2020年，习近平总书记对研究生教育工作做出重要指示，强调“研究生教育在培养创新人才、提高创新能力、服务经济社会发展、推进国家治理体系和治理能力现代化方面具有重要作用”、“完善人才培养体系，加快培养国家急需的高层次人才”[1]。科学技术飞速发展，将最新技术应用于研究生培养，深入推进科教融合已经成为业界关注的重要问题。

一、科教融合内涵、影响与挑战

(一) 科教融合主要模式

科教融合是一流人才培养的新要求，也是新时期高等教育的本质特征、系统结构和组织方式[2]。世界范围内科教融合的模式主要有四种：内生模式，大学建立实验室，作为研究生科研训练的平台；嵌入模式，将国家实验室建在大学周边，由大学托管，国家实验室与大学有着密切合作关系并且进行人员互聘；协同模式，发生在集中设立有综合性、实体性科研机构的国家，科研机构与大学合作培养研究生以获取新生力量，其下属实验室是科教一体化的实施机构；延伸模式，科研机构设立研究生院，将科研资源转化为教育资源，研究生既是培养对象也是科技创新的生力军[3]。其中，内生模式是中国最主要的科教融合模式，但科研教学两张皮的现象由来已久，如何更好更快地将科研内化为教学并建立合理的评价激励制度，已然成为问题的关键。

(二) 新工业革命产生和发展

当前，以人工智能、生命科学、物联网、机器人、新能源等等一系列创新为突破点的新工业革命正在发生。伴随着新工业革命的深入，数字技术进一步拓展，物理世界不断改革，整体环境产生变化，物理空间、网络空间和生物空间三者的融合正在不断加深。对比前三次工业革命，从速度上看，新技术不断催生更新、更强大的技术，呈现出指数级发展速度。从广度与深度上看，建立在数字革命基础上的技术，正在不断改变人们所做的事情和做事的方式，甚至改变人们自身。从系统性影响上看，各行业间的互联性不断提升，正在推动社会各个体系的变革。

(三) 新工业革命对科教融合的影响和挑战

新工业革命实质上是新能源、新材料、新技术与互联网的创新、融合与运用，以数字制造技术、互联网技术和再生性能源技术的交互融合为主要标志，推动社会生产方式、制造模式、生产组织方式等方面发生变革[4]，对高等教育科教融合理念和方式提出了巨大的挑战。

一是随着信息技术的渗透扩散和深度应用，创新链各环节之间的联系更加紧密，跨学科领域、集成化的协同创新不断深化。通讯信息技术的变革，使得高等教育的信息技术得到了前所未有的跨越式发展和普及。各种慕课、网络课程、云教育、智慧课堂等新通信技术支持了新的教育方式，不仅颠覆了传统的面授教学方法，也改变了传统的师生角色。教师的“教”和学生的“学”不再局限于现实课堂，而是延伸至网络上，网络远程教育以全新的教育模式、快速的传输速度、广泛的传播范围改变着传统的教育方法。

二是创新速度不断加快，革命性创新持续涌现，新技术手段改变科学研究方式，新成果不断叠加并向纵深发展。技术与工程创新速度加快，新技术的应用引发工艺技术、系统流程、生产方式、管理模式与商业模式的变革，进一步深刻改变工程实践的性质和工程教育模式。

三是知识的获取方式发生巨大改变，知识更迭和技术创新的速度不断加快，学科专业的知识边界进一步活跃，对学生能力的需求不断提升。新工业革命下需要人才懂技术、经济，还会管理、创新，是一种新兴复合型的实践性人才，当前高等教育培养人才的知识结构还不能完全适应新工业革命的要求。高等教育除传统的知识传授外，更应面对大数据技术、新能源、新材料，以及各种交互式网络通信平台，把最新前沿科技知识和信息如新材料技术、生物工程等纳入课程体系。注重从学历转向学力、能力的培养，注重从学科中心、教师中心、课程中心转向学习者中心、自主学习力中心、资源整合中心，注重从固定、短期、封闭的学校教育转向动态、终身、开放的教育[4]。

