何志偉 夏麗娜 孔哲

[摘 要] 仿生材料是材料科學的重要分支之一，涉及材料、化學、物理、力學、機械等學科研究領域?！胺律砻妗闭n程知識點符合多學科交叉的特點，開展多學科交叉研究性課程既是當今知識融合的需要，也是培養(yǎng)材料學科復合型人才的需要。文章從研究性課程教學中存在的問題、教材和課件、教學方式、考核模式四方面進行探討，并結(jié)合實際教學中獲得的反饋進行總結(jié)。多學科交叉研究性課程對激發(fā)學生發(fā)散性思維，培養(yǎng)學生獨立自主思考能力，提高學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力具有一定的積極意義。

[關(guān)鍵詞] 多學科交叉;仿生表面;研究性課程;復合型人才

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）04-0094-04? ? [收稿日期] 2020-07-21

隨著科學的發(fā)展，科學研究向多學科交叉的方向發(fā)展，促使專業(yè)人才的培養(yǎng)朝著往復合型人才的方向發(fā)展。對于材料科學與工程專業(yè)來講，該專業(yè)往往涉及材料物理、化學、力學、機械、工程、計算模擬等眾多學科的知識，屬于一個多學科交叉的領域，對于培養(yǎng)多學科交叉的材料類復合型人才來講既是機遇也是挑戰(zhàn)[1]。對于材料科學與工程專業(yè)的教學來講，多學科交叉既是教學特色，又是教學難點。因此，在制定和設計材料專業(yè)培養(yǎng)方案的時候需要統(tǒng)籌規(guī)劃和與時俱進，而本科生在學習本專業(yè)核心課程時也需要循序漸進。這樣不僅利于本科生逐步掌握本專業(yè)核心課程知識和材料科學最新研究進展，而且還能夠了解其他交叉學科的基礎知識，為其成為材料專業(yè)復合型人才奠定堅實的基礎。其中，多學科交叉的研究性課程正好是連接材料學科與其他學科的橋梁，對該研究性課程的教學探索，有利于為材料專業(yè)開展多學科交叉課程提供相應的教學經(jīng)驗，也有利于激發(fā)本科生對學習本專業(yè)知識的興趣，更有利于復合型人才的培養(yǎng)[2]。因此，多學科交叉知識的學習及復合型專業(yè)人才的培養(yǎng)必將成為未來高校教育的一種趨勢。

自學院開設“仿生表面”這門研究性課程以來，材料專業(yè)本科生選課熱情很高，對這門充滿科學性和趣味性的多學科交叉課程充滿了期待，其學習主觀能動性顯著增加。通過閱讀科研文獻和課件等資料，本科生的發(fā)散性思維和獨立思考能力得到了鍛煉。在具體科學實驗過程中，本科生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力也得到了很好的鍛煉，取得了較好的教學效果。當然，在課程開設過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如低年級學生部分專業(yè)課預備知識還未全部學完、選課學生來源不夠廣等。因此，該研究性課程教學內(nèi)容和實驗環(huán)節(jié)的安排設計還需不斷完善。

本文從研究性課程教學存在的問題、教材和課件、教學方式和考核模式四個方面入手，探討多學科交叉“仿生表面”研究性課程教學。該課程的探索思路如下：①優(yōu)化材料科學與工程專業(yè)培養(yǎng)計劃及所修總學分，合理安排基礎課，并減少內(nèi)容相似的專業(yè)選修課程，減輕學生課業(yè)負擔，亦可引入教學效果好的研究性課程來替代部分專業(yè)選修課程;②將前沿科研成果引入到研究性課程當中，改變傳統(tǒng)教學內(nèi)容老舊等問題，使學生了解仿生材料表面的熱點和難點問題，增加學生實驗訓練和操作機會，提高其動手及解決問題的能力;③改進傳統(tǒng)的教學方式，充分利用互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，結(jié)合網(wǎng)絡教學平臺、翻轉(zhuǎn)課堂、討論課堂等方法來優(yōu)化研究性課程的教學模式，從而激發(fā)學生的學習熱情和主觀能動性，提高學生對科學研究的興趣;④優(yōu)化考核模式，從傳統(tǒng)的實驗報告和考試成績等考核方式，轉(zhuǎn)為更加注重考查研究性學習過程中學生提出問題、分析問題和解決問題的能力，更加重視學生的邏輯性、發(fā)散性思維及其實驗操作動手能力的培養(yǎng)[3]，并結(jié)合網(wǎng)絡平臺學習、平時課堂表現(xiàn)、實驗報告及期末綜述來綜合考查學生學習的效果。

