大學本科教育中創新意識培育的試驗和思考

戴振東+吳慶憲+陳夏初

摘要：以十多年仿生學研究的積累為基礎，開展新生研討課的教學改革，用課程選題激發學生對科學的興趣;用教學方式的變革提升學生表達和團隊工作能力;以達到營造學術氛圍、培養探索精神、推動復合型人才培養;后續亟待加強實踐環節，為培養創新精神和研究能力奠定基礎。

關鍵詞：新生研討課;創新意識;創新能力;實驗和思考;仿生科學與技術

中圖分類號：G640 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）42-0082-04

經過30多年改革開放和高速發展，我國已穩居世界第二大經濟體。但科技對經濟發展的貢獻遠低于發達國家，且后發優勢已日趨減弱。如何在新形勢下增強國家的發展后勁，增強科技創新對經濟和社會發展的貢獻，已成為一個迫切需要回答的問題。十八大以來，全民創新，已經成為國家發展的首要舉措。創新是一個民族發展的靈魂。創新的核心是人，創新型人才的培養是支持創新的關鍵，如何培養創新人才是高等教育必須深入思考的問題。

在世界大發展、大調整、大變革和科技創新面臨新突破的時期，全球人才、科技和教育競爭日益加劇，“迫切需要全面提高教育質量，加快拔尖創新人才的培養，提高高等學校的自主創新能力，推動中國制造向中國創造轉變”[1]，而實現這一轉變，“科技是關鍵，人才是核心，教育是基礎”[1]。高等教育是國家創新能力建設的核心部分，經過十多年的擴招，2010年全國高等教育毛入學率達到26.5%，高等教育大眾化水平進一步提高。但大學教育從精英教育發展到大眾教育以來，社會上一直有大學教育質量下降的聲音[2]。如何回應社會需求和家長的關切，培養崇尚自然、積極向上、熱愛生活、開心工作的年輕一代，是教育的責任和義務。

為加強創新意識和能力培養，教育發展規劃強調“把激發學生的學習興趣、保護學生的好奇心作為教學改革重要標準，努力營造鼓勵獨立思考、自由探索、勇于創新的良好環境。注重學思結合，知行統一，因材施教，推廣啟發式、探究式、討論式、參與式教學方法。加強動手實踐教學，增加學生參加生產勞動、社會實踐和創新活動的機會?！蓖瑫r國內高校也積極開展各類教學改革，取得不少經驗[3，4]。

高等教育發達的美國，也曾面臨同樣問題和困惑，“新生研討課”（Freshman Seminar）是哈佛大學1959年為因對這一挑戰采取的有效措施[5]，是美國高校教學改革的一種有益嘗試。課程由各學科領域的教授專門面向大一新生開設的小班研討類課程，主要教學方式是在教授主持下，圍繞某一師生共同感興趣的專題，通過教授與學生之間、學生與學生之間的交流互動，以小組研討方式展開學習。

新生研討課立項目標是“提高學生的學習興趣和綜合素質，培養有創新意識、創業能力的人才，挖掘學生潛力、引導科技創新”。

在上述背景下，南航《仿生科學與技術》研討課結合我國航天航空產業對原始創新技術和創新型人才的需求而設立。作者基于課程設置、教學指導和對學生培養的體會和感悟，從（1）創新型人才的特質;（2）《仿生科學與技術》與創新型人才培養的關聯性;（3）教學實踐與學生反饋;（4）展望和后續工作四個方面討論強化學生創新意識和能力培養的思考。

一、創新型人才的特質

培養創新型人才，實現需要確認創新型人才的基本特征。國家教育發展研究中心副主任周滿生指出，“未來的人才需具備多種能力，如語言能力，交際能力、獲取知識的能力、解決問題的能力、綜合運用信息的能力、創新能力、競爭能力、主動進取的能力”[6]。

王樹國從創新（Innovation）出發，總結了創新人才培養的十個要點[7]：激勵、引導、網絡、責任、空閑、能力、寬容、保障、開明、天真。徐恩芹，劉美鳳[8]總結了國外學者的觀點，提出人才的4個主要特質：高度的責任感、個性化、自主學習的意識和能力、具備合作精神和合作能力。學生的創新精神、個性、素質和實踐能力是許多學者廣泛關注的創新型人才培養的方面[9]。趙韓強，趙樹凱對比了中美研究型大學本科教育的差異[10]，認為美國大學立足于培養“人”，即通過教育直接養成受教育者的內在品質;因此關注學生研究興趣、探究方法、思維和辨別能力的培育。而我國大學立足于培養“人才”。以培養“人”為目標，即通過教育使學生更加適合職業需要。因此強調專業、基礎理論、專業知識和實踐技能的培養。但從教育實踐看，學生的實踐能力在大規模擴招以后比較普遍地被嚴重弱化。

