全面采用蘇聯的教育模式，該模式以計劃經濟為基礎。學校由行業部門領導，專業設置按工種劃分，學校按理工分家，分工細膩狹窄，界限壁壘森嚴[4]。這種行政的劃分人為地割裂了自然科學與工程技術的聯系，限制了相互間的交流，阻礙了它們的促進發展。

為了解決工科學生物理知識不足的問題，物理學工作者通常希望增加工科專業物理學相關課程的學時。陳佳洱院士曾建議工科物理課不少于300 學時[5]。但是縱觀工程技術的發展史，科技革命發生以前人們不需要學習物理知識，憑借實踐經驗即可從事發明創造。第二次工業革命后，經典物理知識被大量地運用于工程實踐中。20 世紀后半葉，基于物理學中隧穿效應、巨磁阻效應等衍生出來的工程技術應用了大量涉及到近代物理的相關知識，對物理學科基礎知識的要求進一步提高。若不增加物理學相關課程學時，工科學生很難在學好大量本專業課程知識的同時，再額外多學習眾多的物理學課程。物理學基礎知識不夠扎實，常常造成知道如何用，但在遇到新情況時不知道如何變的問題，更無法將最新的物理學進展應用于新的工程技術中。這樣，傳統的工科教育就失去了創新的源動力。

伴隨著科技的發展，知識呈現爆炸式增長。無論是工科還是理科都匯聚了大量的知識，如何能讓理科和工科更好地結合成為一個值得探究的問題。解決這一問題的核心也許在于對社會分工的重新劃分，對學科的重新劃分或者不用劃分過細。第二次工業革命前，物理學和工科的知識都還比較少，科學家和工程師的分界不是太明顯，一個人既可以是科學家，還可以是工程師。第二次工業革命以后，物理學變得越來越深奧，工程技術變得越來越復雜。獨立劃分為單個學科成為歷史的必然?，F階段，知識總量進一步膨脹，僅僅劃分成工科和理科已經不能應對新生的工業格局，這樣更細致的分工又成為必然，結果學科越分越細，學科間的交流越來越困難，各自學科的發展進入了惡性循環，也就限制了各個學科的發展。為了改善這一狀況，許多學者呼吁成立交叉學科，并在交叉領域從事科學研究和技術創新。但是，人們對學科固有的觀念，使交叉學科的發展步伐緩慢，完全不適應現有的社會經濟發展。

三 依托物理學科培養新工科高層次人才

基于以上的考慮和判斷，蘭州大學物理科學與技術學院以新工科項目“依托物理學科培養新工科高層次人才”的探索為契機，圍繞人才培養這一中心任務，啟動了以“教學改革”為牽引的綜合改革，期望培養出能夠連接基礎物理和現代工程應用的高層次新工科人才，并具有創新意識。我們希望這一類人才的出現可以填補物理學和工科之間的鴻溝，使得在學科交叉點處的問題有專人來解決。從而，物理學的新原理、新發現、新定律可以更快更好地在工程技術上進行應用；工程技術的知識也可以用在物理學研究上，幫助物理學實現更精細更精密的測量，助推物理學的進一步發展。

在基于物理學建設新工科專業的實踐過程中，我們到兄弟院校進行了大量的調研，邀請了多位知名專家來學院指導、討論，深入到企業探討實際的人才需求，逐步形成了我們的建設思路。

（一）通過教學改革，分流出精通物理的工程技術人才

教學過程中發現，每一屆學生中都有部分物理學專業的同學在具備一定的物理學基礎以后，對深入理解物理學基本規律和基本問題不再有興趣，但對工程技術特別感興趣，經常能看到這部分同學熱衷于軟件設計、機器人制作等，他們渴望能夠做出一些新奇、有意思的東西，并在這方面展現出天賦。而在原有的物理學教學體制下，幾乎都按科學家的要求進行培養，從而必須和其他同學一樣，從一年級到四年級，每年完成固定的物理學課程。由于按科學家的要求，物理學課程的難度較大，他們不得不花上全部的精力，導致他們沒有時間去做發明創造，他們的技術天賦被埋沒。

針對這一問題，本著大類招生，分類培養；普及基礎，按需選課；出口分流，標準多樣的原則構建課程群[6]。將物理學的本科階段課程按照研究對象的復雜度和難度分為：水平-Ⅰ、水平-Ⅱ和水平-Ⅲ。這樣劃分的原則基本的物理思想和物理方法都一樣，唯一的差別是研究對象的復雜度和難易程度，有志于進行物理學研究的同學需要完成水平Ⅰ—Ⅲ的系統學習，相當于現有課程體系物理學專業需要學習的全部內容。對制造、控制等工程方向更感興趣的同學適當降低物理學體系的深度，要求他們完成水平-Ⅰ、水平-Ⅱ難度課程的學習，充分理解并把握物理思想和物理方法，具備了創新能力。在此基礎上，根據學生對工程技術方向的興趣，開設相應的工程技術課程，完成工程技術素質的教育，最終實現精通物理學的工程技術人才的培養。

