贾昭君 肖林 张超

基金项目：国家级新工科研究与实践项目“多学科背景下的生物医学工程专业‘医工融合人才培养模式探索与实践”（教高厅函【2018】17号）；深圳市教育科学“十四五”规划课题“基于阶梯式教学与差异化课堂运用的学生评价改革”（jypj22016）；2023年中山大学校级本科教学质量工程类项目（76190-11220011）

第一作者简介：贾昭君（1989-），男，汉族，四川达州人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为骨科植介入器械、智能及仿生生物材料、生物材料表界面。

*通信作者：张超（1975-），男，汉族，河南许昌人，博士，教授，博士研究生导师，院党委书记。研究方向为生物医学工程。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.19.026

摘  要：如何有效贯彻学科交叉融合理念、培养新时代复合型人才是当今高校通识教育的重要命题。该文以中山大学通识课神奇的智能仿生世界课程为例，依托所在深圳校区多学科院系群优势及仿生学自带跨学科育人属性，以仿生现象机理、科技前沿、实际应用为切入点，以信息化教学手段为支撑，以特色课程思政为抓手，探索基于主题模块化进阶授课、多驱动导向式教学、体验式仿生设计活动和全流程综合评价体系的通识教育课程改革，致力于培养具有扎实专业素养、开阔跨学科视野及自主源头创新意识的高质量复合型人才。该项目的经验可为相关通识乃至专业课程改革提供借鉴。

关键词：学科交叉；仿生学；导向式教学；通识课程改革；复合型人才培养

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2024）19-0105-06

Abstract： It remains an important proposition as to how to effectively implement the concept of interdisciplinary integration and cultivate compound talents of the new era by general knowledge education in contemporary colleges and universities. This paper describes our experience and thoughts on these from the general knowledge course The Wonderful Smart Bionic World in Sun Yat-sen University， which was set up leveraging the multi-disciplinary departmental clusters of our Shenzen Campus and the born attributes of interdisciplinary education by "Bionics". Having natural phenomena and underlying mechanisms， scientific and technological frontiers， and practical applications as the pointcuts，  taking information-based teaching means as the support， and incorporating special ideological and political education elements as the gripper of thoughts， we explored the advantages of general education curriculum reform that emphasizes thematic modular advanced lessons， multi-driver-oriented teaching， experiential bionic design activities， and full-process comprehensive evaluation， striving to cultivate high-quality compound talents with solid professional qualities， broaden interdisciplinary horizons， and the awareness of independent source innovation. The experience of this project can provide reference for the reform of relevant general education and even professional courses.

Keywords： interdisc iplinary; bionics; oriented teaching; general education curriculum reform; training of compound talents

人才是第一资源。随着我国经济结构转型和科技飞速发展，社会对人才的需求渐由专精型向复合型全面迈进[1]。所谓复合型人才，既要有过硬的专业知识技能，还应具备深厚的文化底蕴、广阔的学科视野及强烈的创新意识。2021年9月，习近平总书记在中央人才工作会议上强调，要走好人才自主培养之路……培养高水平复合型人才。基于学科交叉融合的通识教育是高校实现复合型人才自主培养的重要途径[2]。有别于以专深知识技术传授为重心的专才教育，通识教育追求“学以成人”，即将大学生作为完整的人进行知识、能力、情感领域全方位培养。立足当下国情，高校通识课程实践应以我国社会、科技、经济和文化发展需求为导向，以多学科交融为“催化剂”，打破医、工、文和理跨学科壁垒，同时以学生成长为中心，聚焦知识观、世界观、价值观多维协同育人，确保所培养学生不仅学有所长、术有专攻，且通融识见、博学德馨，成为适应中国特色社会主义建设时代潮流的创新型综合性人才[3]。

