摘 要：化学是现代学科和产业体系的重要支撑，决定着众多下游学科和产业行业的发展层次和水平。新工科建设背景下，化学如何支撑新工科专业建设和已有专业新工科改造，更好服务于技术创新和新行业、新业态发展，是具有战略意义的课题。化学教指委以承担教育部新工科研究与实践项目为契机，开展了化学类专业新工科建设和改造战略研究，提出基于化学学科开办新工科专业、在已有化学类专业建设新工科特色方向、对现有专业进行新工科改造以及通过改革化学基础课教学内容和教学模式支撑其他工科专业开展新工科建设。
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【论文选刊】张树永 朱亚先 郑兰荪 霍冀川 宋丽娟 徐华龙：化学支撑新工科专业建设和专业升级改造的思路与重点
作者简介：张树永，山东大学教授，本科生院副院长、教学促进与教师发展中心主任；朱亚先，厦门大学教授；郑兰荪，厦门大学教授，中国科学院院士；霍冀川，西南科技大学教授、分析测试中心主任；宋丽娟，辽宁石油化工大学教授；徐华龙，复旦大学教授。
原文刊载于《高等工程教育研究》2021年第三期21-24+75页。
关键词：化学类专业 新工科专业 新工科改造 意义 途径
新工科建设是我国发展未来产业、形成新经济增长点、占据新业态制高点、提高综合国力和国际竞争力、争取国际话语权的重要基础。教育部2016年提出新工科概念，2017年2月正式启动建设，先后形成“复旦共识”“天大行动”“北京指南”等系列指导文件，目的是推动形成工程教育的新理念、学科专业的新结构、人才培养的新模式、教育教学的新质量、分类发展的新体系，全面支撑教育强国、人才强国和科技强国建设。[1,2]
2015年以来，我国新工科专业设置与建设明显加速，教育部《普通高等学校本科专业目录（2020年版）》（《专业目录》）新增专业中，有64个专业具有明显新工科特征。[3] 之前设置的新工科专业主要集中在物联网、大数据、云计算、人工智能等信息技术相关工程领域，涉及推动理科向工科延伸、突破现有工程教育模式、加快科学向技术转化、强化重大工程问题的科学基础研究以及建设基于理科的新工科专业的研究非常少，且主要停留在理论研讨层面[4-6] ，利用综合性大学的优势推进新工科建设的研究更少。[7,8] 这种状况显然不利于新工科建设和战略性人才培养。
截止2020年12月，全国化学类专业布点数超过800个(化学专业317个、应用化学专业471个、化学生物学专业23个、分子科学与工程专业5个、能源化学专业3个)。为更好发挥化学在新工科建设中的基础和引领作用，教育部高等学校化学类专业教学指导委员会（化学教指委）由郑兰荪主任牵头，联合山东大学、厦门大学等22所高校成立项目组，申报了“基于化学的新工科专业设置和建设方案研究”项目 。[9,10] 经过2年多的研究，项目取得重要进展。相关成果对化学类学科专业新工科建设具有指导意义，还可为其他基础学科开展新工科建设提供借鉴。
一、化学类专业开展新工科建设的意义
作为中心学科，化学以数学和物理学为基础，服务于化工、生命、环境、材料、能源、电子、药学、医学、农学、海洋、大气、航空航天等学科领域。[11] 《专业目录》中化学相关专业类有27个，相关专业达84个。[3,12] 特别是近年申报建设的专业如能源化学工程（081204T）、新能源科学与工程（080503T）、储能科学与工程（080504T）、涂料工程（081307T）、精细化工（081308T）、香料香精技术与工程（081704T）、化妆品技术与工程（081705T）、智能材料与结构（080417T）、电子封装技术（080709T）等，无一不以化学为最重要支撑。[3] 化学类专业如何开展新工科专业建设和支撑其他工科专业改造升级，更好服务于我国重大战略需要,是一个具有战略意义的课题。
化学在新技术、新产业、新业态、新模式形成和发展中发挥着基础性、关键性作用。[13] 1746年英国人罗巴克首创铅室法制取硫酸，建成世界上第一个典型意义的化工厂。1791年法国人路布兰以食盐、石灰石、硫酸和煤炭为原料制备纯碱，成为近代化学工业发展的重要里程碑。1905年德国化学家哈伯发明合成氨， 于1917年在德国巴斯夫公司正式投产，成为现代化学工业的起点。[14] 之后，化学和化工高速发展，支撑了包括冶金、建材、石化、塑料、橡胶、纤维、化肥、农药、食品、日化等行业的建立和发展，为现代产业体系建立、完善和发展提供了最强有力的支撑[13,14] ：国际标准产业10大门类、21个大类和99个中小类中，化学相关大类有14个，占三分之二；制造业大类所属33个类别中，化学密切相关的达24个，占比72.7%。[15] 可见，化学和化工产品和应用已渗透到现代社会所有方面，成为现代社会发展进步的重要引领和支撑。但不可否认，化学化工带动现代工业和产业体系的建立和发展主要发生在20世纪初到20世纪80年代，近30年化学科研成果转化为大规模产业和业态应用的实例不多，很多创新成果或因应用导向不足、或因推广应用欠佳而被束之高阁。[16]
