多学科交叉仿生表面研究性课程教学探索

何志伟^a，夏丽娜^b，孔 哲^a  

（杭州电子科技大学 a材料与环境工程学院；b图书馆，浙江 杭州310018）

[摘  要]仿生材料是材料科学的重要分支之一，涉及材料、化学、物理、力学、机械等学科研究领域。仿生表面课程知识点符合多学科交叉的特点，开展多学科交叉研究性课程既是当今知识融合的需求，也是培养材料学科复合型人才的需求。因此，论文将从研究性课程教学中存在的问题、教材和课件、教学方式、考核模式四方面进行探讨，并结合实际教学中获得的反馈进行总结。多学科交叉研究性课程对激发学生发散性思维，培养学生独立自主思考能力，提高学生发现问题、分析问题和解决问题的能力具有一定的积极意义。

[关键词]多学科交叉；仿生表面；研究性课程；复合型人才

[基金项目]2020年度杭州电子科技大学高等教育教学改革研究项目“多学科交叉研究性课程建设”（YBJG202003）；国家自然科学基金“超低冰黏附强度防冰材料的制备及其作用机理研究”（51803043）

[作者简介]何志伟（1986—），男，浙江绍兴人，博士，杭州电子科技大学材料与环境工程学院副研究员，硕士生导师（通信作者），研究方向为超疏水、防冰等智能仿生表面材料。

[中图分类号]G642.0     [文献标志码]A ［文章编号］1674-9324（2021）04-0000-04  

随着科学的日益发展，科学研究越来越往多学科交叉的方向发展，这促使不少专业人才的培养往复合型人才的方向发展。对于材料科学与工程专业来讲，该专业往往涉及材料物理、化学、力学、机械、工程、计算模拟等众多学科的知识，属于一个多学科交叉的领域，对于培养多学科交叉的材料类复合型人才来讲既是机遇也是挑战^[1]。对于材料科学与工程专业的教学来讲，多学科交叉既是教学特色，又是教学难点。因此，在制定和设计材料专业培养方案的时候需要统筹规划和与时俱进，而本科生在学习本专业核心课程时也需要循序渐进。这样不仅利于本科生逐步掌握本专业核心课程知识和材料科学最新研究进展，而且还能够了解其他交叉学科的基础知识，为其成为材料专业复合型人才奠定坚实的基础。其中，多学科交叉的研究性课程正好是连接材料学科与其他学科的桥梁，对该研究性课程的教学探索，有利于为材料专业开展多学科交叉课程提供相应的教学经验，也有利于激发本科生对学习本专业知识的兴趣，更有利于复合型人才的培养^[2]。因此，多学科交叉知识的学习及复合型专业人才的培养必将成为未来高校教育的一种趋势。

自学院开设《仿生表面》这门研究性课程以来，材料专业本科生选课热情很高，对这门充满科学性和趣味性的多学科交叉课程充满了期待，其学习主观能动性显著增加。通过阅读科研文献和课件等资料，本科生的发散性思维和独立思考能力得到了锻炼。在具体科学实验过程中，本科生发现问题、分析问题和解决问题的能力也得到了很好地锻炼，取得了较好的教学效果。当然，在课程开设过程中，也发现了一些问题，例如低年级学生部分专业课预备知识还未全部学完；选课学生来源不够广等。因此，该研究性课程教学内容和实验环节的安排设计还需不断完善。

本文从研究性课程教学存在的问题、教材和课件、教学方式和考核模式四个方面入手，探讨多学科交叉《仿生表面》研究性课程教学。该课程的探索思路如下：（1）优化材料科学与工程专业培养计划及所修总学分，合理安排基础课，并减少内容相似的专业选修课程，减轻学生上课负担，亦可引入教学效果好的研究性课程来替代部分专业选修课程；（2）将前沿科研成果引入到研究性课程当中，改变传统教学内容老旧等问题，使学生了解仿生材料表面的热点和难点问题，增加学生实验训练和操作机会，提高其动手及解决问题的能力；（3）改进传统的教学方式，充分利用互联网优势，结合网络教学平台、翻转课堂、讨论课堂等方法来优化研究性课程的教学模式，从而激发学生的学习热情和主观能动性，提高学生对科学研究的兴趣；（4）优化考核模式，从传统的实验报告和考试成绩等考核方式，转为更加注重考查研究性学习过程中学生提出问题、分析问题和解决问题的能力，更加重视学生的逻辑性、发散性思维及其实验操作动手能力等方面的培养^[3]，并结合网络平台学习、平时课堂表现、实验报告及期末综述来综合考察学生学习的效果。

