摘要: 在当今这个科技日新月异、学科交叉融合日益频繁的时代背景下，跨学科教育改革显得尤为重要。它不仅能够打破传统学科间的壁垒，还能促进知识的深度融合，培养出能够适应快速变化世界的复合型人才。论文旨在探讨构建化学、生物学、材料学等交叉学科学生能力培养的新模式，以适应社会对复合型人才的迫切需求，研究了当前化学、生物学、材料学学科交叉应用的前景，并分析了传统学科教育模式的局限性，包括学科界限固化、跨学科能力的缺乏以及师资队伍建设的不足等问题。此外，文章提出了一种全新的交叉学科教育模式，该模式以提供高平台保障、师资多元化、提供体制机制保障为核心，旨在培养学生的综合知识结构、创新思维和跨界合作能力。
Abstract: Under the background of the rapid development of science and technology and the frequent integration of disciplines, the reform of interdisciplinary education is particularly important. The reform not only breaks down the barriers between traditional disciplines but also promotes the deep integration of knowledge, cultivating composite talents capable of adapting to the rapidly changing world. The purpose of this paper is to discuss the construction of a new model for the ability training of interdisciplinary students in chemistry, biology and materials science, in order to meet the urgent need of society for composite talents. It studies the prospects of interdisciplinary applications in chemistry, biology, and materials science and analyzes the limitations of traditional disciplinary education models, including the rigidity of disciplinary boundaries, the lack of interdisciplinary capabilities, and the insufficiency in faculty team construction. In addition, this paper puts forward a new cross-disciplinary education model, which focuses on providing high platform guarantee, diversified teachers and institutional guarantee, aiming at cultivating students’ comprehensive knowledge structure, innovative thinking and cross-border cooperation ability.
1. 引言
在当前科技革命和产业变革不断深化的背景下，为了在重大科学问题和核心技术上取得突破性进展，发展交叉学科和培育具备新时代特征的交叉学科学生已成为迫切的需求。化学、材料学与生物学这三门学科，各自有着独特的研究范畴与方法论，然而它们之间日益紧密的交织关联，正在勾勒出一幅全新的科研蓝图，催生出众多突破性成果，从仿生智能材料到靶向药物递送系统，跨学科应用的实例不胜枚举。这一趋势不仅重塑了前沿科研的格局，也为高等教育领域敲响了革新教学模式、培养复合型人才的警钟。
