理工融合:新工科教育改革的新探索

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  摘 要:石油与化学工业对人才培养的要求与新工科理念高度契合,新工科更加注重学科交叉与融合。天津化学化工协同创新中心在“理工融合”方面进行了前期实践,以分子科学与工程专业为抓手,依靠协同创新中心的学科优势、人才优势和科研优势,从“理工融合型本科生培养模块”“理工协同式研究生培养模块”和“实践创新能力培养模块”三个模块入手,在本科专业建设、课程建设、师资队伍建设、育人环境建设,培养模式升级等方面进行了改革和探索。
  关键词:新工科;化学化工学科;石油与化工;人才培养;理工融合;创新中心
  “新工科”这一概念自2016年提出以来,一年的时间里形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”[1-3],教育部高教司在今年的重点工作部署中,也明确提出推进“新工科”建设和发展,研究制定关于深化工程教育改革、服务产业转型升级的指导文件。什么是新工科、为什么要建设新工科、如何建设新工科,成为高等工程教育的新热点。在“天大行动”中把新工科内涵与特征表示为:新理念——应对变化,塑造未来;新要求——培养多元化、创新型卓越工程人才;新途径——继承与创新,交叉与融合,协调与共享。
  化学化工学科是国计民生的重要的支撑与基础,培养的人才在国民经济建设中发挥了极大的作用。新时期,我国经济发展面临动能转换、方式转变、结构调整的繁重任务,新技术、新产品、新业态和新模式蓬勃兴起,作为传统学科的化学化工学科,更需要积极开展新工科建设,为新借鉴服务,进一步提高人才培养质量,走出一条创新发展之路。
  一、石油与化学工业和新工科
  现阶段石油与化学工业面临的挑战表现在:一是结构性矛盾较为突出。 炼油、电石、烧碱等传统产品产能过剩;高端产品自给率低,需求量快速增加,预计到2020年,高性能树脂、高端聚烯烃塑料、特种橡胶、高性能纤维、功能型膜材料、电子化学品目标消耗量和自给率存在着较大差距[4]。二是行业创新能力不足。国际领先核心技术少,科技创新对产业支撑弱。高端氟、硅聚合物、含氟功能型膜材料、电子化学品等新材料的开发与生产能力严重不足。
  面对这一挑战,我们的应对策略为:一是行业转型升级。牢固树立“创新、协调、绿色、开放、共享”五大发展理念。落实《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》和《中国制造2025》,推动石油和化学工业由大变强。二是全链条创新。要努力实现从基础研究与技术开发、成果转化与产业化示范到技术推广与服务的全链条创新,其中化学与化工的融合是必然选择。三是绿色化+智能化。“绿色制造”即从源头上减少“三废”产生量,“绿色再造”即构建完善的循环经济产业链,“智能制造”则是与信息技术高度融合。
  石油与化学工业对人才的需求与新工科培养理念所强调的内容高度契合。石油与化学工业对人才的需求是能从分子设计、反应路线选择、工艺流程优化、过程装备强化等多角度系统性创新的研发工程师;充分了解全球石油与化学工业发展趋势,能引领行业转型升级。新工科理念所强调的内容是更加注重学科交叉与融合,打造完整创新链条的全过程人才培养模式,与跨界整合等能力与知识融合;更加注重专业和产业对接,注重学生全球视野的开拓。天津化学化工协同创新中心具备“理工融合”得天独厚的平台,为理工融合型拔尖创新人才培养提供了体制机制保障,中心在“理工融合”方面进行了前期实践,取得了显著的效果。
  二、学科交叉与融合是新工科的重要内涵
  随着化学化工学科交叉的日益深化,对理工融合型人才培养的要求逐渐提高,学科交叉平台和人才培养体系需要进一步完善。2012年由天津大學牵头,与南开大学、中国科学院过程工程研究所、中国石油化工集团公司和天津渤海化工集团有限公司等多家单位联合组建了天津化学化工协同创新中心(以下称协同中心),并于2013年4正式通过教育部认定。协同中心自成立以来,以“人才培养、学科建设、科学研究”三位一体创新能力提升为根本任务,以培养化学化工理工融合型创新人才为持续发展的重要支撑,将协同创新与人才培养紧密结合,发挥协同创新优势,构建化学化工理工融合型人才培养体系,全面升级人才培养模式。
