1958年“大跃进”之际，中国科学院作为全国学术科研中心，虽拥有众多的高级科学人才，却急需补充优秀的后备力量，特别是国内新兴技术学科方面的尖端科技人才。据时任中国科学院党组书记、副院长张劲夫后来回忆：“由于科技工作开展得很快，每年国家分配给科学院的大学生，各研究单位都反映满足不了需要，并在业务对口上不能完全符合要求。因此，1958年初，京区一些研究所的科学家提出：“运用科学院各研究单位高级科学家及中青年科学家众多的优势，采取‘全院办校、所系结合’的办法创办科技大学。”在1958年2月中国科学院部署科学工作大跃进的所长动员大会上，郭沫若提出：“我们加强了科学的队伍。要作事必须要有人要有干部，干部决定一切。必须发挥老科学家的潜力同时培养大量的新生力量。”聂荣臻在1958年3月国家科学规划委员会第五次会议上也提出：“在科学事业大跃进中，摆在我国老一辈的科学工作者面前的任务是很重大的。国家要求他们既要切实从事研究工作，又要热心培养青年干部，在两方面都作出成绩。”“老一辈科学工作者是我们国家宝贵的财产，但是人数终究很少，而且按照自然规律，会逐渐减少或者丧失劳动能力。因此必须把对青年科学干部的培养当作首要的任务。”郭沫若再次强调：“科学进军的最中心的环节是科学干部问题。”“对于最急需的科学部门的干部，还有一种特殊的培养办法，即选拔中学毕业生中各方面都是最优秀的学生，在比较短的时期内，在紧张而严格的教学计划和充分的物质设备的条件下学习最重要的专门知识和技术。”严济慈回忆：“一九五八年初，中国科学院的许多科学家和领导同志一致提出，要改变我国过去采用的办教育的方式，把教育同科学研究密切结合起来，利用科学院的科学家力量比较雄厚、各研究所实验设备条件较好的特长，创办一所新型的社会主义大学——中国科学技术大学。”1958年，在中国科学院对于年轻科技人才与后备科研力量的需求促使下，借鉴苏联充分发挥科学家作用的经验，以研究机构办大学、所系结合的模式，创办一所培养前沿尖端科技人才的大学是大势所趋。利用中国科学院的自身优势，创办一所培养新兴、边缘、交叉学科尖端科技人才的新型大学，是中国科学院领导和许多科学家的共同期望。在中央科学小组的一次会议上，张劲夫向聂荣臻副总理汇报了科学院拟办一所大学的设想，聂荣臻表示值得考虑，并要求中宣部研究一下这个问题。中宣部科学处处长于光远通过教育处处长程今吾致函中宣部部长陆定一，转达了科学院拟办大学的愿望，并强调了张劲夫所提出的“目前科学院干部的补充也存在着问题，各研究所不能很好地挑选自己所需要的大学毕业生”，对办学表示赞同，并提出了三点注意事项。次日，程今吾亦表示同意，并“觉得这个建议很好”。4月24日，教育部部长杨秀峰通过程今吾转报陆定一，表示同意于、程的意见，并建议“科学院同北大协作问题，可以由光远同志召集科学院、教育部和北大共同谈一下。科学院建立大学的整个安排也可以召集我们共同考虑一下。”
中国科学院党组向聂荣臻、中宣部、康生呈交试办大学的请示之后，5月20日，聂荣臻向周恩来总理汇报此事，得到了周恩来的首肯。次日，聂荣臻向中共中央书记处提交报告：“中国科学院拟办一所大学，我认为是可行的。昨日与恩来同志面谈时，他也很赞成。校址科学院曾建议用原华北行政委员会旧址，我与彭真同志谈过，请市委予以调整，请中央批准，以便立即着手筹备暑期招生。”6月2日，经中共中央书记处讨论，中共中央总书记邓小平批示：“书记处会议批准这个报告，决定成立这个大学。”刘少奇、周恩来、陈云等领导人也审批同意了中央书记处的决定。聂荣臻随即批示：“张劲夫同志即办”。
中国科大筹备委员会召开第一次会议，确立了校名并通过了建校方案和本年度招生简章，决定设置12个系。之后赵九章又建议设立应用地球物理系，7月28日，学校筹备处召开的第1次系主任会议决定增设该系。当时高考报名已经结束，在赵九章等人的努力下，四川省提供了支持。中国科技大学1958级地球物理系的学生全是四川人。
