交叉学科背景下特种功能材料领域复合型创新人才培养模式的探索与实践

梁金生 王亚平

摘  要：全球可持续发展和中国特色社会主义新时代以生态文明、环境健康、资源循环高效利用、智能化为基本特征，需要大批具备学科交叉、学术创新、技术引领和跨界整合能力的复合型创新人才。无机非金属材料工程专业紧密聚焦这一重大需求，通过构建交叉学科课程体系、教学科研紧密结合机制以及高水平师资队伍建设、学科专业前沿发展工程案例资源库建设，实现教育教学全过程协同育人；通过打通科研创新全程育人链条，以人与地球自然生态和谐的人文精神为内涵，通过京津冀工农城固废资源跨产业跨区域协同利用和生态环境功能材料相关理论、技术和发展模式的创新研究，实现区域经济、产业、资源循环、生态环境协同发展，加强人文社科的交叉融合；在生态文明建设引领下运用系统工程方法解决新时代特种功能材料产业与可持续发展问题，探索出无机非金属材料工程专业特种功能材料领域复合型创新人才培养模式。该模式已经取得了良好的人才培育效果，并对“双一流”高校建设材料科学与工程学科和材料类国家一流专业形成了积极的示范作用。

关键词：功能材料；生态环境功能材料；材料类专业；交叉学科；复合型创新人才

中图分类号：G64    文献标识码：A    文章编号：1673-7164（2023）05-0001-05

学科交叉融合是当前科学技术发展的重大特征，是新学科产生的重要源泉，是培养全球可持续发展和中国特色社会主义新时代建设急需复合型创新人才的有效路径，是我国经济社会发展的内在需求［1］。党中央、国务院高度重视交叉学科发展，习近平总书记多次指出：“厚实学科基础，培育新兴交叉学科生长点”“要下大气力组建交叉学科群”“鼓励具备条件的高校积极设置基础研究、交叉学科相关学科专业”“用好学科交叉融合的‘催化剂”。为贯彻习近平总书记重要指示精神，落实立德树人根本任务，国务院学位委员会印发了《交叉学科设置与管理办法（试行）》的通知（学位〔2021〕21号）。2020年9月22日，中国国家主席习近平在联合国大会向全世界做出庄严承诺，中国二氧化碳排放量力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，并将碳达峰、碳中和纳入生态文明建设总体布局。全球可持续发展和中国特色社会主义新时代以生态文明、环境健康、资源循环高效利用、智能化为基本特征，其建设过程需要一大批理论基础扎实、实践能力突出，具备学科交叉、学术创新、技术引领和跨界整合能力的复合型创新人才［2］。

材料是国家基础产业、高新技术产业和国防工业发展的重要支撑，是社会进步和国家富强的重要标志。进入中国特色社会主义新时代，新材料产业的基础性和战略性特征更加显著。本世纪以来，材料产业迅速发展给人类带来了巨大物质财富，但在材料制造、使用及废弃过程中也产生了巨大能源消耗、资源消耗以及环境负荷激增等不可持续发展问题。随着全球可持续发展及我国生态文明建设的加速，以非金属矿物功能化、资源循环和高效利用为标志的生态环境功能材料正在逐渐成为新材料、节能环保以及资源循环利用等新兴产业发展的新增长点［３］。

高等院校是发展习近平生态文明思想的主阵地，高校师生是生态文明建设的传播者和主力军，是中国特色社会主义新时代的建设者和接班人。为了适应我国社会经济可持续发展事业对新材料、新能源、节能环保等战略性新兴产业人才提出的新要求，教育部于2010年批准部分高校在已有材料类优势专业基础上设立了功能材料、资源循环科学与工程等新专业，旨在培养掌握材料科学与工程学科专业的基础理论、基本知识和技能，能够运用交叉学科专业理念，结合工程手段处理复杂应用问题的具有创新思维能力、具备国际视野、理工结合的材料类专业复合型创新人才［4，5］。因此，在交叉学科人才培养模式教育理念的指导下，积极探索新的教学方法与人才培养模式，提高学生交叉学科思维能力与解决实际问题的能力，是交叉学科教育背景下材料类专业高质量发展迫切需要思考和解决的瓶颈问题。