值得思考的是，在Google Scholar上，檢索論文標題中含“創新型人才”（Innovative talents），17.4萬條結果中，絕大多數論文均為來自中國的作者。可見國外的教育研究并不特別強調“innovative talents”的培養。國外更加重視Innovative Education，Shavinina認為，創新來自有天賦、有才華的孩子，發展創新能力需要識別、開發、轉化孩子的天賦，使之成年后實現創新[11]。美國普渡大學的Bowen等[12]則更加關注技術領導者（Technology Leader）的培育，所謂的技術領導者指“在特定背景下，能夠做出明智、有價值的決定，并參與指導科技發展的人”。中國的人才培養模式引起哈佛學院的興趣[13]，通過對164所大學的學生和教授的調查，認為有確鑿的證據說明目前高校的投資對提高學生的創新思維能力是有幫助的。要實現創新型人才的培養，大學需要補充現有基礎設施支持，同時提高資源的利用率和激勵方式。

可見“創新型人才”國內外尚沒有一個統一的標準。從中國基礎教育和高等教育的現狀入手，我們認為創新型人才培養首先要關注其健康積極的人格的再塑造，關注愛的意識和能力的培育，關注年輕學生對自然的敬畏和興趣，關注對人的社會性及其在社會中的和諧生存。同時結合各授課教師自己的科研實踐、專業特點，才有利于教學活動做到生動活潑、理論聯系實際。endprint

二、《仿生科學與技術》與創新型人才培養的關聯性

南航作為以航空為特色的211重點建設大學，主干學科和仿生科學與技術有著天然的緊密聯系。飛行是典型且最成功的仿生技術之一，人們從觀察鳥和昆蟲的飛行入手，試圖像鳥一樣飛翔，在無數次的失敗和總結中，揭示了產生升力的機制，發現了飛行的規律，發展了大型固定翼飛行器，使人類可以飛得更高、更遠。但微型固定翼飛行器不能產生足夠的升力，各種撲翼飛行器的新原理、新設計研究有引起人們的廣泛興趣。材料和結構的輕質高強和多功能要求是飛行器和動物面臨的共同問題，人們已經從自然的啟發中獲得了很多重要的啟示，如蜂窩輕質結構、框架結構等。相控陣雷達的發展也受到復眼視覺的啟發等等。《仿生科學與技術》與本校的主干學科方向有高度的一致性，能夠把課程教學和專業興趣的培育結合起來。

仿生科學與技術通過對自然的揭示，不僅能夠實現“寓教于樂”的理想，貫徹“從實際中來，到實際中去”的認識規律，還可以點燃青年人“熱愛自然、學習自然、敬畏自然、順應自然”的價值觀，養成觀察、思考、分析、實踐的科研作風。仿生學的許多研究成果來自于對最常見的自然現象的觀察、實驗、研究和模仿，能夠最大程度上調動學生對自然的熱愛、對自然現象的好奇、對凝練科學問題的興趣，從而有利于學生樹立樂觀向上的精神風貌和熱愛科學、樂于探索的精神。如我們每天都可見滿目綠色、各類葉子總是“出淤泥而不染，戲清漣而不驕”。為什么葉子要保持清潔？如何保持清潔的？這種保持能力如何復現和低成本地生產？每天我們都可以看到小狗的嬉戲、蜻蜓的飛舞……它們是如何做到的？它們如何感知環境、做出決策、調控運動？仿生科學最迷人的特點就是那個從日常大家非常熟悉的自然現象中挖掘出最深奧的科學原理和最前沿的實用技術！仿生學的內涵有利于激發學生興趣和積極性，激發學生對自然的熱愛和敬畏。