亿万年进化为自然界创造出精妙的运行法则，赋予科学家、工程师、设计师们享之不竭的灵感源泉。理解自然万物的运作模式和背后逻辑，研究、学习并模拟生物与大自然，是解决实际问题的重要有效途径。以“师法自然”为核心旨趣的仿生学由此诞生并发展为一门交叉综合性边缘学科。仿生学（Bionics）一词最早由斯蒂尔在1960年提出，泛指模仿生物原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学[4]。该概念一经问世迅速在世界范围内推广，并演绎出深厚内涵和丰富外延，帮助催生出层出不穷的技术、产品、应用，如基于芒刺倒钩发明的尼龙搭扣、基于水母发光原理制作的无源水母灯具、基于飞鱼原理研制的军用潜艇等等。时至今日，通过与各学科交叉，仿生学已有机融入军事、机械、建筑、环境、材料、能源、医学和经管等诸多领域[2]。仿生学也为科技发展提供了新的机遇与突破口。我国科学家大量仿生相关原创成果荣登《自然》《科学》等顶级刊物，同时冠名“仿生”的技术和产品亦如雨后春笋不断更新迭代。得益于其自带的交叉性、科学性、趣味性和创造性，仿生学的“通识育人”潜力近年来开始被发掘[5]。通过关注奇妙自然现象并探索背后机理，可以激发学生兴趣，开阔其眼界，活跃其思维；而基于需求导向的、由形入神的仿生设计案例学习，则能启迪学生在思考问题和解决问题时举一反三，乃至一通百通，提升源头创新潜能，实现全方位育人目标。

综合上述考虑，笔者面向中山大学本科生开设神奇的智能仿生世界通识课，以供对仿生现象、原理、设计感兴趣的各类院系学生选修，在“以学生成长为中心”的教学理念指导下，通过设计主题模块化教学内容，偶联趣味科普与科技前沿，挖掘并融入特色思政元素，以及多措并举、创新教学实施模式，凸显仿生类跨学科通识课“全方位育人”优势，培养高素质拔尖复合型人才（图1）。

图1  神奇的智能仿生世界教学改革开展思路

一  神奇的智能仿生世界通识课面临的问题与挑战

尽管跨学科通识授课已在全国高校大范围推广，其具体实施仍面临诸多挑战[6-7]。其中核心难题是如何在跨学科通识授课过程中明晰教学目标与内容、创新教学方法和评价体系，以确保不同专业背景学生都能学有所获、学以成人。这是一项系统工程，难以一蹴而就，需各高校任课教师在教学实践中不断探索、相互借鉴并反思改进。

神奇的智能仿生世界是中山大学2023年新设的一门通识选修课，其设立之初就吸引了来自电子与通信工程学院、生物医学工程学院、临床医学（深圳）和网络空间安全学院等17个院系100余名各年级本科生选课（图2），这为“仿生”主题跨学科通识教育实践提供了坚实可行的平台。然而笔者也意识到，选课学生专业与年级各异，前期知识储备参差不齐，易使教学内容在深度与广度上众口难调，不仅左右教学进度，还桎梏教与学良性体验。这就要求教师多方优化教学内容，有机整合创新教学模式，促使学生在课堂积极思索、踊跃互动，在课余主动拓展学习相关知识。再者，仿生学涉及材料学、生物学、物理学、化学、力学、数学和人文等多学科交叉融合，兼具广泛性和专业性，且其知识体系错综复杂、更迭日新月异，导致可用教材和多媒体资源相对较少且内容迟滞。当前，国内高等院校仿生主题课程教学多由教师结合个人专业/知识领域自主设计，内容零散斑杂，凑而不合，难成统一学科体系，造成学生习得的知识碎片化，不利于融会贯通、构建系统性思维。同时，大多教学流于简单描述自然现象或科普浅薄原理，知识存在片面性和迟滞性，学生往往一知半解，未触及知识本质和科技前沿，不利于激发源头创新活力。此外，既往经验提示，面向大规模班级授课，若仅采用传统教师讲授方式，学生无法有效参与课堂，易致其热情受损，兴趣丧失，难达到预期育人目标。针对这些问题，本文对该门课程进行了如下教学改革探索与思考，供同行参考。

图2  2023学年秋季学期神奇的智能仿生世界选课学生院系

统计分布

二  神奇的智能仿生世界通识课的教学内容和教学方法探索

（一）  神奇的智能仿生世界课程内容优化设计

1  教学内容主题模块化进阶

为克服仿生类课程普遍存在的系统性不足、知识碎片化、内容偏浅薄等问题，笔者结合神奇的智能仿生世界课程属性、教学目标、基本学情，以“现象—原理—设计—应用”为逻辑线索，梳理并制定出符合深圳校区多院系群特点、具有跨学科通识育人特色的主题模块化教学大纲（图3），涵盖了仿生基础、仿生设计、仿生应用三大篇章及下属章节，围绕“何为仿生”“如何仿生”“仿生何用”展开，形成一脉相承、层层递进的有机整体。

