基于中美涉林高校比較的材料專業培養方向和課程設置探究
——以西南林業大學為例

徐開蒙 陳太安 高 偉 康昆勇 解林坤

(西南林業大學材料科學與工程學院，昆明 650224)

材料科學與工程專業作為大材料領域中綜合性最強的“寬口徑”專業，所涉及到的相關材料類別主要聚焦于金屬材料、無機非金屬材料和高分子材料等。《國家“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》提出，大力促進綠色低碳新材料產業發展和推進資源高效循環利用，使可再生林木生物質為原料的綠色環保新材料及其相關產業不斷涌現，如生物質復合材料、生物質氣/水凝膠材料、生物質納米纖維材料、生物質柔性儲能材料、生物質傳感材料以及生物質吸附材料等。以林木生物質基新材料為發展方向的專業建設是我國林業高等教育體系中的一個新生個體，并未包含在《全國普通高等學校本科專業目錄》之中。林木生物質傳統加工利用與林業高等院校相關專業培養體系有著密不可分的聯系[1-2]，且我國正處于從傳統加工制造大國向科技強國轉型發展的關鍵時期，急需一批具有較強創新實踐能力和國際化視野的綜合性專業人才，因此全國多所涉林高等院校相繼設立了材料科學與工程專業。美國作為全球教育發展最發達和領先的國家，在林業和材料等相關多學科交叉領域的人才培養經驗具有極為重要的參考價值。

西南林業大學依托國家新材料產業發展布局和云南省生物質資源種類與數量豐富的天然優勢，在比較研究中美兩國涉林高等院校材料專業培養方向和課程設置經驗的基礎上，于2016年9月經教育部批準設立了以綠色功能化生物質復合材料為培養特色的材料科學與工程專業，培養具備扎實材料科學與工程專業基礎知識并掌握生物質功能復合材料制造、加工與應用技術的材料類綜合性人才。該專業的設立對于學校主動融入“綠水青山就是金山銀山”發展理念、精準對接傳統材料產業轉型升級、有效填補西南地區和東南亞“一帶一路”建設中綠色生物質基新材料領域的空白具有重要作用。

一、美國涉林高校材料專業培養方向和課程設置的情況

美國是全球林業及材料專業高素質人才培養的排頭兵，學習和借鑒其涉林高等院校材料專業的培養方向和課程設置經驗是提升我國涉林高等院校材料專業教學質量和專業人才培養經驗的重要參考途徑之一[3]，見表1。

表1 美國涉林高校材料專業培養方向和課程設置的情況

田納西大學(University of Tennessee，簡稱UT)是美國涉林綜合性大學中的領頭羊之一，隨著美國新材料產業升級與人才培養的新一輪調整，即使是以農林傳統產業為主要發展途徑的田納西州第一公立學府也已跟隨聯邦政府的發展規劃逐步取消了傳統林業材料專業——木材科學與工程專業的人才培養，而是將該類專業融入大材料和大環保等領域進行交叉式培養，突出以生物材料、生物環境材料為培養特色的專業方向，開設了“材料工程熱動力學”“生物基材料”“先進納米生物材料及應用”“材料環境降解”“細胞和組織-生物材料相互作用”等專業特色課程。

俄勒岡州立大學(Oregon State University，簡稱OSU)將傳統木材科學與工程專業重新整合，設立了可再生材料專業，確立了以纖維基復合材料、聚合物復合材料和可再生建筑材料為特色的專業發展方向，開設了“可再生材料化學”“可再生材料的物理和機械性能”“纖維基復合材料制造”“生物基制品制造”“聚合物復合材料”“生物基材料制造”和“可再生材料的建筑設計原則”等專業特色課程。

密西西比州立大學(Mississippi State University，簡稱MSU)設立了可持續生物基制品專業，突出了以生物質基復合材料和生物質轉化與利用為特色的專業培養方向，開設了“可持續生物基材料與加工”“生物基材料物理與力學”“生物質到生物基制品”“生物基復合材料應用與制造”“生物質特性與生產”“木質纖維素生物質化學”“生物質轉化與利用”“生物煉制工藝和生物基制品與環境”等專業特色課程。

