“新工科”背景下“仿生設計學”課程建設的思考

田麗梅，趙杰，商延賡，孫霽宇

（吉林大學生物與農業工程學院，吉林長春 130022）

自2017年2月以來，教育部積極推進“新工科”建設，先后形成了“復旦共識”“天大行動”和“北京指南”。2017年，教育部高教司印發《關于開展新工科研究與實踐的通知》，全力探索形成領跑全球工程教育的中國模式、中國經驗，助力高等教育發展。2019年3月，吉林大學仿生科學與工程獲批“新工科”本科專業，同年9月，仿生科學與工程學科被國務院學位委員會批準為一級學科進行研究生招生，率先構建了仿生科學與工程的本-碩-博培養體系，形成了仿生科學與工程本-碩-博交叉學科人才全鏈條培養模式。

因此，如何牢牢把握新工業革命和《中國制造2025》制造強國戰略重大歷史機遇，緊緊圍繞國家實施“一流大學一流學科”建設的總體思路，立足現有學科與平臺、師資與團隊，依托本學科群在工程仿生領域的鮮明特色，通過機制改革創新，挖掘潛力，整合資源，強化多學科交叉融合與多平臺協同創新，全面推進仿生學科的跨越式發展，是我們當下需要思考的問題。

1 課程特點

隨著新一輪工業技術革命的到來，我國制造業亟須向創新驅動、質量競爭與綠色制造方向轉變。仿生設計是一門典型的交叉學科，其通過多學科交叉融合，對自然界生物的精細結構、成形過程與優異功能進行模仿、利用，突破原有設計理念，再現生物優異性能和特異功能，進而在關鍵核心技術領域產生顛覆性的技術變革，為我國制造業升級提供強大助力。仿生設計現已被中、美、德、日等國列為國家重點發展戰略技術之一，其與前沿科技發展需求高度契合。

吉林大學仿生科學與工程團隊是我國仿生學領域的先行者，創建了我國首個仿生科學與工程一級學科，以及本、碩、博、后一體化培養體系。在長期的仿生學相關領域的教學與科研工作中，團隊深切地感受到要想加速我國仿生學發展，完善仿生學人才培養模式，亟須開展仿生學設計理論體系的構建工作。仿生設計測試方法、仿生信息處理方法、材料仿生設計學與仿生機械設計等共同構成了仿生設計學的主要內容，涵蓋了機械設計、先進制造、醫療康復等重點領域中的前沿技術與設計理念。

作為一門新興的交叉學科，“仿生設計學”同時兼具設計與仿生學的一些特點，但又不同于這兩門學科。具體而言，“仿生設計學”具有以下特點。

（1）藝術的科學性。

“仿生設計學”是現代設計的一個分支和補充，因此其也具有與其他設計學科共同的特點——藝術性，然而其是建立在一定的設計原則、一定的仿生理論和研究成果基礎上的，所以它又是非常嚴謹和科學的。

（2）商業性。

“仿生設計學”服務于設計和消費者。同時，優秀的仿生設計作品也可以刺激消費、引導消費、創造消費。

（3）無限可逆性。

基于“仿生設計學”的仿生設計作品可以在自然界中找到設計原型。在設計、生產和銷售過程中遇到的各種問題都可以促進“仿生設計學”的研發。仿生學的研究對象是無限的，“仿生設計學”的研究對象也是無限的；同樣，仿生設計的原型也是無限的。只要我們致力于研究自然，學會多角度、多層次地從整體上認識自然，創新設計就永無止境。

（4）學科知識的綜合性。

要熟悉并應用“仿生設計學”，必須具備數學、生物學、工程學、美學等相關學科的基礎知識，因此更強調知識的綜合、技術的集成和方案的兼顧。

（5）跨學科。

工程設計本身就是跨學科的，要深入學習和理解“仿生設計學”，必須在設計的基礎上理解生物學和社會科學的基本知識，在對當前仿生學研究成果理論反思的基礎上拓寬文化視角的研究，將仿生思維與工程設計進行技術融合，引導學生依托理性探究精神、不斷突破認知邊界、全面提升個人能力。

