“新工科”背景下“仿生设计学”课程建设的思考

田丽梅，赵杰，商延赓，孙霁宇

（吉林大学生物与农业工程学院，吉林长春 130022）

自2017年2月以来，教育部积极推进“新工科”建设，先后形成了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”。2017年，教育部高教司印发《关于开展新工科研究与实践的通知》，全力探索形成领跑全球工程教育的中国模式、中国经验，助力高等教育发展。2019年3月，吉林大学仿生科学与工程获批“新工科”本科专业，同年9月，仿生科学与工程学科被国务院学位委员会批准为一级学科进行研究生招生，率先构建了仿生科学与工程的本-硕-博培养体系，形成了仿生科学与工程本-硕-博交叉学科人才全链条培养模式。

因此，如何牢牢把握新工业革命和《中国制造2025》制造强国战略重大历史机遇，紧紧围绕国家实施“一流大学一流学科”建设的总体思路，立足现有学科与平台、师资与团队，依托本学科群在工程仿生领域的鲜明特色，通过机制改革创新，挖掘潜力，整合资源，强化多学科交叉融合与多平台协同创新，全面推进仿生学科的跨越式发展，是我们当下需要思考的问题。

1 课程特点

随着新一轮工业技术革命的到来，我国制造业亟须向创新驱动、质量竞争与绿色制造方向转变。仿生设计是一门典型的交叉学科，其通过多学科交叉融合，对自然界生物的精细结构、成形过程与优异功能进行模仿、利用，突破原有设计理念，再现生物优异性能和特异功能，进而在关键核心技术领域产生颠覆性的技术变革，为我国制造业升级提供强大助力。仿生设计现已被中、美、德、日等国列为国家重点发展战略技术之一，其与前沿科技发展需求高度契合。

吉林大学仿生科学与工程团队是我国仿生学领域的先行者，创建了我国首个仿生科学与工程一级学科，以及本、硕、博、后一体化培养体系。在长期的仿生学相关领域的教学与科研工作中，团队深切地感受到要想加速我国仿生学发展，完善仿生学人才培养模式，亟须开展仿生学设计理论体系的构建工作。仿生设计测试方法、仿生信息处理方法、材料仿生设计学与仿生机械设计等共同构成了仿生设计学的主要内容，涵盖了机械设计、先进制造、医疗康复等重点领域中的前沿技术与设计理念。

作为一门新兴的交叉学科，“仿生设计学”同时兼具设计与仿生学的一些特点，但又不同于这两门学科。具体而言，“仿生设计学”具有以下特点。

（1）艺术的科学性。

“仿生设计学”是现代设计的一个分支和补充，因此其也具有与其他设计学科共同的特点——艺术性，然而其是建立在一定的设计原则、一定的仿生理论和研究成果基础上的，所以它又是非常严谨和科学的。

（2）商业性。

“仿生设计学”服务于设计和消费者。同时，优秀的仿生设计作品也可以刺激消费、引导消费、创造消费。

（3）无限可逆性。

基于“仿生设计学”的仿生设计作品可以在自然界中找到设计原型。在设计、生产和销售过程中遇到的各种问题都可以促进“仿生设计学”的研发。仿生学的研究对象是无限的，“仿生设计学”的研究对象也是无限的；同样，仿生设计的原型也是无限的。只要我们致力于研究自然，学会多角度、多层次地从整体上认识自然，创新设计就永无止境。

（4）学科知识的综合性。

要熟悉并应用“仿生设计学”，必须具备数学、生物学、工程学、美学等相关学科的基础知识，因此更强调知识的综合、技术的集成和方案的兼顾。

（5）跨学科。

工程设计本身就是跨学科的，要深入学习和理解“仿生设计学”，必须在设计的基础上理解生物学和社会科学的基本知识，在对当前仿生学研究成果理论反思的基础上拓宽文化视角的研究，将仿生思维与工程设计进行技术融合，引导学生依托理性探究精神、不断突破认知边界、全面提升个人能力。

