依托重大科技基础设施：研究生交叉学科创新人才培养研究与实践

依托重大科技基础设施：研究生交叉学科创新人才培养研究与实践摘要当今世界已进入大科学时代，高校在大科学设施建设运行中承担的任务和发挥的作用与日俱增。如何在建设和运行大科学设施的过程中更好地发挥高校多学科优势，在完成建设任务及承担科技任务的同时，进一步提升研究生交叉学科创新实践能力培养效果，是摆在研究生教育面前一个重大而持久的课题。作为首个教育部高校承建的大科学设施，北京科技大学牵头承担“重大工程材料服役安全研究评价设施”（简称MSAF）的建设运行与研究生培养实践，探索并实践高校承建大科学设施过程中对提升研究生培养创新实践与工程能力的实现路径，对高校在承建大科学设施并开展社会服务过程中如何进一步提升育人效果给出了相应的意见建议。关键词大科学设施；学科交叉融合；研究生培养；实践能力一、引言2023年2月21日下午，中共中央政治局就加强基础研究进行第三次集体学习。中共中央总书记习近平在主持学习时强调，世界已经进入大科学时代，注重发挥国家实验室引领作用、国家科研机构建制化组织作用、高水平研究型大学主力军作用和科技领军企业“出题人”“答题人”“阅卷人”作用。国外大科学设施建设起步较早，发达国家在“二战”以后开始投入巨资，建设各类大科学设施。以美国的曼哈顿计划和阿波罗登月计划为例，“曼哈顿工程”历时3年，超过15万人参加，总投资25亿美元，催生出包括洛斯阿拉莫斯、橡树岭等国家实验室为核心的核科学创新与工业体系。“阿波罗计划”历时12年，30万人参加，耗资超过250亿美元，催生出马歇尔空间飞行中心、肯尼迪航天中心等科研机构，格鲁曼、洛克希德等大型航天企业，以及包括麻省理工学院、斯坦福大学等航天强校在内的航天科技创新与工业体系。通过这两个大科学计划的实施，不仅使美国达成了当时的战略目标，其催生和构建起的高水平创新和工业体系，也使美国在之后的数十年在相关领域能够保持引领地位。目前，发达国家大科学设施发展已趋于成熟，构建了较为完善的多学科、多领域交叉协同创新网络。新中国成立后，我国抓紧进行工业化建设，发挥举国体制和顶层设计的优势，完成了“两弹一星”等大科学计划。从20世纪80年代开始，我国大科学设施的建设逐步进入加速发展期，建设和投入规模迅速扩大、领域不断扩展、形态逐渐多样、技术水平也迅速提升，随着高校学科布局进一步优化、人才培养规模迅速增长，高校逐渐深入参与大设施建设。如北京科技大学牵头承担建设的“重大工程材料服役安全研究评价设施”（简称MSAF）、华中科技大学承担的“脉冲强磁场实验装置”、北京大学和清华大学参与共建的“蛋白质科学设施”等，对高校建设和运行大科学设施进行了积极探索和示范，并积累了经验。截至目前，高校参与建设和运行的重大科学设施合计19个，约占全国重大科学设施总数的1/3，高校在大科学设施立项和建设中的地位和作用也愈加明显。同时，高校大科学设施作为推动一流学科和一流大学的优势平台，其作用也日益显著。如何充分发挥大科学设施在科学研究、人才培养、服务社会等方面的引领带动作用，是一个长期而重大的课题。二、研究生交叉学科创新实践能力培养的需求分析与现状1．交叉学科高素质创新人才培养是国家创新发展的迫切需求随着新一轮科技革命和产业变革，国家战略部署和重大创新越来越需要大批具有综合创新能力和报国情怀的高素质拔尖创新人才。拔尖创新人才是国家整体创新水平提升的关键因素。面向第四次产业革命，培养“从0到1”突破的创新人才，不仅是关系到“两个大局”如何破局的关键问题，更是关系到中华民族百年大计甚至千年大计的重大命题。一方面，国家战略和产业重大需求往往伴随着体量规模巨大、技术难度极高，特别是其中包含大量复杂的工程问题。