南航“仿生結構與材料防護研究所”是國內較早成立、多學科交叉的專業仿生研究機構，多年來受到學校的高度重視和培育，具有十多年在運動仿生、輕質多功能結構材料等仿生領域的豐富研究積累，承擔國家自然基金重點、重大國際合作項目、863項目，參加973項目的研究經歷，也具有部分產品產業化的經歷，出版了3本仿生學相關的專著，能夠在科研選題、研究方法、科研體會和最前沿的研究成果方面為學生提供豐富的第一手的體驗。主講教師具有豐富的研究經驗和學術積累。

三、教學實踐與學生反饋

1.教學實踐。根據我們對創新型人才的認識，把教學過程分為兩個階段：第一階段側重興趣、愛好、主動性的培養和訓練，使學生有愛和創新的意識，輔以團隊合作能力和表達能力的訓練。第二階段側重結合探究性學習，進入到導師的研究團隊，依托導師所具有的研究資源和學術敏感性，指導學生開展探究性學習，樹立和訓練其創新能力。

第一階段，根據學生特點，以調動學生積極參與的主動性為目標，在講授環節，教學資料借助于多媒體技術，用生動的PPT、仿生技術錄像等環節，同時把促使學生提問和課內討論作為一個重要環節。為訓練表達能力和團隊協作能力，課程以分組研討典型仿生論文，并面向全班講述的方式給出成績。具體論述如下：

激發學生的主動性。在基于PPT的教學環節，每個主題以問題的形式給出，請學生根據已有的物理化學知識和日常生活的積累提出假設。通過討論強化學生對基本理論的認識，強化知識的運用能力。為鼓勵主動性和思考，平時成績按照下列方法給出，討論中正確的觀點2分;不準確的觀點1分。沒有回答和參與則沒有分。以此調動和鼓勵大家踴躍發言，實現了課堂教學的活躍?？紤]到課程的目標，PPT教學過程以把問題討論清楚為目標，不特別限定課程的進度和時間。

調動學生的學習熱情。仿生技術錄像展示環節是結合在PPT教學環節進行的，把主講教授在多年科研中積累或者收集到的仿生研究的最前沿的成果展示給大家，以此活躍課堂氣氛、啟迪創新思維、發現國內外差距、激發學生的研究熱情。例如研究團隊關于壁虎運動腦神經信息控制的研究屬于沒有對外公開的資料，課內展示為學生打開了一扇完全不同的機器人技術的天地。同時展示美國“大狗”機器人和國內同類機器人的最新研究成果，使學生形象地看到國內外這類研究的差距。

鍛煉學生表達能力。表達能力是科學研究的重要能力，目前大學教育嚴重缺乏，導致很多學生難于清晰、有序地表達自己對問題的認識和看法。為此課程結合考核環節，要求學生針對特定的仿生主題開展研討和講述。為此借鑒美國霍普金斯大學趙海青博士生物學講授的方法，即要學生就在Science的前沿論文開展討論，找出問題。我們選擇一批發表在Nature，Science，PNAS等國際頂級期刊上的仿生研究成果，由3～4人組成的小組研讀，整理出來，并用PPT的方式對全班講解，同時要求發現論文的不足。通過這樣的教學，使學生了解學科的前沿在哪里，并培養學生勇于挑戰學術高手的勇氣。

鍛煉實際研究能力。實際操作能力是工作及科研能力的重要環節，是高校教育的短板，探索性和創新性的實踐環節更少。為此結合課程教學，吸引一部分同學提出新問題，在主講教師指導下開展探索性的學習。限于現有課程設置和已有能力，前期指導王恩臻等4位同學組成的小組，參加TI杯嵌入式設計大賽獲得一等獎。根據同學反饋意見，大家對更多地參與實踐環節有很濃厚的興趣。適度引導和指導會培養一批有興趣、有實踐能力、和有創新能力的創新人才。

2.學生反饋。為進一步做好后期的教學，課程結束后希望學生無記名地提出對教學的意見和建議。以下學生的反饋直接引述學生的原話。

對課程設置：“懷著強烈的好奇心和求知欲選了仿生課?！薄拔业母惺芫褪切缕?、有趣。通過老師的講授學到了很多知識，開拓了視野，對前沿知識有了一定的了解?！薄坝浀梦衣犕甑谝还澱n時，就像小孩子一樣對大自然產生了濃厚的興趣，之后幾天走在路上都在觀察花花草草，猜想他們的結構與功能，也獲得了挺多的樂趣。”“通過這幾周的學習，我感慨萬千。感慨自然世界各種生物神奇的功能，也感慨人類學習模仿的技術。”“在仿生學學習的過程中我的感受就是新奇、有趣?！眅ndprint

