學科交叉背景下仿生學通識課教學探索與實踐

賈昭君 肖林 張超

基金項目：國家級新工科研究與實踐項目“多學科背景下的生物醫(yī)學工程專業(yè)‘醫(yī)工融合人才培養(yǎng)模式探索與實踐”（教高廳函【2018】17號）；深圳市教育科學“十四五”規(guī)劃課題“基于階梯式教學與差異化課堂運用的學生評價改革”（jypj22016）；2023年中山大學校級本科教學質量工程類項目（76190-11220011）

第一作者簡介：賈昭君（1989-），男，漢族，四川達州人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為骨科植介入器械、智能及仿生生物材料、生物材料表界面。

*通信作者：張超（1975-），男，漢族，河南許昌人，博士，教授，博士研究生導師，院黨委書記。研究方向為生物醫(yī)學工程。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.026

摘? 要：如何有效貫徹學科交叉融合理念、培養(yǎng)新時代復合型人才是當今高校通識教育的重要命題。該文以中山大學通識課神奇的智能仿生世界課程為例，依托所在深圳校區(qū)多學科院系群優(yōu)勢及仿生學自帶跨學科育人屬性，以仿生現(xiàn)象機理、科技前沿、實際應用為切入點，以信息化教學手段為支撐，以特色課程思政為抓手，探索基于主題模塊化進階授課、多驅動導向式教學、體驗式仿生設計活動和全流程綜合評價體系的通識教育課程改革，致力于培養(yǎng)具有扎實專業(yè)素養(yǎng)、開闊跨學科視野及自主源頭創(chuàng)新意識的高質量復合型人才。該項目的經驗可為相關通識乃至專業(yè)課程改革提供借鑒。

關鍵詞：學科交叉；仿生學；導向式教學；通識課程改革；復合型人才培養(yǎng)

中圖分類號：G642? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2024）19-0105-06

Abstract： It remains an important proposition as to how to effectively implement the concept of interdisciplinary integration and cultivate compound talents of the new era by general knowledge education in contemporary colleges and universities. This paper describes our experience and thoughts on these from the general knowledge course The Wonderful Smart Bionic World in Sun Yat-sen University， which was set up leveraging the multi-disciplinary departmental clusters of our Shenzen Campus and the born attributes of interdisciplinary education by "Bionics". Having natural phenomena and underlying mechanisms， scientific and technological frontiers， and practical applications as the pointcuts，? taking information-based teaching means as the support， and incorporating special ideological and political education elements as the gripper of thoughts， we explored the advantages of general education curriculum reform that emphasizes thematic modular advanced lessons， multi-driver-oriented teaching， experiential bionic design activities， and full-process comprehensive evaluation， striving to cultivate high-quality compound talents with solid professional qualities， broaden interdisciplinary horizons， and the awareness of independent source innovation. The experience of this project can provide reference for the reform of relevant general education and even professional courses.

Keywords： interdisc iplinary; bionics; oriented teaching; general education curriculum reform; training of compound talents

人才是第一資源。隨著我國經濟結構轉型和科技飛速發(fā)展，社會對人才的需求漸由專精型向復合型全面邁進[1]。所謂復合型人才，既要有過硬的專業(yè)知識技能，還應具備深厚的文化底蘊、廣闊的學科視野及強烈的創(chuàng)新意識。2021年9月，習近平總書記在中央人才工作會議上強調，要走好人才自主培養(yǎng)之路……培養(yǎng)高水平復合型人才?；趯W科交叉融合的通識教育是高校實現(xiàn)復合型人才自主培養(yǎng)的重要途徑[2]。有別于以專深知識技術傳授為重心的專才教育，通識教育追求“學以成人”，即將大學生作為完整的人進行知識、能力、情感領域全方位培養(yǎng)。立足當下國情，高校通識課程實踐應以我國社會、科技、經濟和文化發(fā)展需求為導向，以多學科交融為“催化劑”，打破醫(yī)、工、文和理跨學科壁壘，同時以學生成長為中心，聚焦知識觀、世界觀、價值觀多維協(xié)同育人，確保所培養(yǎng)學生不僅學有所長、術有專攻，且通融識見、博學德馨，成為適應中國特色社會主義建設時代潮流的創(chuàng)新型綜合性人才[3]。

