摘 要：轻化工程是传统轻工类工科专业，为我国制浆造纸、制革等生物质资源加工利用产业输送了大量人才。随着科技发展及社会需求变化，基于生物质资源的生物质材料、生物质化学品、生物质能源等新兴产业正快速发展。按行业设置专业的模式已不能适应未来科技和产业发展的新趋势和新要求。系统调研和研讨发现，基于传统和新兴生物质产业的共性科学和工程技术知识，构建厚基础、宽口径的生物质科学与工程专业，以替代轻化工程专业，既能使人才培养支撑传统产业的持续发展和转型升级, 又能适应未来技术和产业发展的需求。
其他
【先睹为快】石碧 廖学品 彭必雨 何有节 刘晓虎：高校传统工科专业教育改革模式探索 ——“轻化工程”专业教育改革研究
关键词：工科专业 传统专业 教学改革 轻工业 生物质产业
一、研究背景
1.我国高校“轻化工程”专业现状
制浆造纸、制革、制糖、发酵是人类应用历史悠久、技术体系比较完善、对人类生活和社会发展做出了重要贡献的传统生物质加工利用行业。它们是我国轻工行业的支柱产业，占国内生产总值（GDP）3%～4%左右，从业人员约1000万人[1-5]。为满足这些产业的科技发展和人才需求，我国高校设立了“轻化工程”本科专业（主要包含制浆造纸工程、皮革工程等方向）和“轻工技术与工程”研究生培养一级学科（主要包含制浆造纸工程、皮革化学与工程、发酵工程、制糖工程等二级学科）。这些专业和学科的人才培养基本定位是针对行业需求培养高级专业技术人才。目前有55所高校设有“轻化工程”本科专业或/和“轻工技术与工程”研究生培养学科[6]，每年培养5000名左右服务于制浆造纸、皮革、制糖、发酵等传统生物质加工行业的本科生和硕博士研究生。
2.专业发展面临的问题
制浆造纸、制革等是我国优势传统产业，对经济建设、出口创汇、服务民生有重要贡献，将来也必不可少。为这些产业培养高级专门人才的本科专业具有特定重要意义。但随着社会和科技发展，“轻化工程”专业面临的问题日益突显，主要体现在：
（1）专业划分过细、专业覆盖面较窄、社会适应度不足，与“新工科”面向产业未来发展、学科交叉融合等理念相距较远[7,8]。同时，专业分类与国际未接轨，专业的科学内涵不够清晰。这些问题不仅制约了专业及相关学科发展，也使新生入学报考志愿率偏低（平均<20%），转专业率较高，越来越难以满足相关产业发展的需求。[9]
（2）本科生与研究生培养的衔接存在问题。基于生物质资源利用的轻工类人才培养体系主要包括“轻化工程”本科专业和“轻工技术与工程”研究生培养一级学科。如图1所示，“轻化工程”本科专业主要培养方向有制浆造纸工程和皮革工程，它们有对应的硕博士研究生培养二级学科；但发酵工程、制糖工程等研究生培养二级学科却没有与之相衔接的本科专业。不同层次人才培养的衔接一直存在较大问题，甚至比较混乱。
图1 轻化工程本科专业与轻工技术与工程研究生学科的衔接关系
（3）图1显示，目前“轻化工程”本科专业和“轻工技术与工程”研究生培养学科都属传统专业和学科，服务于传统产业/行业。其共同特点是，以生物质（动物、植物、微生物）为原料，加工获得传统产品。但自上世纪末起，以生物质为原料制造非传统的、具有广阔应用前景的生物质材料、生物质化学品和生物质能源的研究和开发工作快速发展，已成为这些专业和学科的共同前沿发展方向。目前基于行业的专业和学科设置模式，实际上已不能适应未来技术和产业发展的新趋势和新要求，严重制约了社会和科技发展对人才培养的新要求。
二、调研情况及分析
针对存在的问题，结合“新工科”发展理念，在教育部新工科研究与实践项目 “我国轻工类专业新工科建设的研究与实践”支持下，教育部高等学校轻工类教学指导委员会组织相关高校开展了系统调研和研讨，对“轻化工程”相关产业现状、发展趋势、人才培养需求等形成了以下共识。
1.传统产业转型升级需要知识面宽广的专业人才
