摘  要：輕化工程是傳統輕工類工科專業，為我國制漿造紙、制革等生物質資源加工利用產業輸送了大量人才。隨著科技發展及社會需求變化，基于生物質資源的生物質材料、生物質化學品、生物質能源等新興產業正快速發展。按行業設置專業的模式已不能適應未來科技和產業發展的新趨勢和新要求。系統調研和研討發現，基于傳統和新興生物質產業的共性科學和工程技術知識，構建厚基礎、寬口徑的生物質科學與工程專業，以替代輕化工程專業，既能使人才培養支撐傳統產業的持續發展和轉型升級, 又能適應未來技術和產業發展的需求。

關鍵詞：工科專業  傳統專業  教學改革  輕工業  生物質產業

一、研究背景

      1.我國高校“輕化工程”專業現狀

       制漿造紙、制革、制糖、發酵是人類應用歷史悠久、技術體系比較完善、對人類生活和社會發展做出了重要貢獻的傳統生物質加工利用行業。它們是我國輕工行業的支柱產業，占國內生產總值（GDP）3%～4%左右，從業人員約1000萬人^[1-5]。為滿足這些產業的科技發展和人才需求，我國高校設立了“輕化工程”本科專業（主要包含制漿造紙工程、皮革工程等方向）和“輕工技術與工程”研究生培養一級學科（主要包含制漿造紙工程、皮革化學與工程、發酵工程、制糖工程等二級學科）。這些專業和學科的人才培養基本定位是針對行業需求培養高級專業技術人才。目前有55所高校設有“輕化工程”本科專業或/和“輕工技術與工程”研究生培養學科^[6]，每年培養5000名左右服務于制漿造紙、皮革、制糖、發酵等傳統生物質加工行業的本科生和碩博士研究生。

     2.專業發展面臨的問題

     制漿造紙、制革等是我國優勢傳統產業，對經濟建設、出口創匯、服務民生有重要貢獻，將來也必不可少。為這些產業培養高級專門人才的本科專業具有特定重要意義。但隨著社會和科技發展，“輕化工程”專業面臨的問題日益突顯，主要體現在：

     （1）專業劃分過細、專業覆蓋面較窄、社會適應度不足，與“新工科”面向產業未來發展、學科交叉融合等理念相距較遠^[7,8]。同時，專業分類與國際未接軌，專業的科學內涵不夠清晰。這些問題不僅制約了專業及相關學科發展，也使新生入學報考志愿率偏低（平均<20%），轉專業率較高，越來越難以滿足相關產業發展的需求。^[9]

     （2）本科生與研究生培養的銜接存在問題。基于生物質資源利用的輕工類人才培養體系主要包括“輕化工程”本科專業和“輕工技術與工程”研究生培養一級學科。如圖1所示，“輕化工程”本科專業主要培養方向有制漿造紙工程和皮革工程，它們有對應的碩博士研究生培養二級學科；但發酵工程、制糖工程等研究生培養二級學科卻沒有與之相銜接的本科專業。不同層次人才培養的銜接一直存在較大問題，甚至比較混亂。

     （3）圖1顯示，目前“輕化工程”本科專業和“輕工技術與工程”研究生培養學科都屬傳統專業和學科，服務于傳統產業/行業。其共同特點是，以生物質（動物、植物、微生物）為原料，加工獲得傳統產品。但自上世紀末起，以生物質為原料制造非傳統的、具有廣闊應用前景的生物質材料、生物質化學品和生物質能源的研究和開發工作快速發展，已成為這些專業和學科的共同前沿發展方向。目前基于行業的專業和學科設置模式，實際上已不能適應未來技術和產業發展的新趨勢和新要求，嚴重制約了社會和科技發展對人才培養的新要求。

二、調研情況及分析

      針對存在的問題，結合“新工科”發展理念，在教育部新工科研究與實踐項目 “我國輕工類專業新工科建設的研究與實踐”支持下，教育部高等學校輕工類教學指導委員會組織相關高校開展了系統調研和研討，對“輕化工程”相關產業現狀、發展趨勢、人才培養需求等形成了以下共識。

