田麗梅，趙杰，商延賡，孫霽宇

（吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130022）

自2017年2月以來(lái)，教育部積極推進(jìn)“新工科”建設(shè)，先后形成了“復(fù)旦共識(shí)”“天大行動(dòng)”和“北京指南”。2017年，教育部高教司印發(fā)《關(guān)于開展新工科研究與實(shí)踐的通知》，全力探索形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國(guó)模式、中國(guó)經(jīng)驗(yàn)，助力高等教育發(fā)展。2019年3月，吉林大學(xué)仿生科學(xué)與工程獲批“新工科”本科專業(yè)，同年9月，仿生科學(xué)與工程學(xué)科被國(guó)務(wù)院學(xué)位委員會(huì)批準(zhǔn)為一級(jí)學(xué)科進(jìn)行研究生招生，率先構(gòu)建了仿生科學(xué)與工程的本-碩-博培養(yǎng)體系，形成了仿生科學(xué)與工程本-碩-博交叉學(xué)科人才全鏈條培養(yǎng)模式。

因此，如何牢牢把握新工業(yè)革命和《中國(guó)制造2025》制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略重大歷史機(jī)遇，緊緊圍繞國(guó)家實(shí)施“一流大學(xué)一流學(xué)科”建設(shè)的總體思路，立足現(xiàn)有學(xué)科與平臺(tái)、師資與團(tuán)隊(duì)，依托本學(xué)科群在工程仿生領(lǐng)域的鮮明特色，通過(guò)機(jī)制改革創(chuàng)新，挖掘潛力，整合資源，強(qiáng)化多學(xué)科交叉融合與多平臺(tái)協(xié)同創(chuàng)新，全面推進(jìn)仿生學(xué)科的跨越式發(fā)展，是我們當(dāng)下需要思考的問(wèn)題。

1 課程特點(diǎn)

隨著新一輪工業(yè)技術(shù)革命的到來(lái)，我國(guó)制造業(yè)亟須向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、質(zhì)量競(jìng)爭(zhēng)與綠色制造方向轉(zhuǎn)變。仿生設(shè)計(jì)是一門典型的交叉學(xué)科，其通過(guò)多學(xué)科交叉融合，對(duì)自然界生物的精細(xì)結(jié)構(gòu)、成形過(guò)程與優(yōu)異功能進(jìn)行模仿、利用，突破原有設(shè)計(jì)理念，再現(xiàn)生物優(yōu)異性能和特異功能，進(jìn)而在關(guān)鍵核心技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性的技術(shù)變革，為我國(guó)制造業(yè)升級(jí)提供強(qiáng)大助力。仿生設(shè)計(jì)現(xiàn)已被中、美、德、日等國(guó)列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略技術(shù)之一，其與前沿科技發(fā)展需求高度契合。

吉林大學(xué)仿生科學(xué)與工程團(tuán)隊(duì)是我國(guó)仿生學(xué)領(lǐng)域的先行者，創(chuàng)建了我國(guó)首個(gè)仿生科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科，以及本、碩、博、后一體化培養(yǎng)體系。在長(zhǎng)期的仿生學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作中，團(tuán)隊(duì)深切地感受到要想加速我國(guó)仿生學(xué)發(fā)展，完善仿生學(xué)人才培養(yǎng)模式，亟須開展仿生學(xué)設(shè)計(jì)理論體系的構(gòu)建工作。仿生設(shè)計(jì)測(cè)試方法、仿生信息處理方法、材料仿生設(shè)計(jì)學(xué)與仿生機(jī)械設(shè)計(jì)等共同構(gòu)成了仿生設(shè)計(jì)學(xué)的主要內(nèi)容，涵蓋了機(jī)械設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造、醫(yī)療康復(fù)等重點(diǎn)領(lǐng)域中的前沿技術(shù)與設(shè)計(jì)理念。