从相关产业看，传统制浆造纸、制革、制糖、发酵等产业均在实现转型升级。其共同趋势是，在满足传统产品生产的同时，实现生物质资源的高附加值、多途径绿色利用。如传统制浆造纸行业是将木质纤维素中的纤维素提取出来制造纸张，而将大量的木质素、半纤维素作为废弃物处理。随着木质素、半纤维素被广泛开发利用，一些制浆造纸企业正成为植物纤维素、半纤维素、木质素等植物主要成分的分离和综合利用平台。[10,11]再如，传统制革企业是将家畜动物皮制造成皮革，随着胶原基功能材料[12]、生物医用材料[13]、功能食品[14]等高附加值胶原产品的开发，一些制革企业正转变为蛋白质材料及胶原基化学品生产平台。[15]传统生物质资源加工产业急需运用多学科前沿技术实现转型升级，迫切需要人才培养突破传统专业范畴的束缚，培养知识面宽广的复合型专业人才。
2．生物质转化利用正催生一批战略新兴产业
传统制浆造纸、制革、制糖和发酵技术是人类利用生物质资源的成功范例。随着社会和科技发展以及人类对环境和资源问题的关注，以生物质为原料加工获得非传统的生物质材料、生物质化学品和生物质能源，已成为科技和产业界关注的前沿发展方向，受到各国政府、科研机构和产业界的高度重视，成为许多国家优先发展的战略领域。实际上，各国对生物质转化与利用领域研发工作的高度重视，正在催生许多新兴产业的诞生。
（1）在生物质材料领域，国内外已开发的淀粉酯、乙酸纤维素混合物、聚交酯、热塑性蛋白、聚羟基丁酸酯等可生物降解的热塑性材料，显示了巨大的替代源于石油的相关材料的前景，是当前各国竞相发展的绿色产业；[16]正在开发的生物质基高强度纤维材料、膜材料、天然高分子复合材料和功能材料等，可望最大限度替代塑料、钢材、水泥等不可再生材料，是国际新材料产业发展的重要方向和战略性新兴产业。[17]许多国家在积极资助和鼓励生物质基高分子材料的开发和利用。美国能源部预计到2050年以植物等可再生资源为基本化学结构的材料比例将达50%[18]。我国生物质材料是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》的优先主题。目前秸杆人造板、木基或生物质基塑料复合材料和农作物秸秆复合材料产业发展迅速，同时生物质胶黏剂、生物质基碳质吸附新材料和功能生物质材料等也在研发和产业化过程之中。[19,20]
（2）在生物质化学品领域，为有效降低人类对石油的依赖，通过生物质资源的化学、生化、热化学转化制备中间化学品、专用化学品、酶制剂等产品的研发和产业化工作正蓬勃开展。美国计划到2020年化学基础产品（中间化学品）中至少有10%来自木质生物质，2050年提高到50%，[21]其他国家和地区也纷纷制订了相关战略目标。世界经合组织(OCED) 2004年9月的研究报告指出，各国应大力支持和鼓励高附加值生物质化学品生产领域的技术创新，减少与传统化石原料的价格差距，以最终达到替代的目标。欧盟提出到2030年生物基原料替代6%～12%的化工原料、30%～60%精细化学品由生物质制造的目标。近年来，以工业生物技术生产生物质化学品已成为该领域的研究热点，许多大型跨国公司已将其作为重要产业发展方向。如美国杜邦（Dupont）公司在世界上首次利用生物法生产出1, 3-丙二醇（PDO）（生产聚乳酸的原料）；陶氏（Dow）等精细化学品公司在不断提高以生物催化手段生产生物质化学品的研发能力；日本将生物质化学品研发重点放在多聚物材料上，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）纤维与树脂实现了一定规模的产业化。[22]我国生物质化学品研究起步较晚，但生物质产业作为战略性新兴产业，得到国家大力支持，以生物质为原料生产1, 2-丙二醇、1, 3-丙二醇和环氧氯丙烷等大宗化工产品已实现或接近产业化。[23]