     1.傳統產業轉型升級需要知識面寬廣的專業人才

     從相關產業看，傳統制漿造紙、制革、制糖、發酵等產業均在實現轉型升級。其共同趨勢是，在滿足傳統產品生產的同時，實現生物質資源的高附加值、多途徑綠色利用。如傳統制漿造紙行業是將木質纖維素中的纖維素提取出來制造紙張，而將大量的木質素、半纖維素作為廢棄物處理。隨著木質素、半纖維素被廣泛開發利用，一些制漿造紙企業正成為植物纖維素、半纖維素、木質素等植物主要成分的分離和綜合利用平臺。^[10,11]再如，傳統制革企業是將家畜動物皮制造成皮革，隨著膠原基功能材料^[12]、生物醫用材料^[13]、功能食品^[14]等高附加值膠原產品的開發，一些制革企業正轉變為蛋白質材料及膠原基化學品生產平臺。^[15]傳統生物質資源加工產業急需運用多學科前沿技術實現轉型升級，迫切需要人才培養突破傳統專業范疇的束縛，培養知識面寬廣的復合型專業人才。

     2．生物質轉化利用正催生一批戰略新興產業

     傳統制漿造紙、制革、制糖和發酵技術是人類利用生物質資源的成功范例。隨著社會和科技發展以及人類對環境和資源問題的關注，以生物質為原料加工獲得非傳統的生物質材料、生物質化學品和生物質能源，已成為科技和產業界關注的前沿發展方向，受到各國政府、科研機構和產業界的高度重視，成為許多國家優先發展的戰略領域。實際上，各國對生物質轉化與利用領域研發工作的高度重視，正在催生許多新興產業的誕生。

    （1）在生物質材料領域，國內外已開發的淀粉酯、乙酸纖維素混合物、聚交酯、熱塑性蛋白、聚羥基丁酸酯等可生物降解的熱塑性材料，顯示了巨大的替代源于石油的相關材料的前景，是當前各國競相發展的綠色產業；^[16]正在開發的生物質基高強度纖維材料、膜材料、天然高分子復合材料和功能材料等，可望最大限度替代塑料、鋼材、水泥等不可再生材料，是國際新材料產業發展的重要方向和戰略性新興產業。^[17]許多國家在積極資助和鼓勵生物質基高分子材料的開發和利用。美國能源部預計到2050年以植物等可再生資源為基本化學結構的材料比例將達50%^[18]。我國生物質材料是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020）》的優先主題。目前秸桿人造板、木基或生物質基塑料復合材料和農作物秸稈復合材料產業發展迅速，同時生物質膠黏劑、生物質基碳質吸附新材料和功能生物質材料等也在研發和產業化過程之中。^[19,20] 

    （2）在生物質化學品領域，為有效降低人類對石油的依賴，通過生物質資源的化學、生化、熱化學轉化制備中間化學品、專用化學品、酶制劑等產品的研發和產業化工作正蓬勃開展。美國計劃到2020年化學基礎產品（中間化學品）中至少有10%來自木質生物質，2050年提高到50%，^[21]其他國家和地區也紛紛制訂了相關戰略目標。世界經合組織(OCED) 2004年9月的研究報告指出，各國應大力支持和鼓勵高附加值生物質化學品生產領域的技術創新，減少與傳統化石原料的價格差距，以最終達到替代的目標。歐盟提出到2030年生物基原料替代6%～12%的化工原料、30%～60%精細化學品由生物質制造的目標。近年來，以工業生物技術生產生物質化學品已成為該領域的研究熱點，許多大型跨國公司已將其作為重要產業發展方向。如美國杜邦（Dupont）公司在世界上首次利用生物法生產出1, 3-丙二醇（PDO）（生產聚乳酸的原料）；陶氏（Dow）等精細化學品公司在不斷提高以生物催化手段生產生物質化學品的研發能力；日本將生物質化學品研發重點放在多聚物材料上，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）纖維與樹脂實現了一定規模的產業化。^[22]我國生物質化學品研究起步較晚，但生物質產業作為戰略性新興產業，得到國家大力支持，以生物質為原料生產1, 2-丙二醇、1, 3-丙二醇和環氧氯丙烷等大宗化工產品已實現或接近產業化。^[23]