 一、教学中存在的问题

研究性课程《仿生表面》是材料专业本科生的一门选修课，该课程的特点是多学科交叉，课程内容具有前沿性及趣味性，对材料专业基础知识有一定的依赖性，也需要部分物理、化学、力学、机械等学科的基础知识。因此，在规定学时内完成研究性课程的教学，并取得较好的教学效果具有一定的挑战性。在前期教学实践过程中，发现大致存在如下问题：

1.部分本科生基础知识薄弱。对于低年级本科生，由于高考选考科目、先修基础课程未修等因素，导致其对一些涉及材料化学、材料物理和材料表征的基础知识不熟悉，任课老师需要在网络平台上传相应基础知识点，或者在理论教学时进行必要的讲解；对于高年级本科生，虽已累积一定的专业知识，但大部分学生英文科研文献的阅读能力相对有限，也缺乏英文查阅方法和科技写作方面的训练^[4]，因而在教学过程中引入仿生材料表面领域前沿热点和难点对于本科生的研究性教学还是充满了挑战性，适当增加课时或许能够改善这方面的问题。

2.本科生培养计划需优化。目前制定的本科生培养计划中的部分选修课在一定程度上存在着重复性教学的现象，这和部分应届毕业生反馈的情况大致相符。例如，材料与科学工程专业开设了《纳米材料》、《功能材料》、《高分子材料》、《无机非金属材料》等专业选修课，而这些选修课存在着不同程度的交叉性内容，给大部分本科生的印象就是讲得重复且不深入。改善途径主要可以分两方面：（a）所在课程的教研组间进行一定的协调，互相调整来减少相似教学内容，对不同的教学内容则可以更加深入；（b）开展相关研究性课程来替代部分专业选修课，不仅可以增加学生的兴趣和自主选择性，而且教学内容可以更加深入化和前沿化。

3.学生课业负担重。由于学校规定大学期间需选修一定总量的学分，并完成专业培养计划要求等原因，导致低年级本科生不得不选择大量课程，且其一周的课表基本被排满，有的甚至晚上和周末都需要上课，以至于学生缺乏足够的时间和动力去选修与本专业相关的研究性课程。相较于普通选修课，这类研究性课程往往讲解更加深入，更能激发本科生的科研兴趣和充分锻炼其动手操作能力。从一定意义上讲，专业相关的研究性课程可能影响部分学生未来是否从事科研和工程技术等工作，而培养材料学科科研和工程技术预备人才也恰恰是材料科学与工程专业设立的目的和初衷。因此，学校和学院政策层面应该鼓励和支持材料专业本科生选择研究性课程来替代部分专业选修课，这将为本科生参加学科竞赛（如材料设计大赛等）、开展相应科研训练奠定良好的基础，也能更好地留住对材料专业感兴趣的本科生继续从事与材料、工程技术等相关工作。

4.选课生源局限性。《仿生表面》这门研究性课程的选课对象往往集中于本学院材料科学与工程专业的本科生，这主要是由于其他学院或者其他专业的学生不了解这门多学科交叉的课程，或者不具有选课权限。因此，增加选课生源的可能方式如下：（a）将选课权限开放给其他学院及相关学科的本科生；（b）任课教师有必要先和其他相关学院（如物理、化学、机械等）或者相关课题组开展前期科研合作，如将智能仿生材料表面应用于水面仿生机器人、垂直爬行机器人等多学科交叉研究课题，从而引导这些课题组的学生了解进而选择这门研究性课程。

