基于理工融合理念的材料化學專業復合型人才培養模式

劉清泉,陳麗娟,田俐,歐寶立,廖博

(湖南科技大學 材料科學與工程學院，湖南 湘潭 411201)

20世紀90年代，材料與化學科學快速發展、交叉滲透，逐漸形成了材料化學學科，它是一門材料科學與現代化學相結合的新興學科，主要從化學角度研究材料的合成、加工、性質與應用性能等。現代檢測技術為這一新興學科的發展提供了良好的條件和難得的機遇。在這種背景下，教育部于1992年設置了材料化學專業，頒布了該專業的基本培養規格和教學基本要求。2012年，在《普通高等學校本科專業目錄新舊專業對照表》中，材料化學專業從理學、材料科學類調整到工學、材料類。湖南科技大學在化學專業的基礎上，于2002年設置了材料化學專業。材料化學是典型的交叉學科專業，既涵蓋了材料學科，又包括化學與化學工程等學科，既可授予理學學位，也可授予工學學位，具有區別單純理學或工學專業的顯著學科屬性[1]。

近年來，創新驅動已成為我國的重大發展戰略和經濟發展的新引擎。繼“十二五”新材料產業成為國家重點發展的七大戰略性新興產業后，新材料又被列為《中國制造2025》十大優先發展領域之一，可見新材料之重。隨著我國傳統材料行業的轉型升級和新材料產業的快速發展，產業需求對材料類專業人才提出了更高要求。中國新材料產業發展報告[2]指出，新材料產業對人才需求具有鮮明的科學、技術、工程方面的積累性和跨學科的復合性、團隊性等特征，要求學生具有扎實的理論基礎、良好的科學素養、厚實的工程基礎、跨學科知識融合應用能力、較強的創新能力和團隊協作精神。然而，專業人才培養供給側和新材料產業發展需求側在結構、質量與水平上存在不匹配、契合度不高的情況，缺乏材料研發與應用高度融合的高級復合型人才，需要改革人才培養模式以適應新材料領域的戰略需求及未來發展趨勢。

1 材料化學專業辦學現狀

地方本科院校一般依托化學、化工或材料等優勢學科而設置材料化學專業。亦理亦工的學位授予模式以及之前的慣性辦學思維促成兩種辦學模式：一是理學辦學模式，即科學思維導向的科學范式；二是工學辦學模式，即工程思維導向的工程范式[3-4]。因此，地方本科院校的材料化學專業在辦學過程中存在三個主要問題：(1)科學范式注重科學理論在創新中的作用，缺少工程構思、設計與運營中綜合能力的訓練；工程范式強調工程師的知識、能力與素質，然而理論基礎和科學素養培養不足，單一范式均難以滿足新材料產業對專業人才的需求；(2)地方本科院校由于固定資源相對缺乏、投入不足，在復合型人才培養理念、雙師型師資隊伍建設、課程資源建設、實驗實踐課程體系以及實驗實訓平臺構建等方面，尚未形成一套成熟的專業建設方案和復合型人才培養模式；(3)應試教育忽略了學生的個性思想、想象力和創造力的培養，學生追求創新的積極性不高，地方本科院校的創新氛圍不濃，對實踐創新能力培養重視不夠，導致學生的實踐創新能力不足，難以適應新材料產業對人才的需求。

我國新材料產業發展迅速，產業規模不斷壯大，產業技術水平持續提高，但與發達國家相比依然存在差距，專業人才已成為制約新材料產業發展的重要因素[2]。材料化學專業理學或工學的單一培養模式顯然不能滿足新材料產業對專業人才的需求，迫切需要從培養理念、理論課程體系、實踐教學環節、師資隊伍建設和創新能力培養等方面對人才培養模式進行改革與實踐，以滿足新材料產業的教育鏈、人才鏈與產業鏈、創新鏈的有機銜接，為我國新材料產業的快速發展提供人才支撐。

