基于“師法自然”的《仿生材料學》課程改革與探索

引言

當代社會正面臨著資源短缺、環境污染和生態破壞等嚴峻挑戰，這些問題不僅威脅著我們的生存環境，還影響到社會的可持續發展。因此，解決這些問題不僅需要技術創新和政策支持，還需要培養人們對可持續發展的意識和解決可持續發展問題的能力。為了應對這些挑戰，我們必須借鑒自然界的智慧，尤其是生物界在漫長進化過程中所展現的巧妙設計和策略。

生物界的演化歷史為我們提供了大量精巧且高效的生物結構和功能，這是自然選擇的結果。例如，蓮花葉片的自清潔性得益于其表面的微結構，這種結構能有效排出水分和污垢，使葉片保持潔凈；鳥類羽毛的自防水性來源于羽毛表面特殊的蠟質層，它能夠抵御雨水的侵襲而不被濕透；魚類鱗片的低阻力性則是由于鱗片表面特殊的微觀紋理，減少了在水中游動時的阻力。這些自然界的設計高效節能，展示了生物體在資源有限的情況下如何通過巧妙的設計實現卓越的性能。這些生物設計和智慧激發了科學家和工程師的靈感，促使他們開始研究并借鑒這些自然界的概念，推動了仿生材料學的發展。仿生材料學是一門將生物的設計原則應用于材料科學和工程領域的學科。通過模擬和應用自然界的設計理念，科學家能夠開發出具有智能性、高效性和可持續性的材料。例如，研究蝴蝶翅膀的結構可以開發出具有自潔能力和抗菌性的涂層材料；模仿鳥類羽毛的特性可以研發出具有自清潔和防水功能的紡織材料。這些仿生材料不僅滿足實際應用的需求，還能顯著減少資源消耗和環境污染，進一步促進社會的可持續發展。

在《仿生材料學》課程建設中，一方面，課程的設置可以培養學生對可持續發展的關注和探索解決方案的意識。通過教授仿生材料學的基本原理和方法，學生可以認識到自然界設計的偉大與智慧，從而增強對自然界的敬畏之情，并激發他們的創新思維。學生將學會如何從自然界獲取靈感，設計出具有智能性和高效性的材料。另一方面，課程還可以引導學生思考人類與自然的關系、資源的合理利用以及環境保護的重要性。通過探索和研究社會問題的可持續發展方案，學生將增強責任感和社會意識，為未來應對全球挑戰做好準備。

《仿生材料學》課程改革與探索

在《仿生材料學》課程教學中，我們發現存在以下問題：一是課時少，內容過多，導致覆蓋面廣而缺乏清晰的重點和邏輯關聯；二是教學內容單調，缺乏趣味性和專業針對性，難以激發學生的興趣。針對以上問題，我們基于“師法自然”理念，融人課程思政元素，對《仿生材料學》課程教學進行了優化（圖1）。

1.結合專業特色，精簡優化內容，增加科研前沿

首先，精簡優化了《仿生材料學》課程內容，選取材料仿生、能量仿生、生物質能源、仿生自組裝、催化仿生以及納米催化醫學等六個章節進行重點講解。通過這些內容的講解，使學生能夠更深切地理解“師法自然”的理念，將“仿生”這一概念與自身專業緊密關聯。具體而言，材料仿生探索自然界中優異材料的結構與性能，以指導合成新型功能材料；能量仿生側重于如何借鑒生物系統的能量轉換機制來開發高效能源技術；生物質能源模塊將討論利用生物質資源實現可持續能源的策略；仿生自組裝研究自然界中的分子自組裝過程，并應用于新材料的設計與制造；催化仿生關注模仿自然界中催化反應的機制，提升催化劑的效率和選擇性；納米催化醫學將探討納米技術在醫學催化中的應用，特別是在疾病檢測和治療等方面。通過這些內容的深入講解，學生不僅能掌握仿生材料學的前沿理論和應用，還能培養創新思維，理解如何將仿生學應用于實際工程問題，最終推動自身專業領域的發展。

