新工科视域下长安大学材料科学与工程专业的学科交叉与融合
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[摘 要]本文从新工科视域角度出发，分析了当前材料科学与工程专业面临的问题与挑战，探讨了长安大学材料科学与工程专业围绕交通基建转型升级所面临的前沿科学问题，通过特色方向凝练、交通特色与材料共性基础协调和传统专业方向与新兴交叉学科协同发展等一系列改革，在创新型人才培养方面取得了可喜的成绩。
[关键词]新工科 材料科学与工程 交叉与融合
前 言
目前，全球范围正经历新一轮的科技革命和产业变革，为提高我国在第四次工业革命中的战略布局和主动性，国家先后提出了包括創新驱动发展、“一带一路”“中国制造2025”“互联网+”等一系列重大决策[1]。这些国家决策以实现中国梦为总目标，旨在建设创新型国家、实现创造强国、推动产业转型升级、提高我国在高新技术产业区域的话语权等[2]。然而，作为全球专业齐全、区域匹配完善的世界最大工程教育供给体系，我国传统的工程专业受全球新经济、新产业和新科技蓬勃发展的影响正面临前所未有的挑战，新兴产业人才、卓越工程师和交叉复合型人才紧缺已逐渐成为一个严肃的社会问题。
新工科建设行动计划是教育部针对当前国际形势发展所给出的明确回应，目的是根据国家决策和发展目标需要，主动布局、设置、建设和发展相关新工科专业。所谓“新工科”是以新技术、新产业、新业态和新模式为特征的新经济产物[3]。与老工科相比，新工科更强调学科的实用性、交叉性与综合性，尤其注重材料科学、信息通讯、电子控制和人工智能等新技术与传统工业技术的紧密结合，新工科代表的是最新的产业或行业发展方向。因此，如何打破传统办学体制，优化人才培养模式，改革教育资源供给方式已成为新工科建设的最核心问题。
本文结合长安大学材料科学与工程学院教育改革实践经验，在新工科视域下，探讨当前材料科学与工程专业所面临的问题与挑战，以及长安大学材料科学与工程专业的学科交叉与融合。
材料科学与工程专业面临的问题与挑战
材料科学与工程是一个涉及材料学、工程学和化学等多学科的宽口径专业，学生主要学习材料科学与工程的基础理论，学习与掌握材料的制备、组成、组织结构与性能之间的基本规律。随着人类科学的发展，无论是在交通运输、土木建筑、生命医学、航空航天还是电子信息等领域，材料科学都是实现重大技术突破和产业发展的基础。人类文明和科技产业革命的发展史也就是一部如何更好发展和利用材料的历史，尤其是在技术创新越来越快、产业更新愈加频繁的今天[4]。因此，材料科学与工程专业高层次技术人才的培养对科技行业产业发展，以及国家发展目标的实现都具有十分重要的意义。
1.盲目追求新兴技术专业，脱离学校特色与定位
随着“互联网+”经济的发展，大数据、云计算、人工智能等新兴专业开始大热。这些热门专业在2017年被定义为新工科专业，新工科大学的建设也随之提上了日程。据2019年4月教育部公布的新增专业显示，新工科专业获批数量爆棚，新增备案专业数量最多的是数据科学与大数据技术，203所高校获批该专业，该专业最早在2016年获批设置，2018年就曾以248所高校增开位列新增专业榜首。紧随其后的是机器人工程专业，101所高校获批该专业，96所高校获批“智能科学与技术”专业，35所高校获首批“人工智能”新专业建设资格。众多高校在脱离学校自身特色与定位的基础上对新兴专业蜂拥而至，大干快上。
不可否认，在信息技术飞速发展的今天，我国未来5年对相关技术人才的需求量在百万以上。然而，专业的建设和发展与学校的历史沉淀和学术氛围息息相关，如果抛开历史而盲目追逐新专业，虽然表面上看似赶上了时代的潮流，但势必会导致同质化办学的倾向，办学效果也未必能达到新工科建设的初衷。同质化办学会导致教材的同质化，但不同类型的高校应该有不同类型的教材。当前，社会快速发展，急需大量的复合型、应用型毕业生，多学科交叉应用型教材的编写就成为当前的主要任务之一。
新工科的本质是创新，根本任务是在新技术、新产业、新业态和新模式蓬勃发展的环境下，培养适合当前产业和行业急需的各种层次和类型的卓越工程科技人才[5]。因此，这里所说的新并非是指专业本身，而是重点建设能够满足产业和行业需求、引领产业行业未来发展的人才培养新模式。根据路透社每年发布的全球最具创新力大学百强榜显示，入选的基本都是美国、德国等老牌高校，这些高校也都是传统工科的代表。所以，我国传统工科专业的转型与发展也是当前新工科建设的一项重要任务。从广义上来讲，新工科建设可以视为我国工程教育创新的代名词。
