依托物理學(xué)科培養(yǎng)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(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)第二醫(yī)院，蘭州 730000)

自黨的十九大以來，國家發(fā)展進入一個新的歷史時期，社會經(jīng)濟發(fā)展也達到一個新的發(fā)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(chǎn)業(yè)革命呼之欲出，對科學(xué)技術(shù)發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)。產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級與新舊動能轉(zhuǎn)換，新工科教育體系建設(shè)勢在必行。馬克思在《德意志形態(tài)》中指出，生產(chǎn)力水平發(fā)展到一定程度時，更高級的分工形式也就呼之欲出?，F(xiàn)階段，人類社會進入新一輪科技創(chuàng)新活躍期，世界范圍內(nèi)新工業(yè)革命的興起，使產(chǎn)業(yè)變革不斷加速。大量新興領(lǐng)域的涌現(xiàn)與產(chǎn)生促使人們需要對產(chǎn)業(yè)格局進行重整，對社會分工進一步細(xì)化并重新劃分[1]。

產(chǎn)業(yè)變革的核心在于人才。習(xí)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(xué)知識和卓越人才的渴求比以往任何時候都更加強烈。”能否抓住第四次工業(yè)革命帶來的新一輪發(fā)展機遇、搶占人才培養(yǎng)的制高點是一個國家是否能構(gòu)筑先發(fā)優(yōu)勢、占據(jù)世界經(jīng)濟和工業(yè)戰(zhàn)略制高點的決勝關(guān)鍵?，F(xiàn)有的教育體系針對原有的社會分工進行設(shè)置，可以滿足當(dāng)時條件下的人才需求。但當(dāng)大量的新興產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的教育體系很難培養(yǎng)出適應(yīng)、甚至是能夠推動新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高素質(zhì)人才。因此，需要針對未來工業(yè)體系提前布局，對現(xiàn)有教育體系進行改革，重新規(guī)劃、劃分教育領(lǐng)域內(nèi)的社會分工，建立能夠適應(yīng)未來工業(yè)體系發(fā)展、適應(yīng)未來生產(chǎn)力發(fā)展水平的教育教學(xué)體系。

在這樣的大背景下，2017 年2-6 月教育部先后在復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)和教育部密集召開了3 次會議，并分別形成了“復(fù)旦共識”“天大行動”“北京指南”等新工科建設(shè)指導(dǎo)性文件，確立了探索實施工程教育人才培養(yǎng)的新模式，打造具有國際競爭力的工程教育新質(zhì)量，建立完善中國特色工程教育的新體系，實現(xiàn)我國從工程教育大國走向工程教育強國的新工科建設(shè)目標(biāo)，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式、中國經(jīng)驗，助力高等教育強國建設(shè)，開啟了新工科建設(shè)的熱潮。2017 年6月教育部發(fā)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(shè)項目的實施階段。2019 年2月，由教育部高等教育司指導(dǎo)、復(fù)旦大學(xué)承辦的新工科建設(shè)與發(fā)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(fù)旦大學(xué)舉辦，進一步確立了新工科建設(shè)思路與方法。隨后，天津大學(xué)、重慶大學(xué)和華南理工大學(xué)等高校相繼發(fā)布了自己的新工科建設(shè)方案，標(biāo)志著新工科建設(shè)進入一個新階段。

經(jīng)教育部批準(zhǔn)并公布的新工科建設(shè)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(yè)創(chuàng)建新工科?；跀?shù)學(xué)、物理學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)新工科的建設(shè)項目數(shù)僅為個位數(shù)，蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院牽頭申請的“依托物理學(xué)科培養(yǎng)新工科高層次人才”位列其中。學(xué)院依托該項目，圍繞人才培養(yǎng)這一中心任務(wù)，啟動了以“教學(xué)改革”為牽引的綜合改革。秉承“分級教學(xué)、分類培養(yǎng)、厚實基礎(chǔ)、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(yè)人才培養(yǎng)模式，致力于基于物理學(xué)的新工科建設(shè)。本文就蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在基于物理學(xué)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(shè)。

