學科交叉推動高層次創新人才培養

摘要：學科交叉是促進理論和知識創新、解決制約社會經濟發展中復雜問題的重要途徑，我國關鍵技術領域的突破和新興產業發展對高層次創新人才提出了強烈需求。清華大學碳中和能力提升項目服務于我國碳達峰、碳中和的戰略需求，通過構建跨界交叉融合的模塊化課程體系、開展基于應用情境的跨學科課題攻關，形成了“交叉融合、真知實干、多元勝任”的培養特色，在培養雙碳高層次創新人才方面取得了顯著成效。

關鍵詞：學科交叉；碳中和能力提升項目；研究生培養

學科交叉一般是在成熟度相當的兩門及以上學科基礎上，通過對象整合、概念移植、理論滲透、方法互補、功能融合等達到交叉滲透、彼此結合、相互作用的目的^[1]。在第四次工業革命與全球科技競爭加速演進的背景下，學科交叉成為促進理論和知識創新、解決制約社會經濟發展中復雜問題的重要途徑，對于取得科學技術原創性成果和突破性進展意義重大^[2]。據統計，從1901年至2008年這一個多世紀的時間里，被授予諾貝爾自然科學獎的356項成果中交叉研究占比52%^[3]。更進一步的研究發現，20世紀獲得諾貝爾自然科學獎的466位科學家中，41.6%的人具有學科交叉背景；尤其在20世紀最后25年，具有交叉學科背景的諾貝爾獎獲得者占獲獎總人數的49.1%^[4]。2021年，習近平總書記在清華大學考察時強調，要用好學科交叉融合的“催化劑”，打破學科專業壁壘，瞄準科技前沿和關鍵領域，加快培養緊缺人才^[5]。教育部等三部委于2022年聯合發布的《關于深入推進世界一流大學和一流學科建設的若干意見》將“推動學科交叉融合”作為“十四五”期間建設服務新發展格局、優化學科專業布局的主要任務之一^[6]。

高層次創新人才是在具備良好基礎知識儲備的前提下，能夠對相關專業的核心科學問題或復雜系統中的科學和工程技術問題開展研究并給出解決方案的研究生層次人才^[7]。高層次創新人才的知識結構與能力素養要求，離不開適宜其成長的跨學科育人土壤，以及突破學科壁壘后融合創新的環境氛圍，探索實現學科交叉的思路與舉措、構建與之相應的教育體系是當前高等教育所面臨的重要命題。為了服務于高層次創新人才培養，動態響應社會需求，清華大學遵循“發揮工科優勢特色、促進學科融合”的思路^[8]，圍繞重大專題，通過跨學科整合教育資源的方式，推出一系列提升研究生學術與職業發展能力的項目。本文以清華大學碳中和能力提升項目為例，系統總結其邏輯起點、設計思路與實施成效，以期豐富跨學科人才培養案例，為相關教育實踐提供參考和借鑒。

一、學科交叉推動高層次創新人才培養的邏輯起點

面對國際競爭新格局，我國正全力推動發展方式從要素驅動型向創新驅動型轉變，關鍵技術領域的突破和新興產業發展均對高層次復合型人才提出了強烈需求^[9]。通過學科交叉的方式推動高層次創新人才培養，既是服務國家社會發展的現實需要，也是知識生產模式轉型下的必然選擇。從教育哲學的角度出發，認識論哲學與政治論哲學多元整合的理想狀態是對學術自由和社會服務理念的兼顧，現代社會所面臨的復雜問題需要跨學科多樣化從業者的集成解決方案。從知識生產的角度出發，學科交叉已成為新型知識生產模式無法回避的趨勢和特征，引發高等教育人才培養體系的變革。

