仿生交叉学科研究生课程教学模式探索

摘要：仿生学是生命科学与工程技术学科相结合的一门交叉学科。学生从事仿生学研究和学习，可以充分发挥知识间的相互启发、相互促进作用，从而锻炼和培养综合创新能力。本文从仿生学各学科专业课程、仿生学课程的选择和教学方法，教学实验和实践、学术报告等环节开展了仿生交叉学科研究生课程教学模式的探索，目的是使研究生能够掌握更多的跨学科知识，为从事交叉学科研究打下良好基础。

关键词：仿生学；交叉学科；课程；创新

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：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

仿生学是生命科学与工程技术学科相结合的一门交叉学科[1]。通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能，来改进、提高现有系统的性能或创造新的系统。以增强人类对自然的适应和改造能力， 产生巨大的社会经济效益。仿生学涉及的学科领域十分广泛。在机械学、材料学、包装学、交通学、建筑学等学科都有广泛的应用。仿生学的研究主要从形态仿生和功能仿生两个方面开展研究。具体来说，仿生学的研究主要包括结构仿生、信息仿生、控制仿生、化学仿生和力学仿生。因此，仿生学是一门涉及机械、电子、信息、力学和材料等的综合交叉学科。多学科的交叉和融合，是培养具有创新能力的高级人才培养的要地，是教育创新、科研创新可能的突破口。因此，学生从事仿生学研究和学习，使其具备多学科知识才能从整体上把握知识间的纵横联系，充分发挥知识间的相互启发、相互促进作用，从而锻炼和培养综合创新能力。

具有交叉学科专业素质的学生培养环节中，课程教学方法与模式是重要的一环。国内许多专家学者开展了交叉学科课程的探索。国防科技大学的肖定邦从基础知识教学、前沿专题研讨和实践能力强化三个方面进行了交叉学科教学方法的探索与实践[2]。燕山大学的马筱聪开展了基于CDIO理念的卓越工程师试点班交叉学科课程教学改革与实践[3]。中央财经大学体育经济与管理学院的张自如以体育经济与管理专业为例分析了交叉学科复合式本科课程体系构建[4]。湛江师范学院的陈冰开展了交叉学科课程考试成绩统计分析与教学效果影响因素的研究[5]。西安电子科技大学的孙群探索了数学专业交叉学科课程的设置[6]。浙江大学的曾秀琼介绍了在交叉学科课程建设、教材建设、实验室建设及师资队伍建设等方面所进行的富有成效的探索和实践[7]。

仿生学交叉学科具有多学科背景，因此必须进行仿生交叉学科研究生课程教学模式探索，使研究生能够掌握更多的跨学科知识，为从事交叉学科研究打下良好基础。目前美国、德国等欧美国家大学里面已经有专门的仿生学课程教学，如德国Kiel大学开设了《Biomimetics》课程。国内的吉林大学也面向全校的本科生和研究生开设了仿生学课程。

南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所（以下简称南航大仿生所）是国内最早开展运动仿生、仿生轻质结构、神经信息仿生等方面研究的单位之一，从事仿生学的人才培养与科学研究已经将近十五年，是国内少数几个拥有跨学科研究人员的实体研究团队。主要毕业博士、硕士研究生超过200名。研究所目前有教授4人、副教授4人、讲师3人，其中2人为博士生导师，其余均为硕士生导师。全部从事与仿生学交叉学科相关的领域科学研究与研究生培养教学，研究领域涉及动物的运动及其测试技术、生物机器人、仿生机器人、仿生摩擦学、仿生智能材料以及仿生复合材料等专业领域。建立了开展仿生学教学和科学研究所必须的实验仪器和设备。本文基于南航大仿生所多来从事仿生学的研究和教学经验，对仿生交叉学科研究生课程教学模式开展了有益的探索。

1 学科专业课程的选择

仿生学作为交叉学科，研究生的各学科专业课程培养模式之一是由研究生在全校范围内多个学院开设的研究生课程目录中选课，如南航大仿生所从事动物运动力学及其测试技术方向研究的研究生，在南航大能源与动力学院选《多刚体动力学》课程，机电学院的《非线性有限元》课程，自动化学院的《测试技术》课程和航空宇航的《弹塑性力学》课程；另一种模式是由仿生所老师根据需要在研究所内开设相关课程或讲座，如邀请具有实验数据处理与分析经验的老师在全所范围内开设关于《数据处理与分析方法》的课程，该课程在南航大各学院并未开设，但是从事科学实验的研究生又必须掌握通过这两种模式，使得仿生学交叉学科研究生具备仿生学交叉学科所必须掌握的知识基础。

