赵兴科

摘要：结合研究工作开设了本科生公共选修课《结构仿生与功能材料》，并对其教学模式进行了一系列改革探索，旨在重视传授知识的同时，教会学生科学研究的基本思路和方法，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的科学素质。

关键词：工科院校；公选课程；科普类；教学改革

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）42-0076-02

我国工科大学的数量和工科大学生的规模都位居世界前列，工科大学生的科学素质的高低不仅与我国在工程技术领域创新的国际竞争力的提升密切相关，而且对我国工业化、现代化建设的进程的推进、建设创新型国家的目标的实现都具有决定性的作用。一个人的素质是个体在先天的生理基础和后天的环境、教育等影响因素的共同作用下形成和发展起来的相对稳定的知识、能力和品格等的总和。科学素质表现为在创新实践活动过程中所具有的独立开展工作和解决现实问题的能力。人才培养模式决定人才培养质量。教育部《关于实施高等学校本科教学质量与教学改革工程的意见》（教高[2007]1号）明确提出，以倡导启发式教学和研究性学习为核心，探索教学理念、培养模式和管理机制的全方位创新。在工科的教学工作中引导学生学习专业知识和技能的基础上，着重培养学生的科学素质，教给学生自我学习的方法，授之以渔，使学生能够较快地适应将来的工作岗位，具备长远发展潜力。

一、公选课教学模式改革的意义

选修课是高等学校课程体系中的一个有机组成部分，是实施素质教育的重要环节。与必修课相比，选修课的教学内容和形式更加灵活，适合采取生动性、灵活性、针对性、交互性等研究型教学方法，突出学生的主体地位，引导学生独立思考，自由探索，培养和提高学生自主学习的意识和能力。公选课的内容更能体现教师的科研经历和科研成果，便于教师采用案例式教学内容和教学方法，言传身教地为学生展示“认识现象—总结规律—探究机理—解决问题”的完整科研活动过程。作者长期从事新型功能材料及其加工技术研究，曾利用表面结构仿生原理，制备了超疏水医用高分子材料。这种高分子材料的表面具有与荷叶表面相似的微观结构，达到与荷叶表面相似的自清洁效果。这次的科研活动体现了一个完整的实践、提高和再实践的过程：带着问题在自然界寻找模仿的对象；研究其结构与性能的内在联系；提出新材料模型；指导材料设计与制备新材料。将此科研活动过程在课堂中完整重现，可以使学生在获取超疏水高分子材料性能特点及加工技术等专业知识的同时，还可以了解科研活动的基本方法，增强提出问题、分析问题和解决问题的能力。与专业课不同，高校公选课的授课对象学生来自全校工科类、理科类的大一至大三的本科生。由于选课学生的专业背景和基础知识不同，给教学带来很大的困难。为了让参加课程的每位学生能够跟得上课程的进度，必须从教学内容、教学方法和教学过程等入手，为学生创造开放型、交流型的学习环境，突出学生的主体地位，引导和激发自主学习的内在潜力。

二、研究型教学模式

1.精心组织课程教学内容。超疏水自清洁材料是荷叶表面结构仿生的研究成果。实际上，源于自然界生物体优异结构和特性灵感获得的仿生材料有很多，如仿生增韧陶瓷材料、仿生粘附材料、仿生高弹性材料、仿生减振材料等等。仿生增韧陶瓷材料的研究对象是贝壳，砖墙式微观结构使之成为自然界最硬最耐磨的物质之一，其强度与高级陶瓷相媲美，又不像陶瓷脆而易碎。《结构仿生与功能材料》这门公共选修课程选取荷叶与超疏水材料、贝壳与高强超韧陶瓷材料、蜘蛛丝与轻质高强超弹材料、壁虎脚与动态粘附材料、海豚皮与减阻材料、犀牛角与自愈合材料等六个专题，主要介绍这些生物材料的特性、结构、构效关系、材料模型、人工制备技术研究现状以及应用领域等，将每个案例按照“认识现象—总结规律—探究机理—解决问题”的完整科研活动过程在课堂重现。