對講授方式：“特別是教學方式，讓課堂氛圍很活躍。”“被老師幽默風趣的上課方式和信手拈來式的淵博知識所吸引了，深深地感到這才是一所大學應有的上課氛圍”?！袄蠋煹闹v解也是由淺入深，聽來十分輕松有趣。提問環節又讓我們在輕松聽課的同時得不時投入到思考中去。”“這門課就是這樣，帶我走進一個全新的領域，反正是我全新的認識。老師的見解與全世界滿處去的見聞讓我們很是感興趣。這是吸引所在?！薄皩τ诠た粕奈覀儊碚f，自從上大學開始就很少接觸到與生物相關的學科，這次選到了仿生科學，也算是一個全新的體驗。”

對學術水平：“對老師時不時冒出的英文印象深刻啊，可以深刻體會到老師不僅專業學術扎實，英語水平更是不錯的。”“而且課上老師都會講到與他們研究相關的壁虎的內容，這也讓我們第一次感覺與高深的科研距離如此之近。這與我們的基礎課感覺完全不同?！?/p>

對教學過程的互動：“注重師生之間的互動，經常提問在座的同學……是一種激勵手段，可以讓同學們知道自己在專業方向上的不足。”“接觸很多最前沿科學領域的同時，戴老師也會主動引導我們去思考，去了解和討論最前沿的科技基礎，甚至于提出自己的看法，展望這些新發現的前景，這和平時灌輸式的教學有很大的不同，也是對我們的思維方式提出了更高的要求?！?/p>

對考核方式：“結課考核作業也是不同以往的……Nature雜志上關于仿生學的全英文文章……通過翻閱字典，也能夠將文章大意猜個大概……是一種非常有效的作業形式，也使我受益匪淺。”“收獲最多的就是本課程獨特的結課考核方式，這種翻譯+研究+演講的方式不但調動了同學們的學習積極性，同時還讓我們開闊了視野，鍛煉了我們的團隊合作、自主研究、演講表達等多種能力”?！叭绻袟l件的話我們很希望能夠去老師的辦公室參觀一下，如果能這樣那就太好了?！薄拔覀儠鹁醋匀?，保持對自然的好奇心！！”

意見建議：“可以增加實驗環節，讓我們親身經歷一下仿生實驗?！薄袄蠋煹膒pt里的圖片和視頻都是大家很感興趣的東西，希望老師以后再ppt里多加入一些這些元素，讓學生更加感覺有興趣?！薄耙悄軇邮肿鳇c東西就更好了，有趣的科研小玩意小模型可以帶過來給我們看看?！薄岸嘟榻B一點我們南航自己研究所所研究的東西。”“增加互動環節，除提問外可設置討論等環節。可帶學生進入實驗室參觀，培養觀察力。”“提高考核要求，更加激發同學們的自主學習積極性。”“每一模塊時可以都舉一兩個具體的實驗事例來具體講解，附加更多的視頻影像。”“我只是覺得最后翻譯的論文難了一點，有很多專業術語很難翻譯，也有點難理解。”“目前的考試方法難度有點大，文章都比較專業，而且一旦選定了文章就難以激發同學們自己探索自然的熱情?！薄罢n堂不局限于教室，可以在大棚等野外教學，更有有利于學生學習。增加課堂小組討論和師生互動?！薄鞍嗬锔鞣N專業的同學，我覺得老師應該講得更加通俗易懂一點，更加生動一點?！薄袄蠋熆梢蚤_展一些網上的討論?！薄安荒苡H身到戴老師的實驗室進行實地參觀，比較遺憾?！?/p>