其次，對于重點知識，采用案例教學法進行講解，在廣泛閱讀文獻的基礎上，在課堂中引入生物案例研究，展示自然界中生物結構和功能的巧妙設計，鼓勵學生參與仿生設計和創新。例如，在講到“超疏水”這一概念時，課程引人蓮花葉片的自清潔性。蓮花葉片表面的自清潔性質是一個經典的生物案例，在課堂中，通過介紹蓮花葉片表面微觀結構和特殊的化學性質，使學生能夠理解其在水滴接觸時自動清潔的原理。課程引人鳥類羽毛的自防水性，鳥類羽毛表現出卓越的自防水性，使其能夠在飛行中保持干燥。在課堂中，通過深人研究羽毛的微觀結構和表面紋理，以及表面涂層中的特殊化學成分，引導學生探討如何通過使用特殊表面紋理、涂層或材料性能，設計具有自防水性的材料，實現防水效果。在講到“仿生纖維”這一概念時，課程引入蜘蛛網的強韌性。蜘蛛網表現出驚人的強韌性，能夠承受大風和飛蟲的沖擊。在課堂中，通過研究蜘蛛網的結構，包括蛛絲的復雜組合和排列方式，引導學生思考如何運用蜘蛛網的設計原理設計一種具有類似高強度和韌性的仿生纖維材料。通過對仿生學案例的探究，引導學生深人思考人與自然的關系，培養敬畏自然、尊重自然、順應自然的思維。

2.引入啟發式教學手段，打造互動化教學模式

傳統教學模式過于重視理論知識，忽略了實踐能力的培養，導致學生缺乏創新和解決問題的能力。單向傳輸式的教學模式使得師生之間、學生之間的互動不足，無法有效激發學習興趣。為此，我們在教學實踐中進行了改革，引人啟發式教學手段，打造互動化教學模式，促進師生之間、學生之間的良性互動。

在《仿生材料學》課程教學過程中，通過組織課堂討論和辯論，讓學生思考倫理和可持續發展問題，培養他們的批判性思維和道德判斷能力。例如，在討論仿生材料的生產和應用對環境的影響時，將學生分為支持和反對兩個小組。每個小組準備論點和論據，包括：仿生材料可以減少資源的消耗，降低廢物產生，有助于可持續發展；仿生材料可以幫助解決全球問題，如氣候變化和資源枯竭；生產仿生材料可能會涉及高能耗和環境污染，對環境造成負面影響；可能存在倫理問題，如生物資源的侵害和知識產權等問題。每個小組充分陳述其立場，并反駁對方觀點，確保每個人都有機會發表意見。同時，鼓勵其他學生向辯論小組提出問題，挑戰其觀點，使討論走向深入。辯論結束，教師幫助學生總結關鍵論點和證據，討論各種方案是否能夠促進可持續發展和解決環境問題。在此基礎上，進一步引導學生討論倫理問題，如生物資源的合理使用、知識產權和社會責任等，鼓勵學生思考在推動科學和技術發展時如何維護倫理原則。

3.結合課程思政的具體實例，培養學生的愛國情懷

《仿生材料學》不僅要關注自然界中材料的生物加工和演化規律，還應深人探討如何將這些自然機制轉化為創新的人工材料。課程內容涵蓋生物啟發設計、材料性能優化以及可持續發展等方面，強調在科學進步中融入環保意識和社會責任。在課程思政的融合下，學生不僅要學習如何從自然界中獲得靈感，還要培養其對社會影響的深刻認識。這種結合有助于學生理解科學技術對社會的廣泛影響，增強他們在科學探索中的倫理意識和責任感，從而培養更具創新精神和社會責任感的工程師和研究者。

