依托“強基計劃”、立足物理學科培養新工科人才的探索與實踐

摘 要 新工科建設和“強基計劃”分別是教育部在國家層面先后部署的培養未來新技術人才和基礎學科拔尖人才的重大戰略舉措。作為教育部確定的首批“強基計劃”專業，物理學是自然科學的基石，也是新工科發展的原始動力和處女地。能否有效銜接新工科建設和物理學專業“強基計劃”，構建理工融合共享共建平臺，打造理工貫通本碩博一體化培養機制，實現由理科走向理工融合的人才培養模式？ 本文介紹了在工科優勢綜合性大學中依托物理學專業“強基計劃”開展新工科人才培養的執行方案、改革舉措和取得的初步成效，匯報了西安交通大學立足物理學科開展新工科人才培養模式機制改革的探索和實踐，期望能夠為其他工科優勢大學的物理學科開展新工科人才培養提供參考和借鑒。

關鍵詞 新工科;強基計劃;物理學專業;理工融合;培養模式改革

2017年被稱為“新工科”元年，伴隨著新工科建設“三部曲”復旦共識、天大行動和北京指南的陸續形成，宣告新工科建設正式啟動[1-3]。新工科提出的實質是在影響國家戰略發展的關鍵技術方向，突破傳統工科發展瓶頸，謀劃未來發展藍圖，培養服務于國家重大戰略需求的創新型工程科技人才。

新工科建設離不開物理學的發展與突破。目前所提出的新工科，其核心概念主要包括信息、網絡、功能材料、定向性安全能源等以及它們的綜合性集成。首先，這些核心概念都需要有物理的實現，即需要從原子甚至更深層次的物質構成方面考慮物理載體來實現。其次，物理學前沿發展正在主動孕育新興工業的誕生，如納米科技的發展給新材料的開發提供了科學基礎，石墨烯等二維材料的研究給新材料和新能源的開發帶來了曙光，量子信息和量子計算的前沿進展已經開始推動信息和計算領域的革命等。這些都說明，物理學不只是傳統工科的統一基礎，也將是新工科發展的原始動力和處女地[4]。

在已有的新工科建設中，物理學科所發揮的作用主要集中在大學物理類課程建設和教學改革領域[5-8]，目的在于為新工科專業學生提供更扎實的物理基礎，所起作用比較受限，且缺乏主動作為。如何主動作為，立足物理學科開展新工科人才培養，探索新工科建設的新途徑？ 這是全體物理人需要回答的問題。

2020年1月，教育部發布《關于在部分高校開展基礎學科招生改革試點工作的意見》①，決定在部分“雙一流”建設高校開展基礎學科招生改革試點工作，面向國家重大戰略需求，選拔有志于服務國家重大戰略需求且綜合素質優秀的學生，稱為“強基計劃”。第一批“強基計劃”在36所高校開展試點工作，各高校依托自身優勢學科和辦學特色，啟動“強基計劃”人才培養體系的探索工作。

國家先后開展的新工科建設和“強基計劃”都面向國家重大戰略需求，旨在培養適應時代要求和高新技術發展需要的創新型人才。西安交通大學作為國內典型的工科優勢綜合性大學，同時承擔了新工科建設和“強基計劃”人才培養重任。此外，西安交通大學具有良好的理工交叉融合的傳統，物理學科先后支持學校創建了半導體、電真空技術、無線電技術、原子核物理等專業，有力支撐了學校目前優勢工科為主的學科布局。能否利用工科優勢綜合性大學天然的理工融合基礎和優良傳統，將新工科建設和“強基計劃”深度融合，探索一條理工學科交叉培養創新型人才的新途徑？