（3）生物质能源是各国生物质开发优先发展的方向之一。生物质能源产品包括燃料乙醇、生物柴油、生物丁醇和氢[24,25]。乙醇是其中非常重要的产品，这是因为乙醇可直接用作燃料，同时又是合成其它化学品的前体或原料。美国国会2000年6月通过了《生物质R&D法案》，欧盟1997年发布了《能源的未来：可再生资源》白皮书，日本内阁2002年12月通过了《日本生物质综合战略》。2017年，美国燃料生物乙醇产量为4410万吨，巴西为2128万吨，我国燃料乙醇产量（产能）在260万吨左右，国家能源局《生物质能发展“十三五”规划》提出到2020 年燃料乙醇产量达到 400 万吨，可见，我国燃料乙醇产业与世界先进国家相比还有很大差距。过去生物质能源发展主要依赖粮食作物，不仅成本高，而且威胁粮食安全。未来生物质能源的发展应以秸杆等废弃生物质为原料，通过技术创新和进步，实现生物质能源的可持续发展。
由此可见，生物质材料、生物质化学品及生物质能源产业在国内外的发展均非常快，正在形成战略性新兴产业，与之相关的职业需求必然呈爆发式增长。
3.相关高等教育明显落后于产业发展需求
显然，人类对生物质的利用正发生根本性变化。生物质利用已从传统制浆造纸、制革、发酵、制糖和简单燃烧产热，发展为涉及分子生物学、微生物学、化学、化学工程、生物化工、生态工程、材料学、能源工程、农业工程等多学科交叉和融合的工程科学。它是一个新兴的生态产业链群体，包含许多新的经济增长点和新兴产业生长点。
调研发现，由于生物质产业的重要意义，国内外已有大批高校和科研院所开展相关研究工作或建立了研发平台。美国新墨西哥州立大学、加州大学、康奈尔大学，德国特里尔应用技术大学、汉诺威大学、亚琛工业大学、慕尼黑工业大学等，均设立了与生物质有关的课程和研究方向。国内的武汉大学、中国科学技术大学、西安交通大学、华南理工大学、四川大学等已将生物质能源、生物质化学品及生物质功能材料确定为重要研究方向[26]；中国科学技术大学建立了“生物质洁净能源重点实验室”、西北农林科技大学建立了“旱区生物质能研究中心”、南开大学建立了“生物质类固废资源化技术工程中心”；浙江大学化学工程与生物工程学院围绕生物质大分子功能化、生物质定向化学转化、生物质生物催化与转化、生物活性物质分离与纯化、低品位生物质的资源化等方向开展了大量研究工作。
特别值得指出的是，由于我国高校“轻化工程”本科专业和“轻工技术与工程”研究生培养一级学科的共同特点是以生物质为原料，加工获得传统生物质材料（如纸张、皮革）、生物质化学品（如糖类、发酵产物、酶制剂）等产品，这些专业和学科对相关科技发展前沿的敏感度最高。随着科技发展及学科交叉，这些专业和学科的研究范畴、服务对象、产品目标不断拓展。通过传统技术与新技术的交叉融合，以相同生物质为原料，加工获得非传统的、具有广阔应用前景的新型功能材料、基础有机化学品、清洁能源材料，已成为这些专业和学科的共同发展方向。但受传统专业、学科知识体系及特定服务行业的限制，如何向学生传授学科前沿知识、使学生更好适应产业未来发展，面临着障碍。
综上，“轻化工程”专业的名称和内涵已不能反映专业、学科的发展现实，也不能满足相关产业发展的实际需求，呈现典型的高等教育落后于学科和产业发展的现象。
三、专业改革思路
“轻化工程”专业教育改革势在必行。经过多次研讨，我们认为，专业改革需遵循“新工科”建设思路、回应社会变化和需求，立足当今、面向未来，把培育新工科和改造提升传统工科相结合，既为支撑传统产业转型升级等当前需要培养人才, 又要为支撑新型产业培育发展等未来需求培养人才。
1.专业教育改革的原则
（1）保持原专业优势，能更好服务于相关传统产业。我国的制浆造纸、制革、发酵、制糖等是优势传统产业，也是重要的民生产业。专业改革不是要削弱原有功能，而是使其能更好服务于这些产业；使培养的学生具有更广阔的科技视野、更宽厚的基础和专业知识，能更好促进传统产业的转型升级。
（2）突破传统专业、学科体系的局限，构建能适应学科和产业未来发展、具有共同科学和技术基础的新专业。让学生掌握生物质结构与性能及其转化的基本科学规律，能运用现代科学技术，经济、洁净、有效利用生物质造福人类。