  以天津大学和南开大学合办的“分子科学与工程”本科专业为例,2003年起两校在化学化工理工融合型人才培养方面迈出了第一步。该专业每年在两校各招收30名学生,实行统一管理和统一授课,前两年在南开大学学习基础化学课程,后两年在天津大学学习工程类课程,符合毕业和学位授予条件的学生同时获得两校颁发的毕业证和学位证。至今该专业已为国内外高校、科研机构和大型企业输送了10届近600名毕业生,受到用人单位的高度评价。
  协同中心以“分子科学与工程”专业为抓手,依靠协同创新中心的学科优势、人才优势和科研优势,从“理工融合型本科生培养模块”,“理工协同式研究生培养模块”和“实践创新能力培养模块”三个模块入手,实施了“本科综合培养方案升级计划”“教学质量保障计划”“研究生培养模式升级计划”“学科交叉平台拓展计划”“实践能力提升计划”和“国际视野与创新能力培养计划”等六项计划,推行了“强化理工融合的专业基础”等十六项举措,在本科专业建设、课程建设、师资队伍建设、育人环境建设,培养模式升级等方面进行了改革和探索。
  三、理工融合型人才培养体系的实践
  1.理工融合型本科生培养模块
  (1)本科生综合培养方案升级计划
  强化理工融合的专业基础。在化学、化工相关专业培养方案的基础上对课程有所取舍,削枝强干,在有限的学时中突出无机化学、有机化学、物理化学、分析化学与结构化学等化学类主干课程,以及工程制图基础、化工液体流动与传热、化工传质与分离过程、化工热力学、化工反应工程、化工安全与环保等化工类主干课程的教学,夯实理工融合型人才的专业基础。同时将高分子化学、化工机械基础、精细化工工艺学等基础课程由必修课改为专业选修课,拓展学生的化学、化工专业知识。形成以“五大基础化学”与“三传一反”为主干,化学化工分支方向核心课程为拓展的理工融合型专业培养方案。   开设理论与应用结合的前沿课程。协同中心在功能分子构筑的结构效应及其应用、人工生物系统的设计合成与应用、手性物质创造与转化、能源高效清洁利用、新能源材料与储能科技、光电分子科学与工程等六个领域具有显著的科研优势和雄厚的师资力量,积累了丰富的科研成果。为拓展学生视野,依托协同中心师资力量和科研优势,开设了分子识别与组装、纳米材料设计学、生物大分子的化学合成、功能材料物理性能、能源材料与化学电源等理论与应用研究相结合的课程,将前沿的科技进展与中心团队的研究成果融入本科教学中,传授学生前沿课题的研究内容和方法。
  建设理工融合型特色课程。针对理工融合的特点,为“分子科学与工程”专业量身开设绿色化学工艺学、膜科学与技术、分子设计与产品工程、工程设计概论、综合化学化工实验等具有专业特色的课程。实现化学与化工知识结构之间有效衔接与过渡,完成知识体系从分子设计向过程控制,再到工艺优化的有效贯穿。将绿色发展的理念融入化学分子设计和化工单元操作的学习和实践中去,培养学生系统性思维方式和创新能力,使学生具备从分子水平和工程角度综合解决问题的能力,体现出化学、化工理工融合型人才培养的特色和优势。
  增设专业导论类课程。根据不同年级学生的基础和特点,有针对性地开设当代化学前沿、改变世界的化学和化学史等专业导论类课程。针对一年级新生,聘请杰出的青年教授主讲,在最新的Science和Nature上選取能源、材料、催化、化学生物学、环境五大领域的最新成果进行解读,让学生一入学就接触到真正的学科前沿,在心中埋下科学研究的种子,使学生带着疑惑、问题和憧憬开始大学的专业课学习;在一年级下学期,邀请院士、长江学者和杰出青年等优秀人才,从二级学科层面介绍各自研究领域的最新前沿进展;对二年级学生,邀请杰出教授介绍化学发展的历史,通过具体实例和故事展示化学的发展是如何改变世界的,化学在人类文明和社会发展中所起的重要作用,激发学生学习化学的兴趣和动力。