     （3）生物質能源是各國生物質開發優先發展的方向之一。生物質能源產品包括燃料乙醇、生物柴油、生物丁醇和氫^[24,25]。乙醇是其中非常重要的產品，這是因為乙醇可直接用作燃料，同時又是合成其它化學品的前體或原料。美國國會2000年6月通過了《生物質R&D法案》，歐盟1997年發布了《能源的未來：可再生資源》白皮書，日本內閣2002年12月通過了《日本生物質綜合戰略》。2017年，美國燃料生物乙醇產量為4410萬噸，巴西為2128萬噸，我國燃料乙醇產量（產能）在260萬噸左右，國家能源局《生物質能發展“十三五”規劃》提出到2020 年燃料乙醇產量達到 400 萬噸，可見，我國燃料乙醇產業與世界先進國家相比還有很大差距。過去生物質能源發展主要依賴糧食作物，不僅成本高，而且威脅糧食安全。未來生物質能源的發展應以秸桿等廢棄生物質為原料，通過技術創新和進步，實現生物質能源的可持續發展。

      由此可見，生物質材料、生物質化學品及生物質能源產業在國內外的發展均非�？�，正在形成戰略性新興產業，與之相關的職業需求必然呈爆發式增長。

3.相關高等教育明顯落后于產業發展需求

      顯然，人類對生物質的利用正發生根本性變化。生物質利用已從傳統制漿造紙、制革、發酵、制糖和簡單燃燒產熱，發展為涉及分子生物學、微生物學、化學、化學工程、生物化工、生態工程、材料學、能源工程、農業工程等多學科交叉和融合的工程科學。它是一個新興的生態產業鏈群體，包含許多新的經濟增長點和新興產業生長點。

      調研發現，由于生物質產業的重要意義，國內外已有大批高校和科研院所開展相關研究工作或建立了研發平臺。美國新墨西哥州立大學、加州大學、康奈爾大學，德國特里爾應用技術大學、漢諾威大學、亞琛工業大學、慕尼黑工業大學等，均設立了與生物質有關的課程和研究方向。國內的武漢大學、中國科學技術大學、西安交通大學、華南理工大學、四川大學等已將生物質能源、生物質化學品及生物質功能材料確定為重要研究方向^[26]；中國科學技術大學建立了“生物質潔凈能源重點實驗室”、西北農林科技大學建立了“旱區生物質能研究中心”、南開大學建立了“生物質類固廢資源化技術工程中心”；浙江大學化學工程與生物工程學院圍繞生物質大分子功能化、生物質定向化學轉化、生物質生物催化與轉化、生物活性物質分離與純化、低品位生物質的資源化等方向開展了大量研究工作。

       特別值得指出的是，由于我國高校“輕化工程”本科專業和“輕工技術與工程”研究生培養一級學科的共同特點是以生物質為原料，加工獲得傳統生物質材料（如紙張、皮革）、生物質化學品（如糖類、發酵產物、酶制劑）等產品，這些專業和學科對相關科技發展前沿的敏感度最高。隨著科技發展及學科交叉，這些專業和學科的研究范疇、服務對象、產品目標不斷拓展。通過傳統技術與新技術的交叉融合，以相同生物質為原料，加工獲得非傳統的、具有廣闊應用前景的新型功能材料、基礎有機化學品、清潔能源材料，已成為這些專業和學科的共同發展方向。但受傳統專業、學科知識體系及特定服務行業的限制，如何向學生傳授學科前沿知識、使學生更好適應產業未來發展，面臨著障礙。

      綜上，“輕化工程”專業的名稱和內涵已不能反映專業、學科的發展現實，也不能滿足相關產業發展的實際需求，呈現典型的高等教育落后于學科和產業發展的現象。

三、專業改革思路

    “輕化工程”專業教育改革勢在必行。經過多次研討，我們認為，專業改革需遵循“新工科”建設思路、回應社會變化和需求，立足當今、面向未來，把培育新工科和改造提升傳統工科相結合，既為支撐傳統產業轉型升級等當前需要培養人才, 又要為支撐新型產業培育發展等未來需求培養人才。

     1.專業教育改革的原則

    （1）保持原專業優勢，能更好服務于相關傳統產業。我國的制漿造紙、制革、發酵、制糖等是優勢傳統產業，也是重要的民生產業。專業改革不是要削弱原有功能，而是使其能更好服務于這些產業；使培養的學生具有更廣闊的科技視野、更寬厚的基礎和專業知識，能更好促進傳統產業的轉型升級。

