仿生交叉學(xué)科研究生課程教學(xué)模式探索

摘要：仿生學(xué)是生命科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)科相結(jié)合的一門交叉學(xué)科。學(xué)生從事仿生學(xué)研究和學(xué)習(xí)，可以充分發(fā)揮知識間的相互啟發(fā)、相互促進(jìn)作用，從而鍛煉和培養(yǎng)綜合創(chuàng)新能力。本文從仿生學(xué)各學(xué)科專業(yè)課程、仿生學(xué)課程的選擇和教學(xué)方法，教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐、學(xué)術(shù)報(bào)告等環(huán)節(jié)開展了仿生交叉學(xué)科研究生課程教學(xué)模式的探索，目的是使研究生能夠掌握更多的跨學(xué)科知識，為從事交叉學(xué)科研究打下良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué)；交叉學(xué)科；課程；創(chuàng)新

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

Exploration of Postgraduate Course Teaching of Biomimetics Interdisciplinary Subject

Aihong Ji

（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Jiangsu Nanjing 210016）

Abstract： Biomimetics is an interdisciplinary subject of combination of life science and engineering technology. When students study on biomimetics， they can full make use of the inspiration and promotion effects of the knowledge to exercise and train of integrative innovation ability. In this paper postgraduate course teaching method of biomimetics interdisciplinary subject such as multilateral discipline courses， biomimetics courses， experiment and practice， academic reports were discussed to make postgraduates deeply understand the interdisciplinary knowledge more， and then postgraduate will set a good accumulation of interdisciplinary research.

Keywords： Biomimetis； Interdisciplinary； Course； Innovation

仿生學(xué)是生命科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)科相結(jié)合的一門交叉學(xué)科[1]。通過學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能，來改進(jìn)、提高現(xiàn)有系統(tǒng)的性能或創(chuàng)造新的系統(tǒng)。以增強(qiáng)人類對自然的適應(yīng)和改造能力， 產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。仿生學(xué)涉及的學(xué)科領(lǐng)域十分廣泛。在機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、包裝學(xué)、交通學(xué)、建筑學(xué)等學(xué)科都有廣泛的應(yīng)用。仿生學(xué)的研究主要從形態(tài)仿生和功能仿生兩個(gè)方面開展研究。具體來說，仿生學(xué)的研究主要包括結(jié)構(gòu)仿生、信息仿生、控制仿生、化學(xué)仿生和力學(xué)仿生。因此，仿生學(xué)是一門涉及機(jī)械、電子、信息、力學(xué)和材料等的綜合交叉學(xué)科。多學(xué)科的交叉和融合，是培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的高級人才培養(yǎng)的要地，是教育創(chuàng)新、科研創(chuàng)新可能的突破口。因此，學(xué)生從事仿生學(xué)研究和學(xué)習(xí)，使其具備多學(xué)科知識才能從整體上把握知識間的縱橫聯(lián)系，充分發(fā)揮知識間的相互啟發(fā)、相互促進(jìn)作用，從而鍛煉和培養(yǎng)綜合創(chuàng)新能力。

具有交叉學(xué)科專業(yè)素質(zhì)的學(xué)生培養(yǎng)環(huán)節(jié)中，課程教學(xué)方法與模式是重要的一環(huán)。國內(nèi)許多專家學(xué)者開展了交叉學(xué)科課程的探索。國防科技大學(xué)的肖定邦從基礎(chǔ)知識教學(xué)、前沿專題研討和實(shí)踐能力強(qiáng)化三個(gè)方面進(jìn)行了交叉學(xué)科教學(xué)方法的探索與實(shí)踐[2]。燕山大學(xué)的馬筱聰開展了基于CDIO理念的卓越工程師試點(diǎn)班交叉學(xué)科課程教學(xué)改革與實(shí)踐[3]。中央財(cái)經(jīng)大學(xué)體育經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院的張自如以體育經(jīng)濟(jì)與管理專業(yè)為例分析了交叉學(xué)科復(fù)合式本科課程體系構(gòu)建[4]。湛江師范學(xué)院的陳冰開展了交叉學(xué)科課程考試成績統(tǒng)計(jì)分析與教學(xué)效果影響因素的研究[5]。西安電子科技大學(xué)的孫群探索了數(shù)學(xué)專業(yè)交叉學(xué)科課程的設(shè)置[6]。浙江大學(xué)的曾秀瓊介紹了在交叉學(xué)科課程建設(shè)、教材建設(shè)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)及師資隊(duì)伍建設(shè)等方面所進(jìn)行的富有成效的探索和實(shí)踐[7]。