  均衡调整学时分布。化学与化工类专业课程多,课时紧张,对原有培养方案直接整合将导致课程逐渐增多,课时分布不均衡。新的培养方案重新梳理了课程间的逻辑关系,将有机化学与结构化学课程前移,工程概论类课程后移。使学生在大一学年完成无机化学和有机化学的学习,大二学年同时进行物理化学与结构化学的学习,并进入工程设计概论、化工流体流动与传热等化工类基础课程的学习阶段。调整后每学期至少有两门理论专业必修课,学时分布更加均衡,知识体系衔接更加合理。同时与其他专业选课打通,每个学期都有“有机化学”和“结构化学”开课,便于学生选修和重修。
  (2)教学质量保障计划
  建设一流的师资队伍。“分子科学与工程”专业的教学工作由南开大学与天津大学共同完成,集中了南开大学的数学、化学,天津大学的化工等多个优势学科的师资力量。选聘院士、高等学校教学名师奖获奖者、长江学者特聘教授、杰出(优秀)青年基金获得者、知名教授等优秀人才承担本科生教学,以非凡的个人经历来激励学生,以丰富的教学经验指导学生,以前沿的科研成果启迪学生,以敏锐的创新思路引导学生。充分发挥优秀教师在科研与教学中的“传、帮、带”作用,形成了一支理工融合、业务精湛、结构合理的教学团队。
  建立教学督导与淘汰机制。由专家教师和其他相关人员组成教学督导组,重点从传授学生知识,培养学生学习兴趣、学习主动性,激励学生自主学习,拓展学生思维,启发学生求知欲望,增加学生自信,启迪学生全面发展,以及教学环节设计、教学方法运用、教学内容讲解等多个角度对课程进行督导和评价。每2年完成一轮督导,实现所有课程督导评价的全覆盖。对新讲课教师和新开课程,安排督导跟踪,至少听课3次。根据督导组的反馈,评出优秀(不超过10%)、良好(不超过30%)、合格(不超过60%),并对教学效果较差的教师限期整改或撤换。
  营造理工融合型育人环境。针对学生问卷调查所反映出的学生专业归属感不强、发展目标不明确、学习压力大等问题,实施专业指导与学生工作相结合的育人模式。除学生工作部门配备的年级辅导员外,为“分子科学与工程”专业每个班配备一名专业班导师。选聘南开大学化学学院和天津大学化工学院的专业教师分别担任专业班导师,为学生提供专业介绍、选修课程、学习方法、压力缓解、个人发展规划等方面的帮助和指导。形成了教书育人、管理育人和文化育人相结合的育人环境,使学生充分体验不同的校园文化、学科特点和学派思想,加深学生对专业发展和知识体系的理解,增强学生的专业归属感,激发学生的学习兴趣和动力。
  2.理工协同式研究生培养模块
  (1)研究生培养模式升级计划
  打通本科与研究生培养。为保证理工融合的特色在研究生培养阶段继续延伸和发展,将本科生与研究生的课程体系打通,将部分研究生课程列为本科生选修课,实现天南大校际互认,本科与研究生阶段互认。例如南开大学为“分子科学与工程”专业本科生开设高等有机化学、高等无机化学等课程,天津大学研究生培养过程承认相应学分,允许用其替代相关专业的研究生课程。此外,在硕士研究生录取阶段,两校共同提高“分子科学与工程”专业本科生保研比例(天津大学40%,南开大学45%),鼓励学生攻读化学、化工学科的研究生。对教育部下达的60个博士研究生名额进行统一管理,实施“申请—审核制”,由初审小组依据学生本科及硕士阶段学习及科研情况,以及对未来的研究思路及综合素质进行审核,英语水平测试合格且通过专业面试后方能录取。
  实施研究生导师团队培养。协同中心围绕“功能分子构筑的结构效应及其应用”等六个领域组建了33个研究团队,已具备在某一领域内从不同方向展开协同研究的能力,形成了领域内的团队集群优势。为了使研究生培养从团队协同中受益,根据协同研究的任务和方向成立了导师团队和专家组,拓展了人才培养的平台,研究生培养环境更加多元化,有利于研究思路的开拓和研究方法的创新。被录取的研究生接受学院和中心的双重管理,研究生学籍设在各学校,由相关学院负责管理,研究生的科研活动主要在协同中心完成,中心主要负责科研活动的过程管理。   实施研究生“双导师制”。协同中心集地理优势、人才优势、学科优势于一身,汇聚了一大批化学化工领域内的优秀人才,搭建起国内一流的化学化工学科交叉平台。目前中心共有科研人员385人,其中高级职称研究人员247人,包括两院院士15人。为了在研究生培养过程中发挥出师资协同与学科交叉的优势,实施了研究生双导师制。每位研究生可同时在工科导师和理科导师的共同指导下完成研究课题,促进了化学、化工及相关学科间的交叉,形成了理工协同式研究生培养的模式。协同中心目前已选出87位天津大学教授和85位南开大学教授协同指导研究生。
