“生物物理學(xué)”教學(xué)內(nèi)容與過程的改革與實踐探索

郝長春+孫潤廣

摘要：學(xué)科交叉是科學(xué)發(fā)展的大趨勢，物理學(xué)與生物學(xué)的交叉日益密切，一些高校在相關(guān)專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了生物物理課程。生物物理課程具有必要性、創(chuàng)新性、前瞻性且受眾面廣的特點，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，課堂設(shè)計應(yīng)具有一定的趣味性和應(yīng)用性，進而促進學(xué)生綜合素質(zhì)與教師業(yè)務(wù)水平的提高。本文在傳統(tǒng)教學(xué)的基礎(chǔ)上，從課程內(nèi)容和授課方式上提出教學(xué)內(nèi)容和過程的改革方向，并將其應(yīng)用到教學(xué)實踐中，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：生物物理;交叉學(xué)科;教學(xué)改革

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）43-0120-02

隨著教學(xué)科研的深入，學(xué)科間的交叉已經(jīng)成為科學(xué)發(fā)展的必然趨勢[1]，成為探尋科研前沿創(chuàng)新方向的重要途徑。生物物理學(xué)是物理學(xué)與生物學(xué)相互結(jié)合產(chǎn)生的一門交叉學(xué)科，它是研究生命物質(zhì)的物理性質(zhì)、生命過程的物理學(xué)與物理化學(xué)規(guī)律以及物理因素對生命系統(tǒng)作用機制的一門新興學(xué)科。目前生物物理學(xué)引起了一些高校物理和生物專業(yè)人員的普遍重視，并且許多已經(jīng)引入生物物理學(xué)課程[2]。筆者在生物物理教學(xué)實踐過程中發(fā)現(xiàn)用傳統(tǒng)的教學(xué)方法講解課本上的內(nèi)容和知識對于單一學(xué)科（生物專業(yè)或物理專業(yè)）的大學(xué)生來說，由于在某一方面有所欠缺，所以接受課堂知識有些困難，這就需要教師在課堂上注意授課內(nèi)容的傳授方式和課堂氣氛的調(diào)節(jié)，從而激發(fā)學(xué)生興趣，只有這樣學(xué)生才能在興趣的引導(dǎo)下，下功夫?qū)W習(xí)相關(guān)知識。課程教學(xué)實踐過程中主要通過教學(xué)內(nèi)容多樣化和應(yīng)用趣味化、多媒體教學(xué)等方面進行了探索，學(xué)生反應(yīng)較好并取得了一定的進展。具體實施內(nèi)容如下。

一、教學(xué)內(nèi)容構(gòu)建與拓展

本文按照生物物理課程不同章節(jié)進行闡釋和拓展，以期達(dá)到激發(fā)學(xué)生興趣、培養(yǎng)學(xué)生自主意識和創(chuàng)新能力的目的。

1.生物物理緒論章節(jié)講授生物物理學(xué)科建立的背景、意義、發(fā)展，使學(xué)生具有拓展科學(xué)知識視野的認(rèn)識，了解生物學(xué)與物理學(xué)交叉產(chǎn)生生物物理學(xué)的過程，詳細(xì)介紹生物物理包含的分支，學(xué)科的交叉將給整個自然科學(xué)的發(fā)展帶來嶄新的局面。同時可以拓展介紹我國生物物理學(xué)科發(fā)展的現(xiàn)狀，生物物理學(xué)科奠基人貝時璋院士創(chuàng)辦中科院生物物理所以及其他高校生物物理的開設(shè)情況，讓學(xué)生有個總括的認(rèn)識和了解。

2.分子生物物理主要是運用物理學(xué)理論和技術(shù)研究生物大分子的結(jié)構(gòu)及其構(gòu)象變化、分子內(nèi)部以及大小分子之間的相互作用、生物體系中能量的狀態(tài)等。主要內(nèi)容包括：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)測定、核酸的結(jié)構(gòu)變化以及維持DNA雙螺旋的力（氫鍵、疏水作用力、范德華力等）、維持生物分子構(gòu)型和構(gòu)象的熱力學(xué)基礎(chǔ)等問題，通過基本知識的講解可以拓展討論轉(zhuǎn)基因食品的安全以及危害，通過調(diào)研相關(guān)文獻(xiàn)讓學(xué)生對此進行深入了解，從而加深知識的靈活性。