在《仿生材料學》課程教學過程中，教師不僅要專注傳授仿生材料的基礎理論和應用技術，還要致力于將學生的學習與國家的科技戰略和社會責任緊密結合。首先，通過系統介紹我國在仿生材料領域的科技成就，包括關鍵技術的突破、重大科研項目的進展以及實際應用中的成功案例，幫助學生認識這些成就是如何推動國家科技進步和經濟發展的。通過講解國內科技創新的歷史背景，使學生了解我國在這一領域的起步、發展歷程以及與其他國家的差異，凸顯科技創新對國家繁榮發展的重要性。為了進一步激發學生的科學熱情和國家責任感，引用模范科學家和創新者的生平事跡，分享他們在科學探索中的經歷和貢獻。這不僅激勵學生追隨他們的足跡，還鼓勵學生在未來的科研工作中踐行他們的精神，積極為國家的科技發展貢獻力量。其次，還要特別強調國家科技研發的重要性，特別是在全球競爭激烈的背景下，通過解讀國家的科技政策和發展規劃文件，使學生明確國家在仿生材料領域的戰略投資和科技布局。通過對比國際科技競爭的現狀和我國的相對地位，讓學生認識到面臨的挑戰和機遇，從而激發他們的責任感和使命感，鼓勵他們在科學研究中勇于創新、敢于擔當，為實現國家科技強國的目標貢獻自己的力量。再次，通過案例分析或小組討論，引導學生思考科技工作者的國家責任。例如，通過解析國外在仿生材料領域的研究成果和技術應用，讓學生了解我國在這一領域的差距和潛在挑戰，從而激發他們的創新意識和實踐能力。最后，鼓勵學生關注科學研究的倫理和社會責任，通過探討仿生材料研究中的倫理問題，如生物資源的合理開發和生態環境保護，學生可以深刻理解科學研究與社會道德、倫理的關系。這種討論不僅提升了他們的社會責任感，還培養了他們的愛國情懷，使他們在未來的工作中能夠更加自覺地將社會責任融人到實踐中。

4.改革考核方式，培養學生的創新實踐能力

考核的主要目的是考查學生掌握和運用知識的能力。傳統大學選修課程所采用的都是期末提交課程論文的形式，這種方式往往偏重于理論知識的書面展示，不能全面培養學生的綜合能力。為了更好地提升學生的綜合素質，我們對《仿生材料學》的考核方式進行了改革，旨在通過多維度的評價體系全面考查學生的能力。首先，引入了項目驅動的學習模式，讓學生在實際項目中應用所學知識，從而提高他們的實踐能力和解決問題的能力。其次，開放性課題選擇充許學生自主選題，鼓勵他們探索自己感興趣的領域，激發創新思維。實踐環節的評估與成果展示讓學生能夠實際操作和展示他們的成果，這不僅增強了其動手能力，還提升了表達和溝通能力。最后，多元化的評價體系包括考勤、課堂表現、研討課實驗設計及討論課PPT展示等，全面覆蓋了學生在課堂內外的表現。在實驗設計和PPT展示環節，學生需要根據研究情況設計簡單的仿生實驗，并清晰展示其實驗思路和過程。這種綜合性考核方式能夠更加客觀地評估學生對知識的掌握與運用能力，同時培養其科學研究和創新實踐能力，促進學生全面發展。

《仿生材料學》課程改革中面臨的挑戰

1.學科交叉復雜的挑戰

在《仿生材料學》課程中，學生需要掌握生物學、材料科學、工程學等多個領域的基礎知識。這些學科各自擁有特定的術語和理論，而仿生材料學作為一門跨學科的課程，要求將這些知識有效整合，以解決實際問題并推動創新。然而，這種知識整合并非易事，特別是在處理生物學理論、生物材料的結構與功能、材料科學中的力學性能和化學特性，以及工程學中的設計原理和應用時，存在諸多挑戰。例如，生物學理論提供了對自然界中材料的深人理解，包括生物材料如何在自然環境中表現出特定的功能和適應性；材料科學則重點關注材料的力學性能、化學特性及其在不同環境中的表現。掌握這些知識有助于學生理解如何選擇和優化仿生材料的組成和結構，以達到所需的性能指標。此外，材料科學還涉及材料的加工和制造技術，這些都是設計和應用仿生材料時必須考慮的因素。工程學則關注如何將這些理論應用到實際的設計和制造中，包括設計原理、系統集成和工程實施。了解如何將仿生設計理念轉化為實際產品，并在生產過程中考慮各種工程約束條件（如成本、生產工藝、可持續性等），是工程學在仿生材料學中的重要角色。

由于《仿生材料學》課程涵蓋了不同領域的知識，學生的學科背景差異可能導致他們在理解課程內容時遇到困難。生物學背景較弱的學生可能難以理解生物材料的結構與功能，材料科學或工程學背景較弱的學生可能在掌握材料性能與應用時感到困難。這種差異化的知識基礎可能導致學生在學習過程中需要額外的時間和精力來彌補這些差距，進而影響學習效果和積極性。