跨学科教育，作为一种新兴的教育模式，旨在打破传统学科间的壁垒，促进不同学科知识的融合与创新。此外，跨学科研究与跨学科教育相伴而生，是跨学科人才培养的重要途径[1]。化学，作为自然科学的支柱之一，长期以来在物质的组成、结构、性质及其变化规律的研究中发挥着核心作用。然而，随着新一轮科技革命和产业变革的推进，传统化学研究的范畴已经无法满足现代社会对于创新科技的需求。化学与其他学科的交叉融合，不仅能够催生新的研究方向，还能够在分子层面上为解决全球性挑战提供解决方案。目前随着社会对新材料研发、生物医学工程、环境修复技术等领域专业人才需求呈指数级增长，市场渴望的不再是单一学科背景的“专才”，而是兼具化学深度、材料学巧思与生物学洞察力的“通才”[2]。同时，随着材料科学、生物技术等领域的兴起，化学与其他学科的交叉融合日益增多，从纳米技术到生物医药，从能源存储到环境治理。因此，培养具备交叉学科能力的化学专业学生，已成为高等教育的重要任务。
研究生教育是我国教育体系的最高层次，肩负着高质量高层次人才培养和创新创造的重要使命[3]。尽管我国的研究生跨学科培养正在稳步推进，但仍处于探索阶段，面临着学科界限固化、培养管理部门碎片化、师资队伍松散等诸多问题。目前，世界多国掀起了跨学科教育与研究热潮，美国、英国、日本等发达国家已建立起特色鲜明的跨学科人才培养体系[2]。在跨学科学生培养目标中，阿尔卡赫和戈德曼通过对以色列高校环境学科跨学科项目的分析，提出硕士课程包括理论论述和应用组件，对教师的要求不断专业化，在培养学生综合性能力的同时，也促使教师提升作为研究者的素养[4]。麻省理工学院聚合物和软物质项目由生物工程、化学、化学工程、材料科学与工程和机械工程五个部门联合组织，旨在为对聚合物领域感兴趣的学生提供教育机会，同时促进不同背景的学生、教师和其他相关人士之间的社区和协作精神。这种模式为其他高校提供了跨学科教育的组织和实施经验，有助于培养具有创新精神和团队合作能力的科研人才。而普林斯顿大学材料科学联合博士学位培养项目涵盖化学与生物工程、化学、化学与环境工程、土木与环境工程、电气和计算机工程、地球科学、机械和航空航天工程等多个专业领域，学生需要选修至少三门项目内课程，核心课程与选修课程结合，项目的师资队伍为跨学科教师团队，并且通过组织参与行业互动会、研讨会等多样化的教育实践活动，激发学生的学术研究兴趣。通过借鉴在这些项目的成功经验，国内高校可以更好地推动跨学科教育的发展，培养更多具有创新能力和全球视野的高素质人才。
2. 传统学科培养模式的利弊
传统学科培养模式往往侧重于学科内部知识的深度挖掘[5]，强调理论和实验技能的系统性训练。这种模式在化学领域表现为对经典化学理论的深入学习，在生物学中体现为对生物体结构和功能的详细探究，在材料学中则体现为对材料性质和加工技术的全面掌握。传统学科教育虽然侧重于单个学科知识的传授，但为跨学科素养的培养提供了潜在基础。在生物和化学学科知识的基础上，能够更好地理解和分析细胞生物学中的细胞的功能和活动都依赖于化学反应的持续进行等。这些跨学科素养的萌芽，是在传统学科教育深度培养的基础上逐渐形成的，为学生未来在跨学科领域进行创新和研究提供了可能。然而，这种深入挖掘单一学科知识的方式更多地限制了学生对跨学科知识的整合能力，难以适应现代科研中化学、生物学、材料学相互融合的趋势。将传统学科教育去芜存菁，与交叉学科教育相结合将是未来学科发展的必然趋势。
2.1. 学科界限固化
传统学科培养模式往往将化学、生物学、材料学等学科划分为独立的领域，缺乏跨学科的整合[6]。学科界限并无法精确划定，大量的关键科学问题，无法简单地归属于某个特定学科[7]。学科界限的固化可能导致知识的碎片化。每个学科都发展出自己的理论框架和研究方法，导致跨学科的沟通和合作变得困难。研究者往往局限于自己的领域，难以看到其他学科的视角和方法，这限制了创新和综合性解决方案的产生。并且这种固化限制了学生对跨学科知识的整合能力，难以适应现代科研中化学、生物学、材料学相互融合的趋势。例如，在纳米生物材料的研究中，需要化学家、生物学家和材料学家的紧密合作，而传统模式下培养出的学生可能在跨学科思维方面存在局限。
2.2. 跨学科能力的缺乏
随着科学的发展，化学、生物学、材料学等领域越来越显示出跨学科的特性。然而，传统教育模式往往忽视了对学生跨学科综合能力的培养。例如，在材料科学的发展跟不上新技术革命的步伐，材料性能满足不了某些特殊要求，材料的开发仍不能摆脱炒菜式的研究模式，没有很好的方法根据需求来构筑或设计材料。在生物学教育中，传统的教学方法如讲授式教学，导致学生的学习是被动的，无法激发学生的学习兴趣和探究欲望，影响了学生的学习效果和核心素养的培养[8]。