（二）以企業需求為工程技術人才培養方向

為了確立學生的工程技術培養方向，學院走訪了大量在工程技術方面有所建樹的企業，探尋他們對具有物理背景又能從事工程技術行業的人才的需求，并根據企業需求進行人才培養，以滿足工業領域對人才的需求。

聘請具有物理學背景、工程技術能力突出的企業工程師擔任校外導師，對學生進行工程素質培養。這些企業工程師有物理學背景，工程技術經驗豐富，能夠在工程技術領域有所成就，說明他們自身已經實現了由物理到工程的跨越。他們是通過自學成為精通物理學和工程技術人才的先行者。他們的經驗可以為我們提供指引，幫助我們快速、精準地建立一套能培養出同時精通物理和工程的跨學科交叉人才的方案。

將企業納入人才培養環節，一方面可以對人才的培養方向提供指導，使培養出來的學生滿足工業發展的需求。另一方面，也解決了企業招不到合適的員工，招來的員工需要花費大量時間再培養的困境，大幅降低企業的用人成本。企業能招到更合適的員工，將會更樂于參與教育、回饋教育，最終實現學生、企業、高校三贏的良性循環。

（三）面對新工科建設教師的自我提升和多導師共同培養模式

作為一個傳統理科院系，我們有扎實的理論功底，但缺乏工程領域的相關積累。如何為具有物理學背景的學生開設出適合他們的工科課程體系成為具體實踐過程中需要解決的問題。

教師作為新工科的建設者和執行人，首先需要加強自身的工程技術知識儲備，率先成為能夠聯通理科和工科的跨學科人才。只有建設者同時掌握充分的理科和工科知識，才有可能構建出適合物理學專業的工程技術人才培養方案，培養出優秀的新工科人才。所以，教師應該走在前面，完成工程技術相關知識的系統學習，成為邁出第一步的開拓者。

新工科建設的一個特點是交叉性強，涉及的學科多、領域廣。單一知識背景的老師難以完成所有課程的教學。為解決這一問題，眾多高校的新工科建設計劃中同時提出了交叉學科人才的多導師共同培養模式，希望通過分工協作，集眾人的智慧突破這一難關。借鑒這一模式，我們希望能夠同時引入理科和工科背景的老師構建共同培養人才的模式。除各自教授相關領域課程外，更希望理科的老師能夠系統地掌握工程技術知識，實現對物理學與工科交叉的無縫覆蓋。

（四）歐林工學院“項目引導”模式的普適化

除了知識結構，工科和理科的教學方式也有所不同。在綜合性高校新工科研究與實踐項目進展交流會上，香港科技大學李澤湘教授對美國歐林工學院的“項目引導”教育模式進行了著重介紹，這種模式可以激發同學們自主學習的熱情，大幅度提高教學效果，提升人才培養質量。

在基于物理學培養新工科人才的教學體系中引入“項目引導”模式無疑會提高教學質量。但是這種教育模式對高等學校教師提出了更高的要求，既要熟悉書本上的知識，又要能解決實際中遇到的各種問題。不但要懂得教授課程的內容，還要精通所有可能涉及的領域。只有這樣才能有效地對學生進行引導，幫助學生解決實踐過程中遇到的各種問題。教學質量的提高離不開教師自身素質的提升。我們希望通過系統化工程技術知識的學習，做到與時俱進，努力提升自我，勝任“項目引導”模式的教學工作。

“項目引導”模式的另一個問題是教學費用高昂。由于每個學生都要在項目的實踐過程中進行學習，這就需要大量的項目，每個項目需要一定的資金資助，這就導致它無法成為普適教育。如何能降低“項目引導”模式的成本問題是大規模推廣使用的關鍵。我們希望通過開源和節流兩手抓來解決這一問題。一方面，邀請企業參與到項目的設置中來，提供部分資金支持，做企業真正需要的項目。另一方面，充分利用學術競賽、全國大學生創新創業大賽等政策支持，并行運行，減少項目的開設成本。

這就需要我們在探索中不斷前行，創建與蘭州大學物理科學與技術學院發展相適應的“項目引導”培養模式。

四 結束語

伴隨著科技的發展，產業格局進一步細化，需要對社會分工進行重新劃分以適應生產力的發展水平。由于現在的工業體系都是高度知識密集，人才培養要適應新的社會分工必須先改變教育模式，培育出適合未來工業發展的人才。通過各個高校在新工科建設中的不斷探索，中國的新工科建設必將推動第四次工業革命的快速發展。

蘭州大學物理科學與技術學院力圖抓住變革中的機遇，圍繞人才培養這一中心任務，啟動了以“教學改革”為牽引的綜合改革。秉承“分級教學、分類培養、厚實基礎、寬泛出口”的原則，積極探索創建連通未來物理學和工科發展的跨專業人才培養模式，培養出能肩負起協調物理學和工科發展的跨專業人才，積極推動促進物理學和工科共同發展。

學院開設的蘭州大學-廣東奧迪威傳感科技聯合定制班已經在穩步運行，問卷結果顯示，超過90%的定制班同學對我們的培養目標、課程設置及教授方式給予認可。這樣的嘗試，無疑將會為新工科人才的培養提供積極的參考意義。