图3  神奇的智能仿生世界主题模块化进阶教学内容

在“基础篇”，通过生动的图片、有趣的视频列举大自然诸多奇异现象和万物独特之美与独门绝技，如会“飞”的蜥蜴和鱼、能“水上漂”的水黾、爱“听音乐”的植物等等，激发学生窥生灵之百态、解天地之奥秘的本能兴趣，引出仿生学基本概念。进一步地，站在学科高度，系统阐述仿生学历史沿革和发展态势，解析其学科门类、基本要素、主要原理，帮助学生认知由零化整，体悟从浅入深。

不限于此，在接下来的“设计篇”，任课老师重点回答如何进行仿生这一进阶问题。通过向学生阐述以“观察—分析—设计—制造—评价”为流程链的仿生设计思路和“主动仿生”“绿色仿生”“最优仿生”等仿生设计原则，并介绍扫描电子显微镜等仿生研究技术和3D打印等先进仿生制造技术，培养学生从观察到模仿、再到创造的创新思维和实践能力。

在“应用篇”，课程以“需求—设计—产品—应用”为逻辑线索，将仿生学基础理论和仿生设计原理与具体应用领域密切联系起来，分门别类开设生产生活、体育竞技、基础建设、国防科技、能源环境和生命健康等应用型子主题板块，以照顾不同专业背景学生的知识架构与学习兴趣，最大程度激发其内生学习动力并引起课堂共鸣，促使学生自主好学，学有所获，学有所用，为今后基于仿生思路解决实际问题打下基础。

2  趣味科普与科技前沿并重

立足于学生全面发展需求，在开展趣味科普的同时，分层次耦合学科专业知识，拓展领域科技前沿，实现通专互补融合，是跨学科通识教育改革的重要方向。为此，神奇的智能仿生世界课程在“基础篇”对经典仿生现象和案例进行基于图片/视频/实物的趣味性科普，激发学生对仿生学的兴趣，并引导其提炼共性、归纳规律，构建系统概念体。而在“设计篇”和“应用篇”则重点结合科技杂志、期刊论文等文献素材，分专题介绍兼具趣味性与前瞻性的各领域仿生设计与应用实例，这包括“会钻地的种子”“善规划道路的黏菌”“能防雾的眼镜”“不怕脏的衣服”“不怕水的胶水”“可变色的染发剂”“能自愈的微生物混凝土”“能防弹的自修复军用油箱”“可生产药物的细胞工厂”“可量身定制的人工器官”“会变形越狱的仿‘终结者机器人”“会‘争宠撒娇的宠物机器人”等等。具体举例来说，在“智能仿生与生产生活”应用板块，笔者以“万物播种之道”为专题，向学生科普牻牛儿种子利用其尾部特殊“钻头”自钻地播种的奇妙原理，并延伸介绍浙江大学王冠云研究员团队2023年发表于《自然》的关于仿生牻牛儿自钻土播种“神器”E-seed最新研究成果[8]，引发各专业学生浓厚兴趣和积极提问。又如，在“智能仿生与国防科技”应用板块，以“仿生机器人之智”为专题，向学生科普《终结者2：审判日》影片中液态机器人T-1000的变形越狱原理，并延伸介绍中山大学蒋乐伦教授团队2023年关于仿海参液态金属可相变越狱机器人设计制造及应用研究进展[9]。通过此类趣味科普与科技前沿的耦合渗透，不仅帮助拓展视野，明析学理，提升学生科学素养，还能培养从感性到理性再到悟性的创新思维，促进学生全面发展。