一、我国高校材料类本科专业的发展现状

目前，我国已有近1400所高校设置了材料类专业，近年各地高校在人才培养模式研究方面的大量实践中取得了一定的成效，毕业生数量逐年增加，办学优势和条件也日趋成熟，为材料产业后续高质量发展打下了良好基础。与此同时，面向全球可持续发展和中国特色社会主义新时代建设需求的专业建设条件和配置上不盡成熟等相关问题还比较突出，其中最主要的是多学科交叉融合的专业理论课程体系不够完善、教学科研紧密结合机制不健全、理工文学科交叉难度大、工程实习实践实训较为缺乏等问题。

（一）多学科交叉融合的专业理论课程体系不够完善

无机非金属材料、金属材料、高分子材料和复合材料为四大基础材料，是国家基础产业、高新技术产业和国防工业发展的重要支撑。材料类专业是典型的以问题为导向的基础性、应用型学科，其学科体系与国家和地方经济发展的重大战略需求密切相关，材料学科内各专业交叉融合解决国家资源环境等重大问题的特征日趋显著［1］。多数高校材料类专业建设过程中，专业条块分割问题突出，各个专业的课程体系各自为政多、专业间内在联系考虑少、学科专业交叉融合程度低，与需要解决复杂的行业问题、产业问题的实际需求严重脱节。

（二）专业理论课教育与材料强国、扎实认真、精益求精的工科职业精神培养和锻造结合不够完善

中国特色社会主义新时代，新材料产业的基础性和战略性特征更加显著，“材料强则国家强”理念在世界新格局建立过程中将发挥越来越重要的作用［6-7］。现在高校材料类学生读研备考学习的倾向性非常普遍，对专业课的学习本质目的思考少、专业理论学习与家国情怀教育脱节问题严重，尤其材料强国、扎实认真、精益求精的职业精神培养和锻造结合不够，全课程育人的理念未深入人心。

（三）教学科研紧密结合新机制不健全

中国特色社会主义新时代，习近平总书记提出科学技术要“面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康”，这一科技工作新定位和要求对我国科技人员摆脱“五唯”桎梏束缚、回归科研本质具有重大指导作用。在新形势下，高校科技人员必须将这一科研准则和评价方法在大学教育和科研工作全程贯彻执行，使学生受到实际科研训练，进一步推进产学研用紧密结合新机制建立，体现重点高校的科技创新担当和培养创新人才担当。

（四）理工文学科交叉融合教学难度大

材料学科侧重材料成分、结构、性能之间关系的研究以及材料零部件使役性研究，对材料生产、使用、废弃全过程对环境、生态以及人体健康影响规律关注不多。环境科学与工程学科专业侧重人类与环境的相互作用关系研究，更加关注水、气、固等污染源的治理研究。矿业工程学科专业侧重采、选、冶过程的高效化和低成本，对于生产过程产生的“三废”资源化利用、循环利用关注较少。文学艺术等人文学科则侧重社会发展规律研究，更加关注培养学生的大跨度思维方式建立。为满足全球可持续发展和中国特色社会主义新时代建设需求，材料学科专业与环境、矿业、人文等多学科专业交叉融合已成为新的学科专业发展趋势，需要我们重新审视现有学科专业教学方式［8-9］。鉴于以上情况，部分高校对于材料类专业定位仍不明确，缺乏材料类专业特色，无法培养复合型创新人才。常规理论教学无法展现国际最前沿的科研成果和理念，学生难于理解常规实践场景和科研成果中技术和发展理念上的转变，导致具体实践和国情乃至国际前沿成果间无法关联。

（五）系统的工程实习实践实训较为缺乏

材料类专业的核心培养理念是为我国培养中国特色社会主义新时代建设者和接班人，是典型的基础性、战略性工程类学科。由于材料类专业涉及的领域广且工程类型多样，与传统的工科专业相比，其工程特色难以聚焦，部分高校教学建设中缺乏配套实践课程、案例课程，缺乏实际工程现场操作演练机会，也未对我国当前发展形势下基础性、战略性材料的人才需求特征进行完善的评估，缺少如何将知识应用于解决实际行业问题和产业发展问题［10］。