作為一門新興的交叉學(xué)科，“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”同時(shí)兼具設(shè)計(jì)與仿生學(xué)的一些特點(diǎn)，但又不同于這兩門學(xué)科。具體而言，“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”具有以下特點(diǎn)。

（1）藝術(shù)的科學(xué)性。

“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一個(gè)分支和補(bǔ)充，因此其也具有與其他設(shè)計(jì)學(xué)科共同的特點(diǎn)——藝術(shù)性，然而其是建立在一定的設(shè)計(jì)原則、一定的仿生理論和研究成果基礎(chǔ)上的，所以它又是非常嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)的。

（2）商業(yè)性。

“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”服務(wù)于設(shè)計(jì)和消費(fèi)者。同時(shí)，優(yōu)秀的仿生設(shè)計(jì)作品也可以刺激消費(fèi)、引導(dǎo)消費(fèi)、創(chuàng)造消費(fèi)。

（3）無(wú)限可逆性。

基于“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”的仿生設(shè)計(jì)作品可以在自然界中找到設(shè)計(jì)原型。在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題都可以促進(jìn)“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”的研發(fā)。仿生學(xué)的研究對(duì)象是無(wú)限的，“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”的研究對(duì)象也是無(wú)限的；同樣，仿生設(shè)計(jì)的原型也是無(wú)限的。只要我們致力于研究自然，學(xué)會(huì)多角度、多層次地從整體上認(rèn)識(shí)自然，創(chuàng)新設(shè)計(jì)就永無(wú)止境。

（4）學(xué)科知識(shí)的綜合性。

要熟悉并應(yīng)用“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”，必須具備數(shù)學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、美學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，因此更強(qiáng)調(diào)知識(shí)的綜合、技術(shù)的集成和方案的兼顧。

（5）跨學(xué)科。

工程設(shè)計(jì)本身就是跨學(xué)科的，要深入學(xué)習(xí)和理解“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”，必須在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上理解生物學(xué)和社會(huì)科學(xué)的基本知識(shí)，在對(duì)當(dāng)前仿生學(xué)研究成果理論反思的基礎(chǔ)上拓寬文化視角的研究，將仿生思維與工程設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)融合，引導(dǎo)學(xué)生依托理性探究精神、不斷突破認(rèn)知邊界、全面提升個(gè)人能力。

2 課程建設(shè)目標(biāo)

國(guó)外已有多個(gè)國(guó)家的大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)開展了仿生相關(guān)的研究，并開設(shè)有仿生相關(guān)的課程，學(xué)科體系建設(shè)已初具雛形，其中尤以英、美、德、日、韓為主，其仿生研究應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。美國(guó)的研究主要得到了軍方的支持，在仿生輕質(zhì)材料、仿生制造技術(shù)、仿生減阻技術(shù)方面取得明顯的成效和進(jìn)展；英國(guó)以大學(xué)為基地，已建立若干研究中心，設(shè)計(jì)制造出能夠在人體內(nèi)運(yùn)動(dòng)的微機(jī)械，以及有高位移和高阻尼的彈簧系統(tǒng)等，英國(guó)Bath大學(xué)和Reading 大學(xué)還專門建立了仿生技術(shù)中心；德國(guó)大學(xué)與工業(yè)界緊密合作，在仿生自清潔表面和仿生防結(jié)冰技術(shù)方面具有優(yōu)勢(shì)，在仿生材料、傳感器等方面也有競(jìng)爭(zhēng)能力；韓國(guó)在仿生傳感技術(shù)、仿生吸附材料等方面進(jìn)展迅速；俄羅斯開展生物體結(jié)構(gòu)、材料和行為機(jī)理研究，在國(guó)際仿生學(xué)領(lǐng)域有較大的影響；日本近年投巨資強(qiáng)化工程仿生研究，主要研究方向集中在人體醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。近五年，英國(guó)《Nature》雜志和美國(guó)《Science》雜志每年都發(fā)表多篇對(duì)工程仿生研究具有重大意義的生物及仿生基礎(chǔ)研究成果，標(biāo)志著仿生學(xué)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究激烈的競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)。