1.服務國家社會發展的現實需要

教育的哲學基礎影響著教育的行動方式。認識論哲學主張大學開展價值自由的高深學問探究，政治論哲學堅持價值有涉的觀點，提倡大學應開展對國家、社會發展有益的學問探究^[10]。然而這兩種觀點并不矛盾，大學可以在擁有自由發展權利的同時承擔服務國家的責任。在前三次工業革命的浪潮中，伴隨著科學技術越來越多地應用于工業生產，大學對經濟社會發展的助推作用日益顯著，其社會服務功能成為繼人才培養、科學研究之外廣泛而深刻的共識。縱觀高等教育發展歷程，世界科學中心與高等教育中心總是相伴而生。進入21世紀，以人工智能、清潔能源、生物技術等為突破口的技術革命迅速席卷全球，多方向發展的技術變革與面臨問題的復雜性遠遠超越了單一學科的范疇。面對新的形勢，需要以綜合的視角，通過多學科聯合攻關的方式以及具有多學科交叉知識背景和能力素養的人才儲備來應對挑戰。研究生教育是培養高層次人才的主要渠道，探索和建立不同領域跨學科的研究生培養模式是推動我國科技創新的重要基礎^[11]。

2.知識生產模式轉型的必然選擇

知識生產模式（knowledge production mode）是用于解釋知識生產的范式及理論框架^[12]，即對知識生產不同方式的系統歸納與深刻提煉。半個多世紀以來，知識生產成為社會生產力發展的驅動因素甚至成為生產力本身^[13]，是大學得以發揮其功能的關鍵要素與核心動力。英國學者吉本斯（Michael Gibbons）于1994年提出了知識生產的新模式，根據他的觀點，傳統知識生產模式Ⅰ主要在一種學科的、主要是認知的語境中進行，而在知識生產模式Ⅱ中，知識則是在跨學科的社會和經濟情境中被創造出來。知識生產與問題情境的互動越來越密切，跨學科性的知識發展出獨特的理論結構、研究方法與實踐模式，質量控制不再完全依賴學科的同行評議，而是由一套更寬泛的體現應用成效的標準來決定^[14]。在此基礎上，美國學者埃利亞斯·G·卡拉雅尼斯（Elias G. Carayannis）等于2003年提出了知識生產模式Ⅲ，闡述了包括集群（cluster）、網絡（network）等核心要件和概念、多層次多維聚合的知識生產組織結構^[15]。在知識生產模式Ⅰ的背景下，科學被科學家們創造，并被制度化為學科知識研究的范式。大學是“高深學問”的生產者和詮釋者，通過創建和不斷鞏固“學科”制度占據知識生產的中心地位。然而知識生產的新模式使用了更加一般化的知識術語，催生了新的跨學科甚至是超學科發展形態，重塑著以多學科交叉為特征的創新生態與科研變革，影響著高層次創新人才培養的方向與路徑。當學科交叉產生的知識聚焦成為一套新的相對獨立穩定的概念、理論與研究范式時，則有可能形成交叉學科，即學科交叉是交叉學科的基礎，交叉學科是學科交叉的高級形式或結果。

二、清華大學碳中和能力提升項目設計思路

2020年9月，習近平總書記面向世界做出莊嚴承諾，中國力爭于2030年前達到二氧化碳排放峰值，于2060年前實現碳中和。為了應對全球變暖，2015年巴黎氣候大會通過決議，將全球平均氣溫升幅與前工業化時期相比控制在2"℃以內，并爭取把氣溫升幅限制在1.5 ℃之內。氣候變化相關問題與人類自身發展休戚相關，極端氣候情況與危機惡化成為全球治理的重要內容。據歐盟預測，未來十年35%–40%的工作崗位將和綠色轉型相關，需要大量培養雙碳人才^[16]。我國目前碳排放總量大且工業門類齊全，城鎮化進程快速發展加劇了經濟轉型、環境保護、應對氣候變化等多重挑戰^[17]，碳減排工作具有艱巨性和復雜性。我國僅“十四五”期間各領域各行業需要的雙碳人才就在60–100萬人左右，相比目前的規模還有較大缺口^[18]。

