世界一流光學學科建設的經驗與啟示
——以中佛羅里達大學為例

(國防科技大學前沿交叉學科學院 湖南·長沙 410073)

一流大學源于一流學科，一流學科成就一流大學，學科建設是一所大學發展的核心和命脈。2015年10月，國務院正式發布《統籌推進世界一流大學和一流學科建設總體方案》，明確提出要推動一批高水平大學和學科進入世界一流行列或前列，高校要以學科為基礎，通過學科結構和組織模式的改進及創新，明晰發展方向，突出建設重點，建立更多頂尖學科，從而推動高校形成其自身優勢及辦學特色。雖然經過多年的不懈努力，國內高校的學科建設水平不斷提升，但與發達國家的一流學科還有一定差距。本文以美國中佛羅里達大學光學學科建設為例，在介紹該校光學學科建設基本情況的基礎上，梳理出該校光學學科建設的經驗，以期為國內院校推進光學學科建設提供一些參考和借鑒。

1 基本情況

美國中佛羅里達大學在2017年U.S.News美國綜合型大學排名中僅列全美第171名，然而該校的光學與光子學學院卻是全美第一所光學與光子學領域的獨立學院，被譽為美國三大光學研究中心之一，其前身是創建于1987年的光學與激光教育研究中心（Center for Research and Education in Optics and Lasers,CREOL），目前可授予光子科學與工程學士學位、光學與光子學碩士和博士學位。

學院在基礎光學和應用光學領域的貢獻在世界范圍獲得同行權威的贊譽，被公認為是美國光學技術的孵化中心和光學工程創新人才的培養中心，是推動美國在光學和與光學相關領域發展的重要引擎，已經成為全球著名的光學與光子學科學與工程的研究和教育機構。學院教授中有美國光學學會會士27人，國際光學工程學會會士18人，美國物理學會會士9人；并且在美國激光協會、美國電氣與電子工程師協會光子學會等專業協會中占有董事會成員席位；累計出版專著26本，發表高水平論文4000余篇，被引用超過10萬次①。同時，學院著力推動成果轉化，創造發明專利近300項，孵化了27家基于光子科學與技術的公司企業，累計發展194家會員公司參與學院的教學建設與科學研究，為中佛羅里達地區光學與光子學相關產業的發展做出了卓越貢獻。

光學與光子學學院現包含4個主要研究機構，如圖1所示，分別為光學與激光教育研究中心（Center for Research and Education in Optics and Lasers,CREOL）、佛州尖端光子中心（Florida Photonics Center of Excellence,FPCE）、湯斯激光研究所（TownesLaserInstitute,TLI）以及尖端飛秒科學與技術研究所（Institute for the Frontier of Attosecond Science and Technology,iFAST），下屬29個實驗室。

圖1：光學與光子學學院下屬研究機構

學院的研究領域涉及衍射與全息光學、光纖光學、阿秒科學、集成光子學與能源、高性能激光材料、激光等離子體、液晶顯示、中紅外光頻梳、納米光子器件、生物光子學、非線性光學、光學陶瓷、光通信、光學成像系統、量子光學、半導體激光、薄膜光電子學、超快光學等。該院在上述領域的許多科研成果被廣泛應用于工業、通信、信息產業、生物與醫學、能源與照明以及太空科技。

2 光學學科建設的成功經驗

2.1 多學科交叉的教學模式

2.1.1 多學科背景的師資隊伍

光學與光子學具有天然的橫向學科交叉特性與優勢，在通信、醫療、生命科學、量子計算、信號處理、能源與材料科學領域發揮重要作用。光學與光子學學院和該校的理學院、工程與計算機科學學院、醫學院等院系和研究中心相互支撐，聯合進行課題研究與技術革新，全面推進中佛羅里達大學的科學研究與技術研發實力。學院能夠清楚地認識和了解市場對復合型工程技術人才的培養需求，通過多學科深度交叉融合促進人才培養水平的提升，更好地促進了學院科研事業的發展和創新成果的轉換，并為社會生產力創造巨大價值。

光學與光子學學院現有在職教授53名，科研技術人員60名，研究生155名以及本科生90名，行政管理人員20名。學院的資深教授在其研究領域享有盛譽，分別獨立帶領學院36個研究小組，教授具有獨立招收科研技術人員和研究生的權力。科研技術人員主要是指各實驗室的研究員。目前，學院共有高級研究員4名、研究員22名、博士后助理研究員13名、助理研究員1名、訪問研究學者19名。20名行政管理人員中除院長、2名院長助理和1名副董事外，其余均為服務保障人員。