仿生學(xué)交叉學(xué)科具有多學(xué)科背景，因此必須進(jìn)行仿生交叉學(xué)科研究生課程教學(xué)模式探索，使研究生能夠掌握更多的跨學(xué)科知識，為從事交叉學(xué)科研究打下良好基礎(chǔ)。目前美國、德國等歐美國家大學(xué)里面已經(jīng)有專門的仿生學(xué)課程教學(xué)，如德國Kiel大學(xué)開設(shè)了《Biomimetics》課程。國內(nèi)的吉林大學(xué)也面向全校的本科生和研究生開設(shè)了仿生學(xué)課程。

南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所（以下簡稱南航大仿生所）是國內(nèi)最早開展運(yùn)動(dòng)仿生、仿生輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、神經(jīng)信息仿生等方面研究的單位之一，從事仿生學(xué)的人才培養(yǎng)與科學(xué)研究已經(jīng)將近十五年，是國內(nèi)少數(shù)幾個(gè)擁有跨學(xué)科研究人員的實(shí)體研究團(tuán)隊(duì)。主要畢業(yè)博士、碩士研究生超過200名。研究所目前有教授4人、副教授4人、講師3人，其中2人為博士生導(dǎo)師，其余均為碩士生導(dǎo)師。全部從事與仿生學(xué)交叉學(xué)科相關(guān)的領(lǐng)域科學(xué)研究與研究生培養(yǎng)教學(xué)，研究領(lǐng)域涉及動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)及其測試技術(shù)、生物機(jī)器人、仿生機(jī)器人、仿生摩擦學(xué)、仿生智能材料以及仿生復(fù)合材料等專業(yè)領(lǐng)域。建立了開展仿生學(xué)教學(xué)和科學(xué)研究所必須的實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備。本文基于南航大仿生所多來從事仿生學(xué)的研究和教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對仿生交叉學(xué)科研究生課程教學(xué)模式開展了有益的探索。

1 學(xué)科專業(yè)課程的選擇

仿生學(xué)作為交叉學(xué)科，研究生的各學(xué)科專業(yè)課程培養(yǎng)模式之一是由研究生在全校范圍內(nèi)多個(gè)學(xué)院開設(shè)的研究生課程目錄中選課，如南航大仿生所從事動(dòng)物運(yùn)動(dòng)力學(xué)及其測試技術(shù)方向研究的研究生，在南航大能源與動(dòng)力學(xué)院選《多剛體動(dòng)力學(xué)》課程，機(jī)電學(xué)院的《非線性有限元》課程，自動(dòng)化學(xué)院的《測試技術(shù)》課程和航空宇航的《彈塑性力學(xué)》課程；另一種模式是由仿生所老師根據(jù)需要在研究所內(nèi)開設(shè)相關(guān)課程或講座，如邀請具有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析經(jīng)驗(yàn)的老師在全所范圍內(nèi)開設(shè)關(guān)于《數(shù)據(jù)處理與分析方法》的課程，該課程在南航大各學(xué)院并未開設(shè)，但是從事科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究生又必須掌握通過這兩種模式，使得仿生學(xué)交叉學(xué)科研究生具備仿生學(xué)交叉學(xué)科所必須掌握的知識基礎(chǔ)。

