生物物理交叉學科研究生培養(yǎng)模式探索與實踐

喬曉艷 董有爾 王宏飛

[摘要]物理學與生物學交叉融合日益成為現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，交叉學科復合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)隨之成為研究生教育中的關(guān)鍵問題。文章從生物物理交叉學科研究平臺建設、研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)、跨學科研究課程設置、交叉學科研究生導師團隊設立等幾個方面，系統(tǒng)闡述了生物物理交叉學科研究生培養(yǎng)模式以及實踐中的具體措施與方法，對提高交叉學科研究生培養(yǎng)質(zhì)量具有重要指導意義。

[關(guān)鍵詞]生物物理 交叉學科 研究生培養(yǎng) 創(chuàng)新能力

當今，科學技術(shù)綜合化、整體化的發(fā)展趨勢日益明顯，自然科學各學科間相互交叉、滲透，形成了一系列新興的邊緣學科、交叉學科和綜合性學科。學科交叉融合成為了優(yōu)勢學科的發(fā)展點、新興學科的生長點、重大創(chuàng)新的突破點，同時也是人才培養(yǎng)的制高點。進入21世紀后，隨著生物科學的飛速發(fā)展，物理學與生物學的交叉成為一個重要趨勢，物理學中的理論模型、實驗技術(shù)和計算方法在生物系統(tǒng)中得到了廣泛應用，一些具有創(chuàng)新性、對生命科學和醫(yī)學發(fā)展有重大推動作用的物理新技術(shù)正是在跨學科研究中發(fā)展起來的[1]。因此，國外許多研究型大學紛紛成立了生物、物理和工程學的跨學科研究組織，并積極開展交叉學科研究生教育[2]。與發(fā)達國家相比，我國跨學科研究和研究生的培養(yǎng)處在一個起步階段，相關(guān)的教育模式還沒有形成較為完整的體系，存在很大的發(fā)展空間[3]。如何借助跨學科研究，使研究生教育與現(xiàn)代科技的交叉滲透整體化發(fā)展相適應， 是研究生培養(yǎng)工作中一個亟待解決和加強的課題。因此，本文以生物物理交叉學科研究生培養(yǎng)為典型研究范例，對交叉學科研究生教育模式進行深入研究分析，并闡述實踐中探索的具體方法和措施。開展生物物理交叉學科研究生教育模式探索，有利于加強學科建設，促進傳統(tǒng)優(yōu)勢學科物理學、光學和生物學的發(fā)展，培育和造就新的優(yōu)勢學科，催生新的研究方向；有利于培養(yǎng)和提高研究生的創(chuàng)造性，造就具有復合知識結(jié)構(gòu)、能力與素質(zhì)的創(chuàng)新人才；有利于師資隊伍建設，促進具有多學科知識背景的跨學科帶頭人的迅速成長，為申請國家重大科技課題儲備人才。

一、構(gòu)建交叉學科研究組織和平臺，發(fā)揮現(xiàn)有學科優(yōu)勢與特色

成立跨學科研究中心、交叉學科研究實驗室等跨學科組織，以此學術(shù)組織匯集來自不同學科、具有不同知識背景的研究生一起開展科學研究和學術(shù)活動，促進不同學科間的實質(zhì)性滲透、交叉和融合。美國許多著名的研究型大學，如麻省理工大學、斯坦福大學、加州大學伯克利分校等擬定了“Bio-X”計劃，組建了跨物理學和生物學的研究中心，把物理學家和生物學家集中到共同的生命科學問題研究中去，以便更好地發(fā)揮物理學的思想、理論、技術(shù)和方法在生命科學研究中的作用[4]。北京大學成立了“前沿交叉學科研究院”， 開展生物、醫(yī)學、物理學、工程學跨學科研究，培養(yǎng)交叉學科的復合型優(yōu)秀人才，在交叉學科研究生培養(yǎng)方面做了有益的嘗試[5]。