2 課程建設目標

國外已有多個國家的大學及研究機構開展了仿生相關的研究，并開設有仿生相關的課程，學科體系建設已初具雛形，其中尤以英、美、德、日、韓為主，其仿生研究應用于多個領域。美國的研究主要得到了軍方的支持，在仿生輕質材料、仿生制造技術、仿生減阻技術方面取得明顯的成效和進展；英國以大學為基地，已建立若干研究中心，設計制造出能夠在人體內運動的微機械，以及有高位移和高阻尼的彈簧系統等，英國Bath大學和Reading 大學還專門建立了仿生技術中心；德國大學與工業界緊密合作，在仿生自清潔表面和仿生防結冰技術方面具有優勢，在仿生材料、傳感器等方面也有競爭能力；韓國在仿生傳感技術、仿生吸附材料等方面進展迅速；俄羅斯開展生物體結構、材料和行為機理研究，在國際仿生學領域有較大的影響；日本近年投巨資強化工程仿生研究，主要研究方向集中在人體醫學領域。近五年，英國《Nature》雜志和美國《Science》雜志每年都發表多篇對工程仿生研究具有重大意義的生物及仿生基礎研究成果，標志著仿生學基礎研究和應用研究激烈的競爭形勢。

“仿生設計學”是仿生科學與工程“新工科”專業選修課，本課程的授課對象為仿生科學與工程“新工科”本科生，是本學科專業選修課。本課程通過課堂教學使學生了解仿生設計與其他設計的區別、仿生設計的發展趨勢，通過課堂討論和實驗，使學生了解仿生設計的原則、方法及步驟，為將來的仿生科學專業課程設計、畢業設計和實際工作等奠定堅實基礎。新工業革命加速進行，“新工科”建設勢在必行[1]。因此必須主動布局新興工科專業建設，積極設置前沿學科專業，提前布局培養引領未來技術和產業發展的人才，爭取由“跟跑者”向某些領域的“領跑者”轉變，實現變軌超車。充分利用學科交叉融合，著力開展“仿生設計學”“新工科”課程的研究與實踐，開展以學生為中心的學習能力、工程實踐能力以及創新精神培養等。

3 課程建設方案

我國在仿生基礎研究與應用上也進行了長期規劃與學科布局，設立了仿生科學與工程一級學科，仿生技術研究被列入國家中長期科技發展規劃，在我國當前優先發展的高技術產業化141 個重點領域中，有將近30 個領域與仿生相關。“生物制造與仿生制造科學”列入國家自然科學基金委員會《機械工程學科發展戰略報告(2011-2020）》，“機械仿生學”單列學科代碼（E0507）。“仿生制造”列入中國機械工程學會組織編寫的《中國機械工程技術路線圖(2010-2030）》，“仿生技術”列入教育部“十三五”科技發展戰略規劃重點方向，最新成立的JW 科技委生物及交叉科學技術領域五個主題中設立先進仿生系統和仿生材料兩個仿生學科主題，彰顯了仿生科學與技術對國家未來科技創新發展的巨大推動潛力。

在此形勢下，仿生學科建設及仿生專業創新人才培養受到世界范圍內的廣泛重視。國內外多所院校和研究機構均成立了仿生學專業或仿生學研究方向。國外以美、德、英、日為代表，主要有美國哈佛大學、麻省理工學院，英國牛津大學、巴斯大學，德國波恩大學，日本東京大學等，學科體系建設初具雛形，其仿生研究成果位居世界前沿。國內，吉林大學、北京航空航天大學、清華大學、北京大學、南京航空航天大學、上海交通大學、浙江大學、中國科學院化學所、蘭州化物所、中國科學院大學等30 余家科研機構建立了仿生學科、研究機構或相關專業方向。在仿生人才培養方面，吉林大學培養的人才最多、涉及領域最廣。吉林大學仿生學科是國內最早從事工程仿生研究的優勢特色學科，歷經兩代院士的卓越工作，開拓了地面機械仿生新領域，創建了仿生步行、非光滑仿生、仿生耦合理論與技術體系，開發的仿生減阻、脫附、耐磨、抗疲勞等新技術，解決了汽車制造、農業機械、工程機械、航天航空等領域的技術瓶頸，為我國傳統制造業升級做出了重要貢獻，是集科學研究、人才培養、學科建設、國際合作、成果轉化與技術推廣為一體的多學科交叉研究基地，在工程仿生領域處于國內領先、國際上有重要影響的戰略地位。近年來，吉林大學仿生學科瞄準國家發展重大戰略需求和國際學科前沿，面向高端裝備制造、新能源、深空探測、國防工業等行業/產業，制定了建設世界一流仿生學科發展規劃，本著“全面協調，重點推進；突出特色，保持優勢；拓展方向，提升水平”的思路，借助一流學科建設平臺，建設特色鮮明的世界一流學科體系，重構仿生學科群和學科生態，推進仿生學科向國際化、高質量、高水平方向發展；旨在服務國家重點行業領域，開拓新領域，發揮本學科多學科交叉和創新源泉的優勢，加速產生突破性科技創新成果，助力創新國家建設。