二、材料类专业本科创新人才培养模式与创新实践

河北工业大学材料科学与工程学院建有材料物理与化学国家重点学科，是建设“国家双一流学科”的依托学科，并建有生态环境与信息特种功能材料教育部重点实验室和固废资源利用与生态发展创新中心（工信部与河北省人民政府共建）等研究平台。建有无机非金属材料工程、金属材料工程、功能材料、材料物理、新能源材料与器件等材料类本科专业。随着京津冀协同发展和生态文明建设对生态环境、新能源、信息等特种功能无机非金属材料产业发展需求，在金属材料工程和无机非金属材料工程多年办学基础上，2010年教育部批准建立了生态环境功能材料特色的功能材料专业，2012年功能材料专业列入国家级综合改革试点专业建设计划。

功能材料是指具有电、热、声、光、磁、力、生物、环境、健康等优异性能的材料，是材料科学与工程学科中最活跃的研究领域，占全国材料学科研究项目总数的80%左右。2019年根据学科专业布局，学校将功能材料、无机非金属材料工程、材料物理专业进行整合建设，取得了良好的成效。

（一）健全多学科交叉融合的专业理论课程体系

无机非金属材料工程专业以培养具有优良思想道德素质、科学文化素质，掌握无机非金属材料基础知识，具有分析、解决复杂工程问题能力，能够在无机非金属材料工程领域从事技术开发、工艺与工程设计、生产管理以及科学研究等的专业精英和社会栋梁人才。基于此，高校应立足资源环境产业国家重大需求，并积极将产业、科研和国家需求融合，不断梳理课程体系，以培养目标为导向，建立校公共课、院公共课、专业公共课、专业方向特色课等四位一体的课程体系。强化“生态环境功能材料”“先进能源材料”“信息材料”“无机材料物理化学”等课程目标导向，改革与优化教学模式，建立优质资源课程群。

（二）建立材料科学家精神与工匠精神融合的专业课程思政教育体系

打牢立德树人的教育理念，推进课程思政建设。深入研究材料强国建设进程中典型科学家精神和工匠精神范例，将专业课教育与材料强国、扎实认真、精益求精的工科职业精神培养和锻造融合，建立材料强国典型事迹案例库，充分发掘材料学科中蕴含的思想政治教育资源。将做人做事的基本道理、社会主义核心价值观、实现民族复兴的理想和责任融入材料专业课程教学中，贯穿人才培养的全过程。

（三）建立教学科研紧密结合新机制

在“四个面向”的新形势下，高校科技人员必须对科研工作進行新的定位，并将新形势下科研评价标准应用于大学教育和科研工作中，使学生受到实际的科研训练，进一步推进产学研用紧密合作新机制建立，体现重点高校的科技创新担当和培养创新人才担当。利用国内无机非金属材料领域高水平专家资源、学术资源，将团队教师在特种功能无机非金属材料、京津冀工农城固废资源跨产业跨区域协同利用相关理论、技术和发展模式创新研究的科研成果应用于《生态环境功能材料》《新能源材料概论》等教材编写，建设特种功能材料特色的专业教材，开阔学生视野，加速创新萌芽。

（四）建立人类物质文明、科技文明、社会文明通识教育体系

人类在不断认识自然、改造自然的过程中，经历了意识觉醒与知识形成、文化传承和文明进步，逐渐形成了人类的物质文明、科技文明、社会文明，产生了现在理、工、文、经、管、艺术等丰富的学科专业体系和五彩斑斓的世界文明。通过深入研究并结合团队教师实践经验，建立“大学生科研技能与创新思维”“品质工程学基础”等通识课程并编写教材，使大学生掌握理、工、文、法、经、管、艺术等学科发展和演化历史，明晰交叉学科专业发展与现代科技、社会健康发展以及强国建设之间的内在联系和规律，提高学生学习相关知识积极性和主动性，显著增强创新发展能力和水平。

（五）建立系统的工程实习实践实训基地和多维度学生评价体系

加强与河北晶龙集团、天津力神电池、河北睿索固废工程技术研究院有限公司等国际知名企业实习实践基地建设，并与美国西北大学、美国亚利桑那大学、日本国立群马大学建立合作关系，推进与国际知名大学进行学生交流、教师交流和科研合作。建立多维度课程过程质量保障体系：专家、企业用人单位等评价机制及校、院、系三级教学监督与保障机制，使评价和监督保障之间相互支撑及制约。从课程学习成绩、学术能力评估测验、参加过的活动以及学生如何通过个人陈述等多维度评价学生。