解决上述问题，需要将化学类专业建设与新工科人才培养对接，搭建交叉复合人才培养通道，通过加强学生基本科学素养和技术技能教育，拓展学生学科视野和研究开发能力，使之能结合化学的基础知识、基本理论和基本技能，系统采用化学的观点和方法去观察、思考和解决问题，通过开发新思路、新物质、新材料为解决重大技术问题寻找突破口。这是推进新产业、新业态发展的重要途径。[16] 需要通过调整课程教学目标和教育理念，全面支撑化学类工科专业升级改造，增强工科学生的科学素养，增强其提炼科学问题、开展科学研究、解决重大技术难题的能力。探索并建立依托化学学科的新工科专业设置和建设思路，建设突破性、引领性的新工科，进而带动新产业、新业态形成和发展，无论对化学学科的发展还是对产业进步，都具有十分重要的意义。[2]
二、化学类专业新工科建设基本思路
1.设计和建设基于化学的新工科专业。
根据国家发展战略需要和产业升级改造的前瞻性需求，设计基于化学的新工科专业，是此次化学教指委新工科研究与实践项目研究的重点。[10] 为保证新工科专业设计的前瞻性、科学性和可行性，我们提出以下新工科专业设计原则：① 立足新工科理念，充分体现与社会发展需求的紧密衔接和超前引领；② 以问题导向模式进行设计，加强调研，找准战略性、关键性问题和需求；③ 以目标导向（OBE）理念开展设计，保证专业设计的科学性、人才培养的可行性和人才就业发展的适应性；④ 强化与其他学科专业交叉融合，强化综合能力、拓展能力和创新能力培养。[4,13] 特别关注化学学科与生命、材料、能源、资源、环境、医药和高新技术等学科和领域的交叉融合，提出从能源和资源的综合利用、仪器设备与工业分析检测、环境保护与修复、核能工程、食品和轻工等重要应用领域，以及航空航天、深海探测、深空探测、化学与分子机械、化学与分子计算机等尖端科技领域着手开展研究，通过调研分析提出2-3个具有前瞻性、引领性和示范性的新工科专业，按照OBE理念对专业培养目标、毕业要求、培养方案和培养模式提出意见和建议。经过调研和研讨，最终确定从“化学测量学与技术”和“智慧分子工程”两个方向开展基于化学的新工科专业设计。
“化学测量学与技术”专业主要针对我国测量物质化学组成和结构的大型仪器设备研发能力、生产能力和使用水平与发达国家相比存在较大差距、该类仪器设备主要依赖进口、成为我国科技发展战略短板的现状提出的，目的是通过创办该新工科专业，培养大批能开展大型仪器设备原理开发、设计制造、功能开发和使用维护的人才，满足国家战略急需。该专业是建立在化学、物理学、数学、计算机科学、精密仪器制造科学、信息科学、大数据科学、智能科学等多学科交叉融合基础上的综合性专业，属于世界首创。[17]
资源与能源的高效开发与综合利用是影响国家安全与发展的战略领域。“智慧分子工程”专业主要从原子和分子角度研究自然资源与能源的组成、结构、性能及其反应性能之间的关系，以智慧工厂、智慧流程、智能存储和智慧销售为基础，以分子信息库、分子反应规则库等为手段，以社会需求为导向，基于物联网和区块链设计生产流程和工艺，以期实现自然资源的最优利用并产生最大经济社会效益。该专业人才培养涉及反应工程（特别是微化学工程）、储运和营销、大数据、云计算、物联网、区块链、人工智能、虚拟现实等学科领域，是具有前瞻性、引领性的新工科专业。[18] 相关专业建设和人才培养将引领我国资源与能源产业改造升级，创造大量的新技术和新业态。
为指导“化学测量学与技术”和“智慧分子工程”两个新工科专业的建设，化学教指委对专业设置的必要性、可行性、人才需求状况进行了调查分析，明确了培养目标和毕业要求，对相关知识体系给出了较系统的意见和建议。[13,17,18] 2020年，厦门大学和辽宁石油化工大学分别向教育部申请开办“化学测量学与技术”和“智慧分子工程”专业，西南科技大学计划2021年申办“化学测量学与技术”专业。化学教指委还申请了第二批新工科研究与实践项目，推进“智慧分子工程”专业的探索与实践。同时，化学教指委通过在《大学化学》出版“新工科”建设专刊并组织高等学校应用化学专业教学研讨会等方式，积极推介这两个新工科专业，推动有条件的高校积极申办，以满足国家战略急需。2021年“化学测量学与技术”专业已列入教育部专业目录。