現代設計的應用不同于舊的仿生學，其以自然萬物的“形”“色”“聲”“功能”和“結構”為研究對象，在設計過程中有選擇地運用這些特征性原則，并結合仿生學的研究成果，提供新思路、新原理、新方法和新途徑。在一定程度上，“仿生設計學”是仿生學的延續和發展，其作為人類社會生產活動與自然的交匯點，實現了二者的高度統一，正逐漸成為現代設計發展過程中新的增長點[2]。

“仿生設計學”，又稱“設計仿生學”，是在仿生學和設計學的基礎上發展起來的一門新的前沿學科，它以模擬的形式對生物系統的一些原理進行整理、分析和提煉，構思和設計出一種具有類似于生物系統某些特征的新的設計思維方法[3]。其涉及的學科眾多、范圍很廣、內容豐富，如數學、生物學、工程學、美學等相關學科，按照大致的研究方法，本課程主要涉及形態仿生設計學、功能仿生設計學、視覺仿生設計學和結構仿生設計學（見圖1），并在此基礎上進行課程的設計和安排，旨在希望學生通過本課程的學習，達到：掌握仿生設計的原則、方法和步驟；了解仿生信息獲取的手段及處理方法；了解仿生設計與傳統設計的本質區別。

圖1 “仿生設計學”課程涉及范圍

因此在教學過程中按照設計的基本思路，主要將課程建設分成幾個大的部分（見圖2）。

圖2 “仿生設計學”課程架構框圖

傳統的設計學注重產品表達，學生在學習過程中被動接收理論知識，重視目的性，但忽視了創新性[4]。在“新工科”建設的培養計劃/課程體系中，是蘊含著“工程設計思維”的，但是由于傳統工程教育過于強調知識的傳授，對工程設計思維培養略顯不足[5]。“仿生設計學”將仿生、設計、制造集成一體化的思想融入課程教學之中，給學生充分自主的思考空間。因此，本門課程還包括實驗課，其是完成本課程教學的重要環節，通過實驗使學生了解并掌握仿生信息測試技術，使其初步具備分析、設計實驗的能力，在知識結構上注意將能力要求貫穿于實驗教學全過程，循序漸進，逐步深入地培養學生獨立思考、綜合分析、科學思維能力和創新意識，以達到全面提高學生綜合素質的教學目的。“仿生學是新世紀原始創新的不竭動力與源泉”，仿生學使人類獲得了源源不斷的創造力，從而走到了生物鏈的頂端，創造并且改變著世界。工程仿生學科是仿生學與工程技術的結合，是新興交叉學科，是科技創新的前沿與熱點，有利于推進原創性成果的產出，形成新的知識與技術生長點；通過多學科交叉融合、多學科專業人才的聯合，有利于解決工程領域中重大的理論問題和技術難題。充分發揮工科背景優勢，強化實踐環節教學，提升學生的創新能力、工程意識、實踐能力與職業素養，培養具有創新創業意識與能力的交叉學科優秀人才[6]。

全面落實立德樹人根本任務，遵循教育教學規律和人才成長規律，堅持育人為本、德育為先，推動社會主義核心價值觀成為學生的行為準則。創新主題教育活動形式，深化主題社會實踐和志愿公益活動，在學生日常教育中融入中華優秀傳統文化和傳統美德教育，形成可示范、可引領、可推廣的學生德育模式。在專業知識教學的同時，注重培養學生正確的人生觀、價值觀和世界觀，教育引導學生成為“有理想、有追求、有擔當、有作為、有品質、有修養”的兼具德智體美的優秀人才。

4 結語

緊密圍繞中國創新驅動發展、《中國制造2025》等國家重大部署，著力開展智能車輛、智能裝備制造、工程仿生等行業領域亟需的“新工科”拔尖人才培養，通過“仿生設計學”課程建設，為將來的仿生科學專業課程設計、畢業設計和實際工作等奠定堅實基礎，為汽車、農機等機械工業行業領域以及國防工業領域培養高端人才做出貢獻。