根據教育部對“強基計劃”培養目標的要求，考慮到學校在許多工科方向承擔著國家重大科技發展任務，這些任務的突破都不可避免地指向物理學的基礎問題，而且也需要培養具備原創物理思維和綜合科學素養的人才，西安交通大學于2020年批準以物理學院為主，融合能源與動力工程、電氣工程、機械工程、航空航天和電子科學與技術等5個工程學院，共同建設物理學專業“強基計劃”人才培養基地。基地結合學校優勢工科發展新需求和物理學科前沿發展新趨勢，聚焦能源物理、智能電氣、微納制造、空天物理技術、先進電子與光子技術、量子信息等6個理工專業方向，打破物理學專業原有的人才培養機制，培養具備扎實物理基礎、志愿投身科技創新或攻克工程新技術難關的高素質領軍技術人才，構建一個從物理學走向理工融合的新培養體系。圖1展示了物理學發展樹圖以及西安交通大學物理學專業“強基計劃”與對應的6個理工專業方向的關系。

西安交通大學物理學專業“強基計劃”從2020年開始招生，目前已經入學5屆學生，培養工作正在按計劃開展、落實和探索中。下面以2020級首屆75名學生的培養為例，介紹立足物理學科培養新工科人才的實施方案、改革舉措和取得的初步成效。

1 基于物理學專業“強基計劃”的新工科人才培養實施方案

西安交通大學物理學專業“強基計劃”的6個理工融合人才培養方向面向國家中長期科技發展規劃，聚焦影響國家科技發展的瓶頸問題，立足學校整體學科布局特點，突出目標導向的個性化培養。各方向具體培養目標如下。

（1） 能源物理：面向國家能源安全領域重大需求，以傳統能源高效潔凈安全轉化利用及新能源技術為牽引，立足物理學和能源動力的交叉，培養具有深厚數理基礎、能夠提出和解決能源科學技術與工程領域關鍵科學問題的能力，在能源科學與技術行業起引領作用的創新型拔尖人才。

（2） 智能電氣：電力能源是現代社會的基石，是支撐現代社會運轉的核心能源。我國電力能源在國際上處于領先地位，在特高壓輸電、新能源電力、智能電網等關鍵技術方面引領世界的發展。該方向致力于培養具有原創能力的科技創新拔尖人才，去突破世界級“高精尖缺”技術，保持我國領跑地位。

（3） 微納制造：微納制造是微傳感器、微結構和功能微納系統制造的重要科學基礎，微納制造決定著我國能否攻克芯片等“卡脖子”技術國產化、持續引領世界航天和航空等領域發展。致力于培養學生深厚的物理基礎理論，系統的微納制造的專業知識，具有家國情懷、創新能力、溝通交流能力和終身學習能力等的科技領軍人才。

（4） 空天物理技術：立足深厚的物理學科基礎與力學和空天工程學科交叉，培養具有深厚物理基礎，系統掌握力學知識、理論、分析方法和專業技能，具有提出和解決科學、技術與工程領域中的挑戰性問題的能力，能夠解決空天工程中基礎關鍵性力學問題的領軍人才。

（5） 先進電子與光子技術：面向國家經濟或國防領域中對高端電子和光子材料與器件的重大需求，培養具有扎實物理學基礎、同時能夠潛心于研究領域關鍵材料的合成與制備、組成與結構、性能與應用以及它們之間的相互關系，解決其中基礎科學問題和關鍵技術，開發先進電子或光子器件的科學人才。

（6） 量子信息：面向國家在量子通信和量子計算領域的重大需求，培養致力解決量子通信、量子計算、量子多體等關鍵科學問題的創新拔尖人才，為新一代信息與通信技術的重大突破儲備人才。

圖2展示了西安交通大學物理學專業“強基計劃”的培養體系。下面針對培養體系和培養方案展開具體討論和說明。

1.1 “理科基礎，工程出口”，本碩博一體化培養體系

西安交通大學物理學專業“強基計劃”實施本碩博一體化培養，本科階段為物理學專業，本科畢業時學生經雙向選擇進入不同工科方向的碩（博）士研究生階段。學生在本科階段，除了需要完成物理學專業所必須的所有課程和實驗實踐訓練外，在大二結束時依據“志愿優先”的原則，根據個人興趣和意愿，在物理學專業“強基計劃”的六個理工專業方向范圍內確定未來發展方向，并需修滿各方向的模塊課程及相關的工程實踐訓練。本科階段結束后，學生順選進入培養方向所對應的研究生專業和課題團隊，由此真正實現由物理走向理工融合的本碩博貫通培養模式。