弗吉尼亞理工大學(Virginia Polytechnic Institute and State University，簡稱VT)作為傳統理工強校，在已有材料科學與工程專業下增設了可再生材料專業方向，明確了以生物基及其復合材料、生物質化學轉化和生物質能源為特色的培養方向，設置了“生物基材料”“可持續生物基材料行為”“可持續生物基材料結構與特性”“可持續生物基復合材料”“生物煉制科學”“生物轉化與生物質能源”“可持續生物基材料化學轉化”和“可持續生物基材料與生物質能源”等專業特色課程。

二、中國涉林高校材料專業培養方向和課程設置的情況

我國涉林高等院校傳統材料專業——材料科學與工程專業，人才培養一直圍繞林木原材料的基本特性，運用機械、物理和化學等方法對木質材料進行加工處理和設計制造。該專業課程主要包括“木質資源材料學”“木材加工工藝學”“木材加工裝備學”“木材保護與改性”“木材干燥學”“人造板工藝學”等。為主動融入國家新興戰略產業發展，我國涉林高等院校傳統材料專業的人才培養在滿足國內木材、家具及木質復合材料等傳統材料產業平穩發展及人才需求的前提下，“老樹發新芽般”地尋求新的增長點[4-5]，相繼有福建農林大學、華南農業大學、安徽農業大學、南京林業大學、中南林業科技大學和內蒙古農業大學開設了材料科學與工程專業，其專業培養方向和課程設置情況見表2。

從表2可知，我國涉林高等院校材料科學與工程專業在確立自身特色培養方向的基礎上，均開設了材料類必備的專業基礎課程。比如，“材料科學基礎”“材料物理與化學”“材料現代分析技術”“材料成型加工與裝備”等課程，以確保學生具備扎實的材料科學與工程專業基礎理論知識，并在此基礎上根據各高等院校所處地域發展規劃與培養優勢設立了各自的專業特色課程。

表2 中國涉林高校材料科學與工程專業培養方向和課程設置的情況

福建農林大學與內蒙古農業大學突出了以高分子材料和復合材料為培養特色的專業方向，開設了“生物質材料學”“復合材料工藝學”“材料表面處理技術”等專業特色課程；南京林業大學、中南林業科技大學和安徽農業大學是以生物質復合材料、生物質功能材料、纖維材料以及生物質環境材料為培養特色的專業方向，開設了“生物質資源材料學”“生物質復合材料學”“生物質材料加工工藝學”“生物質材料與制備”“生物質功能材料”“纖維化學與物理”“生物功能材料電化學”等專業特色課程；華南農業大學依托珠江三角洲地區新能源材料和高性能復合材料的產業發展優勢確立了對應的特色專業培養方向，開設了“新能源材料”“功能高分子材料”“生物質能源與材料”以及“復合材料加工與應用”等專業特色課程。

三、中美涉林高校材料專業培養方向和課程設置情況的對比分析

中美兩國均為世界林業大國，森林面積和蓄積量居世界前列。美國作為世界制造業強國，主要依靠強有力的科技力量不斷開拓和發展綠色、環保和低碳的制造產業，而相當一部分“高污染、高耗能”的林產工業傳統材料(如木地板、家具、木質復合材料及其他木制品等)都依靠從發展中國家進口采購，對傳統材料專業——木材科學與工程專業的人才需求量逐年減小。因此，美國涉林高等院校已逐步取消該專業的人才培養體系，而將材料專業設置和人才培養方向與各類前沿高新技術產業領域相結合，發展與創新了綠色新材料，增設了可再生生物質材料專業或開設了新的生物質材料專業。在確保大材料專業基礎知識完備的基礎上，突出了以可再生生物質為主的生物、環境與能源等的可持續前沿功能材料培養方向和課程設置，強化培養及提升了人才在新興多學科交叉領域的綜合創新能力，為未來戰略性新興材料產業的發展和人才需求奠定了堅實的基礎。

