仿生交叉學科研究生課程教學模式探索

摘要：仿生學是生命科學與工程技術學科相結合的一門交叉學科。學生從事仿生學研究和學習，可以充分發揮知識間的相互啟發、相互促進作用，從而鍛煉和培養綜合創新能力。本文從仿生學各學科專業課程、仿生學課程的選擇和教學方法，教學實驗和實踐、學術報告等環節開展了仿生交叉學科研究生課程教學模式的探索，目的是使研究生能夠掌握更多的跨學科知識，為從事交叉學科研究打下良好基礎。

關鍵詞：仿生學；交叉學科；課程；創新

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：

中圖分類號： 文獻標識碼：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

仿生學是生命科學與工程技術學科相結合的一門交叉學科[1]。通過學習、模仿、復制和再造生物系統的結構、功能，來改進、提高現有系統的性能或創造新的系統。以增強人類對自然的適應和改造能力， 產生巨大的社會經濟效益。仿生學涉及的學科領域十分廣泛。在機械學、材料學、包裝學、交通學、建筑學等學科都有廣泛的應用。仿生學的研究主要從形態仿生和功能仿生兩個方面開展研究。具體來說，仿生學的研究主要包括結構仿生、信息仿生、控制仿生、化學仿生和力學仿生。因此，仿生學是一門涉及機械、電子、信息、力學和材料等的綜合交叉學科。多學科的交叉和融合，是培養具有創新能力的高級人才培養的要地，是教育創新、科研創新可能的突破口。因此，學生從事仿生學研究和學習，使其具備多學科知識才能從整體上把握知識間的縱橫聯系，充分發揮知識間的相互啟發、相互促進作用，從而鍛煉和培養綜合創新能力。

具有交叉學科專業素質的學生培養環節中，課程教學方法與模式是重要的一環。國內許多專家學者開展了交叉學科課程的探索。國防科技大學的肖定邦從基礎知識教學、前沿專題研討和實踐能力強化三個方面進行了交叉學科教學方法的探索與實踐[2]。燕山大學的馬筱聰開展了基于CDIO理念的卓越工程師試點班交叉學科課程教學改革與實踐[3]。中央財經大學體育經濟與管理學院的張自如以體育經濟與管理專業為例分析了交叉學科復合式本科課程體系構建[4]。湛江師范學院的陳冰開展了交叉學科課程考試成績統計分析與教學效果影響因素的研究[5]。西安電子科技大學的孫群探索了數學專業交叉學科課程的設置[6]。浙江大學的曾秀瓊介紹了在交叉學科課程建設、教材建設、實驗室建設及師資隊伍建設等方面所進行的富有成效的探索和實踐[7]。

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

南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所（以下簡稱南航大仿生所）是國內最早開展運動仿生、仿生輕質結構、神經信息仿生等方面研究的單位之一，從事仿生學的人才培養與科學研究已經將近十五年，是國內少數幾個擁有跨學科研究人員的實體研究團隊。主要畢業博士、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人為博士生導師，其余均為碩士生導師。全部從事與仿生學交叉學科相關的領域科學研究與研究生培養教學，研究領域涉及動物的運動及其測試技術、生物機器人、仿生機器人、仿生摩擦學、仿生智能材料以及仿生復合材料等專業領域。建立了開展仿生學教學和科學研究所必須的實驗儀器和設備。本文基于南航大仿生所多來從事仿生學的研究和教學經驗，對仿生交叉學科研究生課程教學模式開展了有益的探索。

1 學科專業課程的選擇

仿生學作為交叉學科，研究生的各學科專業課程培養模式之一是由研究生在全校范圍內多個學院開設的研究生課程目錄中選課，如南航大仿生所從事動物運動力學及其測試技術方向研究的研究生，在南航大能源與動力學院選《多剛體動力學》課程，機電學院的《非線性有限元》課程，自動化學院的《測試技術》課程和航空宇航的《彈塑性力學》課程；另一種模式是由仿生所老師根據需要在研究所內開設相關課程或講座，如邀請具有實驗數據處理與分析經驗的老師在全所范圍內開設關于《數據處理與分析方法》的課程，該課程在南航大各學院并未開設，但是從事科學實驗的研究生又必須掌握通過這兩種模式，使得仿生學交叉學科研究生具備仿生學交叉學科所必須掌握的知識基礎。

