世界一流光学学科建设的经验与启示——以中佛罗里达大学为例

(国防科技大学前沿交叉学科学院 湖南·长沙 410073)

一流大学源于一流学科，一流学科成就一流大学，学科建设是一所大学发展的核心和命脉。2015年10月，国务院正式发布《统筹推进世界一流大学和一流学科建设总体方案》，明确提出要推动一批高水平大学和学科进入世界一流行列或前列，高校要以学科为基础，通过学科结构和组织模式的改进及创新，明晰发展方向，突出建设重点，建立更多顶尖学科，从而推动高校形成其自身优势及办学特色。虽然经过多年的不懈努力，国内高校的学科建设水平不断提升，但与发达国家的一流学科还有一定差距。本文以美国中佛罗里达大学光学学科建设为例，在介绍该校光学学科建设基本情况的基础上，梳理出该校光学学科建设的经验，以期为国内院校推进光学学科建设提供一些参考和借鉴。

1 基本情况

美国中佛罗里达大学在2017年U.S.News美国综合型大学排名中仅列全美第171名，然而该校的光学与光子学学院却是全美第一所光学与光子学领域的独立学院，被誉为美国三大光学研究中心之一，其前身是创建于1987年的光学与激光教育研究中心（Center for Research and Education in Optics and Lasers,CREOL），目前可授予光子科学与工程学士学位、光学与光子学硕士和博士学位。

学院在基础光学和应用光学领域的贡献在世界范围获得同行权威的赞誉，被公认为是美国光学技术的孵化中心和光学工程创新人才的培养中心，是推动美国在光学和与光学相关领域发展的重要引擎，已经成为全球著名的光学与光子学科学与工程的研究和教育机构。学院教授中有美国光学学会会士27人，国际光学工程学会会士18人，美国物理学会会士9人；并且在美国激光协会、美国电气与电子工程师协会光子学会等专业协会中占有董事会成员席位；累计出版专著26本，发表高水平论文4000余篇，被引用超过10万次①。同时，学院着力推动成果转化，创造发明专利近300项，孵化了27家基于光子科学与技术的公司企业，累计发展194家会员公司参与学院的教学建设与科学研究，为中佛罗里达地区光学与光子学相关产业的发展做出了卓越贡献。

光学与光子学学院现包含4个主要研究机构，如图1所示，分别为光学与激光教育研究中心（Center for Research and Education in Optics and Lasers,CREOL）、佛州尖端光子中心（Florida Photonics Center of Excellence,FPCE）、汤斯激光研究所（TownesLaserInstitute,TLI）以及尖端飞秒科学与技术研究所（Institute for the Frontier of Attosecond Science and Technology,iFAST），下属29个实验室。

图1：光学与光子学学院下属研究机构

学院的研究领域涉及衍射与全息光学、光纤光学、阿秒科学、集成光子学与能源、高性能激光材料、激光等离子体、液晶显示、中红外光频梳、纳米光子器件、生物光子学、非线性光学、光学陶瓷、光通信、光学成像系统、量子光学、半导体激光、薄膜光电子学、超快光学等。该院在上述领域的许多科研成果被广泛应用于工业、通信、信息产业、生物与医学、能源与照明以及太空科技。

2 光学学科建设的成功经验

2.1 多学科交叉的教学模式

2.1.1 多学科背景的师资队伍

光学与光子学具有天然的横向学科交叉特性与优势，在通信、医疗、生命科学、量子计算、信号处理、能源与材料科学领域发挥重要作用。光学与光子学学院和该校的理学院、工程与计算机科学学院、医学院等院系和研究中心相互支撑，联合进行课题研究与技术革新，全面推进中佛罗里达大学的科学研究与技术研发实力。学院能够清楚地认识和了解市场对复合型工程技术人才的培养需求，通过多学科深度交叉融合促进人才培养水平的提升，更好地促进了学院科研事业的发展和创新成果的转换，并为社会生产力创造巨大价值。

光学与光子学学院现有在职教授53名，科研技术人员60名，研究生155名以及本科生90名，行政管理人员20名。学院的资深教授在其研究领域享有盛誉，分别独立带领学院36个研究小组，教授具有独立招收科研技术人员和研究生的权力。科研技术人员主要是指各实验室的研究员。目前，学院共有高级研究员4名、研究员22名、博士后助理研究员13名、助理研究员1名、访问研究学者19名。20名行政管理人员中除院长、2名院长助理和1名副董事外，其余均为服务保障人员。