與美國相比，中國作為世界制造業大國，在林產工業傳統材料及其制品方面的生產量和出口量仍居世界首位，國內涉林高等院校木材科學與工程專業人才的持續培養與穩定輸出為我國林業及林產工業的健康良性循環發展提供了有力的技術保障和人才支撐。近年來，隨著我國科技的不斷進步以及制造業的轉型升級，在滿足林產工業傳統材料產業人才需求的同時也逐步衍生出對新興綠色生物質材料的人才需求。

因此，我國涉林高等院校材料專業人才培養依托自身發展優勢并結合地方產業規劃，在保留傳統木材科學與工程專業人才培養的同時，增設了具有林木生物質資源高附加值、具有開發利用潛在優勢的材料科學與工程專業，確立了以林木生物質為特色的高分子材料、復合材料、纖維材料和功能材料等的專業培養方向，并對應開設了不同生物質材料方面的特色課程，逐漸形成學科交叉的創新發展體系，符合國家綠色環保可持續的戰略發展方向和創新人才需求導向，具有良好的發展潛力。

基于上述對比分析發現，綠色生物質材料已成為新的國際、國內形勢下中美兩國涉林高等院校材料專業發展的主流趨勢和方向，在專業建設和人才培養方面體現出了“強特色”“厚基礎”和“重實踐創新”等三大主要特征。

四、西南林業大學材料科學與工程專業建設的探索

西南林業大學材料科學與工程專業在對比分析中美涉林高等院校材料專業培養方向和課程設置的基礎上，以“強特色”“厚基礎”和“重實踐創新”三大人才培養特征為指引，從專業培養方向和課程設置、人才培養模式和實踐教學模式等3個方面對該專業進行了改革探索。

(一)“強特色”——強化以生物質/X復合材料為特色的培養方向和課程設置

西南林業大學材料科學與工程專業以西南地區豐富的林木生物質資源為優勢，將林木生物質基新材料作為專業建設和發展的新增長點，結合云南省新材料產業發展規劃中對新型綠色和高性能復合材料人才需求的定位，確立了以生物質/X復合材料，即生物質/金屬、生物質/無機非金屬、生物質/高分子等為特色的材料科學與工程專業培養方向。同時，開設了“生物質資源材料學”(64學時)、“生物質材料表面工程”(64學時)、“生物質復合材料學”(48學時)、“生物質/高分子復合材料學”(48學時)、“生物質/金屬復合材料學”(48學時)、“生物質/無機非金屬復合材料學”(48學時)、“生物質纖維增強復合材料”(48學時)、“生物質能源材料”(32學時)和“生物質前沿新材料”(32學時)等聚焦生物質材料發展的專業特色課程，以培養具備扎實材料科學與工程專業基礎知識和掌握各類生物質功能復合材料制造、加工與應用技術的材料類復合型人才。

(二)“厚基礎”——開展基礎知識傳授與創新思維培養聯合的強化訓練

西南林業大學材料科學與工程專業采取師生雙向選擇的方式，在新生入校第一學期結束后結合學生學習成績、自身定位及個人優勢特長等選拔一批綜合素質優異的學生成立“一對一”導師制實驗班，并聘請了含全國優秀教師、國家百千萬人才、教育部新世紀優秀人才、云嶺教學名師、云南省“千人”“萬人”“杰青”“優青”等高水平老、中、青三代教師為主的專業導師團隊培養拔尖人才。該導師團隊從學生思政教育和專業教育等方面對學生進行全方位的培養，目的是打牢學生專業基礎課程知識體系、通過引導式教學模式提升學生的學習熱情，使學生從思想上轉變學習觀念，變混學分為積極主動學習，在增強學生對專業學習積極性和主動性的同時，強化教師對學生培養教育的責任感，促使教學相長最大化。