二、创新型研究生培养存在的问题

(一) 服务社会发展需求能力有待提升

创新型人才需要具备的能力除了专业知识能力、实践能力，还要有服务于社会发展需求的科技创新能力。未来战略领域对创新型人才的需求是高素质复合型的，不仅需要在某一学科领域学识精深，而且对其它学科领域也需涉猎。目前，研究生培养过程中，还是以传统的教学目的为主，即满足于学科需要，着眼于科学技术前沿的教学行为多，而领先于社会需求，着眼于解决复杂社会问题的培养较少，研究生在校所学落后于知识技术发展，无法满足社会发展需求。

(二) 跨学科学习和交流存在壁垒

科学技术的发展呈现明显的多学科交叉融合趋势，需要创新型人才具备更为广阔的学术视野，通过对各种观点、方法、技术的甄别和选择，寻找创新途径，提升创新能力。在目前研究生培养中，知识结构过度专业化，跨学科学习交流存在一定困难。高校一般采用传统的校-院-系的“科层式”组织结构，无法满足学生对资源利用的需要，客观上限制了不同学科间人员和资源的整合与共享。研究生通常采用专业化培养模式，学科专业独立性及排他性较强，课程设置相互独立，缺乏融合与渗透，专业屏障为跨学科交流设置了屏障，抑制了创新能力的培养。

(三) 导师知识发展速度与资源配备存在不足

优秀导师资源供给不足成为制约创新型研究生培养的重要问题。由于知识更迭速度快、技术创新幅度大，研究生导师的知识结构、知识水平和对前沿知识的把握存在不足，在研究生培养上的思路理念、方法都存在一定程度的落后现象，进而对研究生创新能力的塑造有不同的影响[5]。研究生招生规模急剧膨胀导致研究生导师队伍数量不足问题日渐突出，造成了一位导师每届招收多名研究生，失衡的师生比致使导师很难为每名研究生量体裁衣，制定培养方案。

三、基于材料基因工程研究的创新型科教融合研究生培养

为了提高研究生创新能力，解决创新能力培养需求与课程体系、师资队伍、教学内容、平台建设之间的矛盾，学校着力利用材料学科近几年在材料基因工程研究领域取得的研究成果，并汇聚国内外顶级专家学者加强师资力量，从多个层面改革创新研究生培养模式，在教师队伍建设、课程设置、内容选择、教学组织形式、课堂形态和考试评价等方面进行了前瞻性探索和试验，开展了一系列创新型科教融合研究生培养的实践研究。

(一) 材料基因工程提出背景与发展

材料是经济发展的支柱，是创新驱动的基础，新材料制约着航空航天、国防军工、通讯信息等一系列新兴高科技产业的发展。材料基因组借鉴了人类基因组的概念，探究材料组成-结构-性能之间的关系，实质上是一种材料研发方法的变革，即通过计算机、数据库、材料学等多学科融合，实现材料大数据支撑下的通过理论预测指导实验开发的研究方法。这种方法改变了传统的通过经验不断试错的研究方法，可以大大加快新材料研发的效率和速度，加快材料“发现-研发-生产-应用”过程。

材料基因工程研究促进了材料前沿科技的发展，也将推动材料科学与工程教育体系的变革。培养和造就一批具有材料基因工程新思想、新理念，掌握新方法和关键技术的创新人才队伍，为材料产业的创新发展奠定人才基础和优势，成为材料领域人才培养的核心任务[6]。

(二) 基于材料基因工程研究的创新型研究生培养

1. 教学内容前沿化

完善课程体系是科教融合背景下培养创新型研究生的首要问题。材料基因工程产生了一系列原创性的基础理论和关键技术，研制了一批具有自主知识产权的工艺和装备。将这些科研成果转化为优质教学资源，运用到研究生教学，建设以拓展学生前沿视野、提升课程新颖性的优质研究生课程，是科教融合提高研究生创新能力的重要举措。