2 理工融合辦學概況

自任曉敏[5]等人在2000年提出“理工融合”是我國高等理工科教育中的世紀課題后，包括北京郵電大學[6]、北京化工大學[7]、中南大學[8]、天津大學[9]、華南理工大學[10]和陜西科技大學[11]在內的多個高校均在理工融合教育改革方面做出了諸多努力，并取得了良好效果。北京郵電大學最早提出理工融合創新教育的觀點，提出了包括“理工同校、相得益彰”“工借理勢、理勢工發”“理工同校、亦理變工”等教育理念，并在應用物理學等專業實踐多年，已建立起一套相對成熟的理工融合人才培養模式[12-13]。

北京化工大學發揮理工同校、化學化工同強的優勢，構建理工融合的應用化學專業人才培養體系，就理工融合的高素質創新人才培養進行了研究與實踐，取得了顯著的育人效果[7]；天津大學借助協同創新中心的學科優勢、人才優勢和科研優勢，從“理工融合型本科生培養”“理工協同式研究生培養”和“實踐創新能力培養”三個模塊出發，在專業建設、課程建設、師資隊伍建設、育人環境建設和培養模式升級等方面進行了改革和探索，在培養復合型人才方面取得了良好成效[9]。

多個高校的改革和實踐證明，理工融合人才培養模式能夠滿足新時代對復合型人才培養的要求。李大威[14]等人提出理工融合不僅可拓寬學生的知識面，而且使學生基礎更加扎實，為理工知識與能力的融會貫通奠定基礎；理工融合可促進理工知識的化學交叉與融合，形成新的知識體系與結構，提高學生自主學習能力；理工融合將理論與工程實踐結合，以實際問題貫穿基礎理論與工程實踐，提高學生理論聯系實踐的能力，而且通過理論與工程的反復磨合，培養學生的創新精神和能力。

3 材料化學專業需要解決的核心問題

我校材料化學專業是依托化學專業設置的，慣性思維導致該專業的辦學模式具有顯著的理學特征，授予理學學位。針對材料化學專業的傳統辦學模式以及新材料產業對專業人才的需求特征，改革與實踐需要解決兩個核心問題：(1) 如何構建理工復合型人才培養模式。理工融合并非理學與工學的簡單物理疊加，而是要實現理學與工學知識在學生頭腦中產生復雜的化學融合，形成“理中有工、工中有理、理工一體”的復合型人才培養模式。(2) 如何形成系統的創新能力培養機制。應試教育忽略了學生的創造力和想象力，要借助課堂教學、實驗實踐和科學訓練，從創新意識、創新思維、創新實踐和創新精神到創新能力上形成系統的漸進式培養機制。

4 理工融合辦學的可行性分析

理學和工學兩大學科之間，既有顯著區別又有緊密關聯。從學科層次和社會功用的定位特征來看，理學屬于科學范疇，重在探索未知以認識世界；工學屬于工程和技術范疇，重在尋求方法以改造世界。前者是后者的內核與基礎，后者是前者的延伸與應用[4]。材料化學專業既涵蓋理學的基本特征，又具備工學的基本內涵。因此，理工融合辦學是培養材料化學專業復合型人才的有效途徑。

湖南科技大學由一所地方師范學院和一所部屬工科學院于2003年合并建立，材料化學專業同年開始招生。兩校合并為材料化學專業開展理工融合辦學模式提供了良好的環境與契機。(1)理工同校為材料化學專業實現理工融合培養模式提供了合理的學科結構與濃厚的學科氛圍。我校由湘潭師范學院和湘潭工學院合并組建，前者以理學為主，后者以工學見強，兩校合并融合后，工學與理學兩大學科協同互補、共同發展、相得益彰。(2)理工并重為材料化學專業實現理工融合培養模式提供了顯著的學科特色與有利的政策支持。學校一直堅持理工并重的發展思路，相關的一級學科碩士學位授予點有材料科學與工程、化學和化學工程，經過多年累積，已形成顯著的學科特色。(3)理工共享為材料化學專業實現理工融合培養模式提供了豐富的教學資源和系統的實踐平臺。借助學校理科教學資源強化基礎理論教育，使學生具備扎實的理論基礎與科學素養；通過工科教學平臺強化工程素質教育，使學生養成理論聯系實際的精神與工程思維習慣。(4)理工兼備為材料化學專業實現理工融合培養模式提供了豐富的工程經歷和良好的智力保障。材料化學專業現有專任教師25人，其中教授7人、博士23人、1年及以上企業工作經歷9人，兼具工程背景與較高學術水平的“雙師”型教師為培養理工復合型人才提供了良好保障。

