依托物理学科培养新工科高层次人才

摘  要：为解决新时代国家发展对人才的需求，教育部掀起新工科建设的大潮，设立一系列新工科研究与实践项目，旨在加快工程教育改革创新，培养造就一大批多样化、创新型卓越工程科技人才，支撑产业转型升级。物理学是自然科学的基础学科，在新工科建设中处于基础地位。但是，在众多新工科项目中，探索物理学等基础学科在建设新工科进程中的基础作用的项目还不多。针对这一问题，结合物理学和工科的发展历史，该文探究物理学与工科的相互关系，论述物理学在新工科建设过程中应该肩负的责任。该文以兰州大学物理科学与技术学院开展的教学改革为例，介绍如何通过物理学课程的梳理实现依托物理学科培养新工科高层次人才的思路及开展的实践活动，并简要讨论实践过程中遇到的问题和解决思路。

关键词：物理学；教学改革；新工科；高层次人才培养；实践活动

中图分类号：C961         文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）08-0156-04

Abstract： In order to meet the demand of talents for national development in the new era， the Ministry of Education has set off a tide of construction of new engineering and set up a series of research and practice projects of new engineering， aimed at speeding up the reform and innovation of engineering education， cultivating and bringing up a large number of diversified and innovative talents of engineering science and technology， to support the industrial transformation and upgrading. Physics is a basic discipline of natural science， and it also plays a fundamental role in the construction of emerging engineering. However， there are few projects to explore the basic role of foundation subjects， such as Physics， in the process of building emerging engineering， among many projects of emerging engineering. In view of this problem， combining the development history of physics and engineering， this paper explores the relationship of physics and engineering， and expounds the responsibilities that physics ought to shoulder in the process of construction of new engineering. Taking the teaching reform carried out by School of Physical Science and Technology of Lanzhou University as an example， this paper introduces how to realize the idea of cultivating high-level talents of emerging engineering relying on the subject of physics and the practical activities have been carried out， together with a brief discussion of the problems encountered in the process of practice and the solutions.

Keywords： Physics; teaching reform; new engineering; high-level personnel training; practical activity

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。

一  物理学与工科互为因果、相互促进

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。

二  工科和物理学教育的发展

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。