2.材料类专业人才培养模式与产业发展相脱节
在全国第四轮学科评估中，材料科学与工程一级学科参评高校达172所，其中一级学科中设置博士点的高校达93所，这些数字表明材料类专业人才培养数量在节节攀升。然而，广大高校一方面面临的是就业人数的膨胀，另一方面却是众多企业纷纷抱怨“招人难，人难招”。根据麦肯锡全球研究院（MGI）与麦肯锡中国分公司联合发布的研究报告《应对中国隐现的人才短缺》显示，只有10%～20%的工科毕业生符合跨国公司的人才要求。
随着当前经济形势由粗放型向集约型的转变，我国正处在材料大国向材料强国转型的重要阶段，社会对材料类人才的需求已从原来较单一的技术人才转变为能适应不同生产力水平、不同产业部门的多层次、多规格的复合型和创新型人才[6]。严峻的就业形势可归结为高校传统的人才培养模式与日益发展的社会需求相脱节所造成的。其主要表现在知识陈旧、教材更新缓慢，知识面单一、重视“专业培养”而非“学科培养”，知识转化效率低、闭门造车式培养，重理论轻实践、脱离工程实际，创新能力弱、双师型教师缺失，持续学习能力不足、填鸭式教育等方面。
长安大学材料科学与工程专业的学科交叉与融合
长安大学是教育部和交通运输部、自然资源部、住房和城乡建设部、陕西省人民政府共建的国家“211工程”重点建设大学，国家“985工程优势学科创新平台”建设高校，国家世界一流学科建设高校。2000年由始建于20世纪50年代初的原西安公路交通大学、西安工程学院、西北建筑工程学院合并组建而成。随着我国交通基建浪潮的逐渐衰退，绿色交通和智慧交通快速发展，在高品质与功能性交通基础设施建设过程中，材料科学的先导与制约作用逐步显现。基于国家重大决策需求，紧跟国际行业发展前沿，长安大学在全国率先设立了具有交通行业特色的材料科学与工程专业。 1.依托行业特色，凝练专业发展方向
长安大学材料科学与工程专业自2013年开设以来，依托国家重点学科交通运输工程、省部级重点学科土木工程、机械工程和地质工程等优势学科群，加强学科交叉，深化研究层次，致力于培养具有材料科学基础理论与工程技术双重知识，系统的材料设计、制备、性能分析与控制等专业知识，突出的工程应用实践能力，视野宽、沟通与管理能力强的高水平科学研究、工程技术和高层次管理人才，现已逐步探索出一条具有交通特色的材料科学与工程专业发展道路，并于2017年成功入选陕西省“一流专业”培育项目。
长安大学材料科学与工程专业基于国民经济支柱产业现状及国家新兴产业规划发展导向，设置了道路與机场工程材料和能源与电子材料两个特色专业方向，开展材料基础理论与交通运输、土木建筑和电子信息等多学科交叉融合的宽口径基础教育和有深度特色的专业教育。其中，道路与机场工程材料专业方向以适应传统交通基建材料产业升级为目标，办学历史可追溯到20世纪50年代建校初，是国家“985工程”优势学科创新平台、“211工程”和“文化双一流”学科重点建设专业方向。能源与电子材料专业方向是在新能源产业飞速发展及新型复合型材料人才紧缺的背景下于2009年6月成立的，并逐渐成为交通产业功能化和信息化的重要支撑。该专业自设立以来，为交通运输、新能源与电子信息行业培养了大批高级工程技术人才，促进了区域经济和行业的发展。
2.交通材料特色与材料共性基础的协调
如何在夯实材料共性基础的同时，彰显交通材料特色，实现二者协调发展，是传统交通行业特色大学发展亟待解决的难题。长安大学材料科学与工程专业面对国家和重大科研任务中凝练材料共性基础和交通基建转型升级所带来的前沿科学问题，将最新科研成果融入教学实践。如，结合陈华鑫教授所承担的国家科技支撑计划等重大项目，组建交通运输行业重点领域创新团队，并开设“水泥与混凝土学”和“混凝土外加剂应用基础”等特色课程。
在学科建设方面，首先构建了“学科基础—工程基础—专业核心—特色选修”四个层次的理论课程体系。通过开设“材料工程基础”“材料概论”等课程，强化学科基础知识培养;开设“道路工程检测技术”“交通功能材料”“新能源汽车概论”“化学储能材料与器件”等课程，强化工程实践与材料基础之间的知识交叉和扩展。同时，依托教育部重点科研平台打造“课程实验—创新型综合实验—拔尖创新实验”三个层次多维度的实践课程体系，实现了实践课程的梯度推进和个性化教学，避免了验证性实践教学所带来的弊端。比如，对于道路与机场工程材料方向，首先通过课程实验培养学生掌握材料基本测试的实践能力。其次通过以工程技术问题为导向的创新性综合实验培养学生分析问题、思考问题的能力及实践动手能力，并将材料领域的专业理论知识应用于工程实际。最后，通过覆盖学生总数80%以上的拔尖创新人才培养计划，确定拔尖创新实验方向，实现学生的个性化培养，提升学生的综合能力。
