刘德全，刘奇明，王建波，罗洪刚，边盼盼
(1.兰州大学 物理科学与技术学院，兰州 730000；
2.兰州大学第二医院，兰州 730000)
自党的十九大以来，国家发展进入一个新的历史时期，社会经济发展也达到一个新的发展水平，以人工智能、量子计算、量子通讯、新能源和新材料等为代表的第四次产业革命呼之欲出，对科学技术发展提出了新的挑战。产业转型升级与新旧动能转换，新工科教育体系建设势在必行。马克思在《德意志形态》中指出，生产力水平发展到一定程度时，更高级的分工形式也就呼之欲出。现阶段，人类社会进入新一轮科技创新活跃期，世界范围内新工业革命的兴起，使产业变革不断加速。大量新兴领域的涌现与产生促使人们需要对产业格局进行重整，对社会分工进一步细化并重新划分[1]。
产业变革的核心在于人才。习近平同志指出“我们对高等教育的需要比以往任何时候都更加迫切，对科学知识和卓越人才的渴求比以往任何时候都更加强烈。”能否抓住第四次工业革命带来的新一轮发展机遇、抢占人才培养的制高点是一个国家是否能构筑先发优势、占据世界经济和工业战略制高点的决胜关键。现有的教育体系针对原有的社会分工进行设置，可以满足当时条件下的人才需求。但当大量的新兴产业出现，人们发现现有的教育体系很难培养出适应、甚至是能够推动新兴产业发展的高素质人才。因此，需要针对未来工业体系提前布局，对现有教育体系进行改革，重新规划、划分教育领域内的社会分工，建立能够适应未来工业体系发展、适应未来生产力发展水平的教育教学体系。
在这样的大背景下，2017 年2-6 月教育部先后在复旦大学、天津大学和教育部密集召开了3 次会议，并分别形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等新工科建设指导性文件，确立了探索实施工程教育人才培养的新模式，打造具有国际竞争力的工程教育新质量，建立完善中国特色工程教育的新体系，实现我国从工程教育大国走向工程教育强国的新工科建设目标，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育强国建设，开启了新工科建设的热潮。2017 年6月教育部发布了《新工科研究与实践项目指南》，并于2018 年3 月公布了获批项目，正式进入新工科建设项目的实施阶段。2019 年2月，由教育部高等教育司指导、复旦大学承办的新工科建设与发展高峰论坛暨综合性高校新工科研究与实践项目进展交流会在复旦大学举办，进一步确立了新工科建设思路与方法。随后，天津大学、重庆大学和华南理工大学等高校相继发布了自己的新工科建设方案，标志着新工科建设进入一个新阶段。
经教育部批准并公布的新工科建设项目共计612个，其中大部分项目为基于原有工科院系和专业创建新工科。基于数学、物理学等基础学科建设新工科的建设项目数仅为个位数，兰州大学物理科学与技术学院牵头申请的“依托物理学科培养新工科高层次人才”位列其中。学院依托该项目，围绕人才培养这一中心任务，启动了以“教学改革”为牵引的综合改革。秉承“分级教学、分类培养、厚实基础、宽泛出口”的原则，积极探索“拔尖人才2.0”“新工科人才”和多层次专业人才培养模式，致力于基于物理学的新工科建设。本文就兰州大学物理科学与技术学院在基于物理学教育实践过程中所做的探索和思考进行探讨，希望促进新工科建设。
几乎每一名工科院系的学生都要学习物理学，物理学所揭示的自然界的运行规律和相关知识广泛地应用于各种工程体系中。从物理学和工程技术的发展历史可以看出它们的关系密不可分，相互依存。
