摘 要：为适应生物质加工利用领域科技和产业发展趋势、探索“新工科”建设模式，四川大学在传统生物质利用专业“轻化工程”的基础上，开展了创建“生物质科学与工程”新工科专业探索实践。新专业在培养目标、课程安排、科研与工程能力培养等方面探索了继承与创新及厚基础、宽口径与学有专长的有机结合途径。在师资队伍和育人条件建设方面，着重践行了跨专业、学科交叉融合，以及资源开放和协调与共享。
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【先睹为快】石碧 彭必雨 刘晓虎 何有节：高校传统工科专业教育改革研究与实践 ——生物质科学与工程新工科专业建设实践
关键词：新工科 传统工科 教育改革 生物质
一、生物质科学与工程专业建设背景
生物质泛指自然界有生命的、可以生长的各种有机体，包括植物、动物和微生物。生物质具有可再生性、环境友好性、分布广泛及资源丰富等特点。人类利用生物质如木质纤维素、家畜动物皮、微生物等已有悠久历史，由此发展出一系列传统生物质加工利用产业，如制浆造纸、制革、发酵、制糖等。这些传统生物质资源利用产业一直是我国重要的民生行业，因此我国高校设置了为其培养专门人才的“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。
随着科学技术发展和社会需求变化，近年来，生物质资源利用逐渐发展成为涉及分子生物学、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。以生物质资源为原料，加工获得非传统生物质材料、生物质化学品、生物质能源产品，已成为生物质利用领域的前沿发展方向，催生着许多新兴产业的诞生。[1-4]如以生物质为原料开发的淀粉酯、乙酸纤维素复合物、聚交酯、热塑性蛋白、聚羟基丁酸酯、胶原基生物医用材料、秸杆人造板、木基塑料复合材料等新材料，显示了巨大的替代相关石化产品的前景；以生物质为原料开发1, 2-丙二醇、1, 3-丙二醇、环氧氯丙烷、燃料乙醇、生物柴油、生物丁醇等大宗基础或能源化学品，已成为各国竞相发展的绿色产业。[5-8]因此，很多国家已将发展生物质产业作为国家重大发展战略。
显然，按传统行业分类设置的“轻化工程”本科专业知识体系已落后于学科发展前沿，培养的人才已不能完全适应产业发展需求。[9,10]根据“新工科”理念，高校工程学科教育应主动应对新一轮科技革命与产业变革，主动适应未来技术和产业发展新趋势和新要求。通过反复论证，经四川大学批准，我们于2019年开始建设“生物质科学与工程”专业，期望通过实践探索传统工程专业教育改革路径，引领“轻化工程”专业未来发展方向。
二、专业建设基本理念及定位
1.坚持继承与创新有机结合
建设“生物质科学与工程”专业的主要目的，是为了更新专业知识结构，以满足生物质材料、生物质化学品、生物质能源等新兴产业发展的需要。对相关高校、行业协会和企业的广泛调研发现，制浆造纸、制革、制糖、发酵等行业是我国利用生物质资源的优势传统产业，作为拥有14亿人口的大国，我国不可能放弃这些民生产业。从战略高度看，在大力发展高新技术的同时，继续巩固和发展业已形成的传统产业全球竞争优势，是我国未来成为世界经济强国的重要策略。因此，建设新工科专业并不是摒弃传统专业，而是把培育新工科专业和改造提升传统工科专业相结合，以继承与创新、交叉与融合、协调与共享为主要途径，构建立足当今、面向未来的专业人才培养体系，使新专业培养的人才既能支撑传统产业的持续发展和转型升级，又能适应产业发展的未来需要。
实际上，传统和新兴生物质利用产业虽然产品结构差异大，但都是对大宗生物质资源的转化利用，有许多共性科学方法和技术原理。而且，它们在科学理论和技术原理上可相互借鉴、融会贯通。因此，新专业建设坚持继承与创新的有机结合十分重要。