5.教师有一定考核压力。基于前期研究性教学实践经验，该课程教学的灵活度依然有较大的提升空间。在研究性课程《仿生表面》的实验教学中，每周两节课的安排还是略显不足，建议给予任课老师更加充足的时间在实验过程中引导学生，从而锻炼其提出问题、分析问题和解决问题的能力。此外，教学工作仍需在学校规定的时间和地点来完成，一旦调整相应的教学时间和地点很容易被认为是教学事故，也容易和选课学生的课表冲突，这不利于开展多学科交叉《仿生表面》的教学。例如，《仿生表面》这门研究性课程在介绍部分需要现场教学，即在任课教师的带领下寻找校园中具有仿生功能的动植物表面，这种亲近自然界的现场教学往往利于激发学生的兴趣，故学校政策层面应给予具体研究性课程特定的政策以提高研究性课程的教学效果。

二、教材和课件的改革

《仿生表面》研究性课程的主要目的是通过理论授课和实验操作相结合的教学模式，激发学生的科研兴趣，培养和提高学生科学研究的素养，使其学以致用。《仿生表面》是一门多学科交叉的课程，仅仅掌握教材上的理论知识是远远不够的，需要在教学过程中结合科研实验，在实践过程中让学生收获知识，引导学生通过理论分析、实践操作、课后总结等途径获得仿生材料表面领域的最新知识。

目前国内《仿生表面》教材较少，一般参考书内容覆盖了仿生领域众多内容，受限于编撰时间，最新的仿生表面材料研究内容往往没有被包含。因此，最适合《仿生表面》研究性课程的教材主要是任课教师编写的讲义和课件，其内容应包括基础理论知识部分及实验部分。在《仿生表面》研究性课程的理论部分不能以介绍性为主，这样容易使学生感到枯燥乏味，降低学生的学习热情，宜用少数课时做简单的背景和理论知识介绍，并需要对其合理利用。而实验部分内容应选择仿生表面相关的科研成果，且基于以下两点：（a）典型的、内容较新的科研文献；（b）易于改编成课堂教学实验的科研文献。例如，在前期《仿生表面》研究性课程教学过程中，任课教师已将《Science》上发表的经典科研成果引入到实验教学中，即在玻璃片表面沉积纳米级别的蜡烛灰颗粒来制备仿荷叶效应的超疏水玻璃表面^[5]；另外，也将任课教师自己的研究成果引入到实验教学中，即将薄铜片静置在氢氧化钠/过硫酸铵混合溶液中来制备氧化铜纳米针，接着通过表面低能化来获得具有超疏水性能的铜基表面材料^[6]。总之，这些科研文献的选择是基于仿生表面领域的经典内容或者任课老师自己的科研成果，这样易于把科研成果更加详细且准确无误地传递给学生，使实验教学内容紧贴仿生材料表面领域的热点和前沿，激发学生对仿生表面领域的科研兴趣，并结合实验课中任课老师的点评和总结，引导使学生进入自主探索科研的状态。

三、教学方式的改进

传统的教学方式是以课堂教学为主，学生被动吸收知识，这对于培养材料专业复合型人才充满了挑战。因此，在研究性课程《仿生表面》的教学中，应该提高实验模块的课时比例，提高学生的动手能力，从而激发和培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。研究性课程的具体教学方式思考如下：

首先，任课教师提前把《仿生表面》研究性课程相关的教学文档和视频放置在学校的网络教学平台上，设置相关任务（如限时阅读、在线提问、在线讨论、定时提醒等），提醒学生课前仔细阅读和思考，了解与《仿生表面》研究性课程相关的理论知识。任课教师亦应在网络教学平台上传查找中英文文献的方法，鼓励学有余力的学生主动查找相关文献，阅读文献获得更深入的仿生表面知识。

其次，在理论教学中采用翻转课堂和讨论课堂相结合的教学模式，任课教师在课堂教学中主要起引导提问和互动讨论的作用。任课教师尽可能少占用课堂时间来讲授理论知识，充分利用网络教学平台提前让学生主动学习并掌握这些知识，鼓励学生之间提出和分享自己的观点，任课教师应引导学生进行分组讨论，并随时对这些观点进行点评和总结。前期教学实践表明，学生潜在的创新能力是无穷的，往往能提出令人惊奇的想法。