5 材料化學專業人才培養模式改革

材料化學專業于2009年獲批湖南省特色專業建設，以此為契機，全面深化專業建設與改革。以培養具有扎實的理論知識、厚實的工程基礎、良好的科學素養、跨學科知識融合應用能力、較強的創新能力和團隊協作精神的復合型人才為目標，始終堅持理工融合的專業建設主線，進行培養方案修訂、師資隊伍建設、課程資源建設、實踐平臺構建、教學方法探索和創新教育改革等工作。經過十余年的探索與實踐，構建了“一條主線、雙重導向、三條紐帶、四類平臺、五重機制”的復合型人才培養模式，如圖1所示。

圖1 材料化學專業復合型人才培養模式改革架構

5.1 樹立理工融合教育理念，構建理工復合人才培養模式

確立理工融合教育理念，在科學思維與工程思維的雙重導向下，建立材料組成與結構、性質、性能、加工以及應用之間的專業知識體系，培養理工融合思想，啟迪跨學科知識融合應用意識，如圖2所示。

圖2 科學思維與工程思維導向的材料專業知識體系

以“高等數學”“普通物理學”“無機化學”“有機化學”“物理化學”等理學專業基礎課為載體，著力培養與提高學生的邏輯與實證等科學思維能力，在科學思維導向下，通過“高分子化學”“高分子物理”“材料物理性能”等理學專業課程構筑材料的化學組成與結構、性質、性能以及使用壽命之間的邏輯關系，形成系統的理學專業基礎知識。在此基礎上，以“機械設計基礎”“工程制圖”“電工與電子學”“材料工程基礎”等工學專業基礎課程強化訓練學生的工程意識與工程思維習慣，在工程思維導向下，通過“化學工程”“高分子合成工藝學”“高分子材料加工原理與設備”等工學專業課程厘清材料的加工與結構、性質、性能以及使用壽命之間的工程原理。以理工融合的專業課程為載體或通過實驗實習等實踐環節的訓練，理論聯系實際，從而實現理學與工學知識在學生頭腦中形成復雜的化學融合，達到培養理工復合型人才的目的。

5.2 強化理工融合教育主體，建設理工兼備師資隊伍

雙師型師資隊伍是培養復合型人才的關鍵，是實現教學改革目標的主體。堅持“引進與培養相結合、校內與校外相結合”的方針，建設兼具豐厚工程背景與較高學術水平、理工結合的雙師型師資隊伍。經過多年建設，材料化學專業現有專任教師25人，其中教育部新世紀人才1人、湖南省青年百人1人，博士23人、碩士2人，教授7人、副教授9人，有海外留學訪學經歷的5人，有9位教師具有1年及以上現代工業企業的科研、生產、工程設計或組織管理等工作經驗。同時，在相關企業外聘5位實習實踐指導教師，參與指導學生實習、課程設計和畢業設計(論文)。采取工程培訓、企業訪學、項目合作、參與指導實習等多種途徑強化青年博士的工程背景，已經建立了一支學歷高、職稱結構合理、理工兼備的師資隊伍，為培養理工復合型人才提供了良好保障。

5.3 確立理工融合知識結構，構筑理工滲透課程體系

為達到知識結構理工滲透的目標，建設了理工滲透的理論課程體系，形成兩群三課的課程結構，如圖3所示。

圖3 理工滲透專業基礎課程群(左)及專業課程群和理工融合型專業課(右)