在貫通體系方面，秉持“本科階段培養基礎素質與能力，研究生階段注重培養專業素質、科研能力和創新能力”的方針，學校統籌規劃學生本碩博培養體系，課程體系實施統一排課選課機制。本科畢業設計和研究生學位論文長線規劃制定，實現本碩博研究、創新能力培養的有機銜接。

在教學內容方面，按照專業培養方向要求，統籌安排學生各階段的課程教學內容。構建階梯化“融通培養”課程體系，優化設計通識基礎、專業課程、技術科學、創新實踐等模塊的內容構成。

在管理政策方面，針對學生培養需求，鼓勵學生參加國內外交流，制定國內外學分互認機制，實現跨年級、跨專業、跨領域靈活選課，設定科學門檻條件，制定優秀學生可提前進入研究生培養階段的“優本計劃”等相關政策，助力學生快速成才。

1.2 實行“強基計劃”學生年度考核和動態管理制度

實施物理學專業“強基計劃”榮譽學生資格管理制度，建立“強基計劃”內流轉和退出補選機制，激發學生學習興趣，激勵學生不斷挑戰自我、“跳起來摘桃子”。

制定科學合理的退出補選機制，每學年對強基計劃學生學業、思想等情況進行綜合評價，有下列情形之一者，退出“強基計劃”并轉入其它非強基計劃的相關專業：（1）所修全部本科課程中出現成績不及格;（2）在任意一學年內所修的全部課程中有3門及以上課程成績低于70分;（3）在校期間違反校紀、校規，受到記過及以上處分;（4）針對學生的思想品德、學業成績、綜合素質、創新能力、身體狀況等進行綜合考查后，認為不適合繼續培養的學生。在出現學生退出“強基計劃”的情況后，從學校其他理工專業選拔相同數量的優秀學生進入“強基計劃”的相應專業。

1.3 針對物理學專業“強基計劃”實施的改革舉措

“強基計劃”和新工科人才培養都需要扎實的物理基礎和作為“未來科技革命者”應具備的綜合素養，如樂于創新、勇于挑戰、敢于批判、堅強勇毅等。為了有效銜接“強基計劃”和新工科人才培養工作，實現人才培養過程的理工融合，我們實施了如下改革舉措。

1） 構建階梯化“融通培養”課程體系，重視物理基礎課程教育，加強專業特色課程學習

學校多次召集物理學院及五個工程學院的專家學者和資深教授，研討適應理工融合人才培養的課程體系和培養模式，針對性地優化課程結構，探索構建跨學科人才培養模式。構建階梯化“融通培養”課程體系，加強通識基礎模塊、技術科學模塊、專業學科模塊、創新實踐模塊等課程建設，打造“強理科、寬基礎、重實踐、國際化”的人才培養方案。

物理學專業“強基計劃”學生在大一和大二階段主要進行通識教育課程、數學和基礎科學課程以及物理大類基礎課程的學習。在大二結束選定專業方向后，除繼續物理大類課程學習外，每位同學均需開展專業特色課程學習。專業特色課程根據能源物理、智能電氣、微納制造、空天物理技術、先進電子與光子技術、量子信息等6個專業方向的培養要求和目標，制定各專業方向核心課程和選修課程模塊，包括專業核心課程12學分和專業選修課程10學分。表1列出了各專業方向規定的專業特色課程。學生修完專業特色課程后，能夠較好地掌握所選專業方向的基礎和專業知識，為理工交叉融合奠定基礎。