2 仿生學課程

仿生學課程內容涉及運動、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研究的老師開設這類課程。對仿生學課程的設置，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了新生研討課《仿生科學與技術概論》，該類課程由學生自由選修，最新一屆學生的選修人數已經達到400人，教室內座無虛席，反響很大。每一學年在開課一兩個學時后，馬上有許多同學在課后提出，想報考仿生學研究生，從而使學生在本科階段就對交叉學科有基本的認識，增強對未來從事仿生學交叉學科研究和進一步深造的興趣。其次，我們還在機電學院和自動化學院分別了開設了《仿生科學與技術》的研究生課程，供對仿生學課程有興趣的全校研究生選修。該課程開設三年來，影響力也在逐步擴大，選修該課程的人數都在逐年增長。對該課程的考核模式也進行了探索，如研究生參加該課程的學習一段時間后，要通過文獻檢索、課程調研的方式，完成一份類似于項目申請書的大作業，以某一個具體仿生研究對象為切入點（學生通過一段時間的學習以及調研自己來決定），從研究背景和目的、研究內容以及研究方案的可行性等角度闡述研究思路和方法，讓學生了解開展科學研究的思路和過程。另外，我們還合作開發了視頻公開課《仿生技術漫談》課程，該課程由四位教授和一位副教授合作主講，包括動物的運動及仿生、流體中動物的運動及其仿生啟示、仿生驅動之人工肌肉、自然界的輕質結構與仿生應用、動物對環境的感知和動物的防御行為及仿生啟示等六講內容。該視頻公開課以科普為主，適當介紹仿生先進技術，使得不同層次和不同文化水平的人都能接受。不僅適合于大學本科生與研究生的學習，而且可以作為中學生和廣大仿生科學愛好者的知識普及課程。該課程已經作為中國的大學精品開放課程系列之一，在“愛課程”網公開播出，不僅可以培養青年人對生物世界的興趣和創新性思維的態度，還有利于提高我國國民科技素質。

3 教學實踐環節

仿生學涉及機械、電子、信息、力學和材料等多學科的交叉和融合，具有很強的實踐性和應用性。在教學過程中，實踐課程與實驗課程能增強學生的感性認識，拓展學生的創造性思維。如仿生所的研究領域之一涉及動物的運動與附著，參考一些高校的生物學專業開設的實踐課程方式，帶領研究生在野外現場觀察研究與分析動物的運動與附著，加深對所學知識的理解。我們還利用實驗室已經配備的一臺高速攝像機，并租借另外一臺高速攝像機，通過兩臺高速攝像機的同步，讓學生在實踐課程中通過實驗觀測記錄動物在爬行和飛行瞬間的行為，理解動物運動的規律，從而理解其仿生應用。

4 學術報告環節

定期邀請在國際和國內的仿生學研究領域具有領先地位的專家和學者給研究生做學術報告，使研究生能領悟國內外仿生研究最新成果，是使學生具有創新實踐能力的必要條件。我們每一學年邀請國內外仿生學知名專家學者給從事仿生學學習的研究生作報告的次數在四次以上。如最近一屆邀請了在國際仿生學領域非常著名的德國Keil大學的專家來做系列報告，該專家已經發表SCI論文400多篇，專著6部，是國際動物學和仿生科學領域多個知名刊物的編委。報告分8次，每次時間達兩個小時，從仿生學基礎、生物材料和結構、生物表面和仿生表面、建筑藝術和空氣調節的仿生設計、生物傳感器和仿生傳感器、運動和仿生機器人、進化中的優化與仿生以及德國的仿生學研究等八個方面系統介紹了仿生學的研究及其進展。不僅廣大研究生學習了解了仿生科學前沿的最新研究成果，從事仿生學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的學者作關于昆蟲和鳥類在穩態風環境下的飛行生物力學的學術報告。邀請南京體育學院和廣州體育學院分別從事運動健康和生物力學研究的專家給研究生作報告。另一方面，我們知道，閱讀文獻是科學研究的基本功。仿生學作為一門學科交叉融合的新興學科，更需要大量閱讀科學文獻來學習和了解仿生學的科學前沿和研究趨勢。如要求每名碩士研究生在攻讀碩士學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，由學生輪流介紹其所閱讀的一篇有代表性的文獻，并就該文獻的研究內容、研究方法和研究結果與同學們開展討論，提高和開闊交叉學科研究生的學術視野。

總結

仿生交叉學科研究生課程教學模式，離不開各學科專業課程、仿生學課程的選擇和教學方法，教學實驗和實踐、學術報告等環節還可以有效鞏固和理解仿生學相關知識和原理，開闊眼界。仿生學研究近幾年才在國內各個高校蓬勃開展，更有效的培養模式還需要進一步探索。

參考文獻

[1] 吉愛紅. 動物運動接觸反力測試系統、實驗與分析[D]. 南京：南京航空航天大學，2007.

[2] 肖定邦，辛華，吳學忠，等. 交叉學科研究生課程教學的探索與實踐[J].高等教育研究學報，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班交叉學科課程教學改革與實踐[J].教育教學論壇，2014，44：122-123.

[4] 張自如.交叉學科復合式本科課程體系構建[J].中國學校體育，2014，11：4-5.

[5] 陳冰.交叉學科課程考試成績統計分析與教學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.數學專業設置交叉學科課程的研究[J].高等理科教育，2007，2：29-31.

[7] 曾秀瓊，吳起，湯谷平，等. 新型交叉學科“化學生物學實驗”課程與教材的建設[J].實 驗技術與管理，2014，31（6）：216-218.