按材料基因工程理念涵盖的方向进行分类，以最新取得的科研成果为基础，形成了材料大数据、材料学、计算机、信息学等多学科融合的新课程体系——材料基因工程研究生课程体系。该课程体系分为学科基础课-高级计算语言与程序设计、计算材料学、人工智能与机器学习基础，学科专业课-材料基因工程概论、材料高通量计算理论与方法、材料高通量制备技术、材料高通量表征技术、材料服役行为的高通量评价与模拟、材料大数据技术、材料基因工程技术应用案例等共10门课。这10门课的内禀关系如图1所示。

材料基因工程系列课程从两个方面凸显了创新性。

首先，着重培养研究生建立材料基因工程研究理念，突出了计算机、大数据技术在未来材料研究开发中的重要地位，引导学生在材料研究中主动采用大数据分析方法，擅于应用计算机技术，理解并接受从第一性原理开始的跨尺度计算指导高通量实验以及大数据挖掘结合机器学习辅助高通量实验的全新研究方法。32学时的高级计算语言与程序设计，围绕材料理论计算所需的基本计算方法与软件，讲授Matlab和Python等计算语言，并行计算与机器学习算法等知识，使材料学科研究生掌握计算材料学研究所必须的计算机和编程能力，以及开展材料数据挖掘和机器学习所需的基本算法及软件的使用能力，具备利用人工智能技术开展科研的能力。32学时的计算材料学则讲述第一性原理、分子动力学、相场、有限元等多维度计算理论、模型、计算方法及其在材料科学中的应用、适用范围与局限性。在研究生入学后的第一学期安排这两门基础课程，于第二学期设置材料高通量计算理论与方法和材料大数据技术，使得整个知识体系具有衔接性。

其次，创新性体现在以最前沿的学术成果启发研究生，课程内容包含了大量的最新研究成果。例如，在材料基因工程应用技术案例课程中，加入2019年中科院物理所发表在《Nature》上的利用自主开发的多靶磁控溅射共沉积设备，开展Ir-Ni-Ta-(B)高温非晶合金的设计以及高通量实验研究成果，利用该方法一次即完成1000个成分点以上的快速制备和表征，比传统非晶合金探索方法效率高1000倍以上。在材料高通量制备技术课程中，介绍了自主研发并于2018年和2020年分别获得中美两国授权的发明专利——螺旋梯度连铸高通量实验装置，利用该方法可实现大尺寸金属结构材料的快速制备和筛选，满足所有性能测试和表征需求。在材料大数据技术课程中介绍了发表在《npjComputationalMaterials》上的基于数据驱动、面向性能要求的多元复杂铜合金成分快速准确设计新方法，以及通过该方法开发的可满足高端集成电路引线框架性能需求的具有自主知识产权的高强高导铜合金体系(抗拉强度800MPa、导电率50%IACS)。

2. 师资队伍最优化

吸收专业人员建立教学团队是培养创新型研究生的重要支撑。材料基因工程系列课程由中国工程院谢建新院士牵头制定教学大纲、确定教学内容并组织教师上课。10门课程的负责人均为国家十三五“材料基因工程专项”项目或课题负责人，是材料基因工程研究领域的顶级专家。不同研究方向的课程负责人依据自身科研成果以及对本方向国内外科技动态的了解，讲述领域内研究热点，扩宽学生的科学视野。

系列课程中的7门学科专业课程采用内选外聘、专兼结合的方式，从校内、校外以及国外聘请一批领域专家进行授课，如美国俄亥俄州立大学教授、中科院上海硅酸盐所的研究员、四川大学教授等，共同组建了一支融合国内外一流科研水平的跨学科教师团队，授课内容均为专家在材料基因工程研究方向的最新研究成果。授课教师组成的多元化使学生受益匪浅，一方面可以学到领域内最先进最前沿的知识；另一方面，由于专家研究方向各异，利于学生开阔眼界并在未来的科研工作中进行交叉融合。