一 物理學(xué)與工科互為因果、相互促進

幾乎每一名工科院系的學(xué)生都要學(xué)習(xí)物理學(xué)，物理學(xué)所揭示的自然界的運行規(guī)律和相關(guān)知識廣泛地應(yīng)用于各種工程體系中。從物理學(xué)和工程技術(shù)的發(fā)展歷史可以看出它們的關(guān)系密不可分，相互依存。

物理學(xué)是一個古老的學(xué)科，最早出現(xiàn)于古巴比倫時期。物理學(xué)的進步不斷推動著人類社會的發(fā)展，是自然科學(xué)中的基礎(chǔ)學(xué)科。物理和工科的關(guān)系在之前的三次工業(yè)革命中完美地展現(xiàn)。工業(yè)革命前，科學(xué)和技術(shù)尚未真正結(jié)合[2]。18 世紀(jì)中葉，依靠工匠的實踐經(jīng)驗人們發(fā)明了機器，生產(chǎn)效率大大提升，推動了社會的快速發(fā)展，催生了第一次工業(yè)革命。特別在蒸汽機發(fā)明之后，機器逐步開始取代手工成為主要的生產(chǎn)方式。工人-生產(chǎn)者在生產(chǎn)過程中的作用不再是直接制造而是操作機器。這時，物理學(xué)中的力學(xué)開始起作用。從而，開始了利用科學(xué)原理、規(guī)律去指導(dǎo)生產(chǎn)的時代。起初還只是單個的現(xiàn)象，以后，日積月累，形成了一整套系統(tǒng)的原理和理論，從而產(chǎn)生了叫工程的學(xué)科[3]。

19 世紀(jì)中葉以后，物理學(xué)中的熱學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和聲學(xué)的原理也被應(yīng)用于生產(chǎn)，標(biāo)志著人類進入了第二次工業(yè)革命。出現(xiàn)了許多與物理學(xué)中各分支學(xué)科有關(guān)的工程學(xué)科，如電機工程、采礦工程、冶金工程和航空工程等，從事生產(chǎn)的各種工程學(xué)科與物理學(xué)緊密地結(jié)合，共同推動了生產(chǎn)力的發(fā)展，對人類的經(jīng)濟、政治、文化、軍事、科技產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響[3]。20 世紀(jì)50 年代，以計算機技術(shù)、原子能技術(shù)、航天技術(shù)為代表的第三次科技革命再一次推動了人類文明的發(fā)展?？茖W(xué)和技術(shù)密切結(jié)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(xué)及其衍生學(xué)科在推動生產(chǎn)力的發(fā)展方面發(fā)揮越來越重要的作用。它的基本原理大量地運用到了工業(yè)體系中，促進了技術(shù)的發(fā)展。以史為鑒，我們有理由相信物理學(xué)的發(fā)展與第四次工業(yè)革命也必然息息相關(guān)，第四次工業(yè)革命離不開物理學(xué)的鼎力支持。同時，物理學(xué)的發(fā)展離不開高度發(fā)達的工程技術(shù)的支持。經(jīng)過了數(shù)千年的發(fā)展，易于測量、觀察和總結(jié)的基本物理現(xiàn)象、定律早已研究透徹。當(dāng)代的物理學(xué)為了探究物質(zhì)相互作用的一般規(guī)律，追求“引力波”“黑洞”“暗物質(zhì)”“暗能量”等更難捕捉的物理現(xiàn)象的測量。而這些現(xiàn)象的測量，無不依賴龐大的測試工程、精準(zhǔn)的測試技術(shù)?？梢哉f，沒有精準(zhǔn)的測量就沒有現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展。