材料科學與工程專業依托科技部生物質材料國際聯合研究中心、國家發改委林業生物質資源高效利用國家地方聯合工程研究中心、中法生物質材料聯合實驗室和國家林業和草原局西南地區林業生物質資源高效利用重點實驗室等科研平臺的重要支撐，先后聘請了美國的俄勒岡州立大學、田納西大學、弗吉尼亞理工大學、科羅拉多礦業大學，法國的洛林大學，日本的名古屋大學，埃及的國家研究中心，中國的中國科學院上海硅酸鹽研究所、寧波材料技術與工程研究所、長春應用化學研究所和上海同濟大學新材料研究所等國內外相關高等院校和科研單位以及相關企業的專家和技術骨干為外聘導師指導該專業的教學工作。在打牢學生專業基礎知識的同時因材施教，每年定期開展1～3個月的指導工作，分享國內外材料科學與工程領域內最新研究成果與相關報道，同時采用線上線下聯合方式開展一定比例的專業課程教學，并對學生的專業外語水平和所開展的課外創新實驗及創業訓練等項目進行指導。這不僅開拓了學生的專業視野，還提升了學生的創新思維和綜合素質。

(三)“重實踐創新”——開展提升實踐創新能力的階梯式綜合訓練

材料科學與工程專業采用“科研反哺教學”與“實際問題啟迪”的創新方式，對學生進行創新實踐能力的培養，以便將教師的科學研究與教學內容相互銜接。在學生大一至大四階段，該專業相繼對學生開展材料科技節、科研探索訓練小組、國內外前沿講座以及以工程實際問題為導向的畢業論文等綜合訓練，以實行階梯式實踐教學培訓。

在第一階梯，通過材料文化節將專業基礎課程知識點通過趣味性實驗進行模擬與展示，引導、激發學生對專業的興趣，以提高學生自主學習能力[6]。

在第二階梯，引導學生應用專業知識對導師的科研課題進行實踐探索與嘗試，并鼓勵學生積極參加相關創新創業訓練計劃項目和比賽，以提升學生的綜合實踐能力。

在第三階梯，通過國內外前沿講座，開拓學生視野、思路和學習方法，為學生制定科學合理的職業規劃。

在第四階梯，通過畢業論文綜合訓練，建立穩定的校企聯合培養基地，以實際人才及技術需求為前提，采用校內-校外導師共同指導的方式解決企業的問題，以培養學生獨立思考以及對所學專業知識的應用能力、實現對合作企業的訂單式人才培養。

五、西南林業大學材料科學與工程專業建設的成效與不足

通過4年多的建設與發展，西南林業大學材料科學與工程專業對學生的培養取得了初步成效。

(一)在專業基礎知識方面

材料科學與工程專業教師通過雨課堂、翻轉課堂、線上線下課外輔導和教考分離等多樣化教學模式強化了學生對專業基礎知識的理解，學生的學習效果顯著。學生的專業基礎和特色課程通過率達95%，畢業率為100%，學生對專業任課教師的教學滿意度在學校工科類專業中排名前列。

(二)在專業創新實踐能力方面

材料科學與工程專業的學生主持國家級、省級大學生創新創業訓練項目、“互聯網+”創新創業項目和云南省挑戰杯項目等近10項，校級科技創新和創新創業訓練項目10余項，獲第五、第六屆中國“互聯網+”大學生創新創業大賽云南賽區銀獎6項和銅獎4項，獲第十屆、十一屆挑戰杯云南賽區三等獎和優秀獎各2項。近年來新增的獲獎數量和獲獎層次均名列學校理工科專業前茅。

(三)在學生就業和升學方面

材料科學與工程專業首屆40名畢業生中，25人赴省內外大中型企業就業，6人考取省內外材料類專業高等院校研究生，2人考取公務員及事業單位，2人出國留學、自主創業，畢業生初次就業率為87.5%，專業匹配度為91%。

然而，作為西南林業大學“十三、十四五”新專業規劃與建設中的重要一員，該專業在培養模式探索、特色課程教材編寫、師資隊伍整合以及虛擬仿真教學平臺建設等方面還需持續不斷地完善，同時還應進一步學習和借鑒國內外涉林高等院校在相關專業方面的建設發展經驗，以確保切實有效地為國家和地方輸送高素質材料類專業人才。

資助項目：西南林業大學教育科學研究項目“基于林業工程學科背景和美國材料專業培養模式下的材料科學與工程專業人才培養改革探索”，項目編號QN201901；云南省哲學社會科學教育科學規劃項目“云南省林業高校創新創業教育培養體系改革研究”，項目編號AD18006。