2.研究技術更新速度快的挑戰

《仿生材料學》課程改革所面臨的另一個挑戰是仿生材料領域的研究技術更新速度較快，給課程的設計和教學帶來了諸多挑戰，主要包括以下幾點：一是新材料和新技術的不斷涌現。仿生材料領域每天都有新的研究成果和技術出現，例如，新型納米材料、智能材料和自修復材料等。這種快速變化使得課程內容可能在短時間內過時，導致教學難以跟上最新發展。因此，課程設計需要更加靈活，可能需要定期更新內容，并引人最新的研究案例和技術趨勢，以確保學生能夠接觸到最前沿的信息。二是學術論文和專利的激增。大量的新學術論文和專利文獻使得教師和學生很難全面跟蹤和理解最新的研究進展。信息過載的現象使得篩選和吸收有價值的信息變得更加困難。為應對這一挑戰，課程可以設計專門的文獻閱讀和分析環節，教導學生如何有效篩選和利用相關文獻，并鼓勵學生參與前沿研究的討論和分析。三是跨學科知識的快速發展。仿生材料學涉及多個學科，如生物學、材料科學、化學、物理等。每個學科的快速發展都會影響到仿生材料的研究和應用。因此，課程需要注重跨學科知識的整合，鼓勵學生了解和掌握各個相關學科的基本概念和技術，并提供跨學科的學習資源和平臺，以促進學生全面理解仿生材料的復雜性和應用范圍。此外，由于課程中的理論知識與實際應用存在差距，并且受限于課程所用實驗設備和材料以及任課教師在專業上的局限性，導致學生在一定程度上難以將課堂上學到的理論知識應用于實際的仿生材料設計和開發中。為此，課程改革應包括加強實驗和項目導向的教學方法，通過實際的項目和實驗增強學生的動手能力，并邀請行業專家進行講座和指導，彌補理論與實踐之間的差距。

《仿生材料學》課程改革展望

《仿生材料學》作為一門跨學科領域的課程，不僅融合了生物學、材料科學、工程學等多種知識體系，更重要的是，它象征著人類對自然界的深刻敬畏與智能模仿。仿生材料學的核心理念是通過觀察和借鑒自然界的智慧來解決當代社會面臨的復雜挑戰。這種方法論不僅提高了材料的性能和功能，還推動了技術創新和可持續發展，從而在醫療、環境保護、能源利用等多個領域展現出廣泛的應用前景和深遠的社會影響?；诖?，《仿生材料學》課程需要進行全面的改革，以適應不斷發展的科學技術和社會需求。首先，在教學內容方面，需要不斷更新和引入最新的研究成果和技術進展，確保課程內容的前沿性和實用性。其次，教學模式應當從傳統的課堂講授轉向更加互動和實踐導向的模式。例如，通過項目驅動學習、實驗室實訓和企業合作等方式，增強學生的實際操作能力和創新思維。最后，考核方式也需改革，要重視對學生綜合能力的評估，包括項目設計、團隊合作、解決實際問題的能力等。

通過對《仿生材料學》課程在教學內容、模式和考核方式等方面的系統改革，期望培養出具有高度自然敏感性和理解力的學生，同時激發其創造力和解決問題的能力，使他們不僅成為技術創新的推動者，更成為可持續發展的積極倡導者和實踐者。期望學生在未來工作中推動人類社會的可持續發展，并進一步拓展仿生材料學的應用領域和社會影響力。

參考文獻：

[1]江雷，張希，劉克松.仿生材料與器件——第45次“雙清論壇\"綜述[].中國科學基金，2010，24（4）：199-202.

[2]李承娣，陳梟.融入思政元素的材料科學基礎課程教學改革與案例設計[].高教學刊，2024，10（2）：181-184.

[3]王金曉，陳益峰，梁瑋，等.智慧教育背景下材料科學基礎課程思政探索與實踐[].高教學刊，2024，10（5）：181-184.

[4]王建方，邢欣，吳文健，等.生物材料學課程的設置與改革思考].高等教育研究學報，2011，34（1）：95-97.

[5]何志偉，夏麗娜，孔哲.多學科交叉\"仿生表面\"研究性課程教學探索[].教育教學論壇，2021（4）：94-97.

[6]姚響，鄒盛之《仿生材料》前沿案例教學改革實踐與探索[.廣東化工，2024，51（1）：164-167.

（任煜京：西北工業大學生命學院）