2） 以學生為中心，改革課程教學模式

為了激發物理學專業“強基計劃”學生對物理課程學習的興趣，培養學生的主動學習能力和開放性思維，物理學院改革傳統授課模式，以學生為中心，在熱學、電磁學、理論力學、量子力學等基礎物理課程中系統開展了線上線下混合式教學、翻轉課堂、大班授課小班習題、以科學問題為導向的小班研討課（下文簡稱小班研討課）等師生互動式多模式教學改革。

以熱學小班研討課為例，每個研討課班級24人左右，每4人一個小組，分成6組。每個小組確定一位組長，負責協調組內成員的任務分工。整個學期每個小組選擇1個研討題目進行深入研究，并做4次匯報（每位組員匯報1次），包括：選題匯報、進展匯報1、進展匯報2和總結匯報，每次匯報都要有新進展。研討題目主要集中在熱學課程內容的拓展與延伸，涉及知識面較廣。表2列出了近些年使用的部分研討課題目。通過小班研討課的開展，不僅搭建了從基礎課程到科學研究的橋梁，學生提出問題、思考問題、解決問題的能力也得到了很大提升。

3） 實行小班管理和“雙導師”制

每屆“強基計劃”學生均實行小班管理，每個班級24名學生左右，班主任通常由具有較高學術造詣且學生管理經驗豐富的教授擔任。班主任每月定期召開班會，開展談心活動，了解學生的思想動向，指導學生進行學習和職業生涯規劃;深入班級，了解班級學風狀況，對學習狀態差的學生及時進行教育和引導;走進宿舍，關心學生的生活，多途徑引導學生的學習和成長。

此外，物理學院還為每位強基計劃學生配備一名學業導師，幫助學生較快地適應大學生活，給予學生學業規劃、學術研究等指導，培養學生的專業研究能力和創新實踐能力。在大二結束選定專業方向后，專業方向所在學院為每位學生再配備一名專業訓練導師，幫助學生深入了解所選專業方向，并指導學生開展所在專業方向的科研訓練。雙導師全方位指導學生人生成長、學業發展和科研訓練，助力學生成長與科研創新同步發展。

4） 制度化要求，全面開展科研訓練

科研訓練在本科人才培養中具有重要作用，它不僅可以深化和拓展學生的專業知識，培養學生的實踐能力、創新能力、解決實際問題的能力以及團隊合作意識，還可以提升學生的綜合素養，為學生的未來發展打下堅實的基礎。為了貫徹落實科研訓練培養環節，我們制定了“西安交通大學物理學院本科生課外科研實踐貫通培養方案”，并在物理學專業“強基計劃”學生的培養方案中設置科研訓練必修學分，同時在教師職稱晉升、崗位職責、年度以及聘期考核任務中增加指導學生科研訓練的要求，分別從學生和教師兩端提升科研訓練開展的積極性。

為了提高科研訓練的完成質量，學院設置了科研訓練預選期，給學生充分時間了解指導教師及研究課題，從而選擇更加感興趣的研究方向。大二全年作為學生科研訓練預選期，在預選期內，學院通過實驗室開放日、海報展示、師生交流等方式向學生推介各科研團隊及指導教師科研情況，向學生提供科研團隊/指導教師名單、聯系方式;鼓勵學生自行聯系指導教師;指導教師可與學生約時間面談，面對面了解學生情況;學生經過充分了解后，與科研團隊或指導教師雙向選擇，在各科研團隊、指導教師指導下，開展科研訓練相關的實踐活動。預選期內，學生根據個人意愿，可主動提出更換科研團隊或指導教師;指導教師評估學生表現，可提出終止科研訓練指導，學生根據個人意愿選擇是否再次雙向選擇科研團隊或指導教師。

為了督促學生認真開展科研訓練工作，學院成立科研訓練考核小組，負責對學生科研訓練活動進行過程性評價考核。在第五學期，重點考核學生對相關科研領域的研究背景（歷史、現狀、國內外研究動態等）的學習總結，并通過學生撰寫文獻調研報告，使其熟悉并掌握科技論文撰寫的格式、內容等。在第六學期，重點考核學生在科研訓練過程中取得的階段性進展和成果。學生提交“科研訓練進展考核表”，并通過答辯形式展示其科研訓練過程中取得的進展和收獲。