碳中和是一個典型的學科交叉領域，是包括關鍵技術、工程、系統及治理的巨大復雜體系，涉及學科范圍廣、層級多鏈條長，具有明顯的跨界融合特點。培養雙碳高層次創新人才的學科基礎包含能源動力、化學化工、電力電子、建筑科技、環境工程、交通運輸、材料等多個學科，也涉及管理學、經濟與金融、系統學、國際關系和社會學等學科；理工科教育在雙碳人才培養中擔當重要角色，同時人文社會學科也不可或缺。碳中和意味著我國經濟增長與碳排放的深度脫鉤，需要推動產業結構、能源結構、生產方式、生活方式、空間格局等全方位深層次的系統性變革^[19]，然而不同行業、不同地區實現雙碳目標的難易程度與策略空間存在較大差異，問題多樣、機制復雜，解決方案與應用情境之間需要高頻率深層次的互動迭代。

1.構建跨界交叉融合的模塊化課程體系

實現雙碳目標與世界能源體系轉型急需教育的改革予以配合，改革強調打破專業、學科界限^[20]，多學科交叉的知識背景是相關能力素養形成和發展的基礎。由于環境問題已成為影響國際關系和國家對外形象的重要因素，雙碳高層次創新人才還需要深入了解國際科技發展和國際環境履約的水平與動向，具有國際競爭力^[21]。清華大學積極響應碳達峰碳中和重大戰略部署，發揮高校推動全球可持續發展的責任擔當和創新引領作用，由校領導部署，相關領域院士作為總召集人，組織召開多輪教育教學研討會，梳理覆蓋多學科的雙碳核心知識體系^[22]。清華大學碳中和能力提升項目由研究生院牽頭，國家卓越工程師學院統籌運行管理，碳中和研究院專家組作為顧問組織，由建筑學院、環境學院、能源與動力工程系、車輛與運載學院、電機工程與應用電子技術系、化學工程系、材料學院、地球系統科學系、經濟管理學院、核能與新能源技術研究院、深圳國際研究生院等10余個院系聯合開課，形成了包括基礎必修、方向選修在內的模塊化課程體系（見表1）。

基礎必修課模塊中的“碳中和科學導論”和“碳中和概論”兩門課程，面向研究生介紹氣候變化與碳中和的科學事實、影響、適應及應對的科學理論基礎，澄清氣候變化與碳中和領域的主要概念，幫助不同專業背景的研究生了解碳中和方面的研究需求，激發他們圍繞碳中和問題開展創新研究的興趣，為后續的課程學習打下基礎?；A必修課模塊中的另一門課程“氣候變化大講堂”緊跟國際前沿，密切關注碳中和領域最新理論進展與產業發展，是在氣候領域具有世界影響力的交流與對話旗艦平臺，開辦的系列講座邀請全球政界領袖、國際組織負責人、學界知名人士和商業先鋒分享其應對氣候變化的觀察與預判、理論與實踐，開展師生互動研討，交流如何推進全球氣候變化治理，增加青年學生對全球氣候治理和可持續發展問題的直觀認識與理解。選修課模塊依據我國實現碳中和的行動路徑，分為新型能源系統、碳匯與CCUS、重點領域減排、政策與管理四個方向。新型能源系統方向著重介紹以清潔低碳電源、氫能、太陽能、風能、生物質能等為代表的新能源原理與方法、關鍵技術、應用狀況與前景；碳匯與CCUS方向培養學生掌握生態系統碳匯的評估與增匯技術，碳捕集、利用與封存的技術基礎、關鍵環節，旨在利用相關技術促進各部門深度減排；重點領域減排方向著力介紹在工業、交通、建筑等不同行業或部門，不同城鄉背景下如何實現低碳或零碳化發展，包括解決方案及推進機制；政策與管理方向圍繞碳中和國際、國內的政策動態和先進經驗，輔以典型政策方法與實踐案例，聚焦碳市場、氣候金融等主題，從經濟與政策視角闡釋其法律基礎、交易規則。課程體系內容設計兼顧技術與管理取向，注重文理滲透，綜合采用講授、討論、展示、參觀等多種方式，彌合科學、工程、政策和經濟學知識基礎及最前沿發展之間的差距，使研究生具備把握碳中和領域研究發展脈絡、開展相關科技創新工作的能力。