再次，研究性课程教学中增加实验课内容的课时比重，目的是培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。基于《仿生表面》研究性课程的特殊性，实验教学不一定限定在教室和实验室，也可以放在学校内。例如，任课教师带领学生在校园寻找具有超疏水特性的植物（如荷叶、玫瑰花等）和动物表面（蜻蜓、蝴蝶、水黾等），并现场解释相关仿生机理，让学生有更为直观的认识。其中，实验课程的设置应该易于学生操作，且相对安全可靠，实验课程的时间也可以根据需要作适当延长。

最后，研究性课程的教学并不是以课程结束为标准，任课教师应鼓励感兴趣的学生继续深入开展相关仿生表面的研究，任课教师可以结合导师制等方式继续为具有主观能动性的学生提供相应的实验场地和指导^[7]。如果学生对某个问题做了深入研究，并获得了较好的科研成果，应鼓励其发表论文，学校则从政策面上给予一定的创新学分来替代相应的选修课程，减轻学生课业负担，从而为培养就有创新能力的材料专业复合型人才奠定基础。

四、考核模式的优化

课程考核是检验学生对《仿生表面》研究性课程掌握程度的必要手段，也是考核这门课程是否成功的重要指标。传统的考核方式包括平时成绩和期末考试成绩，其中期末考试成绩一般比重较大，学生容易通过背诵记忆或者期末突击来获得高分，不容易反馈教学效果，也不利于培养材料专业所需的复合型人才[1]。研究性课程的考核方式需做相应改进：（1）充分利用网络教学平台资源，注重课前学生的自主学习，设置相应学习任务，并结合课堂讨论等表现作为考查依据，并提高这部分考核的比重；（2）从注重实验结果转变为注重实验过程，考查实验过程中学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，任课老师对每个学生在这方面的表面予以详细记录，并结合实验报告完成情况来综合评价学生的表现；（3）通过研究性课程学习，学生需通过总结来完成期末综述论文，该综述论文在一定程度上能反馈学生的学习效果及其对智能仿生材料表面的见解。

通过对上述三部分的综合考核评定，可以较为客观全面地评价学生学习《仿生表面》研究性课程的效果，该考核方式贯穿这门课程的整个教学过程，任课教师从中也能够及时得到反馈。总之，考核方式只是评价该课程教学效果的手段，该研究性课程最重要的目的是培养学生独立自主思考能力，激发其发散性思维，提高其发现问题、分析问题和解决问题的能力。

五、结语

多学科交叉研究是科学发展重要的动力源泉，不同学科的思维碰撞，往往能激发出智慧创新的火花。同样，多学科交叉研究性课程的开展，使学生能够较好地掌握智能仿生表面材料方面的知识，并结合化学、物理、力学、机械等学科基础知识，构建一个较为系统的材料表面的知识框架。通过多学科交叉研究性课程的学习，学生不仅能够初步掌握科学研究所需的文献阅读能力、实验操作能力及解决问题的能力，而且该学习过程往往能够极大地激发学生的主观能动性及对科研的兴趣，这将为材料专业复合型人才的培养奠定良好的基础。

参考文献

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[6] HE Z,HE J,ZHANG Z.Selective growth of metallic nanostructures on microstructured copper substrate in solution[J].CrystEngComm,2015,17(38):7262-7269.

[7] 吕秋丰,靳艳巧,林起浪.高校本科生实行导师制的探讨[J].教育探索,2010(01):88-89.

Exploration on Teaching for Study-Oriented Course of Multidisplinary Biomimetic surfaces

HE Zhi-wei^a, XIA Li-na^b, KONG Zhe^a

(^aCollege of Materials and Environmental Engineering; ^bLibrary, Hangzhou Zhejiang 310018, China)

Abstract: Biomimetic material is one important branch of materials science, including chemistry, physics, mechanics, machine, etc. The course of biomimetic surface matches well with the characteristics of multidisplinary course. Opening multidisplinary course not only meets the needs of knowledge fusion, but also meets the needs for educating students with complicate skills in materials science. Therefore, this paper will investigate the study-oriented course in term of drawbacks, teaching materials and courseware, teaching methods and assessment modes, as followed by summarizing feedbacks from practical teaching. The multidisplinary course has a positive impact on stimulating students’ divergent thinking, educating students’ independent thinking ability, and enhancing students’ ability in discovering, analyzing and solving problems.

Key words: multidisplinary; biomimetic surface; study-oriented course; inter-disciplinary talent