物理學(xué)與工程技術(shù)的相互合作促進了各自的發(fā)展，同時也促進了科學(xué)的發(fā)展。

二 工科和物理學(xué)教育的發(fā)展

工科專業(yè)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(xué)創(chuàng)立了工業(yè)工程學(xué)科，并設(shè)置了工程學(xué)院。中華民國時期的北洋大學(xué)是我國的第一所工科大學(xué)。之后，綜合性大學(xué)也相繼開始創(chuàng)辦自己的工科。新中國成立以后，我國全面采用蘇聯(lián)的教育模式，該模式以計劃經(jīng)濟為基礎(chǔ)。學(xué)校由行業(yè)部門領(lǐng)導(dǎo)，專業(yè)設(shè)置按工種劃分，學(xué)校按理工分家，分工細(xì)膩狹窄，界限壁壘森嚴(yán)[4]。這種行政的劃分人為地割裂了自然科學(xué)與工程技術(shù)的聯(lián)系，限制了相互間的交流，阻礙了它們的促進發(fā)展。

為了解決工科學(xué)生物理知識不足的問題，物理學(xué)工作者通常希望增加工科專業(yè)物理學(xué)相關(guān)課程的學(xué)時。陳佳洱院士曾建議工科物理課不少于300 學(xué)時[5]。但是縱觀工程技術(shù)的發(fā)展史，科技革命發(fā)生以前人們不需要學(xué)習(xí)物理知識，憑借實踐經(jīng)驗即可從事發(fā)明創(chuàng)造。第二次工業(yè)革命后，經(jīng)典物理知識被大量地運用于工程實踐中。20 世紀(jì)后半葉，基于物理學(xué)中隧穿效應(yīng)、巨磁阻效應(yīng)等衍生出來的工程技術(shù)應(yīng)用了大量涉及到近代物理的相關(guān)知識，對物理學(xué)科基礎(chǔ)知識的要求進一步提高。若不增加物理學(xué)相關(guān)課程學(xué)時，工科學(xué)生很難在學(xué)好大量本專業(yè)課程知識的同時，再額外多學(xué)習(xí)眾多的物理學(xué)課程。物理學(xué)基礎(chǔ)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(xué)進展應(yīng)用于新的工程技術(shù)中。這樣，傳統(tǒng)的工科教育就失去了創(chuàng)新的源動力。

伴隨著科技的發(fā)展，知識呈現(xiàn)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(jié)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(xué)科的重新劃分或者不用劃分過細(xì)。第二次工業(yè)革命前，物理學(xué)和工科的知識都還比較少，科學(xué)家和工程師的分界不是太明顯，一個人既可以是科學(xué)家，還可以是工程師。第二次工業(yè)革命以后，物理學(xué)變得越來越深奧，工程技術(shù)變得越來越復(fù)雜。獨立劃分為單個學(xué)科成為歷史的必然?，F(xiàn)階段，知識總量進一步膨脹，僅僅劃分成工科和理科已經(jīng)不能應(yīng)對新生的工業(yè)格局，這樣更細(xì)致的分工又成為必然，結(jié)果學(xué)科越分越細(xì)，學(xué)科間的交流越來越困難，各自學(xué)科的發(fā)展進入了惡性循環(huán)，也就限制了各個學(xué)科的發(fā)展。為了改善這一狀況，許多學(xué)者呼吁成立交叉學(xué)科，并在交叉領(lǐng)域從事科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新。但是，人們對學(xué)科固有的觀念，使交叉學(xué)科的發(fā)展步伐緩慢，完全不適應(yīng)現(xiàn)有的社會經(jīng)濟發(fā)展。

三 依托物理學(xué)科培養(yǎng)新工科高層次人才

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

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

（一）通過教學(xué)改革，分流出精通物理的工程技術(shù)人才

教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，每一屆學(xué)生中都有部分物理學(xué)專業(yè)的同學(xué)在具備一定的物理學(xué)基礎(chǔ)以后，對深入理解物理學(xué)基本規(guī)律和基本問題不再有興趣，但對工程技術(shù)特別感興趣，經(jīng)常能看到這部分同學(xué)熱衷于軟件設(shè)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(xiàn)出天賦。而在原有的物理學(xué)教學(xué)體制下，幾乎都按科學(xué)家的要求進行培養(yǎng)，從而必須和其他同學(xué)一樣，從一年級到四年級，每年完成固定的物理學(xué)課程。由于按科學(xué)家的要求，物理學(xué)課程的難度較大，他們不得不花上全部的精力，導(dǎo)致他們沒有時間去做發(fā)明創(chuàng)造，他們的技術(shù)天賦被埋沒。