2.3. 师资队伍建设的不足
交叉学科的带头人需要有较强的组织、协调和领导能力，以及较高的学术水平和前瞻眼光，构建一个卓越的教师团队是激发学生创新能力的核心要素[9]，但在材料科学教育的当下，我们面临着师资队伍中部分成员的知识结构陈旧、创新动力缺失以及实践经验匮乏的问题。
3. 交叉学科人才的社会需求
3.1. 科技创新的需求
交叉学科人才的缺乏已成为制约创新的关键因素。随着科技创新、突破与发展越来越依赖于多学科的交叉、融合，对复合型人才的培养提出了更高的要求。面临当前国内外的诸多科技难题，应当广开门路，积极引进、培养能推动交叉学科发展的复合型人才。近25年来，交叉合作研究获诺贝尔奖的比例接近50%，学科交叉融合成为当前科学技术发展的重大特征[10]。因此，加强交叉学科教育、打破学科壁垒、构建综合性评价体系，对于培养能够适应未来挑战的创新人才至关重要。
3.2. 复合型人才培养
跨学科教育的根本任务是立德树人，面对新一轮的科技革命、技术进步、产业格局的变化，人才培养模式需要改革创新。这一改革的目标是培养具有创新能力、实践能力、跨界能力，且能够适应变化和解决问题的复合型人才[11]。在高校培养复合型人才的过程中，应该注重跨学科的交叉融合，提供多元化的专业课程，帮助学生构建符合工程应用的知识体系在这一过程中，学科交叉融合成为当前科学技术发展的重大特征，对于培养复合型人才具有重要的实践意义。因此，大力发展交叉学科是培养复合型人才的必要手段，是高等教育回应社会需求的必然选择。交叉学科教育通过整合不同领域的知识，能够有效提升学生的综合素质。它鼓励学生在解决实际问题时运用多种学科的视角，培养批判性思维和创造力。通过交叉式学科学习，学生不仅能掌握学科知识，还能提高团队合作能力和沟通技巧。这种跨学科的学习方式使学生更好地适应未来复杂的社会需求，为其终身学习奠定坚实基础。通过交叉学科的设置和建设，可以在一定范围内有效带动交叉课程的建设和学科交叉研究，对于带动整个学校探索复合型人才培养模式有着重要的实践意义。
3.3. 学科交叉融合的体制机制保障
学科交叉融合的体制机制保障是推动高等教育创新和科技进步的关键。良好的保障机制是学科体系构建的基础。保障机制主要包括管理机构的成立、人事聘任管理机制的建立、评价机制的建立、基础设施建设与经费投入等[12]。为学科交叉融合提供强有力的体制机制保障，需要学校自上而下地做好规划，成立交叉学科学位分委员会，理顺交叉学科学位授予机制体制，在人才引进和集群聘任工作中正式公布研究团队的学科背景，加强专职科研人员、博士后队伍建设，为开展有组织的科研提供多学科的理论视角和方法支撑，此外不应忽视经费投入的建设，为学科交叉融合的体制机制提供资金保障。
4. 新模式构建策略
4.1. 提供高平台保障
为交叉学科人才培养提供高平台保障是关键[13]。通过构建交叉学科平台，培养学科交叉兴趣点，借助平台交流，发掘并解决新问题。这包括支持广泛的交叉学科研究，国内一些高校正在试验一种新型的交叉复合人才培养模式，华中师范大学致力培育具备多学科专业优势的高素质复合型人才，开设了“化学–生物学”、“数学–物理学”、“数学–经济学”、“计算机–美术”、“化学–物理学”、“日语–国际贸易”等多个交叉培养实验班[14]。清华大学化工专业将人工智能与生命科学的内容融入专业限选课，依托学校实验平台，开展线下实践和线上云直播、云操作，以培养学生的实践创新能力。四川大学将化工与能源、环境、信息技术进行交叉融合，发展了“化工 + X”多学科交叉的人才培养模式，以此来推动化工学科建设和人才培养[15]。同时，提供丰富的理论实践培训，举办跨学科高水平学术会议、定期进行交叉学科学术研讨等来促进交叉学科研究。
传统学科教育，以严谨的系统性、可靠的稳定性以及深邃的深度，展现出其独特的优势。它为学生构建了坚实的学科知识基础，使学生能够深入掌握各学科的核心概念和基本原理。当学生在多个传统学科领域都有一定的知识积累后，就容易产生跨学科的思考。交叉学科教育则强调知识的融合与创新。它打破了传统学科的界限，鼓励学生从多个学科的角度去思考和解决问题。要将两者的优势结合起来，需要在课程设置上进行创新。在课程设置上，可以设计一些融合传统学科和交叉学科内容的课程，将不同学科类似的核心课程进行总结归纳，非核心课程可设置为选修课，例如可为材料学学生开设生物方向的综合性课程，给予学生更多选择。同时要加大宣传力度，让有需求的学生有效掌握跨学科学习资讯，可建立跨学科学习信息管理系统[16]。通过这样的课程设置，学生不仅能够深入探索材料与生物的交叉领域，如生物材料、组织工程等，还能在学术道路上拥有更多元的选择，为未来在跨学科研究或应用领域的发展奠定坚实基础，激发他们的创新潜力和学术热情。