除上述两个全新设计的专业外，化学学科近年也在积极按新工科理念开展交叉学科人才培养，设立服务国家战略急需的专业。如南开大学开办“新能源科学与工程”专业[19] ，华东理工大学增设“精细化工”新工科专业等。[20]
2.增设新工科培养特色方向。
新建专业的设计、申请和建设往往周期较长且存在一定难度，作为交叉融合特征比较明显的新工科专业，对师资、课程、条件、管理等提出了更高要求，因此，申办新工科专业面临的挑战无疑更大。在已有专业根据国家战略需要、按新工科理念设置特色专业方向具有响应速度快、课程建设和调整相对便捷的优势，是开展新工科建设的有益方式。
根据学生未来就业和发展的需要设置专业方向、实施学生分流培养，是绝大多数专业的习惯做法，特别是以培养应用型人才为主的专业，这种做法更为普遍，一个专业下通常设置2-3个特色方向。近年不少高校开始按新工科理念设置特色方向，开展新工科人才培养。应用化学专业中，较典型的有青海大学的盐湖化工特色方向[21] 、江南大学的香料和化妆品特色方向[22] 、青岛大学的海洋制药特色方向等。[23] 申办“智慧分子工程”新专业的同时，辽宁石油化工大学也首先在应用化学专业下设立了“智慧分子工程”特色方向。通过试办特色方向，可提前开展师资、课程和条件建设，积累经验，为顺利申报新专业奠定坚实基础。
2019年以来，高等学校应用化学专业教学研讨会连续两年将应用化学专业新工科改造作为主题，化学教指委和应用化学协作组在《大学化学》推出“新工科”建设专刊和“专业特色建设”专刊，推动应用化学专业新工科改造和特色专业方向建设。
3.对现有专业进行新工科改造。
按新工科理念对现有专业进行改造甚至战略性重构，使之更好适应经济社会发展需要，是比申办新专业更便捷高效的新工科建设方式。[16] 此前一些专业改造已开始体现新工科特征，如北京化工大学的理工复合实验班[24] 和大连理工大学的张大煜实验班等，都体现了理工融合和理科向工科延伸的特征。
能源化学专业是厦门大学2015年申请设立的[3] ，为按照“新工科”理念对该专业进行改造使之更好服务于国家能源战略，推进化学前沿成果尽快转化为生产技术和生产力，化学教指委将能源化学专业新工科改造作为案例进行了重点研究。组织开展了调研，对能源化学学科领域和产业发展进行了综合分析[25] ，提出进一步发挥化学在开发新原理、新方法，创设新材料方面的优势，将教学内容聚焦到新型能源载体、新型储能装置的开发和高效制备以及现有能源的高效转化和有效利用等方向，强化工程和工艺设计和实践，培养理工融合的复合型人才。[26,27]
化学教指委应用化学协作组将利用第二批新工科研究与实践项目组织全国和区域性会议，开展应用化学一流专业建设经验交流及会议论文征集、出版专刊等形式，推进调整专业办学定位和人才培养目标，推进更多专业按新工科理念改造。
4.利用新工科理念改造化学基础课。
《专业目录》与化学紧密相关的材料类、化工与制药类、矿业类、轻工类、基础医学类、药学类等专业中[3,12] ，不少专业都属于新工科、新农科、新医科建设范畴。如何发挥化学专业基础课的支撑作用，支持这些专业完成“四新”改造，培养适应新产业、新业态需要的创新性、复合型人才，是大学化学基础课教学必须认真思考的问题。[12,16]
当前大学化学基础课教学存在系统性不足、定位不高、无法支撑工程人才培养目标达成等问题，解决这些问题，首先须强化化学基本教学内容与工程实践前沿的衔接,按能力和素质导向要求对课程教学内容和教学模式进行重构，使教学重点聚焦到学科核心素养培养[12] ,强化学科思维指导下的方法论教学。其次，要更多采用基于案例（CBL）和项目（PBL）的教学，强化基本原理和方法的工程应用；第三，要引导学生学会提炼工程中的科学问题，养成运用化学的世界观和方法论分析和研究的习惯，提升工科学生的科学素养。[28,29] 此外，通过推进工科专业认证，明确化学基础课的科学素养培养目标，是做好化学基础课新工科改造的重要抓手[30] ，也是大学化学基础课支撑其他专业新工科建设的必然要求。
作为最具创造性的中心学科，化学学科和化学类专业必须积极参与新工科建设，通过分析国家发展战略需要和解决重大工程技术问题的急需，通过设置新工科专业、设置新工科特色方向、对已有专业进行新工科改造和改革化学基础课教学目标和教学模式，更好服务于新工科人才培养。
（感谢“基于化学的新工科专业设置和建设方案研究”项目组全体成员及2018-2022年教育部高等学校化学类专业教学指导委员会应用化学协作组全体成员对课题研究和本文撰写所做贡献。）
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