随着材料基因工程研究的不断深入，这种材料研究的新理念、新方法被越来越多研究人员、教师和学生接受。通过四年的课程建设和完善，材料基因工程系列课程的选课人数逐年上升，尤其计算机、大数据方面的课程尤为明显。材料高通量表征技术课程学生人数由33人增加至87人，高级计算语言与程序设计课程学生人数由49人增加至102人，材料大数据技术课程学生人数由7人增加至54人。选修的学生也从材料学科扩展到冶金、机械等学科。

3. 教学资源完善化

开展创新型课程教学需要完善配套的教学资源做支撑，材料基因工程以高水平科学研究支撑高质量人才培养，将学校材料学科的科研优势和科技力量转化到高层次人才培养中，将国家级科研项目变为培育人才的沃土。十三五期间，北科大共牵头材料基因工程专项中的6个项目和16个课题，同时参与40余项课题的研究工作。依托这些国家级重大科研项目，在科研活动过程中对研究生进行系统的科研训练，通过科教融合提高研究生创新能力。

通过原创性科研项目培育独立思维创新型人才，如在开展《成分连续梯度分布的合金棒材连铸技术与装备》课题研究过程中，针对课题组自主知识产权的螺旋梯度连铸技术，4名研究生导师先后带领4名博士研究生、18名硕士研究生共同开展高通量制备装置的设计、开发研究工作。研究生在导师启发之下，设计了自动配料装置、编写了配料数学模型，等等。由于课题完全自主开发，几乎从“零”开始，充分调动和激发了研究生的创造性和原创思维。

通过多学科联合研究的科研项目培养灵活多面创新型人才。材料基因工程的基本理念是变革传统的“试错法”材料研究模式，发展“理性设计-高效实验-大数据技术”深度融合、协同创新的新型材料研发模式。

几十年来，各种材料研发已经产生海量的实验数据，通过深度分析并利用这些数据，推演出更高性能的新材料成分和制备工艺，可以减少盲目的试错过程，提高研发效率。这种研发模式需要将大数据和人工智能技术在材料领域应用，建立数据驱动的新材料研发模式，即材料科学研究的“第四范式”。材料专业教师承担的《材料基因工程专用数据库和材料大数据技术》项目和计算机专业教师承担的《国家材料基因工程数据汇交与管理服务技术平台》项目，均需材料、计算机、数学多个专业的教师和研究生共同完成，对同一个研究生有主修专业的正导师和合作专业的副导师共同指导。研究生在前述的课堂学习阶段学习了计算机编程、数学算法及材料高通量实验的相关基础知识，在科学研究阶段则由不同专业的导师指导开展科研工作。

例如，采用材料基因工程方法开展前沿新材料——高熵合金的研发时，学生首先将发表的学术论文中的数据建立成数据库(信息学科)，然后建立基于bp算法的神经网络模型(数学学科)，再利用Python软件编写计算程序计算(计算机学科)推测出更高性能的可能高熵合金成分范围，最后通过高通量制备和表征方法制备出多个实验材料并快速表征筛选出最优成分及最优性能(材料学科)。这些不同学科专业知识在科研过程中由研究生导师进行传授并答疑解惑，进而通过实现跨学科专业知识的融会贯通。

4. 教学过程开放化

2017年学校获批建设国家级和北京市的两个科研平台“材料基因工程学科创新引智基地”和“北京材料基因工程高精尖创新中心”，主要围绕材料计算与设计、新型金属/功能材料制备、高通量表征与服役性能评价等几个方向，在材料基因工程领域开展广泛的国际交流与合作。基地聘用了包括美国材料基因组计划总统顾问GregoryOlson教授等20位海内外院士在内的140余位知名学者来华来校讲学、授课或短期工作。这些学者不仅通过课堂和讲座与研究生面对面交流，介绍国外材料领域的创新研究方法，开阔学生国际视野，还深入课题组、实验室，针对具体研究内容与研究生展开讨论。通过几年的建设，这两个国际化平台逐步成为具有重要国际影响力的高端人才交流合作平台，也为研究生营造出一流的学术氛围。