三、交叉学科导向下特种功能材料领域复合型创新人才培养成效

河北工业大学无机非金属材料工程专业在交叉学科导向下特种功能材料领域复合型创新人才培养模式教育教学实践中，瞄准国家生态文明建设的需求，重点培养学生的复合型创新能力，突出交叉学科专业人才的特色，形成了多学科交叉有机结合的人才培养体系，产生了教学科研良性互补的教师发展新局面和扎实成效。近三年本专业学生的研究创新能力提升显著，三年共计372人次参加国家级、省市级大学生创新创业项目及竞赛。2022年专业共计有150余名毕业学生升学进入研究生阶段深造，国内外继续升学率超过60%，人才培养特色日益鲜明。毕业学生就业方向广，涉及无机非金属材料传统行业，信息、电子、新能源、节能环保等高新科技产业及资源循环利用等绿色产业。

在教师队伍建设方面，获批河北省优秀教学团队1个（功能材料专业教学团队）。专业骨干教师将最新研究成果融入教材，承担主编《生态环境功能材料》《新能源材料概论》《大学生科研技能与创新思维》《功能材料专业实践教程》等重要教材建设任务，其中《生态环境功能材料》入选教育部高等学校材料专业教学指导委员会规划教材2022年度建设项目。专业骨干教师获批“十三五”“十四五”国家重点研发计划课题三项，团队持续创新能力和创新人才培养能力显著提高。

四、结语

交叉學科建设背景下，时代和社会发展对生态文明建设的需求为无机非金属材料工程专业的发展带来了重大发展机遇。本文阐述了无机非金属材料工程专业通过多学科交叉融合、专业课程思政教育体系建设、教学科研紧密结合机制以及通识、实训教育体系的建设进行交叉学科本科育人模式开拓创新实践。建设多学科交叉融合课程体系及思政教育体系建设培养能够在无机非金属材料工程领域从事技术开发、工艺与工程设计、生产管理以及科学研究等的专业精英和社会栋梁人才；建立教学科研紧密结合新机制，打通科研创新全程育人链条，推动高水平师资队伍建设及创新型人才培养模式建设；建立通识教育体系，以人与地球自然生态和谐的人文精神为内涵，加强科技创新与人文社科的交叉融合；建立系统的实习实践实训基地和多维度学生评价体系，培养学生的实践能力。最终使毕业生达到了交叉学科人才培养的研究创新能力、工程实践能力、项目管理、设计开发能力、终身学习等各项标准要求，将学生培养成为具有交叉学科专业特色的特种功能材料领域复合型创新人才。

参考文献：

［1］ 陈伟斌. “双一流”建设背景下新兴交叉学科建设路径思考［J］. 中国大学教学，2021（09）：80-86.

［2］ 梁金生，王亚平，田光燕，等. 面向资源环境产业国家重大需求 构建特种功能材料领域创新人才培养模式［N］. 中国建材报，2022（05）：23.

［3］ 孙剑锋，张红，梁金生，等. 生态环境功能材料领域的研究进展及学科发展展望［J］. 材料导报（A），2021（35）：13075-13084.

［4］ 梁金生，丁燕. 功能材料专业教育教学实践［M］. 北京：北京大学出版社，2018.

［5］ 李杨帆，张倩，欧阳通. 新工科导向下生态文明工程师本科人才培养模式探讨［J］. 中国大学教学，2021（10）：16-21.

［6］ 葛文杰. “双一流”建设背景下的高等工程教育重塑与课程教学深度改革［J］. 中国大学教学，2021（09）：53-61.

［7］ 张树永. 当前“课程思政”建设存在的不足及未来建设重点——以化学类专业课程为例［J］. 中国大学教学，2021（08）：42-46.

［8］ 中国硅酸盐学会. 矿物材料学科发展报告：2016—2017［M］. 北京：中国科学技术出版社，2018.

［9］ 吕国诚，廖立兵，李雨鑫，等. 快速发展的我国矿物材料研究——十年进展（2011～2020年）［J］. 矿物岩石地球化学通报， 2020，39（04）：714-725.

［10］ 胡敏强. 产教融合新工科育人模式探索与实践［J］. 中国大学教学，2019（06）：7-11.

（责任编辑：罗欣）