3  特色思政元素有机融入

高校思想政治工作的核心是回答培养什么人、怎样培养人及为谁培养人的根本问题。习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上强调“要坚持把立德树人作为中心环节，把思想政治工作贯穿教育教学全过程，实现全程育人、全方位育人”[10]。考虑到通识课全面育人目标，有必要深入挖掘本课程内在与外延特色思政元素，并有机融入具体教学内容，通过“通识教育+德育教育”，培养出具有优良思想品德、扎实专业基础、深厚家国情怀的高素质复合型人才。笔者基于对神奇的智能仿生世界课程大纲的细致梳理，从知识领域、情感领域、能力领域和时代使命等多维度凸显思政育人特色，具体如下：①通过揭示自然界奇特的仿生学现象，增强学生尊重、认识、学习自然的意识，提升其审美情操及对生命的敬畏心；②通过分享仿生学“诺奖”故事，激发学生孜孜不倦的科研求索热情，培养其继往开来、开拓创新的科研传承精神；③通过介绍我国智能仿生领域科技进展，增强学生对科技强国政策的认同感，培养其民族自信心、自豪感、使命感；④通过体验式仿生设计活动，引导学生多维度分析问题、挖掘关键信息的思维方式，培养其理论联系实际及团队协作的能力。在实际授课时，教师注重换位思考，设计出学生认可的、便于理解的思政路径，追求思政元素如盐入水、润物无声地贯穿于有关知识环节。

（二）  神奇的智能仿生世界课程教学实施方式和策略探索

1  信息化手段辅助教学

身处数字时代，多媒体、互联网等信息化技术在当代教育中扮演越来越重要的角色，有效规避传统教材教学形式单一、晦涩乏味等弊端，帮助调动学生求知热情，提高教学成效。在前期实践中，笔者综合利用幻灯片、微视频、在线教学平台等信息化工具改善神奇的智能仿生世界课程教学体验。一方面，在课件幻灯片制作时，围绕仿生基础、设计、应用等主题版块按章节系统展开，精简文字描述以减轻学生阅读负担，并通过增加精美图片和有趣动图/视频来吸引学生注意力，为课堂添彩。再者，通过嵌入超链接、录制/剪辑视频等方式，多方整合期刊平台、媒体报道、共享视频平台和在线慕课/私播课程等优质网络资源，打造仿生在线专题微视频案例库，助力学生跨学科理解仿生基本理论、典型案例设计、前沿科研成果，将专业知识立体、高效地传授于学生。

另一方面，借助雨课堂等新兴教辅工具进行课件发布、课堂考勤、课堂互动和问卷反馈，提高学生的课堂参与度，强化学习的主观能动性，同时保证教学活动的时效性和高质量。除此之外，笔者还积极筹备基于中山大学教务部新推出的“在线教学平台”，推进建设神奇的智能仿生世界课程线上教学资源库。后者作为第二课堂平台自主运行，不仅提供课件、书籍、文献和视频案例库等丰富的线上资源供课前自行预习、课后巩固拓展，还专门设置了讨论区、答疑区等互动模块以促进学生与学生/教师间的多向交流，将学习活动从传统的“要我学”变成“我要学”“我要问”，实现学生自学成长。

2  多驱动导向式教学

在教学实施过程中，为持续激发学生学习热情，全面提升其核心素质，笔者探索了以“兴趣·需求·问题”共驱动的导向式教学模式（图4）。

图4  多驱动导向式教学模式运行机制

在“基础篇”，主要通过与奇妙自然现象相关的趣味性、生活性图文和视频，辅以实物教具现场教学，唤起学生探秘自然的本能兴趣，为导向式教学奠定情感基础。比如，通过“鸡蛋壳”抗冲击实验现场解释赵州桥“薄壳建筑”设计。在“设计篇”及“应用篇”，则以“有趣”且“有用”为前提，以前期问卷调查为参考，精选可满足不同学科背景同学兴趣和需求的仿生实例，以呵护、满足大学生原生好奇心和求知欲，确保其学习动机全程持续激活。在介绍智能仿生与创新应用实例时，教师着重以自然现象、仿生原理与实际应用三者关系为切入点，通过层层递进的问题串开展问题导向式教学。比如，以蜘蛛侠“飞檐走壁”影视片段引出自然界中具有类似黏附攀爬能力的壁虎；再通过展示壁虎脚的显微结构，要求学生归纳其特点，并引导其深究这些特点与壁虎表面黏附行为的内在关联；不仅如此，还启发学生发散性思考壁虎黏附与胶水黏附原理有何异同（如可逆性），并进阶性思考基于壁虎黏附行为可能的仿生用途。最后，提问“人类是否能够通过仿生壁虎实现飞檐走壁”并鼓励学生大胆想象、严谨求证。该过程有助于提升学生的逻辑思辨能力，调动其创新积极性。

