大学本科教育中创新意识培育的试验和思考

戴振东+吴庆宪+陈夏初

摘要：以十多年仿生学研究的积累为基础，开展新生研讨课的教学改革，用课程选题激发学生对科学的兴趣;用教学方式的变革提升学生表达和团队工作能力;以达到营造学术氛围、培养探索精神、推动复合型人才培养;后续亟待加强实践环节，为培养创新精神和研究能力奠定基础。

关键词：新生研讨课;创新意识;创新能力;实验和思考;仿生科学与技术

中图分类号：G640     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2015）42-0082-04

经过30多年改革开放和高速发展，我国已稳居世界第二大经济体。但科技对经济发展的贡献远低于发达国家，且后发优势已日趋减弱。如何在新形势下增强国家的发展后劲，增强科技创新对经济和社会发展的贡献，已成为一个迫切需要回答的问题。十八大以来，全民创新，已经成为国家发展的首要举措。创新是一个民族发展的灵魂。创新的核心是人，创新型人才的培养是支持创新的关键，如何培养创新人才是高等教育必须深入思考的问题。

在世界大发展、大调整、大变革和科技创新面临新突破的时期，全球人才、科技和教育竞争日益加剧，“迫切需要全面提高教育质量，加快拔尖创新人才的培养，提高高等学校的自主创新能力，推动中国制造向中国创造转变”[1]，而实现这一转变，“科技是关键，人才是核心，教育是基础”[1]。高等教育是国家创新能力建设的核心部分，经过十多年的扩招，2010年全国高等教育毛入学率达到26.5%，高等教育大众化水平进一步提高。但大学教育从精英教育发展到大众教育以来，社会上一直有大学教育质量下降的声音[2]。如何回应社会需求和家长的关切，培养崇尚自然、积极向上、热爱生活、开心工作的年轻一代，是教育的责任和义务。

为加强创新意识和能力培养，教育发展规划强调“把激发学生的学习兴趣、保护学生的好奇心作为教学改革重要标准，努力营造鼓励独立思考、自由探索、勇于创新的良好环境。注重学思结合，知行统一，因材施教，推广启发式、探究式、讨论式、参与式教学方法。加强动手实践教学，增加学生参加生产劳动、社会实践和创新活动的机会。”同时国内高校也积极开展各类教学改革，取得不少经验[3，4]。

高等教育发达的美国，也曾面临同样问题和困惑，“新生研讨课”（Freshman Seminar）是哈佛大学1959年为因对这一挑战采取的有效措施[5]，是美国高校教学改革的一种有益尝试。课程由各学科领域的教授专门面向大一新生开设的小班研讨类课程，主要教学方式是在教授主持下，围绕某一师生共同感兴趣的专题，通过教授与学生之间、学生与学生之间的交流互动，以小组研讨方式展开学习。

新生研讨课立项目标是“提高学生的学习兴趣和综合素质，培养有创新意识、创业能力的人才，挖掘学生潜力、引导科技创新”。

在上述背景下，南航《仿生科学与技术》研讨课结合我国航天航空产业对原始创新技术和创新型人才的需求而设立。作者基于课程设置、教学指导和对学生培养的体会和感悟，从（1）创新型人才的特质;（2）《仿生科学与技术》与创新型人才培养的关联性;（3）教学实践与学生反馈;（4）展望和后续工作四个方面讨论强化学生创新意识和能力培养的思考。

一、创新型人才的特质

培养创新型人才，实现需要确认创新型人才的基本特征。国家教育发展研究中心副主任周满生指出，“未来的人才需具备多种能力，如语言能力，交际能力、获取知识的能力、解决问题的能力、综合运用信息的能力、创新能力、竞争能力、主动进取的能力”[6]。