光學與光子學學院師資隊伍中包含了本院在職教授、其它學院的聯合教授和特邀教授三大類，這些教授畢業于不同的著名學府，專業學科背景多種多樣，涵蓋光學與光子學、物理學、數學、化學、醫學、電氣工程與計算機科學、電子工程、電子與計算機工程、材料科學與工程、X射線光子學等，為學院交叉學科體系的建設注入了強大的活力。在學院的特邀教授中，有來自軍火巨頭Lockheed Martin公司負責導彈與火力控制的機械工程師，有來自OpenPhotonics等知名光學公司的總裁和技術主管，也有來自亞利桑那等綜合性大學的教授。這些特邀教授的參與擴充了學院的人才隊伍，開闊了學生的學術視野，加強了學院的學術交流與合作能力。此外，學院十分尊重導師通過“導師管理項目”申請跨學科招生來實現對學生的培養，在管理體制層面上鼓勵交叉學科研究。

2.2 跨學科融合的課程體系

據美國勞工部預計，到2024年全美將有3萬個新增光子學工程師崗位需求。為了滿足光學工程領域對光學工程師的增長需求，光學與光子學學院從2013年開始設立光子科學與工程方向的學士學位，其課程體系由中光學與光子學學院和工程與計算機科學學院共同設計并實施，課程設置以光學與光子學課程為主，融入電子工程、生物學、工程學、材料學以及計算機科學等多學科融合培養。學院要求每名本科生完成128個教學學分，28個電氣工程職業培訓學分和43個光學與光子學職業培訓學分，并且大部分光子學專業課程都配備了相應的實驗課程。2016年秋季學期，本科生畢業設計實驗室正式開放，其中配備了學生實驗需要的實驗平臺和基本測量儀器。該方向的學生在完成本科學習之后可以直接申請光子學工程師的任職崗位，也可以繼續光學與光子學領域的研究，獲得更高學歷學位。

表1：光學與光子學學院研究生課程體系

學院的研究生課程設置更加注重學科交叉融合，主要涵蓋的課程如表1所示。在研究生光學課程的設置中，學院尤其注重培養學生在理論和實踐中對前沿科學技術的掌握和創新。將基礎理論與工程實踐相結合，將光學與其它學科交叉融合思想是光學與光子學學院的基本教育理念。

跨學科融合的課程體系讓學生能夠運用理論指導實踐，在實踐中重新認識理論，支撐學生發展新技術。

3 產學研協同的研究導向

3.1 為軍服務注入創新動力

毋庸置疑，各類光學系統是下一個各國在國防領域角逐的主戰場，擁有能對某一地區的全方位獲取，并使用高寬帶和移動平臺進行信息通信的能力是一項巨大的國防優勢，光學與光子學技術可提供綜合支撐能力，已逐漸成為美國國防與國家安全必不可少的戰略技術。光學與光子學學院作為美國光學領域的佼佼者，在美國國防部下屬的大學附屬研究中心負責的諸多項目中發揮著重要作用，典型的是負責情報、監測和偵查（intelligence,surveillance,and reconnaissance,ISR）控制的軍事傳感系統，這些項目的推進增強了美軍應對核威脅、化學威脅和生物威脅的能力。

同時，光學與光子學學院積極與Lockheed Martin等軍工企業合作，并積極參與美國空軍、陸軍的國防研究項目。例如，學院的科研人員在NASA下屬的高空火箭發射、新一代亞軌道飛行、NASACassini土星任務、NASA探險家等項目中發揮了重要作用。此外，歸屬NASA的湯斯創新科技設施（Townes innovative Science&Technology Facility,TISTEF）被光學與光子學學院用于研究和發展光電傳感技術，為美國陸軍、海空軍、國防高級研究計劃局以及國防情報局等機構提供高層次的技術支撐。

此外，該院的光學傳感等技術成果強力支撐美軍陸軍研究實驗室的模擬訓練中心成為國際公認的先進模擬仿真技術研究中心，其研究成果有效提升了美軍模擬訓練水平。此外，還有許多教授帶領的實驗室和研究小組在定向能、激光防護、光學戰略材料、目標識別和保密通信等涉及國家安全領域的研究正在深入影響美國乃至世界的軍事力量變革。

3.2 合作研究激發創新活力

光學與光子學學院通過積極的合作研究促進光學學科研究領域的活力。例如，光學與光子學學院和佛羅里達州太陽能中心是重要的合作伙伴。該中心是美國最大的州立能源研究機構，在光伏、太陽能熱電系統、節能建筑、制冷技術、氫燃料電池、太陽能設備的檢測和鑒定等方面享有贊譽。光學與光子學學院作為太陽能中心的重要參與者，通過光學手段解決了許多與光學和材料相關的技術問題，大幅降低了太陽能的利用成本，推動固態照明技術產業的發展，滿足國家對可持續能源的旺盛需求。