總體評價：“非常喜歡這門課，老師的上課形式、方法也非常好?！薄坝X得這門課上得很有意思，很有收獲?！薄坝X得這門課很好玩的，老師也是很博學并且善于講課的。”“這個課堂上我體會到了很多樂趣，得到了很多新知識，相信對將來的學習和生活會有較大的幫助?！薄绑w驗到了很多平時的課堂上學不到的東西?！薄罢n程的學習時間很短，但是自己確實學習到了很多的東西，尤其是對于現實問題不同的思維方式，對大自然和生活要保持探索的好奇心。”“老師上課還是很有趣的，對各方面都有所涉獵?！薄袄蠋熤v課的氛圍很好，很有趣。”“總體來說上得很開心。今天和同學聊起您的這門課，發現您的這門課有很多人想報名，突然有種幸福的感覺。謝謝老師了（*^__^*）嘻嘻”?！斑@既增添了上課的樂趣，又可以鼓勵我們思考，真正地在課堂上有所收獲。另外，最后的作業也考驗了我們團隊合作、英文翻譯、語言表達等方面的能力，使我們得到鍛煉?！刮沂芤娣藴\，并將對我今后的學習生活產生積極的影響?！薄霸谶@個課堂上我體會到了很多樂趣，得到了很多新知識，相信對將來的學習和生活會有較大的幫助。當然我不會讓自己的問題只停留在思考的層面，補充相關的知識然后解決問題并將它應用于實際才是關鍵?！薄笆雇瑢W們在輕松地氛圍中學習了仿生科學的知識，了解了很多當今世界的前沿科學項目?！?/p>

四、展望和后續工作

以《仿生科學與技術》開展新生研討課教學，內容選取適合激發學生創新意識、啟迪創新思維的目標。以PPT講授、提問、研討和團隊式講述頂級論文相結合的教學模式有益于培養學生的表達能力、合作能力、提出問題并力圖解決問題的能力。從教學過程和課后學生反饋意見看，研討課可總結如下：

課程選題激發了學生對科學的興趣。興趣是最好的老師，引導學生對科學的興趣，從而樹立探索科學知識，轉化為現實生產力的志向，是教育應該貢獻于國家的。仿生科學是橫斷科學，使學生建立自然與所選學科專業的聯系，并形成帶著歡樂去學習和工作的心態，是課程給予學生的一個重要禮物。對此，葉航教授在《中國經濟問題：理論與實踐》新生研討課的總結中也表示，學生“與其用在課堂上學到多少經濟學知識來衡量這門課的價值，倒不如用它引起了我們對經濟多大的興趣與關注來得更為恰當”。本課程的反饋意見中學生認同度最高的就是通過課程學習，激活了學生好奇心、興趣和對自然的熱愛和崇敬。

教學方式提升了學生表達和團隊工作能力。表達能力是一種重要的工作能力，現有教學系統缺乏此類能力的訓練，課程通過課程討論和演講環節，為表達能力的訓練提供了一種新的可能?，F代社會，無論是科學研究還是商業開發，越來越多地需要團隊的合作，特別是不同領域專家或者工作者間的合作。以小組合作的工作模式完成有較大難度的論文理解、翻譯和講演，是鍛煉學生合作的一種有效嘗試。

營造學術氛圍，培養探索精神。課程使大學生有機會接觸學術的前沿、感受教授的治學風范，在潛移默化中感悟為人為學之道，讓他們受益終生。課堂上，師生在寬松的課堂氣氛中，各抒己見，百家爭鳴，體現的正是一種言論自由、學術自由的思想，通過這種鍛煉，有利于形成一種良好的學術氛圍，培養學生的科研探索精神。endprint

有利于推動復合型人才培養。參加本課程的學生來源于學校不同的專業，仿生科學與工程本身也是匯聚多學科知識，并與生命科學相交匯從而產生新的思想和火花的領域。目前，前沿技術及其產業化領域迫切需要具有多學科匯聚能力的人才，《仿生科學與技術》課程為南航學生提供了一個建立多學科聯系的渠道和平臺。有利于推動把高等學校建成“國家知識創新、技術創新、國防科技創新、區域創新的重要基地”的目標的實現。

實踐環節有待加強，后續創新工作急需開展。在學生的反饋意見中和平時的交流中，大家非常希望能夠直接接觸到最前沿的科技和創新。但限于課程剛剛設立，教學實驗環節未能建立，科研試驗室與教學分離較遠等問題，未能滿足學生的這一愿望。后期希望加快與教學相關的實驗環節的建設，為學生提供理論和實際相結合的全面培訓。創新能力是一個在實踐環節中培養的能力，培養新知識的創造者、新技術的發明者、新學科的創建者，需要在導師指導下，深入開展研究實踐活動，使學生從中“感悟”到創新思維的規律，只有這樣才能甄別具有創新潛質的學生、選拔出具有高水平創新能力的人才。后期應該結合國內的各類創新項目的比賽，把創新實踐活動開展好。培養具有堅實科學基礎、實踐能力和人文素養的高水平人才。

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