一、教學中存在的問題

研究性課程“仿生表面”是材料專業(yè)本科生的一門選修課，該課程的特點是多學科交叉，課程內(nèi)容具有前沿性及趣味性，對材料專業(yè)基礎知識有一定的依賴性，也需要部分物理、化學、力學、機械等學科的基礎知識。因此，要在規(guī)定學時內(nèi)完成研究性課程的教學，并取得較好的教學效果具有一定的挑戰(zhàn)性。在前期教學實踐過程中，發(fā)現(xiàn)大致存在如下問題。

1.部分本科生基礎知識薄弱。對于低年級本科生，由于高考選考科目、先修基礎課程未修等原因，導致其對一些涉及材料化學、材料物理和材料表征的基礎知識不熟悉，任課教師需要在網(wǎng)絡平臺上傳相應基礎知識點，或者在理論教學時進行必要的講解;對于高年級本科生，雖已累積一定的專業(yè)知識，但大部分學生英文科研文獻的閱讀能力相對有限，也缺乏英文查閱方法和科技寫作方面的訓練[4]，因而在教學過程中引入仿生材料表面領域前沿熱點和難點對于本科生的研究性教學還是充滿了挑戰(zhàn)性，適當增加課時或許能夠改善這方面的問題。

2.本科生培養(yǎng)計劃需優(yōu)化。目前制定的本科生培養(yǎng)計劃中的部分選修課在一定程度上存在著重復性教學的現(xiàn)象，這和部分應屆畢業(yè)生反饋的情況大致相符。例如，材料與科學工程專業(yè)開設了“納米材料”“功能材料”“高分子材料”“無機非金屬材料”等專業(yè)選修課，而這些選修課存在著不同程度的交叉性內(nèi)容，給大部分本科生的印象就是講得重復且不深入。改善途徑主要分兩方面：一方面所在課程的教研組間進行一定的協(xié)調(diào)，互相調(diào)整來減少相似教學內(nèi)容，對不同的教學內(nèi)容則可以更加深入講解;另一方面，開展相關(guān)研究性課程來替代部分專業(yè)選修課，不僅可以增加學生的興趣和自主選擇性，而且教學內(nèi)容可以更加深入化和前沿化。

3.學生課業(yè)負擔重。由于學校規(guī)定大學期間需選修一定量的學分，并完成專業(yè)培養(yǎng)計劃要求，導致低年級本科生不得不選擇大量課程，其一周的課表基本被排滿，有的甚至晚上和周末都需要上課，以至于學生缺乏足夠的時間和動力去選修與本專業(yè)相關(guān)的研究性課程。相較于普通選修課，這類研究性課程往往講解更加深入，更能激發(fā)本科生的科研興趣和充分鍛煉其動手操作能力。從一定意義上講，專業(yè)相關(guān)的研究性課程可能影響部分學生未來是否從事科研和工程技術(shù)等工作，而培養(yǎng)材料學科科研和工程技術(shù)預備人才也恰恰是材料科學與工程專業(yè)設立的目的和初衷。因此，學校和學院應該鼓勵和支持材料專業(yè)本科生選擇研究性課程來替代部分專業(yè)選修課，這將為本科生參加學科競賽（如材料設計大賽等）、開展相應科研訓練奠定良好的基礎，也能更好地留住對材料專業(yè)感興趣的本科生繼續(xù)從事與材料、工程技術(shù)等相關(guān)工作。

4.選課生源局限性。“仿生表面”這門研究性課程的選課對象往往集中于本學院材料科學與工程專業(yè)的本科生，這主要是由于其他學院或者其他專業(yè)的學生不了解這門多學科交叉的課程，或者不具有選課權(quán)限。因此，增加選課生源的可能方式，一是將選課權(quán)限開放給其他學院及相關(guān)學科的本科生;二是任課教師有必要先和其他相關(guān)學院（如物理、化學、機械等）或者相關(guān)課題組開展前期科研合作，如將智能仿生材料表面應用于水面仿生機器人、垂直爬行機器人等多學科交叉研究課題，從而引導這些課題組的學生了解進而選擇這門研究性課程。