2.建设厚基础、宽口径、有专长的本科专业
为既满足传统产业持续发展和转型升级对人才的更高要求，又使培养的学生能适应新兴产业发展需要，"生物质科学与工程"专业的建设应突出“厚基础、宽口径、有专长”的特点。一方面，让学生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，具备运用现代科学技术，经济、洁净、有效地利用生物质资源造福人类的意识和能力；另一方面，至少在一个生物质产业领域具备系统的专业知识、工程实践和创新能力，从而使学生既能立足于当前，又能适应未来。
三、“生物质科学与工程”专业建设实践
为探索传统“轻化工程”专业教育改革模式，在充分论证、规划的基础上，四川大学2019年5月以“跨学科专业-贯通式”人才培养平台专项建设项目的形式，创建了“生物质科学与工程”新工科创新实验班（“创新班”）。按创新班建设的基本理念及定位，针对性地确定了创新班的培养目标、课程体系和培养方案，完成了师资队伍和培养条件建设，形成了学生选拔机制和管理模式。
1.培养目标及专业教育课程设置
根据专业建设背景及基本定位，确定新专业培养目标为：培养德、智、体、美、劳全面发展，具备数理、化学、化工、生物、材料、能源等学科的基础理论知识，掌握生物质原料学、生物质转化与利用技术等专业知识, 兼具深厚人文底蕴、强烈创新意识、宽广国际视野，能根据生物质科学与工程领域未来技术和产业发展新趋势和新要求，开展科学研究、工程设计、技术创新等工作的复合型人才；且在动物生物质材料（涵盖皮革工程）、植物生物质材料（涵盖制浆造纸工程）、生物质化学品（涵盖制糖工程）、生物质生物转化工程（涵盖发酵工程）、生物质能源工程等1-2个方向具有系统的知识结构、工程实践和创新能力。 按新专业建设的基本理念及定位，培养目标同时强调了两方面的要求——既要有宽厚的生物质科学与工程知识，又要学有专长。
对培养目标进行细化，凝练了毕业目标，以“面向产出”为导向，制定了包括知识体系构建、创新思维、工程理念和创新能力培养等要素的系统培养方案和课程体系。
“生物质科学与工程”专业总课程为170个学分，其中通识教育课程45个学分，专业教育课程94个学分，实践教育课程31学分。根据培养目标，对专业教育课程进行了精心设计（表1）。专业课程设置主要考虑以下几点：1）通过专业核心课程（必选）的教学，使所有学生系统掌握生物质科学与工程领域的重要基础知识，培养学生具有良好适应科技和产业发展的能力；2）专业必选课中，按该领域主要学科方向设置了5个“方向模块”，学生可根据自己的兴趣及相关产业人才需求情况，重点选修1-2个模块课程，从而使学生学有专长，满足各产业方向对人才的需求；3）将传统生物质利用产业的专业知识融合到对应“方向模块”课程，既传承又提升了传统“轻化工程”专业的行业服务能力。
采用“方向模块”培养模式，比较适合我国高校的实际情况，有利于本项教育改革研究成果在全国高校推广应用。由于历史原因，目前各高校“轻化工程”专业人才培养方向差异较大，有些主要培养制浆造纸及植物生物质方向的人才，有些主要培养皮革工程及动物生物质方向的人才，有些则主要在制糖工程、发酵工程、添加剂化学与工程等的某个方向培养人才。专业必选课采用“方向模块”形式，有利于提高相关高校对专业教育改革的适应性，在不断拓展专业内涵的同时，突出各自人才培养特色。
基于课程体系，进一步凝练了课程目标，梳理课程知识点和课程目标的关系，设计了课程教学大纲、教案、课程考核和评价方案，按“两性一度”金课要求，对重点课程和教材建设进行谋划和布局。
课程类别 | 必修/选修 | 课程（学分） | 需获学分 |