億萬年進化為自然界創(chuàng)造出精妙的運行法則，賦予科學家、工程師、設計師們享之不竭的靈感源泉。理解自然萬物的運作模式和背后邏輯，研究、學習并模擬生物與大自然，是解決實際問題的重要有效途徑。以“師法自然”為核心旨趣的仿生學由此誕生并發(fā)展為一門交叉綜合性邊緣學科。仿生學（Bionics）一詞最早由斯蒂爾在1960年提出，泛指模仿生物原理來建造技術系統(tǒng)，或者使人造技術系統(tǒng)具有或類似于生物特征的科學[4]。該概念一經問世迅速在世界范圍內推廣，并演繹出深厚內涵和豐富外延，幫助催生出層出不窮的技術、產品、應用，如基于芒刺倒鉤發(fā)明的尼龍搭扣、基于水母發(fā)光原理制作的無源水母燈具、基于飛魚原理研制的軍用潛艇等等。時至今日，通過與各學科交叉，仿生學已有機融入軍事、機械、建筑、環(huán)境、材料、能源、醫(yī)學和經管等諸多領域[2]。仿生學也為科技發(fā)展提供了新的機遇與突破口。我國科學家大量仿生相關原創(chuàng)成果榮登《自然》《科學》等頂級刊物，同時冠名“仿生”的技術和產品亦如雨后春筍不斷更新迭代。得益于其自帶的交叉性、科學性、趣味性和創(chuàng)造性，仿生學的“通識育人”潛力近年來開始被發(fā)掘[5]。通過關注奇妙自然現(xiàn)象并探索背后機理，可以激發(fā)學生興趣，開闊其眼界，活躍其思維；而基于需求導向的、由形入神的仿生設計案例學習，則能啟迪學生在思考問題和解決問題時舉一反三，乃至一通百通，提升源頭創(chuàng)新潛能，實現(xiàn)全方位育人目標。

綜合上述考慮，筆者面向中山大學本科生開設神奇的智能仿生世界通識課，以供對仿生現(xiàn)象、原理、設計感興趣的各類院系學生選修，在“以學生成長為中心”的教學理念指導下，通過設計主題模塊化教學內容，偶聯(lián)趣味科普與科技前沿，挖掘并融入特色思政元素，以及多措并舉、創(chuàng)新教學實施模式，凸顯仿生類跨學科通識課“全方位育人”優(yōu)勢，培養(yǎng)高素質拔尖復合型人才（圖1）。

圖1? 神奇的智能仿生世界教學改革開展思路

一? 神奇的智能仿生世界通識課面臨的問題與挑戰(zhàn)

盡管跨學科通識授課已在全國高校大范圍推廣，其具體實施仍面臨諸多挑戰(zhàn)[6-7]。其中核心難題是如何在跨學科通識授課過程中明晰教學目標與內容、創(chuàng)新教學方法和評價體系，以確保不同專業(yè)背景學生都能學有所獲、學以成人。這是一項系統(tǒng)工程，難以一蹴而就，需各高校任課教師在教學實踐中不斷探索、相互借鑒并反思改進。