2.開展基于應用情境的跨學科課題攻關

建立服務雙碳戰略的高層次創新人才梯隊，需要支持多學科交叉研究和聯合攻關，探索完善產教、科教、校企融合育人模式^[23]，培養研究生具備多學科交叉知識結構，鼓勵他們運用最新的知識和技術手段，在更高層面、更寬領域思考和解決復雜的工程技術難題，推動產業升級和科學技術進步。在工作場所學習是通過參與工作實踐，進而重構知識和經驗的過程^[24]。清華大學碳中和能力提升項目積極吸納產業界力量參與雙碳高層次創新人才培養，聯合行業領先企事業單位共同開展研究生科研實踐活動，工作組與生態環境部環境規劃院、中國建筑設計研究院有限公司、國家電投科學技術研究院、深圳市城市規劃設計研究院股份有限公司、北京奔馳汽車有限公司、阿里云計算有限公司、金風科技股份有限公司、北京綠色交易所等20余家不同性質、遍布不同行業不同地區的單位和組織簽訂了合作協議。面向合作單位征集覆蓋不同方向的擬研或在研實踐課題，建立校企實踐指導教師組，通過研究生跨專業組隊的方式，形成課題攻關團隊，深入一線了解企業現狀及碳中和相關科研實踐問題的痛點與難點，利用實踐單位資源探索解決現實問題。團隊不同專業背景的研究生充分發揮各自學科優勢，根據校企導師組的反饋和應用成效不斷修正實踐方案，提升理論與實踐相結合的能力，并且在實踐中不斷深化對于理論的認識，增長學術和職業發展勝任能力。

碳中和實踐一般于夏季學期開展，包括前期的課題資料調研、課題開題、中期檢查、結題答辯等培養環節。研究生結合自身興趣及課程學習階段習得相關知識，按照每個團隊至少包括兩個以上不同院系成員的原則選擇和匹配課題。圍繞擬研究攻關目標，在文獻和資料調研基礎上，由校內外實踐指導教師聯合組織學生開題，確定研究方案、研究方法、研究內容、預期成果等。實踐期間研究生團隊與校企導師組在工作場所學習過程中逐漸形成相互介入、相互協商、共享知識與技藝庫的實踐共同體，進而生產出可信任的知識^[25]。中期檢查、課題進展周報等制度化要求促使實踐共同體不斷檢視與反思階段性成果的創新性、所生產知識的應用價值與社會經濟效益。針對課題完成與研究生協作情況，學校在秋季學期開學后，組織項目結題檢查與成果答辯，不少于半數的評審專家來自于行業企業，質量控制的機制與標準覆蓋更廣的范圍、涉及不同的領域，對實踐成果的評判不再是傳統的“學科卓越”標準，而是根據其對于實際生產中跨學科問題解決的貢獻程度來判定。

三、清華大學碳中和能力提升項目的成效及影響

清華大學碳中和能力提升項目是學校服務國家雙碳戰略需求、通過整合跨學科教育資源推動雙碳高層次創新人才培養的一項具體行動，該項目自2022年1月設立以來，充分發揮多學科交叉融合育人優勢，不斷優化完善課程體系，持續拓展實踐資源，建立了“課程+實踐”“技術+管理”的培養模式，形成了“跨界交叉、真知實干、多元勝任”的培養特色，在雙碳高層次創新人才培養方面取得了顯著成效。學校領導在中國學位與研究生教育大會上介紹了項目建設實施情況，項目本身作為“促進學科交叉研究生培養任務”之一列入“清華大學2030創新行動計劃”，得到校內師生的關注以及社會的廣泛好評。

從生源結構與證書授予情況來看，項目運行兩年多以來，共有來自清華大學建筑學院、土木工程系、環境學院、能源與動力工程系、工業工程系、電機工程與應用電子技術系、工程物理系、化學工程系、經濟管理學院、公共管理學院、五道口金融學院、核能與新能源技術研究院、深圳國際研究生院等校內47個院系的840余名在校研究生報名參與項目學習，研究生學科背景的多元化進一步促進了學科交叉融合的育人效果，形成了良性循環的育人生態。截至2024年10月共有142人（其中博士生53人、碩士生89人）修讀完成所有課程學習與實踐培養環節，滿足相應學分要求，獲得由清華大學研究生院、清華大學國家卓越工程師學院聯合頒發的項目證書。項目培養成效得到環球網、《北京日報》、騰訊網、搜狐網、新浪財經、清華新聞網、清華大學研究生教育等校內外媒體的轉載和報道。項目系列工作進展得到合作伙伴——蘋果公司首席執行官的肯定，蒂姆·庫克在社交平臺公開發文表示：“今日莘莘學子可成就明日的環境領袖。很高興能與清華大學合作，共同培養中國未來環保人才?！?/p>