王树国从创新（Innovation）出发，总结了创新人才培养的十个要点[7]：激励、引导、网络、责任、空闲、能力、宽容、保障、开明、天真。徐恩芹，刘美凤[8]总结了国外学者的观点，提出人才的4个主要特质：高度的责任感、个性化、自主学习的意识和能力、具备合作精神和合作能力。学生的创新精神、个性、素质和实践能力是许多学者广泛关注的创新型人才培养的方面[9]。赵韩强，赵树凯对比了中美研究型大学本科教育的差异[10]，认为美国大学立足于培养“人”，即通过教育直接养成受教育者的内在品质;因此关注学生研究兴趣、探究方法、思维和辨别能力的培育。而我国大学立足于培养“人才”。以培养“人”为目标，即通过教育使学生更加适合职业需要。因此强调专业、基础理论、专业知识和实践技能的培养。但从教育实践看，学生的实践能力在大规模扩招以后比较普遍地被严重弱化。

值得思考的是，在Google Scholar上，检索论文标题中含“创新型人才”（Innovative talents），17.4万条结果中，绝大多数论文均为来自中国的作者。可见国外的教育研究并不特别强调“innovative talents”的培养。国外更加重视Innovative Education，Shavinina认为，创新来自有天赋、有才华的孩子，发展创新能力需要识别、开发、转化孩子的天赋，使之成年后实现创新[11]。美国普渡大学的Bowen等[12]则更加关注技术领导者（Technology Leader）的培育，所谓的技术领导者指“在特定背景下，能够做出明智、有价值的决定，并参与指导科技发展的人”。中国的人才培养模式引起哈佛学院的兴趣[13]，通过对164所大学的学生和教授的调查，认为有确凿的证据说明目前高校的投资对提高学生的创新思维能力是有帮助的。要实现创新型人才的培养，大学需要补充现有基础设施支持，同时提高资源的利用率和激励方式。

可见“创新型人才”国内外尚没有一个统一的标准。从中国基础教育和高等教育的现状入手，我们认为创新型人才培养首先要关注其健康积极的人格的再塑造，关注爱的意识和能力的培育，关注年轻学生对自然的敬畏和兴趣，关注对人的社会性及其在社会中的和谐生存。同时结合各授课教师自己的科研实践、专业特点，才有利于教学活动做到生动活泼、理论联系实际。endprint

二、《仿生科学与技术》与创新型人才培养的关联性

南航作为以航空为特色的211重点建设大学，主干学科和仿生科学与技术有着天然的紧密联系。飞行是典型且最成功的仿生技术之一，人们从观察鸟和昆虫的飞行入手，试图像鸟一样飞翔，在无数次的失败和总结中，揭示了产生升力的机制，发现了飞行的规律，发展了大型固定翼飞行器，使人类可以飞得更高、更远。但微型固定翼飞行器不能产生足够的升力，各种扑翼飞行器的新原理、新设计研究有引起人们的广泛兴趣。材料和结构的轻质高强和多功能要求是飞行器和动物面临的共同问题，人们已经从自然的启发中获得了很多重要的启示，如蜂窝轻质结构、框架结构等。相控阵雷达的发展也受到复眼视觉的启发等等。《仿生科学与技术》与本校的主干学科方向有高度的一致性，能够把课程教学和专业兴趣的培育结合起来。

仿生科学与技术通过对自然的揭示，不仅能够实现“寓教于乐”的理想，贯彻“从实际中来，到实际中去”的认识规律，还可以点燃青年人“热爱自然、学习自然、敬畏自然、顺应自然”的价值观，养成观察、思考、分析、实践的科研作风。仿生学的许多研究成果来自于对最常见的自然现象的观察、实验、研究和模仿，能够最大程度上调动学生对自然的热爱、对自然现象的好奇、对凝练科学问题的兴趣，从而有利于学生树立乐观向上的精神风貌和热爱科学、乐于探索的精神。如我们每天都可见满目绿色、各类叶子总是“出淤泥而不染，戏清涟而不骄”。为什么叶子要保持清洁？如何保持清洁的？这种保持能力如何复现和低成本地生产？每天我们都可以看到小狗的嬉戏、蜻蜓的飞舞……它们是如何做到的？它们如何感知环境、做出决策、调控运动？仿生科学最迷人的特点就是那个从日常大家非常熟悉的自然现象中挖掘出最深奥的科学原理和最前沿的实用技术！仿生学的内涵有利于激发学生兴趣和积极性，激发学生对自然的热爱和敬畏。