如港珠澳大桥、天眼、载人航天等我国大批“超级工程”的设计建造过程中就包含了大量世界级技术难题和复杂工程的挑战，这不仅需要长期大量的科技资源积累，更需要一大批具有跨学科知识储备、学科交叉思维、能够解决复杂实际科技及工程难题的人才。打破学科边界、教育主体边界，推进产教融合，打通高校教育链、人才链与企业产业链、创新链的衔接，使我国创新发展拥有长期持续的动力；另一方面，任何技术和工程上的突破，不仅需要知识结构上的储备，更需要具有攻坚克难的意志品质和科技报国的使命情怀，在“教育的守与变、技术的度与界”中，培养具有崇高理想信念、深厚人文底蕴、强烈创新意识、丰富科学素养及有责任使命担当的拔尖创新人才，是高校人才培养范式改革的关键。综上，如何不断培养具有学科交叉知识结构和创新思维、可堪大用的高素质创新人才不仅是教育领域的重大课题，也是我国保持高质量创新发展的重要课题。2．我国交叉学科人才培养改革现状针对国家发展需要，我国从2009年就在《学位授予和人才培养学科目录设置与管理办法》中明确：高校可根据国家经济和社会发展对人才的需求，结合本单位实际，在已有的一级学科下自主设置调整二级学科和按二级学科管理的交叉学科。其后在“2011计划”中强调协同创新，在2013年《关于深化研究生教育改革的意见》中提出跨学科途径培养拔尖创新人才，而从2016年起“双一流”建设更是鼓励学科群建设为跨学科人才培养提供良好的土壤。2021年12月，国务院学位委员会印发《交叉学科设置与管理办法(试行)》，首次明确交叉学科的内涵，建立交叉学科放管结合的设置机制和调整退出机制等。一系列文件的颁布，为高校交叉学科人才培养提供了有力的政策支撑。然而，我国高校的交叉学科研究生教育实践研究与探索研究主要关注宏观层面的交叉学科政策和人才培养的体制机制创新，如交叉学科研究的资助政策和组织管理机制等问题。在人才培养的具体举措方面，国内研究尚处于学习经验和探索阶段。很多学者对国外一流大学尤其是美国研究型大学的交叉学科人才培养模式进行了分析，我国在交叉学科平台建立、创业教育等方面尚有许多需要借鉴之处。3．国内外研究生交叉学科创新人才培养对比聚焦如何提升创新人才培养效果的实质，我们不难发现，在我国政策文件中偏向制度建设，国内相关研究也侧重于对学科制度建设的研究，而交叉学科人才培养本身更需要通过人才培养的组织方式和实施路径，包括设置多学科/跨学科课程、建立跨学科学习社群、组建跨学科科研团队、完善导师组制、参与跨学科/超学科实践活动，来实现培养目标和初衷。对比发现，国外研究更关注通过跨学科人才培养的具体实践与改革推动学科交叉与融合；国内对跨学科人才培养的研究比较关注本科生层面，国外则比较关注研究生层面。国内研究集中在制度体系建设上，正在向探索人才培养途径的方向发展，国外研究的侧重点，如团队建设、学生能力发展及其评价等也必然会成为国内未来的研究热点，它们是构建完整的交叉学科人才培养体系必不可少的组成部分。综上，在现有研究的基础上，面向国家战略和创新重大需求，有针对性地加强具有可操作性的、具体全面系统的研究生创新人才培养的模式探索与实践，对于提升创新人才培养至关重要。三、高校大科学设施在创新实践培养上的优势分析1．大科学设施的多学科交叉属性有利于深化学科交叉纵观大科学设施从科学目标设定，到详细的设计建设与运行过程，不难发现，几乎所有的大科学设施都具有显著的多学科并存属性。无论设施聚焦天文、物理、化学、生物还是其他学科领域，试验能力的形成与提升，都需要把科学问题及试验方法、试验过程等汇集落实到设施软硬件条件和方法上，这一点在建设过程和运行提升中都需要将相关学科与控制、仪表、检测、机械等学科深度融合，因此，大科学设施的建设与运行均具有鲜明的多学科交叉和复杂工程特色。