  (2)学科交叉平台拓展计划
  研究生跨学科基础理论系列讲座。跨学科基础理论系列讲座旨在增强学生的科研兴趣,拓宽知识面和科研思路,促进知识共享,为学生的科研提供理论支撑和研究方法、思维方式的借鉴,从而为科研创新奠定基础。自2014年3月起,中心邀请院士、长江学者、特聘教授、杰出(优秀)青年基金获得者、国内外知名教授为研究生做跨学科基础理论讲座,据不完全统计,参加基礎理论讲座的学生达到1 500余人次。
  跨学科博士生学术论坛。2015年起,协同中心、南开大学化学学院与天津大学化工学院联合举办“天南大化学化工博士生学术论坛”,为两校博士生营造了浓厚的学术氛围,提供了学习交流的平台。通过报告展示与互动讨论,学生们开阔视野、启迪创新,切实提升了博士生的培养质量、科研水平与综合素质。论坛根据研究主题设立分会场,除专家特邀报告外,还有两校博士生的专题研究报告。会议论文集收录的学术论文涉及化学、化工学科的多个领域,反映了两校博士生的科研进展,呈现了最新的研究成果,促进了校际间的学术交流与学科间的交叉与协同。
  3.实践创新能力培养模块
  (1)实践能力提升计划
  调整实践教学环节。将本科生实验课程分为基础化学实验(包括无机化学、有机化学、物理化学与分析化学实验),化工技术基础实验与理工综合性实验(综合化学化工实验)。基础实验课每个班安排两名实验教师,增大师生比,加强对实验细节的具体指导,帮助学生打下良好的实验基础,养成良好的实验素养,锻炼培养良好的动手能力。改进实验教学内容,将最新科研成果引入实验教学,减少验证性实验数量,增加综合性、设计性实验比例,开发研究性实验内容,引导学生自主设计实验方案。
  梯度实验和科研能力培养。设立专项基金,实行梯度实验和科研能力培养。对一年级本科生,组织实验室体验活动,让学生走进科研实验室,切实感受科研氛围;在一年级暑期开展本科生暑期科研训练,重在培养基本科研素质、常识和基本训练。在二年级下学期组织、鼓励学生参加国家大学生创新计划、南开大学“百项工程”创新项目,鼓励学生独立或以团队形式完成研究项目,培养学生团队合作能力,帮助学生积累实践经验。
  (2)国际视野与创新能力培养计划
  走出去,引进来。为开拓学生国际视野,提高学生创新能力,协同中心积极发挥学术交流平台的作用,为本科生与研究生提供前往牛津大学、剑桥大学、麻省理工学院、加州大学伯克利分校和洛杉矶分校、曼彻斯特大学、普渡大学等世界知名大学交流访学的机会,并推荐学生前往某些领域内在世界上具有权威性的课题组进行联合培养。协同中心还设立专项经费资助本科生与研究生多种形式的出国交流与访学,包括暑期学校、学术会议、联合培养、国际比赛、本科毕业设计等。在夏季学期聘请国外教授进行全英文教学,定期邀请国际国内著名专家学者为学生做学术报告等。有效地拓展了学生的国际视野,提高了学生的创新能力。
  随着新工科建设的不断深入,需要继续深化化学、化工学科间的交叉与协同,促进理工融合背景下的新兴领域发展;加强化学、化工与信息技术的融合,为智能化发展培养人才;将绿色发展理念渗透到核心课程的教学过程中,探索并完善本、硕、博一体化培养机制,为培养石油化学工业需要的创新人才做出贡献。
  参考文献:
  [1] 焦以璇,李薇薇. 新工科建设形成“北京指南”[N]. 中国教育报,2017-06-12.
  [2] 张大良. 新工科建设的六个问题导向[N]. 光明日报,2017-04-18.
  [3] 刘晓艳,马曌堃. 聆听“新工科”建设春雷[N]. 中国教育报,2017-04-17.
  [4] 工业与信息化部. 石化和化学工业发展规划(2016-2020年)[Z]. 工信部规〔2016〕318号.
  [责任编辑:余大品]
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