一是通過以“數理化”“機械設計基礎”“工程制圖”為代表的專業基礎課程群，啟蒙學生理工融合意識，培養學生工程意識與工程思維習慣，奠定理工融合的基礎知識結構；二是設立以“高分子化學”“化工原理”“材料工廠設計概論”為代表的專業課程群，深化理工融合的專業知識結構；三是建設“材料科學基礎”“材料現代測試與研究方法”“高分子材料加工原理與設備”三門理工融合型專業課程，并以這三門課程為理學與工學知識連接的紐帶與橋梁，使理學和工學知識在學生頭腦中形成化學融合，從而建立高分子材料化學組成、結構、性質、性能、加工到應用的整體知識結構體系，強化學生理工融合的思想與意識。

5.4 實施理工融合教育方法，搭建理工交叉實踐平臺

建立理工交叉的實驗實踐教學體系，構建專業基礎實驗、工程基礎訓練、材料專業實驗和材料工程訓練四類實驗實踐教學平臺，如圖4所示。

圖4 理工交叉的實驗與工程訓練平臺

四類平臺、四位一體、四輪驅動，全面推進理工融合教育方法。依托“化學國家級特色專業”等平臺開展基礎化學實驗與普通物理實驗，培養學生的實踐操作與實證思維能力；依托“電子與電氣技術國家級實驗教學示范中心”等平臺，構建電工電子、工程制圖和金工實習等工程實踐教學環節，培養學生的工程能力；依托“化工與材料國家級實驗教學示范中心”開展專業實驗、綜合實驗和創新實驗，強化學生的科學思維能力；依托“中鹽湖南株洲化工集團工程實踐教育中心”等企業平臺開展課程設計與實習教學環節，進一步加強學生工程能力與工程意識的培養。利用理工交叉的實踐平臺，可使學生體驗從實驗室制備工藝到生產現場觀摩產品生產的全過程工藝。例如，在專業綜合實驗中，開設了聚氯乙烯的制備實驗，學生先在實驗室合成聚氯乙烯，掌握聚氯乙烯的合成原理、實驗條件、操作方法與工藝流程；然后在中鹽湖南株洲化工集團工程實踐教育中心開展生產實習，現場參觀和了解聚氯乙烯的生產設備、生產工藝以及工藝流程等，結合理論學習、實驗操作和生產現場，進一步深化學生對聚氯乙烯制備原理和工藝的理解，使制備聚氯乙烯的理學和工學知識在學生頭腦中深度融合。

5.5 開展理工融合創新教育，形成理工并重培養機制

開展理工融合創新教育，建立才苑講堂、才苑創客培訓、才苑師生創新團隊、才苑學子計劃與才苑科技作品征集等五重培養機制，形成從創新意識、創新思維、創新實踐、創新精神到創新能力的漸進式培養機制，如圖5所示。

圖5 創新人才培養機制示意圖

通過才苑講堂、才苑創客培訓、才苑知識競賽、課堂教學和綜合設計與研究等環節培養學生的創造力和想象力，樹立創新意識；組建才苑師生創新團隊，通過創新實踐訓練學生的創新思維，在教師全程指導下，學生進行調研、選題、方案設計和課題申報，主持學校SRIP、才苑學子、卓越學子、湖南省和教育部大學生研究性學習與創新性項目；依托這些項目進行課題研究，培養學生的實驗操作、測試技術、數據分析、實踐應用以及科技論文撰寫等能力；取得科研成果后，組織參加學科競賽，進一步強化學生的個性思想、拼搏精神與創新精神。材料與化工國家級實驗教學示范中心、理論有機化學與功能分子教育部重點實驗室、精細聚合物可控制備及功能應用湖南省重點實驗室等教學與科研平臺，為五重創新能力培養機制提供硬件與軟件支持。