在科研訓練導師選擇上，我們強調開放自由和學科交叉培養，物理學專業“強基計劃”學生不僅可以選擇物理學院教師和團隊，也可以在能源與動力工程、電氣工程、機械工程、航空航天和電子科學與技術等5個工程學院自由選擇。不僅導師選擇自由，同一個課題也可以由物理學院和工程學院導師共同指導。科研訓練的高質量開展直接促成學生積極承擔大學生創新訓練項目，積極參加各類學科競賽并取得優異成績。

5） 匯聚國內外優質資源，提升學生的學術水平和交流能力

物理學院通過學校先后與美國麻省理工學院、加州大學伯克利分校等10余所世界知名學府簽訂聯合培養學生協議，為學生提供更高效、便捷、可靠的培養平臺，增強學生參與國際合作與交流的能力。學校出臺針對物理學專業“強基計劃”學生的特殊政策、提供經費支持，選派優秀學生赴國內外頂尖高校和科研院所參加長期/短期交流。交流期間既參加課程學習，也參與國內外導師的實驗室研究，為今后進入一流大學、師從一流導師，搶占國際學科前沿奠定基礎。

此外，學院定期邀請國內外知名院士、外籍千人、學科領域頂級科學家為“強基計劃”學生短期授課、講座、合作指導開展科研，幫助學生接觸國際前沿和學科前沿。例如，我們邀請了深圳國際量子研究院俞大鵬院士、奧地利維也納工業大學Thomas Pohl教授、北京大學郭弘教授等專家學者為學生講授量子信息與量子計算領域的研究前沿，邀請了德國核物理專家及外專千人DieterHoffmann教授、中國工程物理研究院劉杰教授、中科院物理所李玉同研究員等專家學者為學生講授核聚變與強場物理領域前沿。

6） 建立多方協同育人機制，培養學生積極、向上、健康的人格

積極、向上、健康的人格對于“強基計劃”學生的成長至關重要，不僅能夠幫助學生建立良好的人際關系，增強學生應對壓力與挫折的能力，預防心理問題的產生，也能夠增強學生學習的動力，幫助學生塑造正確的價值觀。西安交通大學實施了多方協同育人機制，助力學生伴隨著積極、健康、向上的人格成長與成才。

開展學院書院協同育人工作。西安交通大學是國內第一個全面實施全員書院制的高校，在近十五年的摸索和積累當中，學院書院“雙院制”協同育人模式取得了積極成效。通過導師聘任、雙班主任配備、學院領導參加書院院務委員會、學院書院領導定期互訪、師生下午茶、師生冷餐會等機制和活動，促進學院領導和知名教授全面參與書院的工作部署和日常管理。

落實德育智育協同育人，實施輔導員與學生面對面的“知心工程”，教師、輔導員、朋輩幫扶三級“學業輔導”體系，“認識百位老師、閱讀百本經典、聽取百場報告、參加百場活動”的“四個一百”育人實踐引領，實現德育智育交叉同步發展。

實行課內課外協同育人。依托專業課程開展課程實踐和科研訓練，培養學生的鉆研精神和責任意識;建立8個愛國教育基地，依托馬克思主義學院開展思政課實踐、依托團委開展社團活動等，培養學生社會責任感和家國情懷，實現第一、第二課堂協同育人。

2 培養初步成效

2020級物理學專業“強基計劃”75名學生已于2024年7月畢業，學生整體表現優異，培養工作已經取得初步成效。

2.1 學生參加科研訓練和學科競賽的熱情高漲，成績突出

2020級物理學專業“強基計劃”學生參加大學生創新訓練項目的熱情明顯優于同年級的物理普通班學生。75名學生共參加國家級大學生創新訓練項目8項、陜西省大學生創新訓練項目2項，具體項目信息在表3中列出。