同时，大科学设施在设计建设过程中，为达到既定科学目标，其建设与科研团队都需要最大程度地进行多学科协同攻关创新，易于形成较为完备系统的交叉学科研究团队和研究方法体系，为研究生交叉学科培养提供良好的科研目标、组织制度、实践环境和学术氛围。2．大科学设施的战略性、公益性属性有利于提升师生社会责任感面向科学技术前沿，为国家经济建设、国家安全和社会发展做出战略性、基础性和前瞻性贡献是我国布局建设大科学设施的建设初衷和科学目标所在。大科学设施集我国最高水平的科研力量、工程力量携手攻克众多技术难关，蕴含了丰富的科学内容、科学家精神和奉献精神。近年来国家大力鼓励加强中国特色科学文化建设，不断推动创新文化建设，将科学精神、爱国主义精神、社会主义核心价值观与祖国科技内涵相结合，塑造时代新风。高校大科学设施的建成，高校一代又一代科学家和工程技术人员付出了长期艰苦的努力，其蕴含的教育家精神、科学家精神、奉献精神值得深入学习。以MSAF为例，从推动立项到建设、运行，历经近20年，凝聚了老中青三代科研人员无私奉献、团结协作的科技报国精神。建设过程中涌现出了大量攻坚克难、无私奉献的感人事迹，研究生导师同时作为大科学设施建设者，体现出“甘为人梯”的精神，对于研究生树立“心系家国”的崇高理想信念、敢于在科研中“动真碰硬”等都有着良好的示范激励作用。3．高校大科学设施为研究生交叉学科培养提供广阔的实践平台依托重大科技基础设施平台，高校不断承担大量来自国家重大需求的前沿科学问题与复杂工程难题，在学科交叉融合的大背景下，可以为研究生实践创新能力培养提供大量研究实践机会。通过打破学科屏障，融通多学科知识体系、实验平台、研究思路等，可以有效提升研究生实践创新能力。高校可以通过顶层规划设计、多维度融合实施，在实践中切实解决研究生认识大科学设施、理解交叉学科属性、深入行业研究领域、提升综合素质创新能力。作为为国家培养高水平创新人才的主阵地，高校始终把育人工作放在首位，通过调动研究生和导师指导团队的积极性，积极拓展多学科交叉融合的学术目标与场景，营造良好的学术氛围，加强研究生交叉学科实践创新能力培养，将切实提高复合型人才培养质量，为研究生就业和职业生涯发展提供有力支持。四、MSAF大科学设施提升交叉学科培养的体系设计1．MSAF大科学设施基本情况面向国家重大需求，“十一五”期间，国家发展和改革委员会正式批复由北京科技大学牵头，建设国家重大科技基础设施“重大工程材料服役安全研究评价设施”，同时组建“国家材料服役安全科学中心”（简称“国家科学中心”）建设运行该设施。MSAF设施是我国首个直接面向国民经济主战场的大科学设施。同时，作为首个教育部直属高校牵头承建的大科学设施，MSAF围绕典型工程材料、典型服役环境、共性失效形式和关键失效问题，自主建设可模拟真实服役环境、有效再现失效过程的大型科学装置群，建成8套世界一流的全尺寸试验装置，可承担公共性、通用性、开放共享的大型基础研究和应用基础科学试验研究。2．依托大科学设施的研究生工程创新实践培养体系设计国家科学中心聚焦“服役安全评价”这一交叉学科方向的发展前沿，在建设和运行过程中赋予研究生培养全过程以鲜明的多学科交叉特征，同时“依托重大科技基础设施平台，为我国培养服役安全评价专业领域的高水平研究生”也是国家科学中心的核心任务之一。在MSAF大科学设施从筹备、建设到验收投入运行的过程中，国家科学中心持续关注将研究生培养深度融入大科学设施建设运行过程，积极探索培养服役安全评价高水平人才，通过顶层规划设计、多维度融合实施，切实解决研究生认识大科学工程、理解交叉学科属性、深入行业研究领域、提升综合素质创新能力的系列教育教学问题，经过十余年的探索实践，形成了一整套依托重大科技基础设施开展研究生交叉学科产教融合培养的教育培养研究方法，收效显著。