建立交叉學科研究組織和平臺， 是開展跨學科學術(shù)研究的重要保障。在此方面，以我校光學國家重點學科和生物工程教育部重點學科為依托，建設了生物單分子操縱和光量子生物探測交叉研究中心；依托我校物理電子學科，建立了生物物理測量交叉研究實驗室；依托信號與信息處理學科，建立了神經(jīng)生物信息學交叉研究室。吸引物理學、生物學、電子信息等不同學科的研究人員和技術(shù)力量，引進了日本理化研究所蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究方向的科研人員，并以此跨學科研究組織為基礎，申請國家重大研究課題、國際合作項目以及重大專項課題。以教師的科學研究項目為導向，組建了三個交叉研究學術(shù)平臺：（1）生物光，以生物光子學與激光醫(yī)學為重點，開展生物單分子操縱和光量子生物探測交叉研究，利用光學測量手段探測各種生命信息，研究生命系統(tǒng)中的光效應，開發(fā)新型生物光學材料和光生物傳感器；（2）生物電，主要在細胞生物電、神經(jīng)生物電以及生理電信號檢測方面進行理論和應用交叉研究，以電子學、生物學、計算機科學、控制科學為背景，以腦-機交互和腦控機器人研究為重點突破，進行前瞻性、交叉性的基礎應用研究；（3）生物磁，進行了生物弱磁測量和生物電磁效應的交叉研究，以生物弱磁測量方法和磁場對細胞膜離子通道特性影響的實驗為突破，在理論方法和實驗技術(shù)上進行生物物理交叉學科研究。這些學術(shù)研究組織和平臺的建立，為研究生進入交叉學科前沿技術(shù)奠定了良好的基礎，有效提高了研究生培養(yǎng)質(zhì)量和效率。

二、凝練跨學科研究方向，培育新興交叉學科生長點

由于生物物理跨學科研究內(nèi)容十分廣泛，包括：分子生物物理、膜和細胞生物物理、光生物物理、理論生物物理、神經(jīng)生物物理、生物控制論和生物信息學、環(huán)境輻射生物物理、生物力學與流變學以及生物物理技術(shù)等九大方面[6]。因此，實踐中需要認真提煉科學問題，凝練研究方向。根據(jù)我們現(xiàn)有物理學和電子學的學科優(yōu)勢和人才隊伍，將生物物理交叉研究工作主要集中于四個方面（1）細胞生物電測量與物理因子的生物效應研究；（2）神經(jīng)信息處理與腦-機交互（BCI）技術(shù)研究；（3）生物信息學研究（4）生物醫(yī)學傳感與檢測技術(shù)研究。圍繞腦控機器人、運動過程與大腦認知相關(guān)的腦-機交互中信號的傳輸、處理、控制技術(shù)及系統(tǒng)實現(xiàn)問題，開展神經(jīng)信息處理與腦-機交互技術(shù)研究，在運動想象BCI信號處理與模式識別方法上取得了顯著成果，研究生提出和完成的基于小波包熵和SVM的識別技術(shù)，獲得了腦機接口競賽數(shù)據(jù)處理的最優(yōu)水平。圍繞激光和弱磁誘導下，神經(jīng)細胞膜離子通道門控動力學特性分析，開展了物理因子（光、電、磁、超聲）作用的細胞生物效應研究。由于此方向研究平臺建設和隊伍建設相對較完善，并針對國內(nèi)外前沿交叉技術(shù)提煉研究問題，結(jié)合我們在物理學和工程學科研究積累的優(yōu)勢，該研究方向的成果處于國內(nèi)先進水平，培養(yǎng)的研究生被清華大學等國內(nèi)一流大學錄用。圍繞生物信息學，開展重大疾病的蛋白質(zhì)基因序列預測與識別，研究虛擬細胞，利用快速增長的生物數(shù)據(jù)庫模擬細胞，從基因出發(fā)到細胞再到整個器官及系統(tǒng)，定量模擬生物體的結(jié)構(gòu)和生理功能，為重大疾病的研究和治療提供必要的信息和依據(jù)。目前，我們這方面工作剛剛展開，但應用前景十分廣闊。由于我們根據(jù)現(xiàn)有學科優(yōu)勢、人才隊伍、交叉研究前沿問題，凝練研究方向，培育交叉學科生長點，并制定切合實際的培養(yǎng)方案。因此，在相對較短的培養(yǎng)時間內(nèi)取得了較大的成績，研究生在國內(nèi)外重要學術(shù)期刊上發(fā)表生物物理跨學科研究論文60余篇，被SCI和EI檢索49篇，研究生申報科技創(chuàng)新課題，獲得各種獎勵數(shù)量明顯增多，使我們的研究生教育和科學研究實現(xiàn)了“雙贏”。