2017年学校第一次牵头举办“材料基因工程高层论坛”，至今已连续主办四届并担任大会主席，每届均汇集海内外近40位院士和千余名学者参会，报告人均为国家材料基因工程专项研究人员，报告内容均为最新研究成果，成为具有重要影响的国际学术会议。大批本校和协办高校的研究生作为会场工作人员协助办会，从不同侧面和角度参与学术活动。部分研究生带着研究成果走上讲台作报告，参与本领域高端学术交流，接受顶级专家的质询和指导。这种开放的教学过程，使学生增加了见识，开阔了思维。

5. 教学管理制度化

教学管理制度是教学管理方式有效顺利实现的前提和基础，明确的教学管理制度不但有利于保证创新型研究生培养的规范性，也有利于保证教学效果的有效实现。除了学校规定的督导听课评课、领导抽查检查、教师试卷分析等制度外，材料基因工程系列课程还制定了特殊有效的教学管理体系、教学质量奖惩机制，为创新型研究生培养提供重要保障。

一是建立教学大纲和教学内容更新制度。由于材料基因工程研究前沿成果不断涌现，每年暑假由谢建新院士牵头组织课程负责人对次学年的教学大纲进行统一修订，不断增补修改最新科研进展，推进课程知识体系更新和完善。

二是严格落实主讲教师责任制，无论课堂由外聘或内聘专家授课，主讲教师均必须到场，负责向学生介绍讲课专家的基本信息、主要成果、主要授课内容，并在提问、讨论、答疑环节协助专家共同开展教学活动，同时要把握授课质量，对授课质量负责。对于学生反馈质量差的课堂教学，开展教学组内提醒、警示及撤换主讲教师资格等三级惩戒机制。

三是实施学生成绩讨论考核制。为了激发学生创新思维，系列课程的授课形式多样化，侧重灵活性、互动性，鼓励学生课堂积极发言、参与讨论，课程最终成绩要求包含30～50%的平时成绩。

6. 教学方式现代化

疫情防控常态化背景下，依托“互联网+教育”，进一步加强虚拟仿真实训、MOOC专业教学资源库、数字化教材等资源建设，积极推动线上线下混合式教学模式。出台相应措施形成外部激励，鼓励开发基于混合式教学模式课程，引导组建创新型教师团队教学，线上线下教学深入融合。

依托学校材料学科优势的实践教学资源“国家级实验教学示范中心”和“国家级虚拟仿真实验教学中心”，创建自主学习平台和云服务的开放实践平台，实现教学资源电子化、信息化，培养自主学习能力和实践创新能力。逐步建立了材料基因工程概论等7门学科专业课的电子MOOC，包含MOOC、习题、学习软件等教学资源的课程学习网站正在建设中，预计在2021年7月上线。组织相关任课教师和领域专家编撰数字化新形态《高等学校材料基因工程系列教材》。教材实现网络化、数字化、个性化、立体化，以二维码形式呈现数字化内容，链接慕课、题库、互动内容、演示视频、动画、拓展资料等，系列教材才已被纳入教育部高等学校材料类教学指导委员会统一规划、统一出版的高等学校材料科学与工程“十四五”规划教材。通过四年不断建设全新材料基因工程人才培养体系，从培养理念、培养目标、课程体系、师资团队、培养模式等方面逐步落实、完善，打造出材料基因工程新学科方向，2020年《面向材料基因工程的跨学科高层次人才培养创新体系》获北京科技大学第29届教育教学成果特等奖。

参考文献:

[1]新华社.习近平对研究生教育工作作出重要指示[EB/OL].新华网.

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[4]周洪宇,鲍成中.第三次工业革命与人才培养模式变革[J].教育研究,2013,34(10):4-9.

[5]吕娜,张婧,张岳彤,等.导师对研究生创新能力培养的影响浅析[J].工业和信息化教育,2018(7):20-24.

[6]王海舟,谢建新.材料基因工程专题主编寄语[J].Engineering,2020(6):585-586.

文章来源：李静媛,王鲁宁.科教融合视域下创新型研究生培养实证研究[J].中国冶金教育,2021,(06):26-31.