物理学是一个古老的学科，最早出现于古巴比伦时期。物理学的进步不断推动着人类社会的发展，是自然科学中的基础学科。物理和工科的关系在之前的三次工业革命中完美地展现。工业革命前，科学和技术尚未真正结合[2]。18 世纪中叶，依靠工匠的实践经验人们发明了机器，生产效率大大提升，推动了社会的快速发展，催生了第一次工业革命。特别在蒸汽机发明之后，机器逐步开始取代手工成为主要的生产方式。工人-生产者在生产过程中的作用不再是直接制造而是操作机器。这时，物理学中的力学开始起作用。从而，开始了利用科学原理、规律去指导生产的时代。起初还只是单个的现象，以后，日积月累，形成了一整套系统的原理和理论，从而产生了叫工程的学科[3]。
19 世纪中叶以后，物理学中的热学、电学、力学、磁学、光学和声学的原理也被应用于生产，标志着人类进入了第二次工业革命。出现了许多与物理学中各分支学科有关的工程学科，如电机工程、采矿工程、冶金工程和航空工程等，从事生产的各种工程学科与物理学紧密地结合，共同推动了生产力的发展，对人类的经济、政治、文化、军事、科技产生了深远影响[3]。20 世纪50 年代，以计算机技术、原子能技术、航天技术为代表的第三次科技革命再一次推动了人类文明的发展。科学和技术密切结合，相互促进[2]，互为因果，相得益彰。
纵观这三次科技革命，物理学及其衍生学科在推动生产力的发展方面发挥越来越重要的作用。它的基本原理大量地运用到了工业体系中，促进了技术的发展。以史为鉴，我们有理由相信物理学的发展与第四次工业革命也必然息息相关，第四次工业革命离不开物理学的鼎力支持。同时，物理学的发展离不开高度发达的工程技术的支持。经过了数千年的发展，易于测量、观察和总结的基本物理现象、定律早已研究透彻。当代的物理学为了探究物质相互作用的一般规律，追求“引力波”“黑洞”“暗物质”“暗能量”等更难捕捉的物理现象的测量。而这些现象的测量，无不依赖庞大的测试工程、精准的测试技术。可以说，没有精准的测量就没有现代物理学的发展。
物理学与工程技术的相互合作促进了各自的发展，同时也促进了科学的发展。
工科专业开始作为单独的大类是在1909年，美国东部的宾夕法尼亚大学创立了工业工程学科，并设置了工程学院。中华民国时期的北洋大学是我国的第一所工科大学。之后，综合性大学也相继开始创办自己的工科。新中国成立以后，我国全面采用苏联的教育模式，该模式以计划经济为基础。学校由行业部门领导，专业设置按工种划分，学校按理工分家，分工细腻狭窄，界限壁垒森严[4]。这种行政的划分人为地割裂了自然科学与工程技术的联系，限制了相互间的交流，阻碍了它们的促进发展。
为了解决工科学生物理知识不足的问题，物理学工作者通常希望增加工科专业物理学相关课程的学时。陈佳洱院士曾建议工科物理课不少于300 学时[5]。但是纵观工程技术的发展史，科技革命发生以前人们不需要学习物理知识，凭借实践经验即可从事发明创造。第二次工业革命后，经典物理知识被大量地运用于工程实践中。20 世纪后半叶，基于物理学中隧穿效应、巨磁阻效应等衍生出来的工程技术应用了大量涉及到近代物理的相关知识，对物理学科基础知识的要求进一步提高。若不增加物理学相关课程学时，工科学生很难在学好大量本专业课程知识的同时，再额外多学习众多的物理学课程。物理学基础知识不够扎实，常常造成知道如何用，但在遇到新情况时不知道如何变的问题，更无法将最新的物理学进展应用于新的工程技术中。这样，传统的工科教育就失去了创新的源动力。
伴随着科技的发展，知识呈现爆炸式增长。无论是工科还是理科都汇聚了大量的知识，如何能让理科和工科更好地结合成为一个值得探究的问题。解决这一问题的核心也许在于对社会分工的重新划分，对学科的重新划分或者不用划分过细。第二次工业革命前，物理学和工科的知识都还比较少，科学家和工程师的分界不是太明显，一个人既可以是科学家，还可以是工程师。第二次工业革命以后，物理学变得越来越深奥，工程技术变得越来越复杂。独立划分为单个学科成为历史的必然。现阶段，知识总量进一步膨胀，仅仅划分成工科和理科已经不能应对新生的工业格局，这样更细致的分工又成为必然，结果学科越分越细，学科间的交流越来越困难，各自学科的发展进入了恶性循环，也就限制了各个学科的发展。为了改善这一状况，许多学者呼吁成立交叉学科，并在交叉领域从事科学研究和技术创新。但是，人们对学科固有的观念，使交叉学科的发展步伐缓慢，完全不适应现有的社会经济发展。