4.2. 配备优秀教师队伍
跨学科专业导师团队是多学科交叉融合人才培养课程体系能否实施的关键，交叉学科学生往往需要花更多的时间与各个学科的教师进行交流和合作[17]。教师是教育工作的主体，合格的师资是保证教学质量的必要条件，传统单一的学科型师资结构难以适应复合型人才的培养需求，构建多元化的跨学科师资团队是促进高校专业人才培养的重中之重[18]。教师在传统学科教育中通常只教授知识，一味地“输出”知识，而在交叉学科人才培养中，应转变为“引导者”只提供思路，鼓励学生开发创新思维，激发学生跨学科学习动机，从而培养学生主动求知和自主学习的能力。在教学方法上，组建跨学科的师资团队，教师可以来自不同的学科背景，共同参与教学和科研。此外可以实行联合导师培养制，每个学生配备多个来自不同学科背景的导师，确保学生能获得多个角度的指导。如为生物、化学、材料学的学生在第一学年开设不同专业实验室实践，由不同学科导师带领进行引导性教学，如有学生对其他专业迸发强烈的兴趣或天赋，应该适时提供转专业“绿色通道”。高校应重视跨学科领域师资队伍的建设与优化，打破传统教师聘用制度的束缚，加强不同院系、学科背景的教师间的协作与交流。同时，完善专职教师及外聘教师的考核聘用制度，邀请校外各领域的知名专家学者共同参与，使教师真正参与到跨学科人才培养当中。
4.3. 实施主题性教学指导
课程改造涵盖传统学科课程到主题课程，目前的课程仅考虑了单学科知识的纵向衔接，往往重视学科归属和逻辑体系，讲究系统性和连贯性的特点，却没有考虑到多学科知识的横向拓展[19]。跨学科专题学术研讨课是高质量发展阶段需要加强的课程。这种课程形式在欧美等国称为“主题课程”，以目前现存问题为核心(环境问题、医疗问题)，学生可以根据情景进行学习探讨，思维碰撞，形成涉及多学科的科学化综合性课程体系。开展项目式跨学科主题课程是新课标背景下的必然趋势，各学科核心素养的凝练中，其内涵都凸显了实践育人的重要性，这也是项目式跨学科主题学习设计的重要原则[20]。通过设计综合性跨学科主题课程项目可以鼓励学生主动探索，激发创新思维，同时培养团队协作和领导力[21]。它不仅加深了学生对各学科知识的理解，还增强了他们应对未来挑战的能力，为学生的全面发展和职业生涯打下坚实的基础。
4.4. 优化考核评价体系
传统教育考核评价往往侧重于知识的机械记忆与单一学科的应试能力，难以全面衡量学生的综合素质与跨学科应用能力。为此，我们应从多维度出发，构建更加科学、合理、全面的评价体系。改革单一学科评价制度，不唯项目，不唯论文，建立以质量、贡献、绩效为导向的成果与人才评价体系，其次，在评价主体上要体现多学科性，在评价方式上要体现科研合作精神，积极营造开放、多元、宽松的学科交叉文化氛围[22]。再次，评价方式要多样化。打破单一的笔试模式，采用笔试、口试、实践操作、作品展示、小组讨论等多种评价方式相结合。对于化学、材料学和生物学这类实践性较强的专业，实践操作应占更大比重。
通过这些措施，我们可以充分发挥传统学科教育和交叉学科教育的优势，培养出既有深厚学科基础，又具备跨学科创新能力和实践能力的高素质人才，为社会的发展和进步做出更大的贡献。
5. 结语
在全球化的知识经济时代，构建化学、材料学、生物学等交叉学科学生能力培养的新模式，已成为顺应科技潮流、满足社会需求的关键举措。这种新模式的构建，不仅要求我们打破传统学科之间的壁垒，还需要我们重新思考和设计课程体系，使之更加灵活、多元和互动。通过整合不同学科的知识和技能，我们能够培养学生的综合解决问题能力，以及在复杂多变的环境中进行创新的能力。虽道阻且长，但凭借课程、实践、师资全方位革新，辅以实践经验累积、挑战攻克决心，定能培育大批兼具扎实专业功底与创新跨界能力的卓越人才。为多领域科技突破注入不竭动力，重塑高校跨学科人才培养新格局。通过这样的努力，我们不仅能够培养出适应未来社会和经济发展需求的高素质人才，还能够推动科学研究和技术创新，为解决全球性挑战贡献智慧和力量。
基金项目
湖北大学研究生教育教学改革研究项目(JGYJS202344)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。