5.教師有一定考核壓力?；谇捌谘芯啃越虒W實踐經(jīng)驗，該課程教學的靈活度依然有較大的提升空間。在研究性課程“仿生表面”的實驗教學中，每周兩節(jié)課的安排還是略顯不足，建議給予任課教師更加充足的時間在實驗過程中引導學生，從而鍛煉其提出問題、分析問題和解決問題的能力。此外，教學工作仍需在學校規(guī)定的時間和地點來完成，一旦調(diào)整相應的教學時間和地點很容易被認為是教學事故，也容易和選課學生的課表沖突，這不利于開展多學科交叉“仿生表面”的教學。例如，“仿生表面”這門研究性課程在介紹部分需要現(xiàn)場教學，即在任課教師的帶領下尋找校園中具有仿生功能的動植物表面，這種親近自然界的現(xiàn)場教學往往利于激發(fā)學生的興趣，故學校應制定針對具體研究性課程特定的政策，以提高研究性課程的教學效果。

二、教材和課件的改革

“仿生表面”研究性課程的主要目的是通過理論授課和實驗操作相結(jié)合的教學模式，激發(fā)學生的科研興趣，培養(yǎng)和提高學生科學研究的素養(yǎng)，使其學以致用。“仿生表面”是一門多學科交叉的課程，僅僅掌握教材上的理論知識是遠遠不夠的，需要在教學過程中結(jié)合科研實驗，在實踐過程中讓學生收獲知識，引導學生通過理論分析、實踐操作、課后總結(jié)等途徑獲得仿生材料表面領域的最新知識。

目前國內(nèi)“仿生表面”教材較少，一般參考書內(nèi)容覆蓋了仿生領域眾多內(nèi)容，受限于編撰時間，最新的仿生表面材料研究內(nèi)容往往沒有被包含。因此，最適合“仿生表面”研究性課程的教材主要是任課教師編寫的講義和課件，其內(nèi)容應包括基礎理論知識部分及實驗部分。在“仿生表面”研究性課程的理論部分不能以介紹性為主，這樣容易使學生感到枯燥乏味，降低學生的學習熱情，而宜用少數(shù)課時做簡單的背景和理論知識介紹，并需要對其合理利用。而實驗部分內(nèi)容應選擇仿生表面相關(guān)的科研成果，且基于以下兩點：一是典型的、內(nèi)容較新的科研文獻;二是易于改編成課堂教學實驗的科研文獻。例如，在前期“仿生表面”研究性課程教學過程中，任課教師已將Science上發(fā)表的經(jīng)典科研成果引入到實驗教學中，即在玻璃片表面沉積納米級別的蠟燭灰顆粒來制備仿荷葉效應的超疏水玻璃表面[5]。另外，將任課教師自己的研究成果引入到實驗教學中，即將薄銅片靜置在氫氧化鈉/過硫酸銨混合溶液中來制備氧化銅納米針，接著通過表面低能化來獲得具有超疏水性能的銅基表面材料[6]。總之，這些科研文獻的選擇是基于仿生表面領域的經(jīng)典內(nèi)容或者任課教師自己的科研成果，這樣易于把科研成果更加詳細且準確無誤地傳遞給學生，使實驗教學內(nèi)容緊貼仿生材料表面領域的熱點和前沿，激發(fā)學生對仿生表面領域的科研興趣，并結(jié)合實驗課中任課教師的點評和總結(jié)，引導學生進入自主探索科研的狀態(tài)。

三、教學方式的改進

傳統(tǒng)的教學方式是以課堂教學為主，學生被動吸收知識，這對于培養(yǎng)材料專業(yè)復合型人才充滿了挑戰(zhàn)。因此，在研究性課程“仿生表面”的教學中，應該提高實驗模塊的課時比例，提高學生的動手能力，從而激發(fā)和培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。研究性課程的具體教學方式思考如下。

首先，任課教師提前把“仿生表面”研究性課程相關(guān)的教學文檔和視頻上傳至學校的網(wǎng)絡教學平臺上，設置相關(guān)任務（如限時閱讀、在線提問、在線討論、定時提醒等），提醒學生課前仔細閱讀和思考，了解與“仿生表面”研究性課程相關(guān)的理論知識。任課教師亦應在網(wǎng)絡教學平臺上傳查找中英文文獻的方法，鼓勵學有余力的學生主動查找相關(guān)文獻、閱讀文獻，以獲得更深入的仿生表面知識。