2 课程建设目标

国外已有多个国家的大学及研究机构开展了仿生相关的研究，并开设有仿生相关的课程，学科体系建设已初具雏形，其中尤以英、美、德、日、韩为主，其仿生研究应用于多个领域。美国的研究主要得到了军方的支持，在仿生轻质材料、仿生制造技术、仿生减阻技术方面取得明显的成效和进展；英国以大学为基地，已建立若干研究中心，设计制造出能够在人体内运动的微机械，以及有高位移和高阻尼的弹簧系统等，英国Bath大学和Reading 大学还专门建立了仿生技术中心；德国大学与工业界紧密合作，在仿生自清洁表面和仿生防结冰技术方面具有优势，在仿生材料、传感器等方面也有竞争能力；韩国在仿生传感技术、仿生吸附材料等方面进展迅速；俄罗斯开展生物体结构、材料和行为机理研究，在国际仿生学领域有较大的影响；日本近年投巨资强化工程仿生研究，主要研究方向集中在人体医学领域。近五年，英国《Nature》杂志和美国《Science》杂志每年都发表多篇对工程仿生研究具有重大意义的生物及仿生基础研究成果，标志着仿生学基础研究和应用研究激烈的竞争形势。

“仿生设计学”是仿生科学与工程“新工科”专业选修课，本课程的授课对象为仿生科学与工程“新工科”本科生，是本学科专业选修课。本课程通过课堂教学使学生了解仿生设计与其他设计的区别、仿生设计的发展趋势，通过课堂讨论和实验，使学生了解仿生设计的原则、方法及步骤，为将来的仿生科学专业课程设计、毕业设计和实际工作等奠定坚实基础。新工业革命加速进行，“新工科”建设势在必行[1]。因此必须主动布局新兴工科专业建设，积极设置前沿学科专业，提前布局培养引领未来技术和产业发展的人才，争取由“跟跑者”向某些领域的“领跑者”转变，实现变轨超车。充分利用学科交叉融合，着力开展“仿生设计学”“新工科”课程的研究与实践，开展以学生为中心的学习能力、工程实践能力以及创新精神培养等。

3 课程建设方案

我国在仿生基础研究与应用上也进行了长期规划与学科布局，设立了仿生科学与工程一级学科，仿生技术研究被列入国家中长期科技发展规划，在我国当前优先发展的高技术产业化141 个重点领域中，有将近30 个领域与仿生相关。“生物制造与仿生制造科学”列入国家自然科学基金委员会《机械工程学科发展战略报告(2011-2020）》，“机械仿生学”单列学科代码（E0507）。“仿生制造”列入中国机械工程学会组织编写的《中国机械工程技术路线图(2010-2030）》，“仿生技术”列入教育部“十三五”科技发展战略规划重点方向，最新成立的JW 科技委生物及交叉科学技术领域五个主题中设立先进仿生系统和仿生材料两个仿生学科主题，彰显了仿生科学与技术对国家未来科技创新发展的巨大推动潜力。

在此形势下，仿生学科建设及仿生专业创新人才培养受到世界范围内的广泛重视。国内外多所院校和研究机构均成立了仿生学专业或仿生学研究方向。国外以美、德、英、日为代表，主要有美国哈佛大学、麻省理工学院，英国牛津大学、巴斯大学，德国波恩大学，日本东京大学等，学科体系建设初具雏形，其仿生研究成果位居世界前沿。国内，吉林大学、北京航空航天大学、清华大学、北京大学、南京航空航天大学、上海交通大学、浙江大学、中国科学院化学所、兰州化物所、中国科学院大学等30 余家科研机构建立了仿生学科、研究机构或相关专业方向。在仿生人才培养方面，吉林大学培养的人才最多、涉及领域最广。吉林大学仿生学科是国内最早从事工程仿生研究的优势特色学科，历经两代院士的卓越工作，开拓了地面机械仿生新领域，创建了仿生步行、非光滑仿生、仿生耦合理论与技术体系，开发的仿生减阻、脱附、耐磨、抗疲劳等新技术，解决了汽车制造、农业机械、工程机械、航天航空等领域的技术瓶颈，为我国传统制造业升级做出了重要贡献，是集科学研究、人才培养、学科建设、国际合作、成果转化与技术推广为一体的多学科交叉研究基地，在工程仿生领域处于国内领先、国际上有重要影响的战略地位。近年来，吉林大学仿生学科瞄准国家发展重大战略需求和国际学科前沿，面向高端装备制造、新能源、深空探测、国防工业等行业/产业，制定了建设世界一流仿生学科发展规划，本着“全面协调，重点推进；突出特色，保持优势；拓展方向，提升水平”的思路，借助一流学科建设平台，建设特色鲜明的世界一流学科体系，重构仿生学科群和学科生态，推进仿生学科向国际化、高质量、高水平方向发展；旨在服务国家重点行业领域，开拓新领域，发挥本学科多学科交叉和创新源泉的优势，加速产生突破性科技创新成果，助力创新国家建设。

