趙興科

摘要：結(jié)合研究工作開設(shè)了本科生公共選修課《結(jié)構(gòu)仿生與功能材料》，并對其教學模式進行了一系列改革探索，旨在重視傳授知識的同時，教會學生科學研究的基本思路和方法，培養(yǎng)學生提出問題、分析問題和解決問題的科學素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：工科院校；公選課程；科普類；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）42-0076-02

我國工科大學的數(shù)量和工科大學生的規(guī)模都位居世界前列，工科大學生的科學素質(zhì)的高低不僅與我國在工程技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新的國際競爭力的提升密切相關(guān)，而且對我國工業(yè)化、現(xiàn)代化建設(shè)的進程的推進、建設(shè)創(chuàng)新型國家的目標的實現(xiàn)都具有決定性的作用。一個人的素質(zhì)是個體在先天的生理基礎(chǔ)和后天的環(huán)境、教育等影響因素的共同作用下形成和發(fā)展起來的相對穩(wěn)定的知識、能力和品格等的總和?？茖W素質(zhì)表現(xiàn)為在創(chuàng)新實踐活動過程中所具有的獨立開展工作和解決現(xiàn)實問題的能力。人才培養(yǎng)模式?jīng)Q定人才培養(yǎng)質(zhì)量。教育部《關(guān)于實施高等學校本科教學質(zhì)量與教學改革工程的意見》（教高[2007]1號）明確提出，以倡導啟發(fā)式教學和研究性學習為核心，探索教學理念、培養(yǎng)模式和管理機制的全方位創(chuàng)新。在工科的教學工作中引導學生學習專業(yè)知識和技能的基礎(chǔ)上，著重培養(yǎng)學生的科學素質(zhì)，教給學生自我學習的方法，授之以漁，使學生能夠較快地適應(yīng)將來的工作崗位，具備長遠發(fā)展?jié)摿Α?/p>

一、公選課教學模式改革的意義

選修課是高等學校課程體系中的一個有機組成部分，是實施素質(zhì)教育的重要環(huán)節(jié)。與必修課相比，選修課的教學內(nèi)容和形式更加靈活，適合采取生動性、靈活性、針對性、交互性等研究型教學方法，突出學生的主體地位，引導學生獨立思考，自由探索，培養(yǎng)和提高學生自主學習的意識和能力。公選課的內(nèi)容更能體現(xiàn)教師的科研經(jīng)歷和科研成果，便于教師采用案例式教學內(nèi)容和教學方法，言傳身教地為學生展示“認識現(xiàn)象—總結(jié)規(guī)律—探究機理—解決問題”的完整科研活動過程。作者長期從事新型功能材料及其加工技術(shù)研究，曾利用表面結(jié)構(gòu)仿生原理，制備了超疏水醫(yī)用高分子材料。這種高分子材料的表面具有與荷葉表面相似的微觀結(jié)構(gòu)，達到與荷葉表面相似的自清潔效果。這次的科研活動體現(xiàn)了一個完整的實踐、提高和再實踐的過程：帶著問題在自然界尋找模仿的對象；研究其結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在聯(lián)系；提出新材料模型；指導材料設(shè)計與制備新材料。將此科研活動過程在課堂中完整重現(xiàn)，可以使學生在獲取超疏水高分子材料性能特點及加工技術(shù)等專業(yè)知識的同時，還可以了解科研活動的基本方法，增強提出問題、分析問題和解決問題的能力。與專業(yè)課不同，高校公選課的授課對象學生來自全校工科類、理科類的大一至大三的本科生。由于選課學生的專業(yè)背景和基礎(chǔ)知識不同，給教學帶來很大的困難。為了讓參加課程的每位學生能夠跟得上課程的進度，必須從教學內(nèi)容、教學方法和教學過程等入手，為學生創(chuàng)造開放型、交流型的學習環(huán)境，突出學生的主體地位，引導和激發(fā)自主學習的內(nèi)在潛力。

二、研究型教學模式

1.精心組織課程教學內(nèi)容。超疏水自清潔材料是荷葉表面結(jié)構(gòu)仿生的研究成果。實際上，源于自然界生物體優(yōu)異結(jié)構(gòu)和特性靈感獲得的仿生材料有很多，如仿生增韌陶瓷材料、仿生粘附材料、仿生高彈性材料、仿生減振材料等等。仿生增韌陶瓷材料的研究對象是貝殼，磚墻式微觀結(jié)構(gòu)使之成為自然界最硬最耐磨的物質(zhì)之一，其強度與高級陶瓷相媲美，又不像陶瓷脆而易碎。《結(jié)構(gòu)仿生與功能材料》這門公共選修課程選取荷葉與超疏水材料、貝殼與高強超韌陶瓷材料、蜘蛛絲與輕質(zhì)高強超彈材料、壁虎腳與動態(tài)粘附材料、海豚皮與減阻材料、犀牛角與自愈合材料等六個專題，主要介紹這些生物材料的特性、結(jié)構(gòu)、構(gòu)效關(guān)系、材料模型、人工制備技術(shù)研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用領(lǐng)域等，將每個案例按照“認識現(xiàn)象—總結(jié)規(guī)律—探究機理—解決問題”的完整科研活動過程在課堂重現(xiàn)。