針對這一問題，本著大類招生，分類培養(yǎng)；普及基礎(chǔ)，按需選課；出口分流，標(biāo)準(zhǔn)多樣的原則構(gòu)建課程群[6]。將物理學(xué)的本科階段課程按照研究對象的復(fù)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(fù)雜度和難易程度，有志于進行物理學(xué)研究的同學(xué)需要完成水平Ⅰ—Ⅲ的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，相當(dāng)于現(xiàn)有課程體系物理學(xué)專業(yè)需要學(xué)習(xí)的全部內(nèi)容。對制造、控制等工程方向更感興趣的同學(xué)適當(dāng)降低物理學(xué)體系的深度，要求他們完成水平-Ⅰ、水平-Ⅱ難度課程的學(xué)習(xí)，充分理解并把握物理思想和物理方法，具備了創(chuàng)新能力。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生對工程技術(shù)方向的興趣，開設(shè)相應(yīng)的工程技術(shù)課程，完成工程技術(shù)素質(zhì)的教育，最終實現(xiàn)精通物理學(xué)的工程技術(shù)人才的培養(yǎng)。

（二）以企業(yè)需求為工程技術(shù)人才培養(yǎng)方向

為了確立學(xué)生的工程技術(shù)培養(yǎng)方向，學(xué)院走訪了大量在工程技術(shù)方面有所建樹的企業(yè)，探尋他們對具有物理背景又能從事工程技術(shù)行業(yè)的人才的需求，并根據(jù)企業(yè)需求進行人才培養(yǎng)，以滿足工業(yè)領(lǐng)域?qū)θ瞬诺男枨蟆?/p>

聘請具有物理學(xué)背景、工程技術(shù)能力突出的企業(yè)工程師擔(dān)任校外導(dǎo)師，對學(xué)生進行工程素質(zhì)培養(yǎng)。這些企業(yè)工程師有物理學(xué)背景，工程技術(shù)經(jīng)驗豐富，能夠在工程技術(shù)領(lǐng)域有所成就，說明他們自身已經(jīng)實現(xiàn)了由物理到工程的跨越。他們是通過自學(xué)成為精通物理學(xué)和工程技術(shù)人才的先行者。他們的經(jīng)驗可以為我們提供指引，幫助我們快速、精準(zhǔn)地建立一套能培養(yǎng)出同時精通物理和工程的跨學(xué)科交叉人才的方案。

將企業(yè)納入人才培養(yǎng)環(huán)節(jié)，一方面可以對人才的培養(yǎng)方向提供指導(dǎo)，使培養(yǎng)出來的學(xué)生滿足工業(yè)發(fā)展的需求。另一方面，也解決了企業(yè)招不到合適的員工，招來的員工需要花費大量時間再培養(yǎng)的困境，大幅降低企業(yè)的用人成本。企業(yè)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(xiàn)學(xué)生、企業(yè)、高校三贏的良性循環(huán)。

（三）面對新工科建設(shè)教師的自我提升和多導(dǎo)師共同培養(yǎng)模式

作為一個傳統(tǒng)理科院系，我們有扎實的理論功底，但缺乏工程領(lǐng)域的相關(guān)積累。如何為具有物理學(xué)背景的學(xué)生開設(shè)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(shè)者和執(zhí)行人，首先需要加強自身的工程技術(shù)知識儲備，率先成為能夠聯(lián)通理科和工科的跨學(xué)科人才。只有建設(shè)者同時掌握充分的理科和工科知識，才有可能構(gòu)建出適合物理學(xué)專業(yè)的工程技術(shù)人才培養(yǎng)方案，培養(yǎng)出優(yōu)秀的新工科人才。所以，教師應(yīng)該走在前面，完成工程技術(shù)相關(guān)知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，成為邁出第一步的開拓者。