（3）注重学科交叉融合，拓展专业知识面、适应面。使学生能适应未来产业发展需要，成为生物质材料、生物质化学品、生物质能源等未来新兴产业所需的专门人才，满足我国生物质新兴产业快速发展对人才的需求，为生物质基产业的发展及参与国际竞争奠定良好的人才基础。
2.专业改革模式
生物质的利用现状、发展趋势及相关高等教育人才培养情况可用图2概括。其中制浆造纸、制革、制糖、发酵等产业历史悠久、规模较大，因此高校已有本科专业（轻化工程）和研究生学科（轻工技术与工程）为其培养专门人才。但快速发展的生物质材料、生物质化学品、生物质能源等战略性新兴产业尚无对应的人才培养专业。
高校不可能根据产业发展而不断新建专业，而是应使设置的专业有宽广的适应面，能满足产业未来发展的需求。实际上，无论是传统的还是新兴的生物质利用产业，它们都有共同的科学原理和技术基础——都需要系统掌握生物质原料学、生物质结构与性能、生物质转化与利用技术等基础和专业知识。因此，按照面向未来产业发展需求、适应产业转型升级、促进学科交叉融合等 “新工科”建设理念，建议将高校“轻化工程”专业更名为“生物质科学与工程”专业。其专业内涵从传统按照行业需求界定的知识体系，转变为以共性科学原理和技术基础为主、兼顾行业需求的知识体系。
图2 生物质利用产业人才培养现状及改革举措图
该教学改革举措可同时产生以下重要作用：（1）形成名称规范、与国际接轨、符合科技和产业发展需求、科学和技术基础清晰、适应面广阔的高校本科专业；（2）彻底解决本文第一部分所述的专业发展面临的问题，促进专业高质量发展；（3）可较好解决传统专业高等教育落后于产业发展的现状，既满足新兴产业发展的需求，又满足传统产业转型升级对人才的更高要求。
3.改革后的本科专业与研究生学科的衔接
“轻化工程”本科专业改为“生物质科学与工程”专业后，随着其知识结构的优化和适应面的拓展，该本科专业与研究生学科的衔接会更加合理，可采取图3或图4所示的两种选择。这两种方式都符合本科教育注重厚基础、宽口径，研究生培养适当集中方向的基本原则。同时，随着本科专业名称和培养内涵的改革，图1所示的本科生与研究生培养衔接不顺的问题也不再存在。
图3意味着，研究生培养一级学科中也应适当增加面向产业未来发展的生物质材料、生物质化学品、生物质能源等二级学科。图4建议研究生培养学科参照本科教学改革思路，调整方向更趋于按照学科分类而非传统按照行业分类。即一级学科修改为“生物质科学与工程”，与本科专业名称相同；二级学科则按学科内涵分类为生物质材料、生物质化学品、生物质生物转化、生物质能源等。制浆造纸、制革、制糖、发酵等本来是这些二级学科的重要内容，因此可作为主要方向包含在这些二级学科中。这并不意味着削弱传统产业的人才培养，而是为这些产业培养基础知识更系统、视野更广阔、能适应产业未来发展的专门人才。
图3 本科专业与研究生学科衔接模式一
图4 本科专业与研究生学科衔接模式二
四、结束语
随着科技和产业发展，“新工科”建设势在必行。但这类教育改革不是对传统工科的摒弃，而是对传统工科的提升。目的在于使培养的人才既能支撑传统产业的持续发展和转型升级,又能适应未来技术和产业发展的新趋势和要求。
“新工科”建设要求高校、教师、学生都要在理念上有所改变，需要在实践中不断改进。为探索“轻化工程”专业教育改革问题，基于本研究结果，四川大学已于2019年开设“生物质科学与工程”创新实验班（招生50人/年），集全校相关优质教育资源开展传统本科专业教育改革实践探索工作。我们将及时总结创新班的进展情况及经验和教训，供大家参考和批评。
[1] 中国轻工业联合会,中华全国手工业合作总社.栉风沐雨七十载砥砺奋进再扬帆-中国轻工业礼赞新中国七十华诞[J].轻工标准与质量,2019(5):3-12.[2] 李玉中.皮革行业经济运行情况分析及中国皮革协会2020年度工作要点[J].皮革与化工,2019, 36(5): 40-44.