学科基础课 | 必修 | 数、理、化、生等学科基础课程22门（53） | 53 |
选修 | 高分子化学等学科基础课程5门（10） | 4 | |
专业核心课 | 必修 | 生物质科学与工程概论（1）；蛋白质化学（3）；植物纤维化学（3）；微生物学（3）；生物质过程工程（3）；生物质材料与化学品分析技术（3） | 16 |
专业必选修课 | 必修 | 方向模块1-动物生物质（涵盖皮革工程）：动物生物质原料及加工原理（2）；蛋白质基功能材料（2）；制革工艺学（4）；鞣制化学（2）；动物生物质加工助剂（2）；动物生物质加工机械与设备（2） | 14 |
方向模块2-植物生物质（涵盖制浆造纸工程）：植物生物质原料及加工原理（2）；纤维素基功能材料（2）；制浆造纸原理与工程（4）；生物质精炼概论（2）；植物生物质加工助剂（2）；植物生物质加工机械与设备（2） | |||
方向模块3-生物质化学品（涵盖制糖工程）：生物质化学品概论（2）；糖化学（3）；生物质催化反应工程（3）；生物质基精细化学品制备原理（2）；生物质加工工程（2）；生物质化工设备（2） | |||
方向模块4-生物质能源：生物质能源工程概论（2）；生物质能源技术与理论（3）；生物质转化过程工程学（3）；生物质热化学转化技术（2）；生物质燃料（2）；生物质能源转化装备（2） | |||
方向模块5-生物质生物转化工程（涵盖发酵工程）：生物质生物转化技术概论（2）；发酵过程及控制（3）；生物反应工程（3）；生物质酶催化转化技术（2）；基因工程（2）；生物反应装备（2） | |||
专业任选课 | 选修 | 生物质废弃物资源综合利用技术、生物质材料与工程前沿技术、生物质医用材料、天然产物化学毛皮工艺学、加工纸与特种纸、酿造工艺学、油脂化学等专业任选课16门（30） | 7 |
注：必选一个方向模块全部课程，并在其它四个模块和专业任选课程中选修7个学分 |
2.实践和创新能力培养方案
特别注重学生实践和创新能力培养，将工程化的理念、实践能力和创新能力提升融入教学，激发学生的创新创业意识和活力，提升学生的创新创业能力。因此，设计了“两阶段”培养模式，即专业基础知识体系构建与科研基础能力培养阶段、科研和创新能力培养阶段。
低年级阶段（大一和大二），通过通识教育和学科、专业基础课程的学习，使学生掌握学科的基础和专业理论知识，通过“科研探索”和“专业认知实习”等课程培养学生的基本科研、工程素养和意识；高年级阶段（大三和大四），学生在学习专业理论课的同时，通过“科研训练”“创新实践”“企业实训”和“项目制”课程培养学生的科研/工程能力和创新能力。
教学安排上，新专业实行导师制，学生自通识教育阶段起即在导师指导下开展学习和科研探索工作，以指导教师的研究方向为牵引，以生物质科学与工程前沿科学问题激发学生的学习和探索兴趣。分别在大一暑假、大二学期和大二暑假，安排三个阶段的《科研探索》实践课程，学生进入生物质科学与工程不同研究方向的课题组或研究平台，开展轮转制科研素养培养和实验技能的培训。这一方面可丰富学生的阅历、让学生较全面地了解专业的科技内涵及其社会需求，另一方面使学生接受不同专业背景导师的科研思想熏陶，结合个人爱好和自身特点逐渐找到最感兴趣的方向。大三、大四阶段，学生可结合自己选定的专业“方向模块”课程，选择相应课题组和指导老师完成“项目制”课程、“科研训练”“创新实践”和毕业论文/设计等实践课程。同时，设置“生产实习”和“企业实训”（包括海外实习、实训）等课程培养学生的工程能力。
我们期望该培养模式能在培养学生掌握基础知识、专业知识和技能的同时，提高学生的家国情怀、跨学科知识体系、自主终身学习、批判性思维、沟通与协商、创新创业、工程领导力和全球视野等方面的素养和能力，更好促进培养目标的达成。