为了深入高效地依托MSAF工程开展研究生交叉学科和创新实践能力培养，国家科学中心以“团结务实、科学管理、专家决策、集智创新”为指导思想，以“先进理念—精准实施—创新实践”为具体路线，开展研究生交叉学科创新实践能力培养的探索与实践。围绕研究生多学科交叉创新实践培养，提出涵盖学科、培养等多维度交叉融合理念，实践中注重深化交叉学科培养内涵，形成“两个交叉”的“多学科交叉”与“培养实践交叉”的服役安全评价高水平人才培养理念；进而梳理大科学设施在学科交叉与人才培养方面的具体需求，从关键技术、装置运行、试验方法和标准、试验任务出发形成多学科交叉系统化培养体系，从培养团队、实践平台与国际化平台三方面打造贯通培养与实践立体化平台；通过大科学工程讲解团、创新实践基地建设、“人梯精神”系列专访等形式将大科学工程的交叉融合理念不断渗透并融入研究生认知体系，形成一系列关键技术、运行、试验等多学科交叉研究生深度参与的技术成果，通过用户拓展、企业联培、国际化培养等形式提升研究生行业就业优势，为服役安全评价交叉学科培养人才后备力量，反哺学科发展与技术创新融合。3．大科学设施工程创新实践培养体系的主要创新点国家科学中心充分将大科学设施的建设运行与研究生培养工作结合起来，利用大科学设施建设运行目标导向，通过“两个交叉”培养服役安全评价领域的多学科交叉行业优秀后备人才，具体创新点如下。（1）面向科研能力提升，构建全程参与建设运行的多学科交叉系统化培养体系。深入分析服役安全评价这一交叉学科的内涵，剖析装置面向石油石化、核电火电、高速铁路、路桥设施等全尺寸、大尺寸、多因素耦合测试评价技术的学科需求，建立包含研究生在内的多层次人才的多学科交叉技术攻关团队，引导研究生从装置建设到运行试验全程参与大科学设施的技术研发工作，形成研究生多学科交叉培养体系。这一体系实践中，研究生一线参与装置关键技术攻关，学习了多学科交叉技术创新方法，深刻理解MSAF工程建设内涵与重要意义，参与重大工程任务试验测试，全面了解行业技术需求与研究方案规划，系统性地开阔了研究生眼界和提升了他们在领域科研与工程的实践能力。（2）面向行业认知提升，利用国际化优势打造贯通培养与实践立体化培养平台。充分利用大科学设施的用户委员会与国际合作平台，发掘各方优势聚力于研究生培养全过程。以研究生导师为核心，设计研究生多学科交叉培养计划，以此组建具有多学科背景、包含国际指导专家和实验测试工程师在内的多学科交叉导师团队，全程参与研究生指导工作。深挖行业用户需求，对接装置试验评价能力，让学生在课题研究、项目参与中提升创新实践能力，培养其效率。同时，利用国际化平台资源，为每位学生配备国际指导专家，并鼓励研究生通过学术会议、海外访学、联合培养、海外攻博等多种形式培养深造，全面提升研究生综合素质。（3）面向国家关键领域人才需求，培养造就勇于担当、奋勇争先的青年群体。以需求为导向，引导研究生分析国家重大战略与重要行业的痛点与难点，激发其爱国和报国情怀，将思政教育融入科研实践中，积极组织研究生投身重大任务的科研实践中，聚焦重大需求和行业痛点难点，提升面向国家重大需求领域的创新实践能力，为研究生就业提供有效的指引和能力提升，同时培养研究生对国家和重要行业的热爱，为研究生未来走上工作岗位、服务和支撑国家重大科技任务打下坚实的思想基础。五、MSAF研究生交叉学科培养实践与效果国家科学中心立足于国家战略发展和共性关键技术，落实国家人才战略发展需求，依托国家重大科技基础设施，积极探索交叉学科研究生创新培养之路，形成多学科交叉、培养实践交叉的系统化培养体系与立体化培养平台，提高研究生科研水平、创新实践能力与社会竞争力。