南航“仿生结构与材料防护研究所”是国内较早成立、多学科交叉的专业仿生研究机构，多年来受到学校的高度重视和培育，具有十多年在运动仿生、轻质多功能结构材料等仿生领域的丰富研究积累，承担国家自然基金重点、重大国际合作项目、863项目，参加973项目的研究经历，也具有部分产品产业化的经历，出版了3本仿生学相关的专著，能够在科研选题、研究方法、科研体会和最前沿的研究成果方面为学生提供丰富的第一手的体验。主讲教师具有丰富的研究经验和学术积累。

三、教学实践与学生反馈

1.教学实践。根据我们对创新型人才的认识，把教学过程分为两个阶段：第一阶段侧重兴趣、爱好、主动性的培养和训练，使学生有爱和创新的意识，辅以团队合作能力和表达能力的训练。第二阶段侧重结合探究性学习，进入到导师的研究团队，依托导师所具有的研究资源和学术敏感性，指导学生开展探究性学习，树立和训练其创新能力。

第一阶段，根据学生特点，以调动学生积极参与的主动性为目标，在讲授环节，教学资料借助于多媒体技术，用生动的PPT、仿生技术录像等环节，同时把促使学生提问和课内讨论作为一个重要环节。为训练表达能力和团队协作能力，课程以分组研讨典型仿生论文，并面向全班讲述的方式给出成绩。具体论述如下：

激发学生的主动性。在基于PPT的教学环节，每个主题以问题的形式给出，请学生根据已有的物理化学知识和日常生活的积累提出假设。通过讨论强化学生对基本理论的认识，强化知识的运用能力。为鼓励主动性和思考，平时成绩按照下列方法给出，讨论中正确的观点2分;不准确的观点1分。没有回答和参与则没有分。以此调动和鼓励大家踊跃发言，实现了课堂教学的活跃。考虑到课程的目标，PPT教学过程以把问题讨论清楚为目标，不特别限定课程的进度和时间。

调动学生的学习热情。仿生技术录像展示环节是结合在PPT教学环节进行的，把主讲教授在多年科研中积累或者收集到的仿生研究的最前沿的成果展示给大家，以此活跃课堂气氛、启迪创新思维、发现国内外差距、激发学生的研究热情。例如研究团队关于壁虎运动脑神经信息控制的研究属于没有对外公开的资料，课内展示为学生打开了一扇完全不同的机器人技术的天地。同时展示美国“大狗”机器人和国内同类机器人的最新研究成果，使学生形象地看到国内外这类研究的差距。

锻炼学生表达能力。表达能力是科学研究的重要能力，目前大学教育严重缺乏，导致很多学生难于清晰、有序地表达自己对问题的认识和看法。为此课程结合考核环节，要求学生针对特定的仿生主题开展研讨和讲述。为此借鉴美国霍普金斯大学赵海青博士生物学讲授的方法，即要学生就在Science的前沿论文开展讨论，找出问题。我们选择一批发表在Nature，Science，PNAS等国际顶级期刊上的仿生研究成果，由3～4人组成的小组研读，整理出来，并用PPT的方式对全班讲解，同时要求发现论文的不足。通过这样的教学，使学生了解学科的前沿在哪里，并培养学生勇于挑战学术高手的勇气。

锻炼实际研究能力。实际操作能力是工作及科研能力的重要环节，是高校教育的短板，探索性和创新性的实践环节更少。为此结合课程教学，吸引一部分同学提出新问题，在主讲教师指导下开展探索性的学习。限于现有课程设置和已有能力，前期指导王恩臻等4位同学组成的小组，参加TI杯嵌入式设计大赛获得一等奖。根据同学反馈意见，大家对更多地参与实践环节有很浓厚的兴趣。适度引导和指导会培养一批有兴趣、有实践能力、和有创新能力的创新人才。

2.学生反馈。为进一步做好后期的教学，课程结束后希望学生无记名地提出对教学的意见和建议。以下学生的反馈直接引述学生的原话。

对课程设置：“怀着强烈的好奇心和求知欲选了仿生课。”“我的感受就是新奇、有趣。通过老师的讲授学到了很多知识，开拓了视野，对前沿知识有了一定的了解。”“记得我听完第一节课时，就像小孩子一样对大自然产生了浓厚的兴趣，之后几天走在路上都在观察花花草草，猜想他们的结构与功能，也获得了挺多的乐趣。”“通过这几周的学习，我感慨万千。感慨自然世界各种生物神奇的功能，也感慨人类学习模仿的技术。”“在仿生学学习的过程中我的感受就是新奇、有趣。”endprint