神奇的智能仿生世界是中山大學2023年新設的一門通識選修課，其設立之初就吸引了來自電子與通信工程學院、生物醫(yī)學工程學院、臨床醫(yī)學（深圳）和網絡空間安全學院等17個院系100余名各年級本科生選課（圖2），這為“仿生”主題跨學科通識教育實踐提供了堅實可行的平臺。然而筆者也意識到，選課學生專業(yè)與年級各異，前期知識儲備參差不齊，易使教學內容在深度與廣度上眾口難調，不僅左右教學進度，還桎梏教與學良性體驗。這就要求教師多方優(yōu)化教學內容，有機整合創(chuàng)新教學模式，促使學生在課堂積極思索、踴躍互動，在課余主動拓展學習相關知識。再者，仿生學涉及材料學、生物學、物理學、化學、力學、數(shù)學和人文等多學科交叉融合，兼具廣泛性和專業(yè)性，且其知識體系錯綜復雜、更迭日新月異，導致可用教材和多媒體資源相對較少且內容遲滯。當前，國內高等院校仿生主題課程教學多由教師結合個人專業(yè)/知識領域自主設計，內容零散斑雜，湊而不合，難成統(tǒng)一學科體系，造成學生習得的知識碎片化，不利于融會貫通、構建系統(tǒng)性思維。同時，大多教學流于簡單描述自然現(xiàn)象或科普淺薄原理，知識存在片面性和遲滯性，學生往往一知半解，未觸及知識本質和科技前沿，不利于激發(fā)源頭創(chuàng)新活力。此外，既往經驗提示，面向大規(guī)模班級授課，若僅采用傳統(tǒng)教師講授方式，學生無法有效參與課堂，易致其熱情受損，興趣喪失，難達到預期育人目標。針對這些問題，本文對該門課程進行了如下教學改革探索與思考，供同行參考。

圖2? 2023學年秋季學期神奇的智能仿生世界選課學生院系

統(tǒng)計分布

二? 神奇的智能仿生世界通識課的教學內容和教學方法探索

（一）? 神奇的智能仿生世界課程內容優(yōu)化設計

1? 教學內容主題模塊化進階

為克服仿生類課程普遍存在的系統(tǒng)性不足、知識碎片化、內容偏淺薄等問題，筆者結合神奇的智能仿生世界課程屬性、教學目標、基本學情，以“現(xiàn)象—原理—設計—應用”為邏輯線索，梳理并制定出符合深圳校區(qū)多院系群特點、具有跨學科通識育人特色的主題模塊化教學大綱（圖3），涵蓋了仿生基礎、仿生設計、仿生應用三大篇章及下屬章節(jié)，圍繞“何為仿生”“如何仿生”“仿生何用”展開，形成一脈相承、層層遞進的有機整體。

圖3? 神奇的智能仿生世界主題模塊化進階教學內容

在“基礎篇”，通過生動的圖片、有趣的視頻列舉大自然諸多奇異現(xiàn)象和萬物獨特之美與獨門絕技，如會“飛”的蜥蜴和魚、能“水上漂”的水黽、愛“聽音樂”的植物等等，激發(fā)學生窺生靈之百態(tài)、解天地之奧秘的本能興趣，引出仿生學基本概念。進一步地，站在學科高度，系統(tǒng)闡述仿生學歷史沿革和發(fā)展態(tài)勢，解析其學科門類、基本要素、主要原理，幫助學生認知由零化整，體悟從淺入深。

不限于此，在接下來的“設計篇”，任課老師重點回答如何進行仿生這一進階問題。通過向學生闡述以“觀察—分析—設計—制造—評價”為流程鏈的仿生設計思路和“主動仿生”“綠色仿生”“最優(yōu)仿生”等仿生設計原則，并介紹掃描電子顯微鏡等仿生研究技術和3D打印等先進仿生制造技術，培養(yǎng)學生從觀察到模仿、再到創(chuàng)造的創(chuàng)新思維和實踐能力。

在“應用篇”，課程以“需求—設計—產品—應用”為邏輯線索，將仿生學基礎理論和仿生設計原理與具體應用領域密切聯(lián)系起來，分門別類開設生產生活、體育競技、基礎建設、國防科技、能源環(huán)境和生命健康等應用型子主題板塊，以照顧不同專業(yè)背景學生的知識架構與學習興趣，最大程度激發(fā)其內生學習動力并引起課堂共鳴，促使學生自主好學，學有所獲，學有所用，為今后基于仿生思路解決實際問題打下基礎。