[3] 中国造纸协会.中国造纸工业2018 年度报告[J].造纸信息,2019(5): 6-16.[4] 赵伟.中国造纸工业2019年生产运行情况[J],造纸信息,2019 (12): 9-12.[5] 卢涛，石维忱.我国生物发酵产业现状分析与发展策略[J].生物产业技术,2019 (2): 5-8.
[6] https://www.dxsbb.com/news/10622.html.[7] 张恒,蓝惠霞,杨晓玲,等.新旧动能转换背景下轻化工程传统专业建设新工科的思考[J].黑龙江造纸,2019 (4): 38-41.[8] 安俊健,张光彦,王鹏.“新工科”理念下轻化工程专业人才培养探索[J].教学研究,2019, 42(5): 74-80.[9] 王强,陈嘉川,杨桂花,等.轻化工程专业国际化人才培养模式的探索与实践[J].中国轻工教育,2018 (3): 75-78+91.[10] 陈丽卿.生物质精炼技术与制浆造纸的结合[J].中国造纸学报,2019, 34(3): 77-81.[11] 孙润仓.基于制浆造纸的木质纤维素工业化生物精炼与利用[J], 2019, 国际造纸技术报告会论文集,12-14.[12] LIU C, WANG X L, HUANG X, et al. Absorption and reflection contributions to the high-performance of electromagnetic waves shielding materials fabricated by compositing leather matrix with metal nanoparticles[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(16):14036-14044.[13]SORUSHANOVAA, DELGADO L M, WU Z N, et al.The collagen suprafamily: from biosynthesis to advanced biomaterial development [J], Advanced Materials, 2019, 31(1): 1801651.[14]PAULC, LESERS, OESSERS. Significant amountsof functional collagen peptides can be incorporated in the diet whil emaintaining indispensable amino acid balance [J]. Nutrients,2019(5): 1079.[15] LI X, ZENG W C, ZHUD Y, et al. Investigation of collagen hydrolysate used as carbon and nitrogen source in the fermentation of bacillus pumilus [J]. Process Biochemistry,2017, 55:11-16.[16] MIKA L T, CSEFALVAY E,NEMETH, A,et al. Catalytic conversion of carbohydrates to initial platform chemicals: chemistry and sustainability[J]. Chemical Reviews, 2018,118(2): 505-613.[17]SUN ZH,FRIDRICH B,DE SANTI A,et al. Bright side of lignin depolymerization: toward new platform chemicals[J]. ChemicalReviews, 2018,118(2): 614-678.[18]松正. 生物质精细化学品[J]. 精细化工原料及中间体, 2009 (2): 38-39+17.[19] 张世鑫, 陈明光, 吴陈亮, 等. 生物质利用技术进展[J]. 中国资源综合利用, 2019, 37(4): 79-85.[20] 吴冰峰, 杨丽娜,李剑, 等. 生物质模板剂制备介孔材料研究进展[J],化工进展, 2018, 37(7): 2685-2693.[21]刘宁,张忠法.国外生物质能源产业扶持政策[J].世界林业研究,2009, 22(1): 77-80.[22]红枫.生物质化工产品拓展开发和应用[J]. 精细化工原料及中间体, 2009, (3): 35-40.[23] 刁晓倩, 翁云宣, 黄志刚, 等. 国内生物基材料产业发展现状[J],生物工程学报, 2016, 32(6): 715−725.[24] 梁栢强. 生物质能产业与生物质能源发展战略[M].北京工业大学出版社, 北京，2013.[25] 马隆龙,唐志华,汪丛伟,等.生物质能研究现状及未来发展策略[J]. 中国科学院院刊, 2019, 34(4): 434-442.[26] http://www.okaoyan.com/kaoyanzhuanye/225753_2.html.
更多精彩，敬请期待！
版权所有，未经授权，请勿转载
了解最新的高等工程教育研究新动向
快扫码关注我们吧！！！