基于以上的考虑和判断，兰州大学物理科学与技术学院以新工科项目“依托物理学科培养新工科高层次人才”的探索为契机，围绕人才培养这一中心任务，启动了以“教学改革”为牵引的综合改革，期望培养出能够连接基础物理和现代工程应用的高层次新工科人才，并具有创新意识。我们希望这一类人才的出现可以填补物理学和工科之间的鸿沟，使得在学科交叉点处的问题有专人来解决。从而，物理学的新原理、新发现、新定律可以更快更好地在工程技术上进行应用；
工程技术的知识也可以用在物理学研究上，帮助物理学实现更精细更精密的测量，助推物理学的进一步发展。
在基于物理学建设新工科专业的实践过程中，我们到兄弟院校进行了大量的调研，邀请了多位知名专家来学院指导、讨论，深入到企业探讨实际的人才需求，逐步形成了我们的建设思路。
（一）通过教学改革，分流出精通物理的工程技术人才
教学过程中发现，每一届学生中都有部分物理学专业的同学在具备一定的物理学基础以后，对深入理解物理学基本规律和基本问题不再有兴趣，但对工程技术特别感兴趣，经常能看到这部分同学热衷于软件设计、机器人制作等，他们渴望能够做出一些新奇、有意思的东西，并在这方面展现出天赋。而在原有的物理学教学体制下，几乎都按科学家的要求进行培养，从而必须和其他同学一样，从一年级到四年级，每年完成固定的物理学课程。由于按科学家的要求，物理学课程的难度较大，他们不得不花上全部的精力，导致他们没有时间去做发明创造，他们的技术天赋被埋没。
针对这一问题，本着大类招生，分类培养；
普及基础，按需选课；
出口分流，标准多样的原则构建课程群[6]。将物理学的本科阶段课程按照研究对象的复杂度和难度分为：水平-Ⅰ、水平-Ⅱ和水平-Ⅲ。这样划分的原则基本的物理思想和物理方法都一样，唯一的差别是研究对象的复杂度和难易程度，有志于进行物理学研究的同学需要完成水平Ⅰ—Ⅲ的系统学习，相当于现有课程体系物理学专业需要学习的全部内容。对制造、控制等工程方向更感兴趣的同学适当降低物理学体系的深度，要求他们完成水平-Ⅰ、水平-Ⅱ难度课程的学习，充分理解并把握物理思想和物理方法，具备了创新能力。在此基础上，根据学生对工程技术方向的兴趣，开设相应的工程技术课程，完成工程技术素质的教育，最终实现精通物理学的工程技术人才的培养。
（二）以企业需求为工程技术人才培养方向
为了确立学生的工程技术培养方向，学院走访了大量在工程技术方面有所建树的企业，探寻他们对具有物理背景又能从事工程技术行业的人才的需求，并根据企业需求进行人才培养，以满足工业领域对人才的需求。
聘请具有物理学背景、工程技术能力突出的企业工程师担任校外导师，对学生进行工程素质培养。这些企业工程师有物理学背景，工程技术经验丰富，能够在工程技术领域有所成就，说明他们自身已经实现了由物理到工程的跨越。他们是通过自学成为精通物理学和工程技术人才的先行者。他们的经验可以为我们提供指引，帮助我们快速、精准地建立一套能培养出同时精通物理和工程的跨学科交叉人才的方案。
将企业纳入人才培养环节，一方面可以对人才的培养方向提供指导，使培养出来的学生满足工业发展的需求。另一方面，也解决了企业招不到合适的员工，招来的员工需要花费大量时间再培养的困境，大幅降低企业的用人成本。企业能招到更合适的员工，将会更乐于参与教育、回馈教育，最终实现学生、企业、高校三赢的良性循环。