中国科学院分管人事、教育的副秘书长郁文（后兼任中国科大党委书记）主持召开会议，研究教学力量问题。张劲夫提出了请吴有训、严济慈主讲物理课的想法。与会人员一致认为学校师资宜采取专、兼职并行的办法。张劲夫提出：“专业、学科领导由一个所主督；教学力量，需要多少，由各所合理负担，但要有为主”。这次会议，基本拟定了“全院办校，所系结合”的办学思路。7月28日，学校筹备委员会举行第一次系主任会议，确定13个系主任、副主任分别由对口研究所的所长、副所长与研究员担任。
中国科学技术大学在北京正式成立，并由郭沫若亲自担任首任校长，当年共招生1634名学生。并于同年9月20日即告开学。
《人民日报》发表评论员文章，称中国科大的成立是“我国教育史和科学史上的重大事件”。
新成立的中国科大所设的13个系41个专业几乎全部都是当时中国科学技术的空白、薄弱环节，最大程度地满足了国家的需求。正如聂荣臻在中国科技大学开学典礼上所说：“......在短时期内使我国最急需的、薄弱的、新兴的科学部门迅速赶上先进国家水平。中国科学技术大学就是在这样的要求下筹办的。”郭沫若也指出:“我们的学校所负的任务主要是为国家培养出搞尖端科学的人才。原有的十三个系都是最近三二十年新发展的科学技术部门，即所谓‘尖端科学’。”钱学森也曾表示：“中国科学技术大学是为我国培养尖端科学研究技术干部的。”他们的讲话，明确指出了中国科大的创办初衷：发展尖端科技，填补我国的空白、薄弱学科。在办学方针方面，中国科大采取“全院办校、所系结合”的办学方针，充分依托中国科学院的科研基础与优势，将中国科大成立时的13 个系分别对口中国科学院的研究所，各系主任和主要的任课教师都由中国科学院对应研究所的领导和科学家担任。建校初期，中国科学院每年到校讲课的科研人员达300多人，严济慈、华罗庚、钱学森、吴有训、柳大纲、赵九章等一批国内最有声望的科学家亲自登台授课。这一模式虽然是在办学时间仓促、师资力量不足的客观条件限制下提出的“全院办校，分头包干”，但是这一全新模式在完成十二年科技规划的背景下强调并实现了教学、科研相结合，很好地满足了国家科技发展与人才培养的需求，亦成为“写在我国教育史和科学史上的一项重大事件”，被证明是培养高质量科技人才行之有效的方针。在“以任务带动科学”的号召下，中国科学技术大学不仅将系的学科建设与各研究所承担的科学任务和研究方向紧密结合，还围绕与国防建设相关的研究领域设置专业。中国科学技术大学的专业设置与教学计划由学校和研究所共同商议决定，高年级学生要去研究所进行科研实习，学校的教师也要到研究所交流并开展研究工作，毕业生的论文由研究所专家负责指导。值得注意的是，在中国科技大学所设的13个系41个专业中很多是与“两弹一星”密切相关的，如1系、8系与原子弹，7系与导弹，13系与人造卫星。尤其是“两弹一星”研制的三大领军人物中，钱学森与赵九章分别是7系、13系的系主任，而钱三强因为公务繁忙没有出面，由赵忠尧代替他担任了1系的系主任。可见中国科技大学的创办与“两弹一星”关系之密切。中国科大是在特殊的时代背景下应运而生的。中国科大的系科专业设置填补、充实了当时我国的空白、薄弱学科，尤其是与“两弹一星”研制相关的学科。以研究机构办大学、所系结合的模式，创办了一所培养前沿尖端科技人才的大学，而这样一所全新模式的大学在当时正好满足了国家科技发展与人才培养的需求。在六十多年的发展历程中，中国科大不负众望，不辱使命，培养出大批优秀人才并取得丰硕科研成果，其享誉世界的办学成就充分证明了当时创办该校的正确性。
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