“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”是仿生科學(xué)與工程“新工科”專業(yè)選修課，本課程的授課對(duì)象為仿生科學(xué)與工程“新工科”本科生，是本學(xué)科專業(yè)選修課。本課程通過(guò)課堂教學(xué)使學(xué)生了解仿生設(shè)計(jì)與其他設(shè)計(jì)的區(qū)別、仿生設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)課堂討論和實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解仿生設(shè)計(jì)的原則、方法及步驟，為將來(lái)的仿生科學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和實(shí)際工作等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。新工業(yè)革命加速進(jìn)行，“新工科”建設(shè)勢(shì)在必行[1]。因此必須主動(dòng)布局新興工科專業(yè)建設(shè)，積極設(shè)置前沿學(xué)科專業(yè)，提前布局培養(yǎng)引領(lǐng)未來(lái)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的人才，爭(zhēng)取由“跟跑者”向某些領(lǐng)域的“領(lǐng)跑者”轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)變軌超車。充分利用學(xué)科交叉融合，著力開展“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”“新工科”課程的研究與實(shí)踐，開展以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)能力、工程實(shí)踐能力以及創(chuàng)新精神培養(yǎng)等。

3 課程建設(shè)方案

我國(guó)在仿生基礎(chǔ)研究與應(yīng)用上也進(jìn)行了長(zhǎng)期規(guī)劃與學(xué)科布局，設(shè)立了仿生科學(xué)與工程一級(jí)學(xué)科，仿生技術(shù)研究被列入國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃，在我國(guó)當(dāng)前優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化141 個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域中，有將近30 個(gè)領(lǐng)域與仿生相關(guān)?！吧镏圃炫c仿生制造科學(xué)”列入國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)《機(jī)械工程學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略報(bào)告(2011-2020）》，“機(jī)械仿生學(xué)”單列學(xué)科代碼（E0507）。“仿生制造”列入中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)組織編寫的《中國(guó)機(jī)械工程技術(shù)路線圖(2010-2030）》，“仿生技術(shù)”列入教育部“十三五”科技發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃重點(diǎn)方向，最新成立的JW 科技委生物及交叉科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域五個(gè)主題中設(shè)立先進(jìn)仿生系統(tǒng)和仿生材料兩個(gè)仿生學(xué)科主題，彰顯了仿生科學(xué)與技術(shù)對(duì)國(guó)家未來(lái)科技創(chuàng)新發(fā)展的巨大推動(dòng)潛力。