從課程教學的評教結果來看，學生對課程體系的整體滿意度達到95%以上。該項目教育教學體系設計兼顧不同專業研究生興趣點和接受度，綜合把握講授內容的科普性與專業性平衡，保持整體風格一致和內容連貫的理念，充分考慮到跨學科研究生學習的需求，得到選課學生的肯定和積極反饋。學校每年組織針對項目課程的問卷調研，結果顯示，通過學科交叉融合的課程學習，研究生在碳中和思維能力、碳中和基礎知識、碳中和技術創新能力、碳中和管理能力、跨專業學習能力、溝通協調能力、組織實施能力、社會責任、國際視野、學術與職業發展勝任力、學術道德規范等方面都有顯著提升。環境學院一位博士生基于“碳中和科學導論”“碳市場與氣候金融”課程中學習的專業知識撰寫研究報告，為我國在日內瓦的國際談判——在世貿組織框架下深度參與塑料污染防治等貿易與環境議題討論、有效應對歐盟碳邊境調節機制等提供了重要學術參考，收到商務部世貿司的感謝信。能動系的一位碩士生在“生態系統碳匯評估與增匯技術”課程中系統學習了生態系統碳匯相關基礎知識，發掘了新的興趣點并深入影響了自己的研究課題方向，他在開展“基于人工智能融合機理模型的生態脆弱地區研究”的同時申請攻讀碳中和方向博士。項目課程教學的傳播效果與受益群體也在不斷提升和擴大，部分線上課程拓展了一流大學教育資源面向社會的開放程度，例如“氣候變化大講堂”開講期間通過清華學堂在線直播，單次講座觀看量曾超過10萬人次，為將綠色低碳理念融入國民教育體系各個層次和各個領域做出積極貢獻。

從實踐開展與實踐成果來看，截至目前的三期實踐活動共有337位同學組成了96個跨學科課題攻關團隊，完成了包括“數據驅動的二氧化碳地質封存動態預測及注入策略優化”“嚴寒及寒冷地區支線機場運行碳中和實施路徑研究”“數據驅動的北京奔馳通用設施及生產設備的碳中和工業節能項目”“基于GIS的魯中南地區村落碳排放地圖建模及空間格局分析”“華南地區零碳園區光儲直柔技術應用實踐研究”“基于大模型訓練的建筑行業ESG減碳行動數據集及建筑HVAC系統仿真與控制策略尋優”等一系列具有挑戰性的生產實踐課題，部分成果已在實踐單位開始初步運用，服務于區域地方經濟發展。例如由清華大學環境學院、電機工程與應用電子技術系、經濟管理學院、建設管理系、土木工程系同學共同組成的團隊，圍繞“分布式光伏如何助力零碳建筑并帶來更多碳減排”問題，發揮各自專業所長，通過深入企業調研與定量分析等方法，擬定的最優清潔能源改造方案已在中建科技集團北京低碳智慧城市科技有限公司的工程實踐中得到應用。又如阿里云實踐團隊研發制冷空調系統的通用化控制優化方法建立了全流程深度融合專家經驗的強化學習控制優化范式，在多氣候場景實現了明顯節能且不犧牲舒適度的目標，用于指導環保新型工質場景，該范式在實踐中得到應用，后續工作持續一年半，形成相關發明專利1項。此外，北京奔馳實踐課題組在校企導師的共同指導下，率先在業內開發出物流運輸零件層級碳排放核算系統，有效助力公司低碳化轉型的快速落地，該項成果獲得梅賽德斯–奔馳物流全球創新大賽第二名，得到公司中德雙方的高度認可；該項目開展的實踐活動還進一步促成了企業與校內科研單位的深度合作，北京奔馳汽車有限公司基于碳中和實踐活動的合作基礎，與清華大學碳中和研究院就產學研深度融合專項達成合作共識。