6 理工融合辦學

6.1 專業建設成效顯著

堅持理工融合理念，經過十余年的改革與實踐，材料化學專業建設成效顯著。材料化學專業于2009 年獲批“湖南省普通高等學校特色專業”建設，通過對培養方案的修訂與完善，理工融合理念得以進一步貫徹與落實；獲批建設“化工與材料國家實驗教學示范中心”“中鹽湖南株洲化工集團工程實踐教育中心”“湘潭電化集團校企合作人才培養示范基地”“化工新能源技術湖南省產學研合作示范基地”等2個國家級、2個省級實驗實踐教學平臺，為理工交叉的實驗實踐培訓奠定了堅實基礎；獲批建設“新能源儲存與轉換先進材料”“精細聚合物可控制備及功能應用”2個湖南省重點實驗室，為培養學生的創新能力提供豐富的學科資源；進一步完善材料化學專業培養方案，豐富課程資源，修訂教學質量標準和教學管理制度，主編高等教育“十三五”規劃教材《普通化學》，參編高等教育 “十三五”規劃教材《工業催化》，專業基礎課“材料科學基礎”和“高分子化學”分別獲評湖南省線上和線下一流課程。

6.2 協同創新成績斐然

通過五重創新能力培養機制，組建才苑師生創新團隊，學生的實踐創新能力顯著提升。科研促教學成效顯著，近5年教師主持各類項目40余項，參與教師科研項目的學生200余人；主持或參與各類大學生創新項目的學生比例顯著提高，學生獲批各類創新項目35 項，其中包括國家級大學生創新性實驗計劃項目2項、省級大學生創新性實驗計劃項目5項，參與學生160余人。獲得學科競賽獎勵項數顯著增加，近5年材料化學專業的學生獲得省部級以上獎勵18 項，其中包括第四屆全國“互聯網+”大學生創新創業大賽銅獎、第十三屆和第十六屆挑戰杯全國大學生科技作品競賽三等獎、第九屆湖南省大學生課外化學化工創新作品競賽一等獎和二等獎各1 項，獲獎學生近70人。學生取得的科研成果數量和質量不斷提升，近5年學生參與發表成果論文46 篇，其中SCI 收錄論文38 篇，參與申請國家發明專利30余項，獲授權國家發明專利24項。在深厚學術氛圍的影響下，材料化學專業學生的考研錄取率逐年提升，從2016年的11.3%增加至2021年的35.7%，為國內外高校輸送了大批優秀的學生。

7 結語

以湘潭師范學院和湘潭工學院兩校合并、學科融合為契機，樹立理工融合、科學思維與工程思維并重的培養理念，通過一條主線、雙重導向、三條紐帶、四類平臺、五重機制，探索并構建了地方高校材料化學專業復合型人才培養模式。(1)一條主線，即堅持理工融合的專業建設主線。在培養方案修訂、師資隊伍建設、課程資源建設、實踐平臺構建、教學方法探索和創新教育改革等方面，始終堅持理工融合、理工互動的意識與理念。(2)雙重導向，即堅持科學與工程并重的思維導向模式。在雙重導向的機制下，建立材料組成與其結構、性質、性能、加工以及應用之間的專業知識體系，培養理工融合思想，啟迪跨學科知識融合應用意識。(3)三條紐帶，即建設三門理工融合型專業課程。以“材料測試及研究方法”“材料科學基礎”“高分子材料加工原理與設備”為理學與工學知識的紐帶與橋梁，使理學與工學知識在學生頭腦中形成深度的化學融合。(4)四類平臺，即構建專業基礎實驗、工程基礎訓練、材料專業實驗和材料工程訓練等四類實驗實踐教學平臺，四位一體、四輪驅動，全面推進理工融合教育方法，培養材料化學專業理工復合型人才。(5)五重機制，即建立才苑講堂、才苑創客培訓、才苑師生創新團隊、才苑學子計劃以及才苑科技作品征集五重培養機制，形成從創新意識、創新思維、創新實踐、創新精神到創新能力的漸進式培養機制。