2? 趣味科普與科技前沿并重

立足于學生全面發(fā)展需求，在開展趣味科普的同時，分層次耦合學科專業(yè)知識，拓展領域科技前沿，實現(xiàn)通?；パa融合，是跨學科通識教育改革的重要方向。為此，神奇的智能仿生世界課程在“基礎篇”對經典仿生現(xiàn)象和案例進行基于圖片/視頻/實物的趣味性科普，激發(fā)學生對仿生學的興趣，并引導其提煉共性、歸納規(guī)律，構建系統(tǒng)概念體。而在“設計篇”和“應用篇”則重點結合科技雜志、期刊論文等文獻素材，分專題介紹兼具趣味性與前瞻性的各領域仿生設計與應用實例，這包括“會鉆地的種子”“善規(guī)劃道路的黏菌”“能防霧的眼鏡”“不怕臟的衣服”“不怕水的膠水”“可變色的染發(fā)劑”“能自愈的微生物混凝土”“能防彈的自修復軍用油箱”“可生產藥物的細胞工廠”“可量身定制的人工器官”“會變形越獄的仿‘終結者機器人”“會‘爭寵撒嬌的寵物機器人”等等。具體舉例來說，在“智能仿生與生產生活”應用板塊，筆者以“萬物播種之道”為專題，向學生科普牻牛兒種子利用其尾部特殊“鉆頭”自鉆地播種的奇妙原理，并延伸介紹浙江大學王冠云研究員團隊2023年發(fā)表于《自然》的關于仿生牻牛兒自鉆土播種“神器”E-seed最新研究成果[8]，引發(fā)各專業(yè)學生濃厚興趣和積極提問。又如，在“智能仿生與國防科技”應用板塊，以“仿生機器人之智”為專題，向學生科普《終結者2：審判日》影片中液態(tài)機器人T-1000的變形越獄原理，并延伸介紹中山大學蔣樂倫教授團隊2023年關于仿海參液態(tài)金屬可相變越獄機器人設計制造及應用研究進展[9]。通過此類趣味科普與科技前沿的耦合滲透，不僅幫助拓展視野，明析學理，提升學生科學素養(yǎng)，還能培養(yǎng)從感性到理性再到悟性的創(chuàng)新思維，促進學生全面發(fā)展。

3? 特色思政元素有機融入

高校思想政治工作的核心是回答培養(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人及為誰培養(yǎng)人的根本問題。習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上強調“要堅持把立德樹人作為中心環(huán)節(jié)，把思想政治工作貫穿教育教學全過程，實現(xiàn)全程育人、全方位育人”[10]?？紤]到通識課全面育人目標，有必要深入挖掘本課程內在與外延特色思政元素，并有機融入具體教學內容，通過“通識教育+德育教育”，培養(yǎng)出具有優(yōu)良思想品德、扎實專業(yè)基礎、深厚家國情懷的高素質復合型人才。筆者基于對神奇的智能仿生世界課程大綱的細致梳理，從知識領域、情感領域、能力領域和時代使命等多維度凸顯思政育人特色，具體如下：①通過揭示自然界奇特的仿生學現(xiàn)象，增強學生尊重、認識、學習自然的意識，提升其審美情操及對生命的敬畏心；②通過分享仿生學“諾獎”故事，激發(fā)學生孜孜不倦的科研求索熱情，培養(yǎng)其繼往開來、開拓創(chuàng)新的科研傳承精神；③通過介紹我國智能仿生領域科技進展，增強學生對科技強國政策的認同感，培養(yǎng)其民族自信心、自豪感、使命感；④通過體驗式仿生設計活動，引導學生多維度分析問題、挖掘關鍵信息的思維方式，培養(yǎng)其理論聯(lián)系實際及團隊協(xié)作的能力。在實際授課時，教師注重換位思考，設計出學生認可的、便于理解的思政路徑，追求思政元素如鹽入水、潤物無聲地貫穿于有關知識環(huán)節(jié)。