    （2）突破傳統專業、學科體系的局限，構建能適應學科和產業未來發展、具有共同科學和技術基礎的新專業。讓學生掌握生物質結構與性能及其轉化的基本科學規律，能運用現代科學技術，經濟、潔凈、有效利用生物質造福人類。

   （3）注重學科交叉融合，拓展專業知識面、適應面。使學生能適應未來產業發展需要，成為生物質材料、生物質化學品、生物質能源等未來新興產業所需的專門人才，滿足我國生物質新興產業快速發展對人才的需求，為生物質基產業的發展及參與國際競爭奠定良好的人才基礎。

2.專業改革模式

      生物質的利用現狀、發展趨勢及相關高等教育人才培養情況可用圖2概括。其中制漿造紙、制革、制糖、發酵等產業歷史悠久、規模較大，因此高校已有本科專業（輕化工程）和研究生學科（輕工技術與工程）為其培養專門人才。但快速發展的生物質材料、生物質化學品、生物質能源等戰略性新興產業尚無對應的人才培養專業。

      高校不可能根據產業發展而不斷新建專業，而是應使設置的專業有寬廣的適應面，能滿足產業未來發展的需求。實際上，無論是傳統的還是新興的生物質利用產業，它們都有共同的科學原理和技術基礎——都需要系統掌握生物質原料學、生物質結構與性能、生物質轉化與利用技術等基礎和專業知識。因此，按照面向未來產業發展需求、適應產業轉型升級、促進學科交叉融合等 “新工科”建設理念，建議將高校“輕化工程”專業更名為“生物質科學與工程”專業。其專業內涵從傳統按照行業需求界定的知識體系，轉變為以共性科學原理和技術基礎為主、兼顧行業需求的知識體系。

      該教學改革舉措可同時產生以下重要作用：（1）形成名稱規范、與國際接軌、符合科技和產業發展需求、科學和技術基礎清晰、適應面廣闊的高校本科專業；（2）徹底解決本文第一部分所述的專業發展面臨的問題，促進專業高質量發展；（3）可較好解決傳統專業高等教育落后于產業發展的現狀，既滿足新興產業發展的需求，又滿足傳統產業轉型升級對人才的更高要求。

      3.改革后的本科專業與研究生學科的銜接

    “輕化工程”本科專業改為“生物質科學與工程”專業后，隨著其知識結構的優化和適應面的拓展，該本科專業與研究生學科的銜接會更加合理，可采取圖3或圖4所示的兩種選擇。這兩種方式都符合本科教育注重厚基礎、寬口徑，研究生培養適當集中方向的基本原則。同時，隨著本科專業名稱和培養內涵的改革，圖1所示的本科生與研究生培養銜接不順的問題也不再存在。

      圖3意味著，研究生培養一級學科中也應適當增加面向產業未來發展的生物質材料、生物質化學品、生物質能源等二級學科。圖4建議研究生培養學科參照本科教學改革思路，調整方向更趨于按照學科分類而非傳統按照行業分類。即一級學科修改為“生物質科學與工程”，與本科專業名稱相同；二級學科則按學科內涵分類為生物質材料、生物質化學品、生物質生物轉化、生物質能源等。制漿造紙、制革、制糖、發酵等本來是這些二級學科的重要內容，因此可作為主要方向包含在這些二級學科中。這并不意味著削弱傳統產業的人才培養，而是為這些產業培養基礎知識更系統、視野更廣闊、能適應產業未來發展的專門人才。

四、結束語

      隨著科技和產業發展，“新工科”建設勢在必行。但這類教育改革不是對傳統工科的摒棄，而是對傳統工科的提升。目的在于使培養的人才既能支撐傳統產業的持續發展和轉型升級,又能適應未來技術和產業發展的新趨勢和要求。

   “新工科”建設要求高校、教師、學生都要在理念上有所改變，需要在實踐中不斷改進。為探索“輕化工程”專業教育改革問題，基于本研究結果，四川大學已于2019年開設“生物質科學與工程”創新實驗班（招生50人/年），集全校相關優質教育資源開展傳統本科專業教育改革實踐探索工作。我們將及時總結創新班的進展情況及經驗和教訓，供大家參考和批評。