1．学科交叉与深度参与，构建研究生多学科交叉培养体系（1）参与建设任务，在大科学设施关键技术创新开发中成长。依托重大科技基础设施，研发了超长时蠕变设计制造技术、多场耦合环境模拟技术、复杂环境材料服役性能评价方法等关键技术，共获得专利162项，为火电、核电、燃气发电、航空航天等领域高温结构材料/部件的性能试验及结构可靠性评估提供技术要求和指导建议，跨学科研究生团队在项目建设指挥部带领下迎难而上，不畏艰难、勇于创新，对接国家重大需求，在出色完成相关建设与科研任务的同时，自身创新实践与综合工程能力也有了显著提高。（2）参与重大试验任务，在服务国家战略中提升能力。以需求为导向，抓住主要矛盾，解决主要问题，提升面向国家重大需求领域的创新实践能力，研究生在导师和团队带领下高质量完成了一批国家重大任务的试验评价，如北京冬奥氢燃料主火炬关键部件低温安全性、国产重型燃机主轴超大载荷疲劳性能、国产高铁底梁及车轮可靠性、16兆瓦国产大型海上风电关键部件性能评价等，投身国家重大任务的使命感也激励研究生成为可堪大任、具备创新能力的人才。（3）参与建立大科学设施科研实验室认可体系。针对重大工程大尺寸材料服役安全研究领域实验室的共性特点，研究生协助制定相关认可指南，同时作为实验设备的使用、实验数据全过程管理者，在认可制度建立过程中发挥了重要作用，在践行体系试运行过程中，不断修改和优化体系文件，推动大型工程结构材料科研实验室CNAS认可体系最终成形，提升学生对行业体系的深入了解，为高质量就业奠定基础。（4）参与开放课题研究工作，系统提升研究生跨行业创新思维。为更好地提升MSAF的实验测试与装备能力，面向全社会各行业企业、科研院所和高等学校发布MSAF国家重大科技基础设施开放课题，为研究生创造了能够跨行业、跨领域直接参与国家战略任务和行业重大需求的相关科研与创新机会，学生能够系统深入了解掌握大科学设施服务支撑重大需求的科研范式与路径，同时更全面深入地了解了各相关行业领域的发展现状与未来方向，在科研实战中锻炼和培养研究生的科学素养和创新实践能力。2．团队培养与平台优势，贯通培养实践与能力提升（1）注重产教融合，搭建用户联合研发平台。重视加强研究生培养中的创新实践环节，与企业、高校、研究中心签订共建实验室合作协议、实验室合作协议、产学研合作协议、创新创业共同体合作协议等，安排研究生根据研究方向到国际知名企业进行实习实践，鼓励研究生参加企业实习或自主创业，增强工程实践能力和就业竞争力。（2）建立企业联合培养机制。探索与企业在研究生培养上深度合作的校外指导教师工作机制，拓展与相关行业企业的合作关系，与中国钢研、中国有研、启元实验室等建立研究生高质量培养的产教融合导师队伍，为学生提供更多实践机会和就业资源支持。（3）推动多模式国际化培养。聘请国内外多位顶尖专家学者担任导师，打造“大师”队伍，同时引进国际专家短期授课、前沿学术讲座，为研究生提供国际视野的科研平台及与国际知名教授探讨学术问题的机会。不断提高研究生培养质量，聚焦前沿发展方向。3．内涵理解与思想引领，深化多维度交叉融合理念认识（1）组建大科学设施科普讲解团，不断拓展科普创新阵地。使研究生更加深入投身大科学设施的试验研究之中，以产学结合为途径，组建大科学工程研究生讲解团队，梳理大科学设施科学目标、建设过程、最新的工作进展与成果，实时体现并融入讲解，已累计接待包括中小学、高校师生以及社区群众在内的大批公众。在提升大科学设施公众影响力的同时，也让讲解团成员对大科学设施及其服务国家与社会发展的重要性和使命有了更为深刻