其次，在理論教學中采用翻轉(zhuǎn)課堂和討論課堂相結(jié)合的教學模式，任課教師在課堂教學中主要起引導提問和互動討論的作用。任課教師盡可能少占用課堂時間來講授理論知識，充分利用網(wǎng)絡教學平臺提前讓學生主動學習并掌握這些知識，鼓勵學生之間提出和分享自己的觀點，任課教師引導學生進行分組討論，并隨時對這些觀點進行點評和總結(jié)。前期教學實踐表明，學生潛在的創(chuàng)新能力是無窮的，往往能提出令人驚奇的想法。

再次，研究性課程教學中增加實驗課內(nèi)容的課時比重，目的是培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。基于“仿生表面”研究性課程的特殊性，實驗教學不一定限定在教室和實驗室，也可以放在學校內(nèi)。例如，任課教師帶領學生在校園尋找具有超疏水特性的植物（如荷葉、玫瑰花等）和動物表面（蜻蜓、蝴蝶、水黽等），并現(xiàn)場解釋相關(guān)仿生機理，讓學生有更為直觀的認識。其中，實驗課程的設置應該易于學生操作，且相對安全可靠，實驗課程的時間也可以根據(jù)需要適當延長。

最后，研究性課程的教學并不是以課程結(jié)束為標準，任課教師應鼓勵感興趣的學生繼續(xù)深入開展相關(guān)仿生表面的研究。任課教師可以結(jié)合導師制等方式繼續(xù)為具有主觀能動性的學生提供相應的實驗場地和指導[7]。如果學生對某個問題做了深入研究，并獲得了較好的科研成果，應鼓勵其發(fā)表論文，學校則應給予一定的創(chuàng)新學分來替代相應的選修課程，減輕學生課業(yè)負擔，從而為培養(yǎng)造就有創(chuàng)新能力的材料專業(yè)復合型人才奠定基礎。

四、考核模式的優(yōu)化

課程考核是檢驗學生對“仿生表面”研究性課程掌握程度的必要手段，也是考核這門課程是否成功的重要指標。傳統(tǒng)的考核方式包括平時成績和期末考試成績，其中期末考試成績一般比重較大，學生只需通過背誦記憶或者期末突擊就能獲得高分，不容易反饋教學效果，也不利于培養(yǎng)材料專業(yè)所需的復合型人才。研究性課程的考核方式需做相應改進：①充分利用網(wǎng)絡教學平臺資源，注重課前學生的自主學習，設置相應學習任務，并結(jié)合課堂討論等表現(xiàn)作為考查依據(jù)，并提高這部分考核的比重;②從注重實驗結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅貙嶒炦^程，考查實驗過程中學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，任課教師對每個學生在這方面的表現(xiàn)予以詳細記錄，并結(jié)合實驗報告完成情況來綜合評價學生的表現(xiàn);③通過研究性課程學習，學生需通過總結(jié)來完成期末綜述論文，該綜述論文在一定程度上能反饋學生的學習效果及其對智能仿生材料表面的見解。

通過對上述三部分的綜合考核評定，可以較為客觀全面地評價學生學習“仿生表面”研究性課程的效果，該考核方式貫穿這門課程的整個教學過程，任課教師從中也能夠及時得到反饋。

五、結(jié)語

多學科交叉研究是科學發(fā)展重要的動力源泉，不同學科的思維碰撞，往往能激發(fā)出智慧創(chuàng)新的火花。同樣，多學科交叉研究性課程的開展，使學生能夠較好地掌握智能仿生表面材料方面的知識，并結(jié)合化學、物理、力學、機械等學科基礎知識，構(gòu)建一個較為系統(tǒng)的材料表面的知識框架。通過多學科交叉研究性課程的學習，學生不僅能夠初步掌握科學研究所需的文獻閱讀能力、實驗操作能力及解決問題的能力，而且該學習過程往往能夠極大地激發(fā)學生的主觀能動性及對科研的興趣，這將為材料專業(yè)復合型人才的培養(yǎng)奠定良好的基礎。

參考文獻

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