在此形勢(shì)下，仿生學(xué)科建設(shè)及仿生專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)受到世界范圍內(nèi)的廣泛重視。國(guó)內(nèi)外多所院校和研究機(jī)構(gòu)均成立了仿生學(xué)專業(yè)或仿生學(xué)研究方向。國(guó)外以美、德、英、日為代表，主要有美國(guó)哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院，英國(guó)牛津大學(xué)、巴斯大學(xué)，德國(guó)波恩大學(xué)，日本東京大學(xué)等，學(xué)科體系建設(shè)初具雛形，其仿生研究成果位居世界前沿。國(guó)內(nèi)，吉林大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所、蘭州化物所、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)等30 余家科研機(jī)構(gòu)建立了仿生學(xué)科、研究機(jī)構(gòu)或相關(guān)專業(yè)方向。在仿生人才培養(yǎng)方面，吉林大學(xué)培養(yǎng)的人才最多、涉及領(lǐng)域最廣。吉林大學(xué)仿生學(xué)科是國(guó)內(nèi)最早從事工程仿生研究的優(yōu)勢(shì)特色學(xué)科，歷經(jīng)兩代院士的卓越工作，開拓了地面機(jī)械仿生新領(lǐng)域，創(chuàng)建了仿生步行、非光滑仿生、仿生耦合理論與技術(shù)體系，開發(fā)的仿生減阻、脫附、耐磨、抗疲勞等新技術(shù)，解決了汽車制造、農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、航天航空等領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸，為我國(guó)傳統(tǒng)制造業(yè)升級(jí)做出了重要貢獻(xiàn)，是集科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)、國(guó)際合作、成果轉(zhuǎn)化與技術(shù)推廣為一體的多學(xué)科交叉研究基地，在工程仿生領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際上有重要影響的戰(zhàn)略地位。近年來(lái)，吉林大學(xué)仿生學(xué)科瞄準(zhǔn)國(guó)家發(fā)展重大戰(zhàn)略需求和國(guó)際學(xué)科前沿，面向高端裝備制造、新能源、深空探測(cè)、國(guó)防工業(yè)等行業(yè)/產(chǎn)業(yè)，制定了建設(shè)世界一流仿生學(xué)科發(fā)展規(guī)劃，本著“全面協(xié)調(diào)，重點(diǎn)推進(jìn)；突出特色，保持優(yōu)勢(shì)；拓展方向，提升水平”的思路，借助一流學(xué)科建設(shè)平臺(tái)，建設(shè)特色鮮明的世界一流學(xué)科體系，重構(gòu)仿生學(xué)科群和學(xué)科生態(tài)，推進(jìn)仿生學(xué)科向國(guó)際化、高質(zhì)量、高水平方向發(fā)展；旨在服務(wù)國(guó)家重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域，開拓新領(lǐng)域，發(fā)揮本學(xué)科多學(xué)科交叉和創(chuàng)新源泉的優(yōu)勢(shì)，加速產(chǎn)生突破性科技創(chuàng)新成果，助力創(chuàng)新國(guó)家建設(shè)。

現(xiàn)代設(shè)計(jì)的應(yīng)用不同于舊的仿生學(xué)，其以自然萬(wàn)物的“形”“色”“聲”“功能”和“結(jié)構(gòu)”為研究對(duì)象，在設(shè)計(jì)過(guò)程中有選擇地運(yùn)用這些特征性原則，并結(jié)合仿生學(xué)的研究成果，提供新思路、新原理、新方法和新途徑。在一定程度上，“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”是仿生學(xué)的延續(xù)和發(fā)展，其作為人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)與自然的交匯點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了二者的高度統(tǒng)一，正逐漸成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中新的增長(zhǎng)點(diǎn)[2]。

“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”，又稱“設(shè)計(jì)仿生學(xué)”，是在仿生學(xué)和設(shè)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新的前沿學(xué)科，它以模擬的形式對(duì)生物系統(tǒng)的一些原理進(jìn)行整理、分析和提煉，構(gòu)思和設(shè)計(jì)出一種具有類似于生物系統(tǒng)某些特征的新的設(shè)計(jì)思維方法[3]。其涉及的學(xué)科眾多、范圍很廣、內(nèi)容豐富，如數(shù)學(xué)、生物學(xué)、工程學(xué)、美學(xué)等相關(guān)學(xué)科，按照大致的研究方法，本課程主要涉及形態(tài)仿生設(shè)計(jì)學(xué)、功能仿生設(shè)計(jì)學(xué)、視覺(jué)仿生設(shè)計(jì)學(xué)和結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)學(xué)（見(jiàn)圖1），并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行課程的設(shè)計(jì)和安排，旨在希望學(xué)生通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，達(dá)到：掌握仿生設(shè)計(jì)的原則、方法和步驟；了解仿生信息獲取的手段及處理方法；了解仿生設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的本質(zhì)區(qū)別。