（二）? 神奇的智能仿生世界課程教學實施方式和策略探索

1? 信息化手段輔助教學

身處數(shù)字時代，多媒體、互聯(lián)網等信息化技術在當代教育中扮演越來越重要的角色，有效規(guī)避傳統(tǒng)教材教學形式單一、晦澀乏味等弊端，幫助調動學生求知熱情，提高教學成效。在前期實踐中，筆者綜合利用幻燈片、微視頻、在線教學平臺等信息化工具改善神奇的智能仿生世界課程教學體驗。一方面，在課件幻燈片制作時，圍繞仿生基礎、設計、應用等主題版塊按章節(jié)系統(tǒng)展開，精簡文字描述以減輕學生閱讀負擔，并通過增加精美圖片和有趣動圖/視頻來吸引學生注意力，為課堂添彩。再者，通過嵌入超鏈接、錄制/剪輯視頻等方式，多方整合期刊平臺、媒體報道、共享視頻平臺和在線慕課/私播課程等優(yōu)質網絡資源，打造仿生在線專題微視頻案例庫，助力學生跨學科理解仿生基本理論、典型案例設計、前沿科研成果，將專業(yè)知識立體、高效地傳授于學生。

另一方面，借助雨課堂等新興教輔工具進行課件發(fā)布、課堂考勤、課堂互動和問卷反饋，提高學生的課堂參與度，強化學習的主觀能動性，同時保證教學活動的時效性和高質量。除此之外，筆者還積極籌備基于中山大學教務部新推出的“在線教學平臺”，推進建設神奇的智能仿生世界課程線上教學資源庫。后者作為第二課堂平臺自主運行，不僅提供課件、書籍、文獻和視頻案例庫等豐富的線上資源供課前自行預習、課后鞏固拓展，還專門設置了討論區(qū)、答疑區(qū)等互動模塊以促進學生與學生/教師間的多向交流，將學習活動從傳統(tǒng)的“要我學”變成“我要學”“我要問”，實現(xiàn)學生自學成長。

2? 多驅動導向式教學

在教學實施過程中，為持續(xù)激發(fā)學生學習熱情，全面提升其核心素質，筆者探索了以“興趣·需求·問題”共驅動的導向式教學模式（圖4）。

圖4? 多驅動導向式教學模式運行機制

在“基礎篇”，主要通過與奇妙自然現(xiàn)象相關的趣味性、生活性圖文和視頻，輔以實物教具現(xiàn)場教學，喚起學生探秘自然的本能興趣，為導向式教學奠定情感基礎。比如，通過“雞蛋殼”抗沖擊實驗現(xiàn)場解釋趙州橋“薄殼建筑”設計。在“設計篇”及“應用篇”，則以“有趣”且“有用”為前提，以前期問卷調查為參考，精選可滿足不同學科背景同學興趣和需求的仿生實例，以呵護、滿足大學生原生好奇心和求知欲，確保其學習動機全程持續(xù)激活。在介紹智能仿生與創(chuàng)新應用實例時，教師著重以自然現(xiàn)象、仿生原理與實際應用三者關系為切入點，通過層層遞進的問題串開展問題導向式教學。比如，以蜘蛛俠“飛檐走壁”影視片段引出自然界中具有類似黏附攀爬能力的壁虎；再通過展示壁虎腳的顯微結構，要求學生歸納其特點，并引導其深究這些特點與壁虎表面黏附行為的內在關聯(lián)；不僅如此，還啟發(fā)學生發(fā)散性思考壁虎黏附與膠水黏附原理有何異同（如可逆性），并進階性思考基于壁虎黏附行為可能的仿生用途。最后，提問“人類是否能夠通過仿生壁虎實現(xiàn)飛檐走壁”并鼓勵學生大膽想象、嚴謹求證。該過程有助于提升學生的邏輯思辨能力，調動其創(chuàng)新積極性。

隨著學習的深入，教師鼓勵學生嘗試思考基于仿生設計原理解決日常生活或各自學科領域的實際應用需求，將“解決需求的問題”轉化為“解決問題的需求”[1]。當學生僅憑個體智能無法解決問題時，教師則組織跨學科/專業(yè)小組研討，引導其積極查閱文獻資料，并進行頭腦風暴，集思廣益，探尋解決之道，以此促進課堂知識的重整運用和強化再吸收，并培養(yǎng)學生學以致用、多學科交叉解決問題的能力，實現(xiàn)知識向能力和素質的全面升華。