新工科建設(shè)的一個特點是交叉性強，涉及的學(xué)科多、領(lǐng)域廣。單一知識背景的老師難以完成所有課程的教學(xué)。為解決這一問題，眾多高校的新工科建設(shè)計劃中同時提出了交叉學(xué)科人才的多導(dǎo)師共同培養(yǎng)模式，希望通過分工協(xié)作，集眾人的智慧突破這一難關(guān)。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(gòu)建共同培養(yǎng)人才的模式。除各自教授相關(guān)領(lǐng)域課程外，更希望理科的老師能夠系統(tǒng)地掌握工程技術(shù)知識，實現(xiàn)對物理學(xué)與工科交叉的無縫覆蓋。

（四）歐林工學(xué)院“項目引導(dǎo)”模式的普適化

除了知識結(jié)構(gòu)，工科和理科的教學(xué)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(xué)李澤湘教授對美國歐林工學(xué)院的“項目引導(dǎo)”教育模式進行了著重介紹，這種模式可以激發(fā)同學(xué)們自主學(xué)習(xí)的熱情，大幅度提高教學(xué)效果，提升人才培養(yǎng)質(zhì)量。

在基于物理學(xué)培養(yǎng)新工科人才的教學(xué)體系中引入“項目引導(dǎo)”模式無疑會提高教學(xué)質(zhì)量。但是這種教育模式對高等學(xué)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(nèi)容，還要精通所有可能涉及的領(lǐng)域。只有這樣才能有效地對學(xué)生進行引導(dǎo)，幫助學(xué)生解決實踐過程中遇到的各種問題。教學(xué)質(zhì)量的提高離不開教師自身素質(zhì)的提升。我們希望通過系統(tǒng)化工程技術(shù)知識的學(xué)習(xí)，做到與時俱進，努力提升自我，勝任“項目引導(dǎo)”模式的教學(xué)工作。

“項目引導(dǎo)”模式的另一個問題是教學(xué)費用高昂。由于每個學(xué)生都要在項目的實踐過程中進行學(xué)習(xí)，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(dǎo)致它無法成為普適教育。如何能降低“項目引導(dǎo)”模式的成本問題是大規(guī)模推廣使用的關(guān)鍵。我們希望通過開源和節(jié)流兩手抓來解決這一問題。一方面，邀請企業(yè)參與到項目的設(shè)置中來，提供部分資金支持，做企業(yè)真正需要的項目。另一方面，充分利用學(xué)術(shù)競賽、全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等政策支持，并行運行，減少項目的開設(shè)成本。

這就需要我們在探索中不斷前行，創(chuàng)建與蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院發(fā)展相適應(yīng)的“項目引導(dǎo)”培養(yǎng)模式。

四 結(jié)束語

伴隨著科技的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)格局進一步細(xì)化，需要對社會分工進行重新劃分以適應(yīng)生產(chǎn)力的發(fā)展水平。由于現(xiàn)在的工業(yè)體系都是高度知識密集，人才培養(yǎng)要適應(yīng)新的社會分工必須先改變教育模式，培育出適合未來工業(yè)發(fā)展的人才。通過各個高校在新工科建設(shè)中的不斷探索，中國的新工科建設(shè)必將推動第四次工業(yè)革命的快速發(fā)展。

蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院力圖抓住變革中的機遇，圍繞人才培養(yǎng)這一中心任務(wù)，啟動了以“教學(xué)改革”為牽引的綜合改革。秉承“分級教學(xué)、分類培養(yǎng)、厚實基礎(chǔ)、寬泛出口”的原則，積極探索創(chuàng)建連通未來物理學(xué)和工科發(fā)展的跨專業(yè)人才培養(yǎng)模式，培養(yǎng)出能肩負(fù)起協(xié)調(diào)物理學(xué)和工科發(fā)展的跨專業(yè)人才，積極推動促進物理學(xué)和工科共同發(fā)展。

學(xué)院開設(shè)的蘭州大學(xué)-廣東奧迪威傳感科技聯(lián)合定制班已經(jīng)在穩(wěn)步運行，問卷結(jié)果顯示，超過90%的定制班同學(xué)對我們的培養(yǎng)目標(biāo)、課程設(shè)置及教授方式給予認(rèn)可。這樣的嘗試，無疑將會為新工科人才的培養(yǎng)提供積極的參考意義。