2.综合应用多種教学方法。在课堂教学中，注重运用启发式教学方法，通过提出问题，引导学生从结构到功能、从宏观到微观、从现象到本质，循序渐进增加知识。这些问题有的是有明确答案的，有的则没有；有的是引导课堂内容的，有的则是要求学生课后思考的。以“壁虎脚与动态粘附材料”章节为例，结合讲授内容进度，依次提出了“为什么说壁虎脚掌与物体表面吸附力是分子间作用力？”“壁虎脚掌如何适应不同的物体表面？”“壁虎爬行如何实现脚掌与物体表面的迅速脱离？”以及“壁虎在什么形态的表面上不能附着？”等一系列问题。第一个问题用于引导有关分子间作用力的基本知识、壁虎脚掌吸附力大小的测试与计算等教学内容；第二个问题引导学生关注壁虎脚掌表面的微观结构特征；第三个问题引导学生关注壁虎爬行过程中的脚掌运动特征；第四个问题作为课后思考题调动学生对壁虎的兴趣和深入了解的欲望，培养学生自主学习、独立思考的能力。

3.灵活多样的教学管理。制订奖励政策，鼓励学生自主学习、自由探索。课程平时成绩占40%，以出勤、作业及小测验为主要依据；期末考试成绩采取试卷和小论文两种方式。鼓励学生利用课余时间独自查阅资料、制作和在课堂展示PPT。教师仅作为主持人和点评人，重点突出学生的主体地位，营造自由、开放的课堂环境。按照学生申请，3—5人的学生小组以科学研究的方式查阅文献资料，收集处理信息，设计实验方案，实施研究过程，进行观察记录，分析处理实验结果，以小论文形式书写研究报告。最终完成小论文，且小论文质量合格的3个科研小组成员免于期末试卷考试，以小论文的评分替代期末考试成绩。这种模拟科学研究的情境和途径，既是学生主动获取知识的过程，同时培养了学生协作精神。

三、研究型教学效果

1.学生自主学习能力得到锻炼。尽管本课程安排在周五的晚上，平均每节课的学生出勤率仍然都在90%以上，并且课堂气氛活跃，学生表现出较高的主动性。每轮教学都有若干学生做了课堂PPT，例如“蝴蝶鳞片结构的吸光性”、“生物膜与离子通道材料”、“竹子的柱状结构与仿生”、“昆虫与仿生学”、“军事仿生学”、“三种仿生材料让你变身超人”等。

2.学生的科研写作能力得到提高。以小论文的评分替代期末试卷考试成绩的做法引起不少学生的浓厚兴趣。两轮教学共有12组，涉及23名同学在课程考试前提交了符合规定的12篇小论文，其中有些小论文还是多次提交、返修后定稿的。这些小论文包括“嗅觉仿生在食品工业中的应用”、“浅谈对仿生生物学的理解以及对其未来发展的期望”、“仿生机器鱼研究的进展与分析”、“建筑仿生设计”、“动物的脚掌与人类鞋子的变革”、“视网膜仿生传感器”、“鲨鱼皮肤与快速泳衣”等。

3.学生的创新能力得到提高。基于本课程的学习，有两名学生作为项目申请人申请了大学生创新创业课题，其中一项获得校级课题立项，“蚁穴的恒温机理探索与室温材料仿生设计”。

四、结论

1.《结构仿生与功能材料》公共选修课研究型教学改革后的两轮教学效果表明，大多数学生对研究型选修课表现出较高的兴趣和较强的参与欲望。

2.科研相关的公选课能有利于将教师的研究优势转化为教学优势，有利于营造教师主导、学生主动的教学氛围，使学生体验科学研究过程，激发学生的潜在创造力，达到科学素质培养的目的。

致谢：北京科技大学教学督导组专家袁康教授的热情指导。

参考文献：

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[2]王华荣.以案例教学推动大学课堂教学模式改革的实践与探索[J].中国大学教学，2011，（4）：62-64.

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