圖1 “仿生設(shè)計(jì)學(xué)”課程涉及范圍

因此在教學(xué)過(guò)程中按照設(shè)計(jì)的基本思路，主要將課程建設(shè)分成幾個(gè)大的部分（見(jiàn)圖2）。

圖2 “仿生設(shè)計(jì)學(xué)”課程架構(gòu)框圖

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)注重產(chǎn)品表達(dá)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中被動(dòng)接收理論知識(shí)，重視目的性，但忽視了創(chuàng)新性[4]。在“新工科”建設(shè)的培養(yǎng)計(jì)劃/課程體系中，是蘊(yùn)含著“工程設(shè)計(jì)思維”的，但是由于傳統(tǒng)工程教育過(guò)于強(qiáng)調(diào)知識(shí)的傳授，對(duì)工程設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)略顯不足[5]?！胺律O(shè)計(jì)學(xué)”將仿生、設(shè)計(jì)、制造集成一體化的思想融入課程教學(xué)之中，給學(xué)生充分自主的思考空間。因此，本門課程還包括實(shí)驗(yàn)課，其是完成本課程教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生了解并掌握仿生信息測(cè)試技術(shù)，使其初步具備分析、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力，在知識(shí)結(jié)構(gòu)上注意將能力要求貫穿于實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程，循序漸進(jìn)，逐步深入地培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考、綜合分析、科學(xué)思維能力和創(chuàng)新意識(shí)，以達(dá)到全面提高學(xué)生綜合素質(zhì)的教學(xué)目的。“仿生學(xué)是新世紀(jì)原始創(chuàng)新的不竭動(dòng)力與源泉”，仿生學(xué)使人類獲得了源源不斷的創(chuàng)造力，從而走到了生物鏈的頂端，創(chuàng)造并且改變著世界。工程仿生學(xué)科是仿生學(xué)與工程技術(shù)的結(jié)合，是新興交叉學(xué)科，是科技創(chuàng)新的前沿與熱點(diǎn)，有利于推進(jìn)原創(chuàng)性成果的產(chǎn)出，形成新的知識(shí)與技術(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)；通過(guò)多學(xué)科交叉融合、多學(xué)科專業(yè)人才的聯(lián)合，有利于解決工程領(lǐng)域中重大的理論問(wèn)題和技術(shù)難題。充分發(fā)揮工科背景優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、工程意識(shí)、實(shí)踐能力與職業(yè)素養(yǎng)，培養(yǎng)具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)意識(shí)與能力的交叉學(xué)科優(yōu)秀人才[6]。

全面落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，遵循教育教學(xué)規(guī)律和人才成長(zhǎng)規(guī)律，堅(jiān)持育人為本、德育為先，推動(dòng)社會(huì)主義核心價(jià)值觀成為學(xué)生的行為準(zhǔn)則。創(chuàng)新主題教育活動(dòng)形式，深化主題社會(huì)實(shí)踐和志愿公益活動(dòng)，在學(xué)生日常教育中融入中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化和傳統(tǒng)美德教育，形成可示范、可引領(lǐng)、可推廣的學(xué)生德育模式。在專業(yè)知識(shí)教學(xué)的同時(shí)，注重培養(yǎng)學(xué)生正確的人生觀、價(jià)值觀和世界觀，教育引導(dǎo)學(xué)生成為“有理想、有追求、有擔(dān)當(dāng)、有作為、有品質(zhì)、有修養(yǎng)”的兼具德智體美的優(yōu)秀人才。

4 結(jié)語(yǔ)

緊密圍繞中國(guó)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、《中國(guó)制造2025》等國(guó)家重大部署，著力開展智能車輛、智能裝備制造、工程仿生等行業(yè)領(lǐng)域亟需的“新工科”拔尖人才培養(yǎng)，通過(guò)“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”課程建設(shè)，為將來(lái)的仿生科學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)和實(shí)際工作等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為汽車、農(nóng)機(jī)等機(jī)械工業(yè)行業(yè)領(lǐng)域以及國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域培養(yǎng)高端人才做出貢獻(xiàn)。