3.膜與細(xì)胞生物物理主要包括生物膜的組成成分（脂、蛋白、膽固醇等）、分類（甘油磷脂、鞘磷脂、糖脂等）、膜的特性（不對稱性、流動性、選擇通透性等）及膜上的分子特征，重點介紹生物膜模型的認(rèn)識演化過程（三明治模型、板塊模型、流體鑲嵌模型、脂筏微區(qū)模型等）和生物膜分子結(jié)構(gòu)與生命疾病過程的關(guān)系（膜脂筏微區(qū)結(jié)構(gòu)變化與老年癡呆癥、糖尿病等的關(guān)系），從理論到現(xiàn)實生活相結(jié)合達(dá)到全面了解和掌握。

4.神經(jīng)生物物理主要包括神經(jīng)生物物理的發(fā)展簡史、研究目標(biāo)和發(fā)展方向、神經(jīng)元電生理模型和動力學(xué)模型及神經(jīng)元間的通訊方式，了解神經(jīng)元、靜息電位、動作電位的產(chǎn)生機理和特性，學(xué)習(xí)噪聲作用下兩個FitzHugh-Nagumo神經(jīng)元的同步活動，得到頻率同步活動和噪聲強度、耦合強度的三維關(guān)系圖。引申介紹神經(jīng)系統(tǒng)在人生命活動及感官功能方面的作用，達(dá)到綜合理解神經(jīng)系統(tǒng)生理過程。

5.自由基生物物理介紹自由基基本概念、自由基產(chǎn)生、性質(zhì)、反應(yīng)、自由基的研究方法（電子順磁共振、超微弱化學(xué)發(fā)光、超氧陰離子和過氧化氫的測定及相關(guān)酶活力的測定等）、體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生及自由基對人體的危害等方面。通過學(xué)習(xí)自由基生物物理讓學(xué)生了解人類衰老與自由基的關(guān)系、自由基與健康的關(guān)系、自由基與人類疾病的關(guān)系，如何降低自由基對人體的傷害，指導(dǎo)合理的飲食及生活習(xí)慣配合，并攝取相應(yīng)的食物來降低自由基和抗氧化，從生活角度啟發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生興趣等。

6.感官生物物理主要包括耳朵的結(jié)構(gòu)（耳廓、外耳道、鼓膜、聽骨鏈、咽鼓管、耳蝸、前庭器官）、聽覺的過程、聲壓聲阻抗的定義;視覺產(chǎn)生的原因與物理凸透鏡成像關(guān)系、眼睛的結(jié)構(gòu)（角膜、房水、晶狀體、鞏膜、脈絡(luò)膜、視網(wǎng)膜、玻璃體、視神經(jīng)）、近視眼和遠(yuǎn)視眼的原因及防治等;嗅覺味覺產(chǎn)生的機理等知識?？梢砸杲榻B助聽器的應(yīng)用、最先進的視覺生成器治療技術(shù)及味覺和嗅覺的阻遏和拓寬應(yīng)用，使學(xué)生在該領(lǐng)域有個全面的了解，為物理原理在生理過程中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

7.血液流變生物物理學(xué)內(nèi)容包括血液的成分組成（血漿、紅細(xì)胞、血小板、白細(xì)胞）、血液的理化性質(zhì)（比重、滲透壓、pH值、電特性）、影響血液粘度的因素（剪變率、紅細(xì)胞壓積、紅細(xì)胞聚集、紅細(xì)胞變形、血漿粘度）、血液的本構(gòu)方程（卡森方程）、血液中紅細(xì)胞、血小板、白細(xì)胞的流變性知識（流動性、粘彈性），拓展介紹人類血液疾病例如白血病的產(chǎn)生原理及治療途徑和方法，使大學(xué)生對該領(lǐng)域內(nèi)容有全面的了解。