对讲授方式：“特别是教学方式，让课堂氛围很活跃。”“被老师幽默风趣的上课方式和信手拈来式的渊博知识所吸引了，深深地感到这才是一所大学应有的上课氛围”。“老师的讲解也是由浅入深，听来十分轻松有趣。提问环节又让我们在轻松听课的同时得不时投入到思考中去。”“这门课就是这样，带我走进一个全新的领域，反正是我全新的认识。老师的见解与全世界满处去的见闻让我们很是感兴趣。这是吸引所在。”“对于工科生的我们来说，自从上大学开始就很少接触到与生物相关的学科，这次选到了仿生科学，也算是一个全新的体验。”

对学术水平：“对老师时不时冒出的英文印象深刻啊，可以深刻体会到老师不仅专业学术扎实，英语水平更是不错的。”“而且课上老师都会讲到与他们研究相关的壁虎的内容，这也让我们第一次感觉与高深的科研距离如此之近。这与我们的基础课感觉完全不同。”

对教学过程的互动：“注重师生之间的互动，经常提问在座的同学……是一种激励手段，可以让同学们知道自己在专业方向上的不足。”“接触很多最前沿科学领域的同时，戴老师也会主动引导我们去思考，去了解和讨论最前沿的科技基础，甚至于提出自己的看法，展望这些新发现的前景，这和平时灌输式的教学有很大的不同，也是对我们的思维方式提出了更高的要求。”

对考核方式：“结课考核作业也是不同以往的……Nature杂志上关于仿生学的全英文文章……通过翻阅字典，也能够将文章大意猜个大概……是一种非常有效的作业形式，也使我受益匪浅。”“收获最多的就是本课程独特的结课考核方式，这种翻译+研究+演讲的方式不但调动了同学们的学习积极性，同时还让我们开阔了视野，锻炼了我们的团队合作、自主研究、演讲表达等多种能力”。“如果有条件的话我们很希望能够去老师的办公室参观一下，如果能这样那就太好了。”“我们会尊敬自然，保持对自然的好奇心！！”

意见建议：“可以增加实验环节，让我们亲身经历一下仿生实验。”“老师的ppt里的图片和视频都是大家很感兴趣的东西，希望老师以后再ppt里多加入一些这些元素，让学生更加感觉有兴趣。”“要是能动手做点东西就更好了，有趣的科研小玩意小模型可以带过来给我们看看。”“多介绍一点我们南航自己研究所所研究的东西。”“增加互动环节，除提问外可设置讨论等环节。可带学生进入实验室参观，培养观察力。”“提高考核要求，更加激发同学们的自主学习积极性。”“每一模块时可以都举一两个具体的实验事例来具体讲解，附加更多的视频影像。”“我只是觉得最后翻译的论文难了一点，有很多专业术语很难翻译，也有点难理解。”“目前的考试方法难度有点大，文章都比较专业，而且一旦选定了文章就难以激发同学们自己探索自然的热情。”“课堂不局限于教室，可以在大棚等野外教学，更有有利于学生学习。增加课堂小组讨论和师生互动。”“班里各种专业的同学，我觉得老师应该讲得更加通俗易懂一点，更加生动一点。”“老师可以开展一些网上的讨论。”“不能亲身到戴老师的实验室进行实地参观，比较遗憾。”