3? 體驗式仿生設計活動

聚焦“以學生為中心”的通識育人理念，筆者在施教過程中，依據學生當前知識水平和認知規(guī)律，圍繞仿生設計與應用主題，針對性穿插了趣味性、探究式情境互動實踐——體驗式仿生設計活動，讓學生當課堂的主人。典型的設計活動基于“匹配卡”游戲實施，寓教于樂，要點如下：教師向學生發(fā)放隨機打亂的“靈感卡”和“產品卡”兩種類型的卡片若干張，并要求學生分組協(xié)作，在規(guī)定時間內完成靈感卡與產品卡兩相匹配。其中，靈感卡正面以圖片展示某種自然現(xiàn)象或生物體（如“蝙蝠”），背面附以簡短文字介紹所關注的特征；產品卡則在正面印制某特定應用領域的產品或物品圖片（如“雷達”），同樣在背面附加功能性描述說明。為提高匹配效率，可將上述實物卡同步轉化為電子卡，通過線上教輔工具發(fā)放、收集，并進行結果統(tǒng)計。表1列舉了課堂部分匹配卡實例。隨著學生經驗積累、認知提升，教師在設計匹配卡時嘗試打破“一對一”標準答案，通過“一對多”甚至“多對多”原則來匹配靈感卡與產品卡，比如，“抗油污領帶”產品卡所對應的靈感卡可能涉及“荷葉”或“蜘蛛網”或“水黽”；又如，“水母”靈感卡對應的產品卡可能包括“浮游機器人”或“照明燈具”。通過此舉增加游戲挑戰(zhàn)度，更有效地調動小組成員的協(xié)作討論熱情，激發(fā)創(chuàng)新發(fā)散思維，培養(yǎng)綜合思辨能力?；顒舆^程中，教師巡視現(xiàn)場并通過言語提示、予以鼓勵等方式參與各組游戲，營造輕松融洽的實踐學習氛圍，同時觀察、記錄學生表現(xiàn)用于評價和改進?；顒幼詈?，結合各組匹配結果和課堂知識點進行點評、解析，引導學生自我反思，加深其對創(chuàng)新仿生設計的學習體悟。

4? 全流程綜合性教學評價

為克服傳統(tǒng)“以考評優(yōu)”教學評價的弊端，增強學生學習動力和整體獲得感，本課程設立綜合性教學評價體系，對學生實行全流程、過程化、差異化考核。該評價體系涵蓋日?？记凇⒄n堂互動、仿生設計活動及期末作品。其中，期末考核要求學生結合課程所學及各自學科背景，圍繞仿生設計進行深入調研選題，并以幻燈片、書面報告、視頻和實物等形式進行作品呈現(xiàn)。既支持個人獨秀，也贊許團隊合作。其中代表性作品見表2。經驗表明，該體系能較全面地培養(yǎng)學生的文獻調研及歸納、邏輯及創(chuàng)新思維、口頭表達和團隊合作等核心能力素質。此外，教師還從學生的奇思妙想中獲得科研靈感，設立大學生創(chuàng)新/創(chuàng)業(yè)訓練項目，已吸引各院系感興趣學生報名參與，將課堂延伸到課外，在實踐中育人。

表2? 學生完成的部分作品案例

三? 結束語

綜上所述，本文圍繞學科交叉背景下基于跨學科通識教育培養(yǎng)復合型人才的需求，以中山大學開設的神奇的智能仿生世界課程為例，深入剖析了當前仿生類跨學科通識課程建設所面臨的問題與挑戰(zhàn)，并從優(yōu)化設計教學內容和改革教學實施角度提出了針對性舉措。在“以學生成長為中心”的教學理念指導下，課程以有趣的自然現(xiàn)象/原理、前沿仿生學進展、實際仿生應用案例為切入點，基于信息化教輔手段、多驅動導向式教學、體驗式仿生設計活動等創(chuàng)新教學模式，引導學生思自然萬物之妙，享仿生設計之趣，培養(yǎng)跨學科科學視野，增強源頭創(chuàng)新意識。同時，通過挖掘特色思政元素和構建全流程綜合評價體系，凸顯“學以成人”全面育人目標，培養(yǎng)高素質復合型人才，助力全球化背景下我國經濟和科技跨越式發(fā)展。上述探索或為學科交叉背景下其他課程改革提供有益借鑒。

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