8.光生物物理主講光在光合作用中的作用及循環(huán)、針對光對生物的作用衍生出的熒光粉以及熒光產(chǎn)生的原理，結(jié)合原子核物理知識揭示電子軌道躍遷產(chǎn)生熒光的機理;講解熒光過程捕獲，影響熒光強度的因素（濃度、環(huán)境、溫度等），熒光壽命的概念及應(yīng)用;相對應(yīng)的磷光的知識及生物大分子能量和能量轉(zhuǎn)移的應(yīng)用方面，介紹生物分子的熒光機理，蛋白質(zhì)、核酸的發(fā)光基團特性，歸納總結(jié)熒光分子的共同特點，闡釋熒光磷光在生物物理實驗過程中的標(biāo)記和應(yīng)用。拓展介紹激光在生物儀器如激光共聚焦顯微鏡中的應(yīng)用，激光在農(nóng)業(yè)育種、殺蟲除草中的應(yīng)用以及激光在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)美容中的應(yīng)用，例如激光祛斑，、眼部手術(shù)等知識，使同學(xué)從日常生活出發(fā)，學(xué)有所用，激發(fā)興趣。

9.輻射生物物理中簡介輻射源的種類（天然放射源、人工輻射源），表征輻射的物理量（放射性活度、照射量、吸收劑量、劑量當(dāng)量、傳能線密度），射線對生物機體的傷害原理（直接作用和間接作用），如何防護等。拓展介紹人類歷史上烏克蘭切爾諾貝利核事故，然后再結(jié)合日本大地震導(dǎo)致的福島核電站等背景知識來使本章知識生活化，讓同學(xué)們科學(xué)認(rèn)識核污染以及防范措施。

10.電磁生物物理的主要內(nèi)容包括生物電磁效應(yīng)、生物分子在電場和磁場中的排布和取向，拓展介紹心電圖、腦電波、磁療儀等醫(yī)療設(shè)備的工作原理和生物物理的關(guān)系，使學(xué)生學(xué)到的知識得到應(yīng)用，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣;

11.生物物理新技術(shù)新方法中主要講光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)的發(fā)展、物理光學(xué)的應(yīng)用、光譜技術(shù)的原理（紫外、紅外、拉曼、圓二色）等技術(shù)，介紹研究生物分子的儀器原理及應(yīng)用例如X-射線技術(shù)、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡、核磁共振成像等。

二、教學(xué)過程的實踐

傳統(tǒng)的教學(xué)方法對于交叉學(xué)科來說效果通常不是很明顯，學(xué)生最初積極性會很高，但是隨著知識的深入，逐漸會變得冷淡。面對此種問題一定要注重教學(xué)中教與學(xué)的雙方交流，激發(fā)教學(xué)雙方的主動性，可以通過相關(guān)課程視頻進行多媒體解讀、分析活躍課堂氣氛，得到教學(xué)相長[3]，例如可以選取“貝時璋生平”、“核輻射危機”、“手機輻射實驗”、“人體衰老密碼”等相關(guān)的視頻進行短片分析，這樣就可以達(dá)到教師和學(xué)生互動，鍛煉同學(xué)分析問題、歸納問題的能力。同時在電磁生物物理章節(jié)還可以通過實驗檢測手機基站周圍輻射強度以及手機在信號和電量不足時輻射的強度變化探討電磁場對生物體的作用等實驗來分析，讓學(xué)生真正參與到課程教學(xué)中，達(dá)到互動，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，從而提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)[4]。

除了多媒體應(yīng)用以外，課堂還可以進行互動的教學(xué)模式。針對某一章節(jié)設(shè)立主題探討小組，精選案例分析，讓學(xué)生真正參與到課堂活動中，發(fā)揮其積極性，這樣學(xué)生就會查閱很多資料和參考書，增添了學(xué)習(xí)的樂趣。例如在電磁生物物理拓展知識心電圖介紹中，同學(xué)在體檢時就會特意留意觸頭的部位，了解其工作原理，學(xué)以致用，寓教于樂。

三、展望

生物物理課程的構(gòu)建可以培養(yǎng)學(xué)生多元化的背景知識，培養(yǎng)創(chuàng)新精神，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)科交叉，對提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)具有非常重要的意義。在課堂教學(xué)過程中一定要注意知識的積累和啟發(fā)，貼近生活，這樣課堂內(nèi)容才會生動有趣，達(dá)到學(xué)以致用，才能實現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)生培養(yǎng)的目的，才能在科學(xué)理論和技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域取得一定的進展和突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭亞輝，李奇楠，羅旺，任曉輝.地方高校物理專業(yè)引入生物物理課的必要性研究[J].高師理科學(xué)刊，2013，33（5）：114-117.

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[4]李春華，張小軼，王存新.生物物理課中“互動式”教學(xué)方法初探[J].理工高教研究，2010，29（1）：120-121.