2.綜合應(yīng)用多種教學方法。在課堂教學中，注重運用啟發(fā)式教學方法，通過提出問題，引導學生從結(jié)構(gòu)到功能、從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)，循序漸進增加知識。這些問題有的是有明確答案的，有的則沒有；有的是引導課堂內(nèi)容的，有的則是要求學生課后思考的。以“壁虎腳與動態(tài)粘附材料”章節(jié)為例，結(jié)合講授內(nèi)容進度，依次提出了“為什么說壁虎腳掌與物體表面吸附力是分子間作用力？”“壁虎腳掌如何適應(yīng)不同的物體表面？”“壁虎爬行如何實現(xiàn)腳掌與物體表面的迅速脫離？”以及“壁虎在什么形態(tài)的表面上不能附著？”等一系列問題。第一個問題用于引導有關(guān)分子間作用力的基本知識、壁虎腳掌吸附力大小的測試與計算等教學內(nèi)容；第二個問題引導學生關(guān)注壁虎腳掌表面的微觀結(jié)構(gòu)特征；第三個問題引導學生關(guān)注壁虎爬行過程中的腳掌運動特征；第四個問題作為課后思考題調(diào)動學生對壁虎的興趣和深入了解的欲望，培養(yǎng)學生自主學習、獨立思考的能力。

3.靈活多樣的教學管理。制訂獎勵政策，鼓勵學生自主學習、自由探索。課程平時成績占40%，以出勤、作業(yè)及小測驗為主要依據(jù)；期末考試成績采取試卷和小論文兩種方式。鼓勵學生利用課余時間獨自查閱資料、制作和在課堂展示PPT。教師僅作為主持人和點評人，重點突出學生的主體地位，營造自由、開放的課堂環(huán)境。按照學生申請，3—5人的學生小組以科學研究的方式查閱文獻資料，收集處理信息，設(shè)計實驗方案，實施研究過程，進行觀察記錄，分析處理實驗結(jié)果，以小論文形式書寫研究報告。最終完成小論文，且小論文質(zhì)量合格的3個科研小組成員免于期末試卷考試，以小論文的評分替代期末考試成績。這種模擬科學研究的情境和途徑，既是學生主動獲取知識的過程，同時培養(yǎng)了學生協(xié)作精神。

三、研究型教學效果

1.學生自主學習能力得到鍛煉。盡管本課程安排在周五的晚上，平均每節(jié)課的學生出勤率仍然都在90%以上，并且課堂氣氛活躍，學生表現(xiàn)出較高的主動性。每輪教學都有若干學生做了課堂PPT，例如“蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)的吸光性”、“生物膜與離子通道材料”、“竹子的柱狀結(jié)構(gòu)與仿生”、“昆蟲與仿生學”、“軍事仿生學”、“三種仿生材料讓你變身超人”等。

2.學生的科研寫作能力得到提高。以小論文的評分替代期末試卷考試成績的做法引起不少學生的濃厚興趣。兩輪教學共有12組，涉及23名同學在課程考試前提交了符合規(guī)定的12篇小論文，其中有些小論文還是多次提交、返修后定稿的。這些小論文包括“嗅覺仿生在食品工業(yè)中的應(yīng)用”、“淺談對仿生生物學的理解以及對其未來發(fā)展的期望”、“仿生機器魚研究的進展與分析”、“建筑仿生設(shè)計”、“動物的腳掌與人類鞋子的變革”、“視網(wǎng)膜仿生傳感器”、“鯊魚皮膚與快速泳衣”等。

3.學生的創(chuàng)新能力得到提高。基于本課程的學習，有兩名學生作為項目申請人申請了大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課題，其中一項獲得校級課題立項，“蟻穴的恒溫機理探索與室溫材料仿生設(shè)計”。

四、結(jié)論

1.《結(jié)構(gòu)仿生與功能材料》公共選修課研究型教學改革后的兩輪教學效果表明，大多數(shù)學生對研究型選修課表現(xiàn)出較高的興趣和較強的參與欲望。

2.科研相關(guān)的公選課能有利于將教師的研究優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為教學優(yōu)勢，有利于營造教師主導、學生主動的教學氛圍，使學生體驗科學研究過程，激發(fā)學生的潛在創(chuàng)造力，達到科學素質(zhì)培養(yǎng)的目的。

致謝：北京科技大學教學督導組專家袁康教授的熱情指導。

參考文獻：

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