总体评价：“非常喜欢这门课，老师的上课形式、方法也非常好。”“觉得这门课上得很有意思，很有收获。”“觉得这门课很好玩的，老师也是很博学并且善于讲课的。”“这个课堂上我体会到了很多乐趣，得到了很多新知识，相信对将来的学习和生活会有较大的帮助。”“体验到了很多平时的课堂上学不到的东西。”“课程的学习时间很短，但是自己确实学习到了很多的东西，尤其是对于现实问题不同的思维方式，对大自然和生活要保持探索的好奇心。”“老师上课还是很有趣的，对各方面都有所涉猎。”“老师讲课的氛围很好，很有趣。”“总体来说上得很开心。今天和同学聊起您的这门课，发现您的这门课有很多人想报名，突然有种幸福的感觉。谢谢老师了（*^__^*）嘻嘻”。“这既增添了上课的乐趣，又可以鼓励我们思考，真正地在课堂上有所收获。另外，最后的作业也考验了我们团队合作、英文翻译、语言表达等方面的能力，使我们得到锻炼。……使我受益匪浅，并将对我今后的学习生活产生积极的影响。”“在这个课堂上我体会到了很多乐趣，得到了很多新知识，相信对将来的学习和生活会有较大的帮助。当然我不会让自己的问题只停留在思考的层面，补充相关的知识然后解决问题并将它应用于实际才是关键。”“使同学们在轻松地氛围中学习了仿生科学的知识，了解了很多当今世界的前沿科学项目。”

四、展望和后续工作

以《仿生科学与技术》开展新生研讨课教学，内容选取适合激发学生创新意识、启迪创新思维的目标。以PPT讲授、提问、研讨和团队式讲述顶级论文相结合的教学模式有益于培养学生的表达能力、合作能力、提出问题并力图解决问题的能力。从教学过程和课后学生反馈意见看，研讨课可总结如下：

课程选题激发了学生对科学的兴趣。兴趣是最好的老师，引导学生对科学的兴趣，从而树立探索科学知识，转化为现实生产力的志向，是教育应该贡献于国家的。仿生科学是横断科学，使学生建立自然与所选学科专业的联系，并形成带着欢乐去学习和工作的心态，是课程给予学生的一个重要礼物。对此，叶航教授在《中国经济问题：理论与实践》新生研讨课的总结中也表示，学生“与其用在课堂上学到多少经济学知识来衡量这门课的价值，倒不如用它引起了我们对经济多大的兴趣与关注来得更为恰当”。本课程的反馈意见中学生认同度最高的就是通过课程学习，激活了学生好奇心、兴趣和对自然的热爱和崇敬。

教学方式提升了学生表达和团队工作能力。表达能力是一种重要的工作能力，现有教学系统缺乏此类能力的训练，课程通过课程讨论和演讲环节，为表达能力的训练提供了一种新的可能。现代社会，无论是科学研究还是商业开发，越来越多地需要团队的合作，特别是不同领域专家或者工作者间的合作。以小组合作的工作模式完成有较大难度的论文理解、翻译和讲演，是锻炼学生合作的一种有效尝试。

营造学术氛围，培养探索精神。课程使大学生有机会接触学术的前沿、感受教授的治学风范，在潜移默化中感悟为人为学之道，让他们受益终生。课堂上，师生在宽松的课堂气氛中，各抒己见，百家争鸣，体现的正是一种言论自由、学术自由的思想，通过这种锻炼，有利于形成一种良好的学术氛围，培养学生的科研探索精神。endprint

有利于推动复合型人才培养。参加本课程的学生来源于学校不同的专业，仿生科学与工程本身也是汇聚多学科知识，并与生命科学相交汇从而产生新的思想和火花的领域。目前，前沿技术及其产业化领域迫切需要具有多学科汇聚能力的人才，《仿生科学与技术》课程为南航学生提供了一个建立多学科联系的渠道和平台。有利于推动把高等学校建成“国家知识创新、技术创新、国防科技创新、区域创新的重要基地”的目标的实现。

实践环节有待加强，后续创新工作急需开展。在学生的反馈意见中和平时的交流中，大家非常希望能够直接接触到最前沿的科技和创新。但限于课程刚刚设立，教学实验环节未能建立，科研试验室与教学分离较远等问题，未能满足学生的这一愿望。后期希望加快与教学相关的实验环节的建设，为学生提供理论和实际相结合的全面培训。创新能力是一个在实践环节中培养的能力，培养新知识的创造者、新技术的发明者、新学科的创建者，需要在导师指导下，深入开展研究实践活动，使学生从中“感悟”到创新思维的规律，只有这样才能甄别具有创新潜质的学生、选拔出具有高水平创新能力的人才。后期应该结合国内的各类创新项目的比赛，把创新实践活动开展好。培养具有坚实科学基础、实践能力和人文素养的高水平人才。

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