三、建立以問題驅(qū)動的跨學科研究方法，提升交叉學科研究生創(chuàng)新能力

科學研究始于問題，科學問題是科學探究活動的對象，并貫穿于探究活動的始終。應該特別關(guān)注交叉學科領(lǐng)域中科學問題的提出，鼓勵研究生在生物物理學科交叉點上發(fā)現(xiàn)問題，訓練研究生在文獻閱讀和研究探索中迅速發(fā)現(xiàn)不同學科邊緣問題并能抓住問題實質(zhì)的能力。同時，引導跨學科研究生與不同學科研究生之間交流各自領(lǐng)域的前沿問題和熱點問題。這種研究有利于提升交叉學科研究的整體科研能力，加速交叉學科科研成果的應用。實踐中，我們要求研究生在第一年學習階段，將生物物理交叉領(lǐng)域取得的重大科技成果，如獲得諾貝爾獎的蛋白質(zhì)晶體衍射技術(shù)、離子通道膜片鉗技術(shù)、核磁共振成像技術(shù)等，通過認真學習，充分了解交叉研究歷史背景、反思研究過程之精妙，引導研究生拓寬思考問題的角度和解決問題的手段，激發(fā)他們的研究興趣和熱情，進而提高創(chuàng)新研究能力。經(jīng)過一年的實踐鍛煉，我們的研究生在選題和開題時都能夠非常自如地把握交叉研究問題，并創(chuàng)造性的提出解決問題的思路、方案和方法。

四、開設生物物理跨學科研究課程， 營造良好的交叉學科學術(shù)交流氛圍

由于目前專業(yè)學科間的壁壘， 一些學生知識面狹窄，這與學科的縱深發(fā)展、學科的綜合交叉極不匹配。因此，我們在交叉學科研究生教育中，根據(jù)交叉研究的方向，精心選擇和開設跨學科選修課，已經(jīng)成為提高研究生綜合素質(zhì)的一個重要舉措。例如：增加了“細胞生物學”、“生理學”等與研究相關(guān)的補修課程，設置了“生物物理新方法與新技術(shù)”和“生物物理學前沿進展”等交叉課程，開設了“生物醫(yī)學檢測與信號處理”、“生物信息學”等選修課程。這些課程的學習，極大地豐富了研究生的跨學科專業(yè)知識，為交叉學科課題研究打下了良好的基礎。此外，我們還邀請其他院校、研究所的專家進行學術(shù)講座， 積極參與跨學科的學術(shù)交流。同時，鼓勵研究生積極參與各種學術(shù)會議。這些學術(shù)交流無疑使研究生更加關(guān)注本學科與其他學科的交叉發(fā)展及前沿動態(tài)，開闊了他們的視野和研究興趣，提高了跨學科研究能力。

五、成立跨學科研究生指導團隊，保證復合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量

在研究生培養(yǎng)上， 我國絕大多數(shù)高等院校和科研院所還是采用由一名導師指導若干名研究生的方法。跨學科研究生培養(yǎng)不僅要求橫向意義上的交叉融合，還應包含縱向意義的覆蓋，注重基礎研究與應用研究的交叉。因此，實踐中我們采取由導師系統(tǒng)指導與跨學科團隊集體培養(yǎng)相結(jié)合的方法， 特別是新興學科、邊緣學科由導師和相關(guān)學科的教師聯(lián)合指導研究生， 使學生不局限于某一導師的理論、知識，能夠充分了解并運用各種新知識和新技術(shù)。在研究生指導中，采取了研究生每周匯報，由導師系統(tǒng)指導，并有生物學、物理學、工程學領(lǐng)域的跨學科導師團隊參與共同指導。經(jīng)過三年多的運作，取得了很大成效，不僅為不同知識背景的研究生提供了很好的學習交流機會，而且也為不同學科背景的教師提供了良好的交流和研討平臺，在討論過程中，不斷有學科交叉的新思想、新方法和新技術(shù)產(chǎn)生和碰撞，我們的許多科研課題正是在這種集體指導學生的匯報討論中形成，研究生也在此過程中獲得了從不同學科層面分析問題和解決問題的能力，保證了復合型人才培養(yǎng)的質(zhì)量。

六、結(jié)束語

實踐證明，我們的交叉學科研究生培養(yǎng)，突出發(fā)揮了現(xiàn)有學科的特色和多學科的綜合優(yōu)勢， 有力地推進了學科間交叉融合與創(chuàng)新，促進了新的學科優(yōu)勢和特色形成，全面提升了交叉學科研究水平，為復合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)奠定了良好的基礎。目前，對生物物理交叉學科研究生創(chuàng)新人才培養(yǎng)仍然在不斷探索中，由于交叉學科研究生教育有別于傳統(tǒng)單一學科研究生教育，而且隨著科技和社會的發(fā)展，交叉學科研究生培養(yǎng)呈現(xiàn)越來越重要的地位。因此，對交叉學科研究生培養(yǎng)模式和方法的改革將會不斷繼續(xù)和完善。

基金項目：山西省研究生教育改革項目（編號：20112011）；國家級物理實驗教學示范中心重點支持研究項目

[參考文獻]

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[2]Suzanne A K. Interdisciplinary faculty development seminars： a model for learning emerging technologies while developing interdisciplinary partnerships [J]. Journal of Science Education and Technology， 2003，12（4）：426-429.

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（作者單位：山西大學 物理電子工程學院 山西太原）