2 仿生学课程

仿生学课程内容涉及运动、附着、材料、生物信息等方面的知识，必须专门由从事过仿生学研究的老师开设这类课程。对仿生学课程的设置，也开展了多方面的探索。首先，我们在南航大面向全校本科生开设了新生研讨课《仿生科学与技术概论》，该类课程由学生自由选修，最新一届学生的选修人数已经达到400人，教室内座无虚席，反响很大。每一学年在开课一两个学时后，马上有许多同学在课后提出，想报考仿生学研究生，从而使学生在本科阶段就对交叉学科有基本的认识，增强对未来从事仿生学交叉学科研究和进一步深造的兴趣。其次，我们还在机电学院和自动化学院分别了开设了《仿生科学与技术》的研究生课程，供对仿生学课程有兴趣的全校研究生选修。该课程开设三年来，影响力也在逐步扩大，选修该课程的人数都在逐年增长。对该课程的考核模式也进行了探索，如研究生参加该课程的学习一段时间后，要通过文献检索、课程调研的方式，完成一份类似于项目申请书的大作业，以某一个具体仿生研究对象为切入点（学生通过一段时间的学习以及调研自己来决定），从研究背景和目的、研究内容以及研究方案的可行性等角度阐述研究思路和方法，让学生了解开展科学研究的思路和过程。另外，我们还合作开发了视频公开课《仿生技术漫谈》课程，该课程由四位教授和一位副教授合作主讲，包括动物的运动及仿生、流体中动物的运动及其仿生启示、仿生驱动之人工肌肉、自然界的轻质结构与仿生应用、动物对环境的感知和动物的防御行为及仿生启示等六讲内容。该视频公开课以科普为主，适当介绍仿生先进技术，使得不同层次和不同文化水平的人都能接受。不仅适合于大学本科生与研究生的学习，而且可以作为中学生和广大仿生科学爱好者的知识普及课程。该课程已经作为中国的大学精品开放课程系列之一，在“爱课程”网公开播出，不仅可以培养青年人对生物世界的兴趣和创新性思维的态度，还有利于提高我国国民科技素质。

3 教学实践环节

仿生学涉及机械、电子、信息、力学和材料等多学科的交叉和融合，具有很强的实践性和应用性。在教学过程中，实践课程与实验课程能增强学生的感性认识，拓展学生的创造性思维。如仿生所的研究领域之一涉及动物的运动与附着，参考一些高校的生物学专业开设的实践课程方式，带领研究生在野外现场观察研究与分析动物的运动与附着，加深对所学知识的理解。我们还利用实验室已经配备的一台高速摄像机，并租借另外一台高速摄像机，通过两台高速摄像机的同步，让学生在实践课程中通过实验观测记录动物在爬行和飞行瞬间的行为，理解动物运动的规律，从而理解其仿生应用。

4 学术报告环节

定期邀请在国际和国内的仿生学研究领域具有领先地位的专家和学者给研究生做学术报告，使研究生能领悟国内外仿生研究最新成果，是使学生具有创新实践能力的必要条件。我们每一学年邀请国内外仿生学知名专家学者给从事仿生学学习的研究生作报告的次数在四次以上。如最近一届邀请了在国际仿生学领域非常著名的德国Keil大学的专家来做系列报告，该专家已经发表SCI论文400多篇，专著6部，是国际动物学和仿生科学领域多个知名刊物的编委。报告分8次，每次时间达两个小时，从仿生学基础、生物材料和结构、生物表面和仿生表面、建筑艺术和空气调节的仿生设计、生物传感器和仿生传感器、运动和仿生机器人、进化中的优化与仿生以及德国的仿生学研究等八个方面系统介绍了仿生学的研究及其进展。不仅广大研究生学习了解了仿生科学前沿的最新研究成果，从事仿生学研究的老师们也受益匪浅。还邀请了澳大利亚墨尔本皇家理工大学的学者作关于昆虫和鸟类在稳态风环境下的飞行生物力学的学术报告。邀请南京体育学院和广州体育学院分别从事运动健康和生物力学研究的专家给研究生作报告。另一方面，我们知道，阅读文献是科学研究的基本功。仿生学作为一门学科交叉融合的新兴学科，更需要大量阅读科学文献来学习和了解仿生学的科学前沿和研究趋势。如要求每名硕士研究生在攻读硕士学位阶段必须阅读一定量的SCI论文，并且仿生所每周定期开展SCI论文阅读会，由学生轮流介绍其所阅读的一篇有代表性的文献，并就该文献的研究内容、研究方法和研究结果与同学们开展讨论，提高和开阔交叉学科研究生的学术视野。

总结

仿生交叉学科研究生课程教学模式，离不开各学科专业课程、仿生学课程的选择和教学方法，教学实验和实践、学术报告等环节还可以有效巩固和理解仿生学相关知识和原理，开阔眼界。仿生学研究近几年才在国内各个高校蓬勃开展，更有效的培养模式还需要进一步探索。

参考文献

[1] 吉爱红. 动物运动接触反力测试系统、实验与分析[D]. 南京：南京航空航天大学，2007.

[2] 肖定邦，辛华，吴学忠，等. 交叉学科研究生课程教学的探索与实践[J].高等教育研究学报，2012，35（3）：115-117.

[3] 马筱聪，陈雷，黄华贵，等. 基于CDIO理念的卓越工程师试点班交叉学科课程教学改革与实践[J].教育教学论坛，2014，44：122-123.

[4] 张自如.交叉学科复合式本科课程体系构建[J].中国学校体育，2014，11：4-5.

[5] 陈冰.交叉学科课程考试成绩统计分析与教学效果影响因素的研究[J].广东化工，2010，37（10）：171-173.

[6] 孙群，张剑湖，李俊民.数学专业设置交叉学科课程的研究[J].高等理科教育，2007，2：29-31.

[7] 曾秀琼，吴起，汤谷平，等. 新型交叉学科“化学生物学实验”课程与教材的建设[J].实 验技术与管理，2014，31（6）：216-218.

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