光学与光子学学院师资队伍中包含了本院在职教授、其它学院的联合教授和特邀教授三大类，这些教授毕业于不同的著名学府，专业学科背景多种多样，涵盖光学与光子学、物理学、数学、化学、医学、电气工程与计算机科学、电子工程、电子与计算机工程、材料科学与工程、X射线光子学等，为学院交叉学科体系的建设注入了强大的活力。在学院的特邀教授中，有来自军火巨头Lockheed Martin公司负责导弹与火力控制的机械工程师，有来自OpenPhotonics等知名光学公司的总裁和技术主管，也有来自亚利桑那等综合性大学的教授。这些特邀教授的参与扩充了学院的人才队伍，开阔了学生的学术视野，加强了学院的学术交流与合作能力。此外，学院十分尊重导师通过“导师管理项目”申请跨学科招生来实现对学生的培养，在管理体制层面上鼓励交叉学科研究。

2.2 跨学科融合的课程体系

据美国劳工部预计，到2024年全美将有3万个新增光子学工程师岗位需求。为了满足光学工程领域对光学工程师的增长需求，光学与光子学学院从2013年开始设立光子科学与工程方向的学士学位，其课程体系由中光学与光子学学院和工程与计算机科学学院共同设计并实施，课程设置以光学与光子学课程为主，融入电子工程、生物学、工程学、材料学以及计算机科学等多学科融合培养。学院要求每名本科生完成128个教学学分，28个电气工程职业培训学分和43个光学与光子学职业培训学分，并且大部分光子学专业课程都配备了相应的实验课程。2016年秋季学期，本科生毕业设计实验室正式开放，其中配备了学生实验需要的实验平台和基本测量仪器。该方向的学生在完成本科学习之后可以直接申请光子学工程师的任职岗位，也可以继续光学与光子学领域的研究，获得更高学历学位。

表1：光学与光子学学院研究生课程体系

学院的研究生课程设置更加注重学科交叉融合，主要涵盖的课程如表1所示。在研究生光学课程的设置中，学院尤其注重培养学生在理论和实践中对前沿科学技术的掌握和创新。将基础理论与工程实践相结合，将光学与其它学科交叉融合思想是光学与光子学学院的基本教育理念。

跨学科融合的课程体系让学生能够运用理论指导实践，在实践中重新认识理论，支撑学生发展新技术。

3 产学研协同的研究导向

3.1 为军服务注入创新动力

毋庸置疑，各类光学系统是下一个各国在国防领域角逐的主战场，拥有能对某一地区的全方位获取，并使用高宽带和移动平台进行信息通信的能力是一项巨大的国防优势，光学与光子学技术可提供综合支撑能力，已逐渐成为美国国防与国家安全必不可少的战略技术。光学与光子学学院作为美国光学领域的佼佼者，在美国国防部下属的大学附属研究中心负责的诸多项目中发挥着重要作用，典型的是负责情报、监测和侦查（intelligence,surveillance,and reconnaissance,ISR）控制的军事传感系统，这些项目的推进增强了美军应对核威胁、化学威胁和生物威胁的能力。

同时，光学与光子学学院积极与Lockheed Martin等军工企业合作，并积极参与美国空军、陆军的国防研究项目。例如，学院的科研人员在NASA下属的高空火箭发射、新一代亚轨道飞行、NASACassini土星任务、NASA探险家等项目中发挥了重要作用。此外，归属NASA的汤斯创新科技设施（Townes innovative Science&Technology Facility,TISTEF）被光学与光子学学院用于研究和发展光电传感技术，为美国陆军、海空军、国防高级研究计划局以及国防情报局等机构提供高层次的技术支撑。

此外，该院的光学传感等技术成果强力支撑美军陆军研究实验室的模拟训练中心成为国际公认的先进模拟仿真技术研究中心，其研究成果有效提升了美军模拟训练水平。此外，还有许多教授带领的实验室和研究小组在定向能、激光防护、光学战略材料、目标识别和保密通信等涉及国家安全领域的研究正在深入影响美国乃至世界的军事力量变革。

3.2 合作研究激发创新活力

光学与光子学学院通过积极的合作研究促进光学学科研究领域的活力。例如，光学与光子学学院和佛罗里达州太阳能中心是重要的合作伙伴。该中心是美国最大的州立能源研究机构，在光伏、太阳能热电系统、节能建筑、制冷技术、氢燃料电池、太阳能设备的检测和鉴定等方面享有赞誉。光学与光子学学院作为太阳能中心的重要参与者，通过光学手段解决了许多与光学和材料相关的技术问题，大幅降低了太阳能的利用成本，推动固态照明技术产业的发展，满足国家对可持续能源的旺盛需求。