3.师资队伍和育人条件建设
四川大学本科教育发展规划是“建设一流专业、进行一流人才的培养、办最好的本科教育”；工科专业的主要发展方向是通过跨专业、学科交叉融合，建设高水平“新工科”专业。我们遵循学校本科教育发展规划和“新工科”专业建设思路，以轻工科学与工程学院为基础，汇聚全校生物质科学与工程方面的人才和优势条件，完成“生物质科学与工程”专业师资队伍和育人条件建设。
新专业的专职教师为45人（教授24人），其中28人来源于轻工科学与工程学院的轻化工程专业、生物工程专业（发酵工程方向）和食品工程专业，17人来源于化学学院、生命科学院、高分子材料工程国家重点实验室、国家生物医学材料工程技术研究中心等单位。教师组成主要考虑植物生物质、动物生物质、生物质化学品、生物质生物转化工程、生物质能源等教学方向的人员平衡。各方向负责人由院士、国家级教学名师、国家特聘计划专家等担任。同时，强化师资队伍创新和工程化教学能力，通过培训、研讨，特别是通过构建校企实训平台、组织教师参与企业技术挂职等方式，全面提升师资队伍指导工程实践的能力，聘任了28名校外专家为兼职教师来完善师资的组成结构。
在人才培养条件方面，轻工科学与工程学院安排固定教学和科研用房5500平方米。同时，作为协作共办单位，学校制革清洁技术国家工程实验室、高分子材料工程国家重点实验室、国家生物医学材料工程技术研究中心、国家固态酿造工程技术研究中心（四川大学分中心）、绿色化学与技术教育部重点实验室、生物资源与生态环境教育部重点实验室、四川省食品科学与技术专业实验室为“生物质科学与工程”专业的学生提供了科研训练、创新实践和完成毕业论文的场地和实验研究条件。
4.学生选拔方式和管理办法
作为四川大学“跨学科专业-贯通式”人才培养平台专项建设项目，“生物质科学与工程”专业每年4-5月在全校理、工、医本科一年级学生中选拔优秀学生（目前50人/年）进行组班培养。报名条件是：对生物质科学及生物质资源开发利用技术有强烈兴趣，有从事相关科学研究和工程实践工作的愿望和初步规划，学习成绩专业排名位列年级前50%，外语应用能力达到全国大学外语四级水平考试良好及以上水平。对符合报名条件的学生进行专家组面试，重点考察选拔对象的综合素养和培养潜质。最终以专家面试得分从高到低为序确定“生物质科学与工程”专业的入围人选。
建立了辅导员、班主任和导师协同育人机制。由专职辅导员进行学生的思想政治教育和日常事务等工作管理；选拔德才皆备的学术骨干担任创新班班主任，学生的思想引领、学习指导、生涯导航、生活释惑，促进学生全面成长成才；实行导师制，导师主要负责学生的学术能力培养，同时对学生的思想教育、职业发展、心理健康等进行指导。
实行竞争和激励机制，保证创新班的人才培养质量。建立了“本-硕”和“本-博”贯通式培养模式，在学校支持下，约40%品学兼优的学生直接进入硕士或博士阶段学习，培养更高层次的人才。
前期研究工作中，我们对“轻化工程”这一传统工科专业教育改革问题进行了广泛调研和研讨，对该项教育改革的重点、原则和方式作了较系统的阐述和论证，主要观点已在《高等工程教育研究》发表。本文的工作是上述研究成果的实践。在这一实践探索中，我们尽量使规划的改革工作具有示范意义，并具有可操作性，以便于在相关高中推广应用。教育改革不可能一帆风顺但付诸于实践十分重要，它使我们可以在实践中不断总结经验教训，从而不断进步。
【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
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