（三）面对新工科建设教师的自我提升和多导师共同培养模式
作为一个传统理科院系，我们有扎实的理论功底，但缺乏工程领域的相关积累。如何为具有物理学背景的学生开设出适合他们的工科课程体系成为具体实践过程中需要解决的问题。
教师作为新工科的建设者和执行人，首先需要加强自身的工程技术知识储备，率先成为能够联通理科和工科的跨学科人才。只有建设者同时掌握充分的理科和工科知识，才有可能构建出适合物理学专业的工程技术人才培养方案，培养出优秀的新工科人才。所以，教师应该走在前面，完成工程技术相关知识的系统学习，成为迈出第一步的开拓者。
新工科建设的一个特点是交叉性强，涉及的学科多、领域广。单一知识背景的老师难以完成所有课程的教学。为解决这一问题，众多高校的新工科建设计划中同时提出了交叉学科人才的多导师共同培养模式，希望通过分工协作，集众人的智慧突破这一难关。借鉴这一模式，我们希望能够同时引入理科和工科背景的老师构建共同培养人才的模式。除各自教授相关领域课程外，更希望理科的老师能够系统地掌握工程技术知识，实现对物理学与工科交叉的无缝覆盖。
（四）欧林工学院“项目引导”模式的普适化
除了知识结构，工科和理科的教学方式也有所不同。在综合性高校新工科研究与实践项目进展交流会上，香港科技大学李泽湘教授对美国欧林工学院的“项目引导”教育模式进行了着重介绍，这种模式可以激发同学们自主学习的热情，大幅度提高教学效果，提升人才培养质量。
在基于物理学培养新工科人才的教学体系中引入“项目引导”模式无疑会提高教学质量。但是这种教育模式对高等学校教师提出了更高的要求，既要熟悉书本上的知识，又要能解决实际中遇到的各种问题。不但要懂得教授课程的内容，还要精通所有可能涉及的领域。只有这样才能有效地对学生进行引导，帮助学生解决实践过程中遇到的各种问题。教学质量的提高离不开教师自身素质的提升。我们希望通过系统化工程技术知识的学习，做到与时俱进，努力提升自我，胜任“项目引导”模式的教学工作。
“项目引导”模式的另一个问题是教学费用高昂。由于每个学生都要在项目的实践过程中进行学习，这就需要大量的项目，每个项目需要一定的资金资助，这就导致它无法成为普适教育。如何能降低“项目引导”模式的成本问题是大规模推广使用的关键。我们希望通过开源和节流两手抓来解决这一问题。一方面，邀请企业参与到项目的设置中来，提供部分资金支持，做企业真正需要的项目。另一方面，充分利用学术竞赛、全国大学生创新创业大赛等政策支持，并行运行，减少项目的开设成本。
这就需要我们在探索中不断前行，创建与兰州大学物理科学与技术学院发展相适应的“项目引导”培养模式。
伴随着科技的发展，产业格局进一步细化，需要对社会分工进行重新划分以适应生产力的发展水平。由于现在的工业体系都是高度知识密集，人才培养要适应新的社会分工必须先改变教育模式，培育出适合未来工业发展的人才。通过各个高校在新工科建设中的不断探索，中国的新工科建设必将推动第四次工业革命的快速发展。
兰州大学物理科学与技术学院力图抓住变革中的机遇，围绕人才培养这一中心任务，启动了以“教学改革”为牵引的综合改革。秉承“分级教学、分类培养、厚实基础、宽泛出口”的原则，积极探索创建连通未来物理学和工科发展的跨专业人才培养模式，培养出能肩负起协调物理学和工科发展的跨专业人才，积极推动促进物理学和工科共同发展。
学院开设的兰州大学-广东奥迪威传感科技联合定制班已经在稳步运行，问卷结果显示，超过90%的定制班同学对我们的培养目标、课程设置及教授方式给予认可。这样的尝试，无疑将会为新工科人才的培养提供积极的参考意义。
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