同时，光学与光子学学院积极参与巴内特生物医学科学院的前沿医学研究，以推进生物医学运用光子学、生物信息学和纳米科学来解决跨学科问题的发展，研究内容涵盖了从实验室到临床诊治等诸多方面。再如，该院与计算机成像中心合作，基于光子学技术的医学进行了实时成像技术的开发与应用，通过科研手段帮助医疗人员快速诊断、准确治疗和修复人体的病变组织。

此外，来自该院的专家在佛州纳米科技中心从事和发展适应未来工业要求的纳米技术研究，研究内容涵盖绿色能源、功能性纳米材料、计算机/数学模拟法、量子动力学、纳米生物成像、纳米电子学与纳米物理学，以及集成元件发展等方面，上述科研活动的开展也极大的光学学科的发展提供了源源不断的动力。

3.3 校企联盟实现互利共赢

据报道，在美国致力于光学与光子学的上市公司创造了大于10%的政府收入（约3万亿美元），提供的工作岗位占到上市公司的6%，为美国提供了740万个就业岗位，佛州在其中占有相当比例。

光学与光子学学院成立之初就在工商业界建立了众多的合作伙伴关系，通过联合项目、经营许可、股份分配以及产业孵化等方式实现技术向产业的转化。学院现拥有70家会员公司，如 Northrop Grumman、Newport、Tektronix、Thorlabs等，并签订了大量的合作项目。通过持续地向合作企业转让学院教授、科研技术人员和学生的技术发明，学院帮助佛罗里达州建立、吸引和留住光科技企业以及与光学有关的产业，增强企业的技术能力，降低技术研发成本，提升新技术和新产品开发的效率，推动地区经济繁荣和国家技术型企业的发展。

对学院而言，校企联盟的模式使得教员和学生有机会接触企业项目，能够将最新的研究成果和进展转换成产品，并通过与企业工程师的交流深入了解市场对技术的需求，激发了创造力并增强了研究的目的性和针对性，而且能够享用公司企业捐赠的最新仪器和资金。更进一步，有利于学院对人才培养方案的跟进与调整，也能够尽早对将要毕业的学生做出评价并向其提供职业选择指导，增加毕业生的就业率。

目前，光学与光子学学院特别关注通信和信息处理、先进制造和精密探测、能源生产与高效技术、国家医疗保健等现代技术领域的发展和成果转化，相关技术研究和成果转化方向如表2所示。

表2：光学与光子学学院的技术研究与成果转化方向

4 启示与展望

4.1 营造良好的学科交叉生态

在学科发展中，不同学科间的交叉融合往往能够催生新的理论、新的学科和新的技术，成为创新的源泉，中佛罗里达大学光学与光子学学院的成功再一次印证了这一点。对国内高校而言，要想营造良好的学科交叉氛围，首先要培育学科交叉的研究载体，通过整合优势资源创新学科管理模式，例如国防科技大学成立的前沿交叉学科学院和上海交通大学成立的交叉科学研究所都是不错的尝试；其次要抓好学科交叉的关键环节，建好多学科背景的导师队伍和课程体系，通过多学科教学资源和科研资源共享，培养出学科背景厚实且实践能力突出的复合型人才；最后要突破体制机制的壁垒，建立于学科交叉相适应的评价体系和奖励机制，在科研项目申请、重点学科评审和科研成果认定等工作中对学科交叉进行客观有效的评价。

4.2 建设产学研协同创新联盟

当前，学科发展愈发呈现出系统性和复杂性的特点，建设产学研协同创新联盟可以实现产业链、人才链和创新链的深度融合，能够在协同育人、协同创新和优化资源配置等方面发挥积极的作用，能够为学科的深度发展提供源头活水。产学研协同创新联盟也更符合当前供给侧改革的要求，产业部门作为需求侧，通过掌握市场发展动向提出人才和技术方面的需求，大学作为供给方，要依托优势学科，主动服务于国家战略需求和区域经济发展需要，激发创新驱动内生动力，引导政府机构丰富支持学科发展工具箱，通过共建研发中心和技术成果转化等手段促进产业部门经济繁荣。新的需求又会催生新的供给，只有这样大学的学科发展和人才培养工作才能更加聚焦，更加有的放矢，从而实现在人才培养和科技创新上的同频共振。

注释

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