现代设计的应用不同于旧的仿生学，其以自然万物的“形”“色”“声”“功能”和“结构”为研究对象，在设计过程中有选择地运用这些特征性原则，并结合仿生学的研究成果，提供新思路、新原理、新方法和新途径。在一定程度上，“仿生设计学”是仿生学的延续和发展，其作为人类社会生产活动与自然的交汇点，实现了二者的高度统一，正逐渐成为现代设计发展过程中新的增长点[2]。

“仿生设计学”，又称“设计仿生学”，是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新的前沿学科，它以模拟的形式对生物系统的一些原理进行整理、分析和提炼，构思和设计出一种具有类似于生物系统某些特征的新的设计思维方法[3]。其涉及的学科众多、范围很广、内容丰富，如数学、生物学、工程学、美学等相关学科，按照大致的研究方法，本课程主要涉及形态仿生设计学、功能仿生设计学、视觉仿生设计学和结构仿生设计学（见图1），并在此基础上进行课程的设计和安排，旨在希望学生通过本课程的学习，达到：掌握仿生设计的原则、方法和步骤；了解仿生信息获取的手段及处理方法；了解仿生设计与传统设计的本质区别。

图1 “仿生设计学”课程涉及范围

因此在教学过程中按照设计的基本思路，主要将课程建设分成几个大的部分（见图2）。

图2 “仿生设计学”课程架构框图

传统的设计学注重产品表达，学生在学习过程中被动接收理论知识，重视目的性，但忽视了创新性[4]。在“新工科”建设的培养计划/课程体系中，是蕴含着“工程设计思维”的，但是由于传统工程教育过于强调知识的传授，对工程设计思维培养略显不足[5]。“仿生设计学”将仿生、设计、制造集成一体化的思想融入课程教学之中，给学生充分自主的思考空间。因此，本门课程还包括实验课，其是完成本课程教学的重要环节，通过实验使学生了解并掌握仿生信息测试技术，使其初步具备分析、设计实验的能力，在知识结构上注意将能力要求贯穿于实验教学全过程，循序渐进，逐步深入地培养学生独立思考、综合分析、科学思维能力和创新意识，以达到全面提高学生综合素质的教学目的。“仿生学是新世纪原始创新的不竭动力与源泉”，仿生学使人类获得了源源不断的创造力，从而走到了生物链的顶端，创造并且改变着世界。工程仿生学科是仿生学与工程技术的结合，是新兴交叉学科，是科技创新的前沿与热点，有利于推进原创性成果的产出，形成新的知识与技术生长点；通过多学科交叉融合、多学科专业人才的联合，有利于解决工程领域中重大的理论问题和技术难题。充分发挥工科背景优势，强化实践环节教学，提升学生的创新能力、工程意识、实践能力与职业素养，培养具有创新创业意识与能力的交叉学科优秀人才[6]。

全面落实立德树人根本任务，遵循教育教学规律和人才成长规律，坚持育人为本、德育为先，推动社会主义核心价值观成为学生的行为准则。创新主题教育活动形式，深化主题社会实践和志愿公益活动，在学生日常教育中融入中华优秀传统文化和传统美德教育，形成可示范、可引领、可推广的学生德育模式。在专业知识教学的同时，注重培养学生正确的人生观、价值观和世界观，教育引导学生成为“有理想、有追求、有担当、有作为、有品质、有修养”的兼具德智体美的优秀人才。

4 结语

紧密围绕中国创新驱动发展、《中国制造2025》等国家重大部署，着力开展智能车辆、智能装备制造、工程仿生等行业领域亟需的“新工科”拔尖人才培养，通过“仿生设计学”课程建设，为将来的仿生科学专业课程设计、毕业设计和实际工作等奠定坚实基础，为汽车、农机等机械工业行业领域以及国防工业领域培养高端人才做出贡献。