20余名物理學專業“強基計劃”學生參加了包括美國大學生數學建模競賽、中國大學生物理學術競賽、全國大學生物理實驗競賽、全國大學生光電設計競賽和“挑戰杯”競賽在內的學術競賽，獲得國際特等獎提名1項、國家級特等獎1項、一等獎3項、二等獎3項以及省級獎勵5項的優異成績。2020級物理學專業“強基計劃”學生獲得的部分學術競賽獎勵在表4中列出。這些學術競賽不僅激發了學生學習和研究的熱情，還啟迪了創新意識，培養了創新能力。

從大學二年級或三年級開始，學生進入國家重點實驗室、重大科研項目團隊或知名教授團隊開展科研訓練工作。通過科研訓練，學生不僅實現了科學研究基本能力培養，還了解了科學與工程前沿課題。在科研訓練成果的基礎上，部分同學以第一作者或共同第一作者發表高水平SCI研究論文7篇（論文相關信息在表5中列出），增強了開展科學研究的信心，提升了創新意識和創新能力，激勵了更多同學深度投入科研工作。

2.2 學生廣泛開展國內外交流，開闊視野和眼界

在學校和學院的大力支持下，雖然遭受新冠疫情的不利影響，20余名2020級物理學專業“強基計劃”優秀學生赴國內外大學和科研機構參加長期/短期交流。交流期間既參加課程學習，也參與國內外導師的實驗室研究。國內外交流為“強基計劃”學生今后進入一流大學、師從一流導師，搶占國際學科前沿奠定基礎。其中，胡知遙同學在本期期間先后在香港中文大學、麻省理工學院和清華大學交流學習，在清華大學交流期間，進入劉永椿教授課題組開展基于耗散的非厄米物理與量子調控領域的研究工作，并以共同第一作者在物理學頂級期刊Physical Review Letters發表研究論文。

2.3 學生在工科專業方向的學習和實踐中嶄露頭角

莊治文同學在大二結束后選擇了空天物理技術方向作為未來培養方向，在航空航天學院和物理學院老師的共同指導下，在大三時獲得中國大學生飛行器設計創新大賽一等獎和中國飛行器設計創新大賽一等獎。史書詣同學在大二結束后選擇了能源物理方向，在能源與動力工程學院和物理學院老師的共同指導下獲得全國大學生等離子體科技創新大賽二等獎。

在“強基計劃”學生本科畢業論文階段，40余名同學在工科學院教授科研團隊完成畢業設計或畢業論文工作。畢業論文整體質量優秀，展現出明顯的創新性和較高的學術水平。

2.4 學生畢業深造率高，進入工科方向占比突出

圖3展示了已經畢業的2020級物理學專業“強基計劃”75名學生的去向，其中78%的畢業生進入碩（博）士研究生階段繼續深造，明顯高于同年級物理學普通班學生約65%的深造比例。

在轉段進入研究生階段深造的物理學專業“強基計劃”畢業生中，73%的學生進入了工程學院的能源物理、智能電氣、微納制造、空天物理技術和先進電子光子技術專業方向，學生的優異表現受到所在工科學院教授團隊的廣泛好評。

3 結語

伴隨著第四次工業革命的到來，特別是隨著我國各項事業均已快速走向世界舞臺，國家越來越需要更多能夠真正引領行業發展的領軍人才?！皬娀媱潯焙托鹿た平ㄔO都是教育部面向國家重大戰略需求部署的培養適應時代要求的創新型人才的重大戰略舉措。西安交通大學物理學院以工科優勢大學物理學專業“強基計劃”的實施為抓手，將“強基計劃”與新工科建設深度融合，開展了理工交叉的新工科人才培養模式機制改革的探索和實踐，培養具備扎實物理基礎、志愿投身科技創新或攻克工程新技術難關的高素質領軍技術人才，已經取得初步成效，期望走出一條務實高效的創新領軍人才培養道路。

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