2 仿生學(xué)課程

仿生學(xué)課程內(nèi)容涉及運(yùn)動(dòng)、附著、材料、生物信息等方面的知識，必須專門由從事過仿生學(xué)研究的老師開設(shè)這類課程。對仿生學(xué)課程的設(shè)置，也開展了多方面的探索。首先，我們在南航大面向全校本科生開設(shè)了新生研討課《仿生科學(xué)與技術(shù)概論》，該類課程由學(xué)生自由選修，最新一屆學(xué)生的選修人數(shù)已經(jīng)達(dá)到400人，教室內(nèi)座無虛席，反響很大。每一學(xué)年在開課一兩個(gè)學(xué)時(shí)后，馬上有許多同學(xué)在課后提出，想報(bào)考仿生學(xué)研究生，從而使學(xué)生在本科階段就對交叉學(xué)科有基本的認(rèn)識，增強(qiáng)對未來從事仿生學(xué)交叉學(xué)科研究和進(jìn)一步深造的興趣。其次，我們還在機(jī)電學(xué)院和自動(dòng)化學(xué)院分別了開設(shè)了《仿生科學(xué)與技術(shù)》的研究生課程，供對仿生學(xué)課程有興趣的全校研究生選修。該課程開設(shè)三年來，影響力也在逐步擴(kuò)大，選修該課程的人數(shù)都在逐年增長。對該課程的考核模式也進(jìn)行了探索，如研究生參加該課程的學(xué)習(xí)一段時(shí)間后，要通過文獻(xiàn)檢索、課程調(diào)研的方式，完成一份類似于項(xiàng)目申請書的大作業(yè)，以某一個(gè)具體仿生研究對象為切入點(diǎn)（學(xué)生通過一段時(shí)間的學(xué)習(xí)以及調(diào)研自己來決定），從研究背景和目的、研究內(nèi)容以及研究方案的可行性等角度闡述研究思路和方法，讓學(xué)生了解開展科學(xué)研究的思路和過程。另外，我們還合作開發(fā)了視頻公開課《仿生技術(shù)漫談》課程，該課程由四位教授和一位副教授合作主講，包括動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)及仿生、流體中動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)及其仿生啟示、仿生驅(qū)動(dòng)之人工肌肉、自然界的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與仿生應(yīng)用、動(dòng)物對環(huán)境的感知和動(dòng)物的防御行為及仿生啟示等六講內(nèi)容。該視頻公開課以科普為主，適當(dāng)介紹仿生先進(jìn)技術(shù)，使得不同層次和不同文化水平的人都能接受。不僅適合于大學(xué)本科生與研究生的學(xué)習(xí)，而且可以作為中學(xué)生和廣大仿生科學(xué)愛好者的知識普及課程。該課程已經(jīng)作為中國的大學(xué)精品開放課程系列之一，在“愛課程”網(wǎng)公開播出，不僅可以培養(yǎng)青年人對生物世界的興趣和創(chuàng)新性思維的態(tài)度，還有利于提高我國國民科技素質(zhì)。

3 教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)

仿生學(xué)涉及機(jī)械、電子、信息、力學(xué)和材料等多學(xué)科的交叉和融合，具有很強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性。在教學(xué)過程中，實(shí)踐課程與實(shí)驗(yàn)課程能增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識，拓展學(xué)生的創(chuàng)造性思維。如仿生所的研究領(lǐng)域之一涉及動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)與附著，參考一些高校的生物學(xué)專業(yè)開設(shè)的實(shí)踐課程方式，帶領(lǐng)研究生在野外現(xiàn)場觀察研究與分析動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)與附著，加深對所學(xué)知識的理解。我們還利用實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)配備的一臺(tái)高速攝像機(jī)，并租借另外一臺(tái)高速攝像機(jī)，通過兩臺(tái)高速攝像機(jī)的同步，讓學(xué)生在實(shí)踐課程中通過實(shí)驗(yàn)觀測記錄動(dòng)物在爬行和飛行瞬間的行為，理解動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，從而理解其仿生應(yīng)用。

4 學(xué)術(shù)報(bào)告環(huán)節(jié)