同時，光學與光子學學院積極參與巴內特生物醫學科學院的前沿醫學研究，以推進生物醫學運用光子學、生物信息學和納米科學來解決跨學科問題的發展，研究內容涵蓋了從實驗室到臨床診治等諸多方面。再如，該院與計算機成像中心合作，基于光子學技術的醫學進行了實時成像技術的開發與應用，通過科研手段幫助醫療人員快速診斷、準確治療和修復人體的病變組織。

此外，來自該院的專家在佛州納米科技中心從事和發展適應未來工業要求的納米技術研究，研究內容涵蓋綠色能源、功能性納米材料、計算機/數學模擬法、量子動力學、納米生物成像、納米電子學與納米物理學，以及集成元件發展等方面，上述科研活動的開展也極大的光學學科的發展提供了源源不斷的動力。

3.3 校企聯盟實現互利共贏

據報道，在美國致力于光學與光子學的上市公司創造了大于10%的政府收入（約3萬億美元），提供的工作崗位占到上市公司的6%，為美國提供了740萬個就業崗位，佛州在其中占有相當比例。

光學與光子學學院成立之初就在工商業界建立了眾多的合作伙伴關系，通過聯合項目、經營許可、股份分配以及產業孵化等方式實現技術向產業的轉化。學院現擁有70家會員公司，如 Northrop Grumman、Newport、Tektronix、Thorlabs等，并簽訂了大量的合作項目。通過持續地向合作企業轉讓學院教授、科研技術人員和學生的技術發明，學院幫助佛羅里達州建立、吸引和留住光科技企業以及與光學有關的產業，增強企業的技術能力，降低技術研發成本，提升新技術和新產品開發的效率，推動地區經濟繁榮和國家技術型企業的發展。

對學院而言，校企聯盟的模式使得教員和學生有機會接觸企業項目，能夠將最新的研究成果和進展轉換成產品，并通過與企業工程師的交流深入了解市場對技術的需求，激發了創造力并增強了研究的目的性和針對性，而且能夠享用公司企業捐贈的最新儀器和資金。更進一步，有利于學院對人才培養方案的跟進與調整，也能夠盡早對將要畢業的學生做出評價并向其提供職業選擇指導，增加畢業生的就業率。

目前，光學與光子學學院特別關注通信和信息處理、先進制造和精密探測、能源生產與高效技術、國家醫療保健等現代技術領域的發展和成果轉化，相關技術研究和成果轉化方向如表2所示。

表2：光學與光子學學院的技術研究與成果轉化方向

4 啟示與展望

4.1 營造良好的學科交叉生態

在學科發展中，不同學科間的交叉融合往往能夠催生新的理論、新的學科和新的技術，成為創新的源泉，中佛羅里達大學光學與光子學學院的成功再一次印證了這一點。對國內高校而言，要想營造良好的學科交叉氛圍，首先要培育學科交叉的研究載體，通過整合優勢資源創新學科管理模式，例如國防科技大學成立的前沿交叉學科學院和上海交通大學成立的交叉科學研究所都是不錯的嘗試；其次要抓好學科交叉的關鍵環節，建好多學科背景的導師隊伍和課程體系，通過多學科教學資源和科研資源共享，培養出學科背景厚實且實踐能力突出的復合型人才；最后要突破體制機制的壁壘，建立于學科交叉相適應的評價體系和獎勵機制，在科研項目申請、重點學科評審和科研成果認定等工作中對學科交叉進行客觀有效的評價。

4.2 建設產學研協同創新聯盟

當前，學科發展愈發呈現出系統性和復雜性的特點，建設產學研協同創新聯盟可以實現產業鏈、人才鏈和創新鏈的深度融合，能夠在協同育人、協同創新和優化資源配置等方面發揮積極的作用，能夠為學科的深度發展提供源頭活水。產學研協同創新聯盟也更符合當前供給側改革的要求，產業部門作為需求側，通過掌握市場發展動向提出人才和技術方面的需求，大學作為供給方，要依托優勢學科，主動服務于國家戰略需求和區域經濟發展需要，激發創新驅動內生動力，引導政府機構豐富支持學科發展工具箱，通過共建研發中心和技術成果轉化等手段促進產業部門經濟繁榮。新的需求又會催生新的供給，只有這樣大學的學科發展和人才培養工作才能更加聚焦，更加有的放矢，從而實現在人才培養和科技創新上的同頻共振。

注釋

① http://www.creol.ucf.edu/About/.[EB/OL].[2018-01-20].