3.传统专业方向与新兴交叉学科协同发展
随着科学技术的发展，材料科学与工程技术之间的界定越来越模糊，各材料之间有了更多的内在联系和共性，材料与工程之间的融合也越来越明显，多学科交叉已经成为当代材料科学与工程专业发展的一个重要特点。学校积极探索如何在传统交通运输优势学科基础上，大力发展新兴交叉学科，以适应新技术、新产业和新经济对材料类人才培养的新需求。
（1）优化培养方案，明确创新能力本质
学校通过调研第四轮学科评估中材料类排名前十高校以及兄弟院校，全面分析国家决策及行业动态和需求，跟踪调研学生成长与发展规律，确定了学生创新能力本质三要素：专业竞争能力、实践动手能力和终身学习能力。其中，专业竞争能力表现为能够运用工程基础和材料理论解决复杂工程技术问题的能力，实践动手能力表现为能够独立从事材料研究、应用和开发，以及跨文化合作与竞争的能力，终身学习能力表现为能够通过独立思考和自主学习实现持续进步。
（2）深入需求导向，构建多元教学体系
学校遵循“需求导向、突出应用、服务行业”的原则，基于学生创新能力本质三要素，建立了包含多元知识结构的学科交叉课程群，按照市场需求设置课程，通过课程保证技能的实现。将课程体系分为理论教学、实践教学和第二课堂教学活动三个层次。理论教学以基础性必修课程为根本、以研究性和拓展性专业选修课程为辅助，全面挖掘学生的发展潜能;实践教学根据专业培养目标和基本要求安排课程实验课、课程综合实习和专业综合实习，提高学生的实践能力;第二课堂教学活动以培养创新型拔尖人才为目的，提高学生的综合素质。
（3）践行科教融合，创立协同培养机制
学校通过组建课程教学团队，实现了80%以上的课程由教授或副教授主讲。推行本科生学术导师制，遴选优秀中青年教师及企业导师从大一开始对学生进行专业与职业规划指导。推进科研平台统筹管理，实现教育部工程研究中心和学校材料分析测试中心等实验平台100%向本科生开放。通过拔尖创新人才培养计划、大创项目和学科竞赛吸纳学生提前进入专业实验室，激发学生自主学习和创新创业的积极性，其中90%以上的选题来自国家或省部级课题研究成果。
学校针对行业实践性强的特点，与西安华泽道路材料有限公司、广西交通科学研究院、陕西有色光电科技有限公司、西安创联宏晟电子有限公司、青海省交通科学研究院等单位建立了稳定的生产研究与实训基地，与中国石化大连石油化工研究院、昆山交通发展控股集团有限公司共建了新材料研究院，每年选派2～3名教师任企业顾问或技术咨询参与企业生产和技术改造，推动了“双师双能型”教师队伍的发展。
结 语
深化产教融合，提升特色专业建设和学科交叉与融合，促进工程教育供给侧结构改革，把工匠精神培育融入专业教育，是当前传统工科专业向新工科建设转型的迫切要求，也是服务国家人才培养大局，实现与国家重大策略保持“同频共振”的唯一出路。长安大学材料科学与工程专业经过多年的探索和发展，已建设成特色鲜明的优势专业。
参考文献：
[1]林健：《新工科建设：强势打造“卓越计划”升级版》，《高等工程教育研究》2017年第3期，第7-14页。
[2]林健：《面向未来的中国新工科建设》，《清华大学教育研究》2017年第38卷第2期，第26-35页。
[3]黄宝忠、李琰辉：《新工科人才培养背景下的教育出版转型》，《中国出版》2018年第16期，第40-44页。
[4]李义春：《中国高校材料教育现状与面临的挑战》，《材料导报》2005年第12卷第2期，第1-4页。
[5]赵德刚、王琦：《新工科建设背景下材料类专业综合改革与实践探索》，《教育教学论坛》2018年第3期，第205-206页。
[6]李辉、王振军、陈华鑫、陈永楠、俞鹏飞：《以应用能力训练为导向的材料工程专业学位研究生案例教学研究》，《陕西教育》（高教）2018年第3期，第52-53页。
作者单位：长安大学材料科学与工程学院 陕西西安
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