從促進學科發展的結果來看，碳中和能力提升項目是將綠色低碳發展理念融入研究生教育體系的重要嘗試和舉措，作為面向全校在讀研究生開設的教育項目，學校致力于使不同學科專業背景的研究生廣泛受益，拓展和提升他們的碳中和相關學術與職業發展能力，在此基礎上探索建立碳中和學科專業和學位授權點，發展培養學術型和專業型人才的學位項目，有利于形成多層次互補的雙碳教育格局。2022年清華大學創新領軍工程博士重點領域項目中新增了碳中和方向，旨在培養具有堅實寬廣的碳中和基礎理論和系統深入專門知識的創新領軍人才，使其具備解決碳中和系統中復雜工程技術問題、進行工程技術創新以及規劃和組織實施工程技術研究開發工作的能力，鼓勵工程博士生面向碳中和領域前沿及重大工程問題，探索開展原創性實際問題研究，完成高質量學位論文，形成應用型創新成果。2022年6月，清華大學學位評定委員會審議通過了擬新增“碳中和系統科學與技術”一級學科博士碩士學位授權點的決定；2023年9月，“碳中和系統科學與技術”交叉學科博士學位授權點獲得國務院學位委員會批準。該學位點主責單位為清華大學碳中和研究院，從供能、用能、系統和治理四個領域設立低碳能源與碳移除技術、新型電力系統、零碳人居環境、新能源動力系統、過程工業流程再造、碳中和系統工程、碳中和環境系統和氣候治理、碳金融8個二級學科方向。清華大學“碳中和系統科學與技術”一級學科自2025年開始招收全日制博士生。著力于知識整合發展、創新重構的交叉學科有助于產生新的視角、方法和工具，為雙碳目標的實現提供前沿、顛覆性的支持^[26]。

從培養模式的推廣價值來看，快速精準響應國家需求、打破學科專業壁壘、按項目建制實施的方式，可以根據不同時期、不同階段國家戰略發展需要遷移推廣至不同關鍵領域。例如，人工智能作為近年來最重要的技術革命正在全球范圍內重塑人們的生產生活方式，成為推動科技創新和社會進步的核心動力，人工智能領域的前沿技術攻關已成為國家間高水平科技力量角逐的重要方面。為更好地契合智能時代發展需要，培養“人工智能+”高層次創新人才，清華大學在及時總結碳中和能力提升項目教育教學與管理運行經驗的基礎上，于2024年9月面向全校研究生啟動人工智能能力提升項目。項目秉承“學科交叉融合創新”的教育理念，旨在幫助不同專業、不同學科的學生樹立人工智能理念和思維，系統了解和掌握人工智能的基本知識與方法，全面提高人工智能技術應用、創新和管理的能力與素養。人工智能能力提升項目初創期間由人工智能學院、機械工程系、工業工程系、電子工程系、計算機科學與技術系、自動化系、智能產業研究院等10余個院系共同建設，通過項目制統籌運行管理模式積極調動校內外優質資源，組織研究生圍繞人工智能領域核心問題開展實踐與課題攻關。首期研究生已于2024年秋季學期開始接受系統化的知識培養與實操訓練，為推動相關技術發展和應用貢獻力量。

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（責任編輯 "周玉清）

作者簡介：王瓊，清華大學國家卓越工程師學院創新領軍工程博士中心副主任，北京 100084；李鵬輝，清華大學國家卓越工程師學院副院長兼創新領軍工程博士中心主任，副研究員，北京 100084；周杰，清華大學原副教務長，研究生院原院長，國家卓越工程師學院原執行院長，教授，北京 100084；賀克斌，中國工程院院士，清華大學碳中和研究院院長，教授，北京 100084；張希良，清華大學能源環境經濟研究所所長，教授，北京 100084；劉璐，清華大學國家卓越工程師學院創新領軍工程博士中心全過程管理高級主管，北京 100084。