随着学习的深入，教师鼓励学生尝试思考基于仿生设计原理解决日常生活或各自学科领域的实际应用需求，将“解决需求的问题”转化为“解决问题的需求”[1]。当学生仅凭个体智能无法解决问题时，教师则组织跨学科/专业小组研讨，引导其积极查阅文献资料，并进行头脑风暴，集思广益，探寻解决之道，以此促进课堂知识的重整运用和强化再吸收，并培养学生学以致用、多学科交叉解决问题的能力，实现知识向能力和素质的全面升华。

3  体验式仿生设计活动

聚焦“以学生为中心”的通识育人理念，笔者在施教过程中，依据学生当前知识水平和认知规律，围绕仿生设计与应用主题，针对性穿插了趣味性、探究式情境互动实践——体验式仿生设计活动，让学生当课堂的主人。典型的设计活动基于“匹配卡”游戏实施，寓教于乐，要点如下：教师向学生发放随机打乱的“灵感卡”和“产品卡”两种类型的卡片若干张，并要求学生分组协作，在规定时间内完成灵感卡与产品卡两相匹配。其中，灵感卡正面以图片展示某种自然现象或生物体（如“蝙蝠”），背面附以简短文字介绍所关注的特征；产品卡则在正面印制某特定应用领域的产品或物品图片（如“雷达”），同样在背面附加功能性描述说明。为提高匹配效率，可将上述实物卡同步转化为电子卡，通过线上教辅工具发放、收集，并进行结果统计。表1列举了课堂部分匹配卡实例。随着学生经验积累、认知提升，教师在设计匹配卡时尝试打破“一对一”标准答案，通过“一对多”甚至“多对多”原则来匹配灵感卡与产品卡，比如，“抗油污领带”产品卡所对应的灵感卡可能涉及“荷叶”或“蜘蛛网”或“水黾”；又如，“水母”灵感卡对应的产品卡可能包括“浮游机器人”或“照明灯具”。通过此举增加游戏挑战度，更有效地调动小组成员的协作讨论热情，激发创新发散思维，培养综合思辨能力。活动过程中，教师巡视现场并通过言语提示、予以鼓励等方式参与各组游戏，营造轻松融洽的实践学习氛围，同时观察、记录学生表现用于评价和改进。活动最后，结合各组匹配结果和课堂知识点进行点评、解析，引导学生自我反思，加深其对创新仿生设计的学习体悟。

4  全流程综合性教学评价

为克服传统“以考评优”教学评价的弊端，增强学生学习动力和整体获得感，本课程设立综合性教学评价体系，对学生实行全流程、过程化、差异化考核。该评价体系涵盖日常考勤、课堂互动、仿生设计活动及期末作品。其中，期末考核要求学生结合课程所学及各自学科背景，围绕仿生设计进行深入调研选题，并以幻灯片、书面报告、视频和实物等形式进行作品呈现。既支持个人独秀，也赞许团队合作。其中代表性作品见表2。经验表明，该体系能较全面地培养学生的文献调研及归纳、逻辑及创新思维、口头表达和团队合作等核心能力素质。此外，教师还从学生的奇思妙想中获得科研灵感，设立大学生创新/创业训练项目，已吸引各院系感兴趣学生报名参与，将课堂延伸到课外，在实践中育人。

表2  学生完成的部分作品案例

三  结束语

综上所述，本文围绕学科交叉背景下基于跨学科通识教育培养复合型人才的需求，以中山大学开设的神奇的智能仿生世界课程为例，深入剖析了当前仿生类跨学科通识课程建设所面临的问题与挑战，并从优化设计教学内容和改革教学实施角度提出了针对性举措。在“以学生成长为中心”的教学理念指导下，课程以有趣的自然现象/原理、前沿仿生学进展、实际仿生应用案例为切入点，基于信息化教辅手段、多驱动导向式教学、体验式仿生设计活动等创新教学模式，引导学生思自然万物之妙，享仿生设计之趣，培养跨学科科学视野，增强源头创新意识。同时，通过挖掘特色思政元素和构建全流程综合评价体系，凸显“学以成人”全面育人目标，培养高素质复合型人才，助力全球化背景下我国经济和科技跨越式发展。上述探索或为学科交叉背景下其他课程改革提供有益借鉴。

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