定期邀請?jiān)趪H和國內(nèi)的仿生學(xué)研究領(lǐng)域具有領(lǐng)先地位的專家和學(xué)者給研究生做學(xué)術(shù)報(bào)告，使研究生能領(lǐng)悟國內(nèi)外仿生研究最新成果，是使學(xué)生具有創(chuàng)新實(shí)踐能力的必要條件。我們每一學(xué)年邀請國內(nèi)外仿生學(xué)知名專家學(xué)者給從事仿生學(xué)學(xué)習(xí)的研究生作報(bào)告的次數(shù)在四次以上。如最近一屆邀請了在國際仿生學(xué)領(lǐng)域非常著名的德國Keil大學(xué)的專家來做系列報(bào)告，該專家已經(jīng)發(fā)表SCI論文400多篇，專著6部，是國際動(dòng)物學(xué)和仿生科學(xué)領(lǐng)域多個(gè)知名刊物的編委。報(bào)告分8次，每次時(shí)間達(dá)兩個(gè)小時(shí)，從仿生學(xué)基礎(chǔ)、生物材料和結(jié)構(gòu)、生物表面和仿生表面、建筑藝術(shù)和空氣調(diào)節(jié)的仿生設(shè)計(jì)、生物傳感器和仿生傳感器、運(yùn)動(dòng)和仿生機(jī)器人、進(jìn)化中的優(yōu)化與仿生以及德國的仿生學(xué)研究等八個(gè)方面系統(tǒng)介紹了仿生學(xué)的研究及其進(jìn)展。不僅廣大研究生學(xué)習(xí)了解了仿生科學(xué)前沿的最新研究成果，從事仿生學(xué)研究的老師們也受益匪淺。還邀請了澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)的學(xué)者作關(guān)于昆蟲和鳥類在穩(wěn)態(tài)風(fēng)環(huán)境下的飛行生物力學(xué)的學(xué)術(shù)報(bào)告。邀請南京體育學(xué)院和廣州體育學(xué)院分別從事運(yùn)動(dòng)健康和生物力學(xué)研究的專家給研究生作報(bào)告。另一方面，我們知道，閱讀文獻(xiàn)是科學(xué)研究的基本功。仿生學(xué)作為一門學(xué)科交叉融合的新興學(xué)科，更需要大量閱讀科學(xué)文獻(xiàn)來學(xué)習(xí)和了解仿生學(xué)的科學(xué)前沿和研究趨勢。如要求每名碩士研究生在攻讀碩士學(xué)位階段必須閱讀一定量的SCI論文，并且仿生所每周定期開展SCI論文閱讀會(huì)，由學(xué)生輪流介紹其所閱讀的一篇有代表性的文獻(xiàn)，并就該文獻(xiàn)的研究內(nèi)容、研究方法和研究結(jié)果與同學(xué)們開展討論，提高和開闊交叉學(xué)科研究生的學(xué)術(shù)視野。

總結(jié)

仿生交叉學(xué)科研究生課程教學(xué)模式，離不開各學(xué)科專業(yè)課程、仿生學(xué)課程的選擇和教學(xué)方法，教學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐、學(xué)術(shù)報(bào)告等環(huán)節(jié)還可以有效鞏固和理解仿生學(xué)相關(guān)知識和原理，開闊眼界。仿生學(xué)研究近幾年才在國內(nèi)各個(gè)高校蓬勃開展，更有效的培養(yǎng)模式還需要進(jìn)一步探索。

參考文獻(xiàn)

[1] 吉愛紅. 動(dòng)物運(yùn)動(dòng)接觸反力測試系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)與分析[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[2] 肖定邦，辛華，吳學(xué)忠，等. 交叉學(xué)科研究生課程教學(xué)的探索與實(shí)踐[J].高等教育研究學(xué)報(bào)，2012，35（3）：115-117.

[3] 馬筱聰，陳雷，黃華貴，等. 基于CDIO理念的卓越工程師試點(diǎn)班交叉學(xué)科課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].教育教學(xué)論壇，2014，44：122-123.

[4] 張自如.交叉學(xué)科復(fù)合式本科課程體系構(gòu)建[J].中國學(xué)校體育，2014，11：4-5.

[5] 陳冰.交叉學(xué)科課程考試成績統(tǒng)計(jì)分析與教學(xué)效果影響因素的研究[J].廣東化工，2010，37（10）：171-173.

[6] 孫群，張劍湖，李俊民.數(shù)學(xué)專業(yè)設(shè)置交叉學(xué)科課程的研究[J].高等理科教育，2007，2：29-31.

[7] 曾秀瓊，吳起，湯谷平，等. 新型交叉學(xué)科“化學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程與教材的建設(shè)[J].實(shí) 驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（6）：216-218.